直接序列扩频通信系统的设计和仿真与实现学士学位论文(编辑修改稿)

直接序列扩频通信系统的设计和仿真与实现学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

PCS： CDMA 个人通讯服务系统。 与运行在 800MHz的 CDMA 进行比较，具有系统容量大、收费低，适用于人口稠密地区等特点。 CDMA 的特点： ：理论上， CDMA 移动网的容量比模拟网大 20 倍。 实际要比模拟网大 10倍，比 GSM 要大 45 倍。 f Ci 码 t 图 21 CDMA 的示意图 中北大学分校学士学位论文 5 2. 系统容量配置灵活：这是 由 CDMA 的原理决定的。 CDMA 是一个自扰系统， 所有移动用户都占用同一个带宽和频率，传输信号之间就会有干扰。 这就好像系统的带宽是一间大房子，所有的人都将进入这个大房子。 如果他们使用不同的语言 , 他们就可以清楚地听到同伴的声音，而其他人的谈话在他们听来只是干扰。 我们可以不断地增加用户直到整个背景噪音限制住我们的通话。 如果能控制住用户的信号强度 , 在保持通话的质量同时，我们就可以容纳更多的用户。 系统的软切换和自动跟踪多径信号技术，降低切换时通话中断的可能性，这便于用户在移动中进行通话和数据传输。 ：用户按不同的序列码区分，所以不相同 CDMA 载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。 音 质量好： CDMA 系统话音质量很高，其通话质量已经接近了固定电话的效果。 ： CDMA 的扩频技术和频率复用技术，充分利用信道容量，提高了网络接通率。 ： CDMA 系统中的通话保护措施可提供最佳的保密特性，防止通信过程中被窃听和手机密码被盗。 ： CDMA 系统的发射功率非常小，最大只有 200 毫瓦，正常通话时仅需，因此移动电话功耗小，无线辐射能量低。 所以又被称为“绿色手机”。 ： CDMA 采用宽带技术，支持短消息、语音信箱、自动漫游、呼叫转移、呼叫等待、三方会谈、主叫号码显示、传真和数据通信等多项业务 CDMA 通信技术的基本原理 CDMA 通信技术的基础 CDMA 系统是以扩频调制技术和码分多址接入技术为基础的数字蜂窝移动通信系统。 目前扩频通信系统可分为： 1. 直 接 序 列（ DS） 扩频 所谓直接序列扩频 （ DS： Ddirect Sequence） ，就是使用具有高码率的扩频序列，在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的 扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。 2. 跳频 （ FH） 扩频 跳频（ FH： Frequence Hopping），它是用一定的码序列进行选择的多频率频移键控。 也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变。 3. 跳时（ TH） 跳时（ TH： Time Hopping）是使发射信号在时间轴上跳变。 我们先把时间轴分成许多时片，在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。 即：用一定的码序列进行选择的多时片的时移键控。 4. 线性调频（ Chirp） 如果发射的射频脉冲信号脉冲在 一个周期内，其载频的的频率做线性变化，则称为线性调频。 因为其频率在较宽的频带内变化，信号的频带也被展宽了。 这种扩频调制方式主要用在雷达中，在通信中也有应用。 中北大学分校学士学位论文 6 CDMA 通信技术的基本原理 点对点 CDMA 通信系统的组成如图 22 所示 发送端将话音数据通过通过伪随机码进行扩频，然后再进行高频调制，送到天线发射出去。 接收端经过解调、解扩恢复出话音数据。 在发送端将待传的的话音，通过 A/D 转换，将模拟话音成二进制数据信息，通过高速率的伪随机扩频调制，从原理上讲，两者相乘，扩展 到一个很宽的频带，因而在在信道中传输信号的带宽远远大于原始信号本身带宽。 在接收端，接收机不但接收到有用的信号，同时还接收到各种干扰和噪声。 利用本地产生的伪随机序列进行相关的解扩。 本地伪随机码与扩频信号中中的伪随机码一致，因此可以还原成原始窄带信号，能顺利通过窄带滤波器，恢复话音数据，再通过 D/A 转换器恢复原始话音。 接收机接收到的干扰和噪声，由于与本地伪随机序列不相关，经过接收解扩（实质是相乘过程），将干扰和噪声频谱大大的扩展，频谱功率密度大大的下降（类似于发送端将信号频谱扩展），落入窄带滤波器的干扰和噪声分 量大大下降，因此在窄带滤波器输出端的信噪比得到了极大的改善，其改善程度就是扩频的处理增益。 CDMA 的应用前景 CDMA 以其本身所具有的特点及优越性而广泛应用于数字移动通信和个人通信系统中。 近年来 ,小卫星技术的发展为实现全球移动通信和个人通信提供了条件 , CDMA 引入卫星移动通信中 ,使卫星移动通信产生质的飞跃 ,并在全球移动通信和个人通信中占有决定性的地位。 在向第三代移动通信标准的演进中，靠目前的 GSM和模拟系统已远不能满足要求， 第三代 CDMA20xx的开发策略是对以 IS95标准为蓝本的 CDMA系统的平滑升级， CDMA20xx 1X在商用化进程方面处于领先阶段， CDMA20xx 1X 技术使得运营商可以灵活地引入多种先进数据服务来满足逐渐增长的市场需求，而且运营商可以在当前的 频带内就享用 3G 的能力。 因此 采用目前技术成熟、性能优越的 CDMA 系统 使得通信标准， 易于向第三代系统过渡。 话音数据 话音数据 PN 码 载频 本地载波 本地 PN码 图 22 CDMA 通信系统 中北大学分校学士学位论文 7 3． 扩频码序列 码序列的相关性 在扩展频谱通信中需要用高码率的窄脉冲序列。 这是指扩频码序列的波形而言。 并未涉及码的结构和如何产生等问题。 那么究竟选用什么样的码序列作为扩频码序列呢 ? 它应该 具备哪些基本性能呢 ? 现在实际上用得最多的是伪随机码，或称为伪噪声 (PN)码。 这类码序列最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。 因为噪声具有完全的随机性，也可以说具有近似于噪声的性能。 但是，真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生的。 我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，故称为伪随机码或 PN 码。 为什么要选用随机信号或噪声性能的信号来传输信息呢。 许多理论研究表明，在信息传输中各种信号之间的差别性能越大越好。 这样任意两个信号不容易混淆，也就是说，相互之间不易发生干扰，不会发生误判。 理想的传输信 息的信号形式应是类似噪声的随机信号，因为取任何时间上不同的两段噪声来比较都不会完全相似。 用它们代表两种信号，其差别性就最大。 在数学上是用自相关函数来表示信号与它自身相移以后的相似性的。 随机信号的自相关函数的定义为下列积分：      /2 /2 0 , 01l im 0Ta TT f f t d tT           当常 数 ， （ 31） 式中 f(t)为信号的时间函数，  为时间延迟。 上式的物理概念是 f(t)与其相对延迟的  的  ft 来比较 : 如二者不完全重叠，即 0 ，则乘积的积分 a为 0； 如二者完全重叠，即 0 ；则相乘积分后 a为一常数。 因此， a的大小可用来表征 f(t)与自身延迟后的  ft 的相关性，故称为自相关函数。 现在来看看随机噪声的自相关性。 图 31(a)为任一随机噪声的时间波形及其延迟一段 t 后的波形。 图 31(b)为其自相关函数。 当 t＝ 0 时，两个波形完全相同、重叠，积分平均为一常数。 如果稍微延迟一 t，对于完全的随机噪声，相乘以后正负抵消，积分为 0。 因而在以 t 为横座标的图上 at 应为在原点的一段垂直线。 在其他 t 时，其值为 0。 这是一种理想的二值自相关特性。 利用这种特性，就很容易地判断接收到的信号与本地产生的相同信 号复制品之间的波形和相位是否完全一致。 相位完全对准时有输出，没有对准时输出为 0。 遗憾的是这种理想的情况在现实中是不能实现的。 因为我们不能产生两个完全相同的随机信号。 我们所能做到的是产生一种具有类似自相关特性的周期性信号。 PN 码就是一种具有近似随机噪声这种理想二值自相关特性的码序列。 例如二元码序列1110l00 为码长为 7 位的 PN 码。 如果用＋ 1，－ 1脉冲分别表示 “l” 和 “0” ，则在图 31 (c)中示出其波形和它相对延迟  个时片的波形。 这样我们很容易求出这 两个脉冲序列波形的自相关函数，如图 31 (d)中。 自相关峰值在  ＝ 0 时出现，自相关函数在 177。  0/2 范围内呈中北大学分校学士学位论文 8 三角形。  0 为脉冲宽度。 而其它延迟时，自相关函数值为－ 1/7, 即码位长的倒数取负值。 当码长取得很大时，它就越近似于图 31(b)中所示的理想的随机噪声的自相关特性。 自然这种码序列就被称为伪随机码或伪噪声码。 由于这种码序列具有周期性，又容易产生，它就是下面即将介绍的 m 序列，成为直扩系统中常用的扩频码序列。 扩频码序列除自相关性外，与其他同类码序列的相似性和相关性也很重要。 例如有许多用户共用一个信道，要区分不同用户的信号，就得靠相互之间的区别或不相似性来区分。 换句话说，就是要选用互相关性小的信号来表示不同的用户。 两个不同信号波形 f(t)与 g(t)（ a） f（ t ）   t t  f（ t） （ b） f（ t） 图 31 随机噪声 的自相关性  rf   2t 02 （ d） t t f（ t ）  （ c） 02 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 中北大学分校学士学位论文 9 之间的相似性用互相关函数来表示：      /2/21l im Tc TT f t g t d tT   （ 32） 如果两个信号都是完全随机的，在任意延迟时间 t 都不相同，则上式为 0。 如果有一定的相似性，则不完全为 0。 两个信号的互相关函数为 0，则称之为是正交的。 通常希望两个信号的互相关值越小越好，则它们越容易被区分，且相互之间的干扰也小。 m 序列 m序列是最长线性移位寄存器序列的简称。 二进制的 m序列 是一种重要的伪随机序列，有优良的自相关特性。 容易产生、规律性强 ，但其随机性接近于噪声和随机序列。 m 序列在扩展频谱及码分多址技术中有着广泛的应用，并在 m序列 基础上还能够成其它码序列，因此无论从 m序列直接应用还是从掌握伪随机序列基本理论而言，应该熟悉 m序列的产生及其主要特性。 顾名思义， m 序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。 在二进制移位寄存器发生器中，若 n 为级数，则所能产生的最大长度的码序列为 2n－ 1位。 现在来看看如何由多级移位寄存器经线性反馈产生周期性的 m序列。 图 32 (a)为一最简单的三级移位寄存器构成的 m 序列发生器。 图中 Dl、 D D3 为三级移位寄存器，为模二加法器。 移位寄存器的作用为在时钟脉冲驱动下，能将所暂存的 “ 1” 或 “0” 逐级向右移。 模二加法器的作用为图中 (b)所示的运算，即0十 0＝ 0， 0 十 1＝ 1， 1 十 0＝ l， l 十 1＝ 0。 图 (a)中 D D3 输出的模二和反馈为 Dl的输入。 在图 (c)中示出，在时钟脉冲驱动下，三级移位寄存器的暂存数据按列改变。 D3 的变化即输出序列。 如移位寄存器各级的初始状态为 111 时，输出序列为 1110010。 在输出周期为 32 － 1＝ 7 的码序列后， D D D3 又回到 111 状态。 在时钟脉冲的驱动下，输出序列作周期性的重复。 因 7 位为所能产生的最长的码序 列， 1110010 则为 m序列。 钟脉冲 D1 D2 D3 输出 1110010 （ a） 三级移位寄存器构成的 m 序列发生器 中北大学分校学士学位论文 10 表 32 111101011001000 游程分布 这一简单的例子说明： m 序列的最大长度决定于移位寄存器的级数，而码的结构决定于反馈抽头的位置和数量。 不同的抽头组合可以产生不同长度和不同结构的码序列。 有的抽头组合并不能产生最长周期的序列。 对于何种抽头能产生何种长度和结构的码序列，已经进行了大量的研究工作。 现在已经得到 3 100 级 m序列发生器的连接图和所产生的 m序列的结构。 例如 4 级移位寄存器产生的 15 位 的 m 序列之一为 111101011001000。 同理我 们 不难得到3 6 12 25 51 l023„ 位的 m序列。 一个码序列的随机性由以下三点来表征： 1. 一个周期内 “l” 和 “0” 的位数仅相差 1位。 2. 一个周期内长度为 l 的游程 (连续为 “0” 或连续为 “l”) 占 1／ 2，长度为 2 的游程占 l／ 4，长度 3 的游程占 l／ 8。 只有一个包含 n个 “l” 的游程，也只有一个包含 (n— 1)个“0” 的游程。 “l” 和 “0” 的游程数相等。 3. 一个周期长。