直扩信号发生器的设计毕业论文(编辑修改稿)

直扩信号发生器的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。 扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。 式（ ）中由于噪声功率 N 与信道带宽 B 有关，若噪声功率谱密度为 0n 时，则噪声功率为 N= 0n B 那么式（ ）可以用另一种方式来表示 2 0log (1 )SCB nB （ ） 由上式可以看出信道的容量要 受到 三个要素 的 限制，即系统频带带宽 B、噪声功率谱密度的幅值 0n 以及信号的功率 S。 这三个要素确定了，系统的信道容量也就确定了。 扩频通信就是根据 该 信道容量的公式，通过扩展频谱来拓展信道容量。 扩频通信的原理 扩频通信，从电磁波利用来看，与一般现有的常规通信方式完全不同。 扩频通信利用伪随机编码把信息数据 （ 窄带信号）的频谱进行扩展，形成宽带的低功率谱密度信号发 射 ， 使用不同的伪随机序列编码，不同通信用户可在 同一 频段、同一时间工作，互不影响或干扰极小 地 进行通信。 常规的通信 是 在频段上细分（频分）或时间上细分（时分）给通信用户，彼此互不干扰地分别使用。 因此，扩频通信在调制、解调上 都与众不同。 扩频通信的基本原理如图 11所示，信息数据经扩频调制后变成带宽 为 B1 的信号（ B1 为窄带信号的带宽），用扩频码发生器产生的伪随机编码（ PN 码）去对基带信号 进行 扩频调制，形成带宽为 B2（ B2B1）、功率谱密度极低的扩频信号后再发射。 2lo g (1 / )C B S N南昌航空大学科技学院学士学位论文 10 每个通信用户使用各自不同的伪随机序列编码，可以同时 使用带宽为 B2 的 同 一频带。 在接收端，首先使用与扩频信号发送者相同的伪随机序列编码作扩频解调处理，把 宽带信号恢复成通常的 窄带 基带信号，再使用通常的通信处理手段解调出发送来的信息数据。 显然，当接收端不知道发送来的扩频信号所使用的 伪 随机编码时，要进行扩频是相当困难、甚至是不可能的 ， 这时实现了信息数据的保密 通信。 如果接收端用某一伪随机 编码在接收端 接收 某一发送端发送来的信号时，通信中的另一些伪随机编码调制的 扩频信号不能在该接收端的扩频解调处理器中形成明显的信号输出 ，即不会对接收端的扩频解调处理形成干扰。 这样，接收端使 用 不同 的 伪随机编码 作扩频解调，就可得到不同发送者发送来的信息数据，实现多用户（多址）通信。 图 11 扩 频通信 原理图 1． 5 扩频通信的主要特点 由于扩频通信大大扩展了信号的频谱，发送端用扩频码序列调制，在接收端利用相关解调技术恢复出信息数据，所以它具有一系列优良的性能。 1 抗干扰性强 扩 频通信系统的频谱越宽，处理增益越高，抗干扰性能越强，从理论上讲，扩频通信能把信号从噪声淹没中提取出来。 在接收端对干扰频谱能量加以扩散，对信号频谱能量压缩集中，因此 在输出端就得到了信噪比的增益，这样扩频通信 系统 可以 在 很小的信噪比情况下进行通信，甚至可在信号比干扰信号 强度 低得多的条件下实现可靠的 通信。 这种“去除干扰”的性能，是扩频通信的主要优点之一， 现分析如下： 1) 当接收机本地解扩码与收到的 信息 码完全一致时，所需要的信号恢复到未扩频前的原始带宽，而其他任何不匹配的干扰信号被接收机扩散到更宽的频带，从而使信息 调制 扩频 调制 射频 调制 变频 解调 扩频 解调 信息 解调 扩频 码发 生器 射频 发生 器 本地同步电路 本地 扩频 码发 生器 南昌航空大学科技学院学士学位论文 11 落入到信息带宽范围的干扰强度被大大降低了，当通过窄带滤波器 时 ，就全部抑制了滤波器 的带外干扰 信号。 2）扩频系统的抗干扰性能，取决于系统对信号与噪声功率的压缩和扩展处理 的比值 ，该处理增益越大，则系统抗干扰能力越强。 例如，处理增益为 30dB， 则接收机可在 15~20dB 的信噪比下提取信号，除去内部损耗约 2dB 外，接收机还能在干扰信号比有用信号强 18dB 的条件下，仍有不小于 10dB 的工作信噪比，既有 10dB 的 余量做信号解调，进行正常通信。 3）系统对高斯白噪声干扰、正弦波干扰、邻码干扰以及脉冲干扰均有较强的抗干扰能力 ， 对多径效应的影响不敏感。 对正弦波干扰有独特的抵抗能力，这对于电子对抗是十分有利的。 当然，在接收端一般采用相关检测或匹配滤波的方法提取信号。 此外，对于单频及多频载波 信号的干扰、其他伪随机调制信号的干扰以及脉冲正弦信号的干扰等，扩频系统都有抑制干扰提高输出信噪比的作用。 特别是对抗敌人人为干扰方面，效果更是突出，这也是在军事通信领域率先广泛应用的主要原因。 简单 地 说，如果信号带宽展宽 10 倍，干扰方面需要在更宽的频带进行干扰，分散了干扰功率。 在总功 率不变的条件下，其干扰强度只有原来的 1/10。 要保持原有的干扰强度，必须加大 10 倍总功率，这在实际的战场条件下有时是很难实现的。 另外，由于在接收端采用扩频码序列进行相关检测，即使采用同类型信号进行干扰，如果不能检测出有用信号的码序列 ，由于不同码序列之间的相关性，干扰也起不了太大的作用。 可以说 ，抗干扰性是扩频通信最突出的优点。 2 隐蔽性好 由于扩频信号在很宽的频带上被 扩展 ，单位频带内的功率很小，即信号的功率谱密度很低，所以应用扩频码序列扩展频谱的 直 序 扩频系统，可在信道噪声和热噪声的背景下 以 很低的信号功率谱密度上通信。 信号既然被淹没在噪声里，敌方就很 难 发现有信号的存在，想进一步检测信号的参数就更困难了。 因此，扩频信号具有很低的被截获概率，这在军事通信上是十分有用的，可以进行隐蔽通信。 再者，由于扩频信号具有很低的功率谱密度，对目前使用的各 种窄带通信系统的干扰很小。 近年来在民用通信上，各国都在研究和在原有窄带通信的频带内同时进行扩频通信，大大提高了频带利用率。 特别是对于一些信 息 的通信服务，如个人通信服务，采用扩频码分多址方式时，理论和实践证明，不需要分配另外的频段即可实现，因而引起了广泛的重视。 3 实现码分多址 南昌航空大学科技学院学士学位论文 12 扩频通信提高了抗干扰性，但是却付出了占用频带宽的代价。 如果让许多用户共同使用这一宽频带，可大 大 提高频带利用率。 由于在扩频通信中存在扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户不同码 型的情况下可以区分不同用户的信号。 这样，在一个宽频带上，许多对用户可以同时通话而不相互干扰，这与利用频带分割或时间分割方法实现多址通信的概念相类似，即用不同的码型进行分割，所以 称为 码分多址（ CDMA）。 码分多址方式虽然要占用较宽的频带，但是平均到每个用户占用的频带来计算，其频带利用率是很高的。 最近的研究表明，在数字蜂窝移动通信中，采用扩频码分多址技术可以提高容量 20 倍，除此之外，采用码分多址，还有利于组网、 选址 、增加保密性、解决新用户随时入网等问题。 4 抗多径干扰 在无线电通信的各个频段，即短波、超短波、微 波和光纤通信的光波中大量存在各种类型的多径干扰。 长期以来，抗多径干扰问题始终是一个难以解决的问题之一。 一般的方法是排除干扰或变害为利。 前者是设法把最强的有用信号分离出来，排除其他路径的干扰信号，这就是采用分集技术的基本思路。 后者是设法把不同路径来的延时的信号在接收端从时间上对齐相加，合并成较强的有用信号，这就是采用梳状滤波器的基本思路。 这两种基本方法在扩频通信中都是很容易实现的 ， 可以利用扩频码序列之间的相关性，在接收端用相关技术从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或把多个路径来的同一码序列的波形相加合成。 另外，在跳频通信系统中，由于用多个频率的信号传送同一信息，实际上起到了频率分集的作用。 因此，在目前民用数字蜂窝移动通信及 部分 军事通信设备中经常采用简单的跳频技术作为抗多径干扰的一种手段。 5 能精确地定时和测距 电磁波在空间 的 传播速度是固定不变 的 光速，如果能够精确测量电磁波在两个物体之间传播 的时间，也就等于测量出了两个物体之间的距离。 在扩频通信中如果扩展频谱很宽，意味着所采用的扩频码速率很高，每个码片占用的时间很短。 当发射出去的扩频信号在被物体反射回来后在接收端调出扩频序列，比较收发两端两个码序列的相位之 差，就可以精确测出扩频信号往返的时间差，算出两者之间的距离。 测量的精确度决定于码片的宽度，也就是扩展频谱的宽度。 码片越窄，精度越高。 目前广泛应用的全球定位系统也就是利用扩频信号的这一特点来精确定位和定时的。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 13 第二章 直扩系统性能分析 2． 1 扩展频谱通信的基本概念 频谱是电信号的频域描述。 运载各种信息 (如语音，图象，压强，温度，数据等 )的信号一般都是以时域来表示，即表示为一个时间函数 f(t)。 信号的时域表示式 f(t)可以用付里叶变换得到表示式 F( )。 频域和时域的关系由下式确定。 dtjFtfdttjtfF)e x p ()()()e x p ()()( () 式中  ＝ 2 f。 函数 f(t)的付氏变换存在的充分条件是 ()f t dt必须为有限值。 有相当一些 f(t)，其付氏变换并不存在，可以把付氏变换推广为拉氏变换。 这时信号频域和时域关系式为 dtstcxptfsFdsstcxpsFjtf jj)()()()()(2 1)(  () 式中变量  js 。 在频域中观察和分析扩展频谱信号，将带来一定的方便。 以直接序列扩展频谱通信为例，来研究其原理。 它的一般方框图如图 所示，图 (a)是它的发射系统。 (b)是它的接收系统。 信源产生的信息流｛ an｝通过编码器输出二进制码流 d(u,t)，其中 u 用以表示随机变量。 二进制码流中所含的两个符号的先验概率相同 ， 均为1/2，且两个符号相互独立，其波形图如图 (a)所示，二进制数字信号 d(u,t)与一个高速率的二进制伪随机码c(u,t) 波 形 (如图 (b)所示，伪随机码为 m序列 )相乘，得到如图 (c)所示的复合信号 d(u,t) c(u,t)。 图 扩展频谱通信系统模型 (a)发射系统； (b)接收系统 南昌航空大学科技学院学士学位论文 14 一般伪随机码的速率是 Mbps 的量级，有的甚至达到几百 Mbps。 目前国外已有1000Mbps 的超高速伪随机码。 而待传信息流｛ an｝经编码后的速率较低，如数字话音信号一般为 32～ 64kbps， 经扩频之后，信息速率被扩展。 扩频后的 d(u,t) c(u,t)复合信号对载波调制 (直接序列扩频一般用 PSK 调制 )后，通过发射机和天线送入信道中传输。 发射机输出的扩频信号用 s(u,t)表示，见图 (d)所示，而 s(u,t)的射 频带宽取决于伪随机码 c(u,t)的码速率。 在 PSK 情况下是等于伪随机码速率的 2 倍，而与数字信息流的码速率几乎无关。 以上处理过程就达到了扩展数字信息流频谱的目的。 在接收端用一个和发射端同步的伪随机码 ))(ˆ,(* utucr  所调制的本地信号)](ˆ)(ˆ[( 02 utuj de   与接收到的 s(u,t) 进行相关处理。 相关处理是将两个信号相乘，然后求其数学期望 (均值 )，或求两个信号瞬间时值相乘的积分。 当两个信号完全相同时 (或相关性很好 )，得到最大的相关峰值，经数据监测器恢复发射端的信 号为 d， (u,t)。 从扩展频谱信号中恢复基带信号 d(u,t)，是利用了下列两个基本关系式即 d(u,t)c(u,t)c*(u,t)=d(u,t) () 其中： d(u,t)c(u,t)是接收到的扩频信号， c*(u,t)是本地扩频码信号，它与 c(u,t)共轭。 若用序列逻辑运算，可表示为 )()(*)()( uducucud  () 图 理想扩展频谱系统波形 南昌航空大学科技学院学士学位论文 15 上两式中利用了模二加法的以下两个性质： 0)(*)(  ucuc () 1)(*)(  ucuc () 关系式 ()和 ()是很重要的，它是数字通信中采用伪随机码实现扩频技术的一个基本出发点。 现代扩频通信系统与常规通信系统相比 ， 发射增加了一个高速率的伪随机码 ， 并与数字信号实现波形相乘 ， 接收端增加一个本地扩频码 ， 与接收到的信号进行一次相关解扩。 经过 这些处理，扩频系统就比常规的通信系统具有 更 强的抗人为干扰、抗窄带干扰、 抗多径干扰的能力。 此外还具有信息隐蔽、低的空间无线电波“通量密度”及多址保密通信等优点。 扩频技术的上述优点基于以下理论。 首先，扩展频谱技术的理论基础可用香农 (CEShannon)信道容量公式来描述。 2log ( 1 / )C B S N （ ） 该公式表明，在高斯信道中当传输系统的信噪比 S/N 下降时，可用增加系统传输带宽B 的办法来保持信道容量 C 不变。 对于任意给定的信噪比，可以用增大传输带宽来获得较低的信息差错率。 扩展频谱技术正是 利用这一原理，用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目的。 扩频通信系统的带宽比常规通信体制大几百倍至几千倍 ， 故在相同的信噪比条件下 ， 具有较强的抗干扰能力。 其次 ，香农又指出：在高斯噪声的干扰下，在限平均功率的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。 这是因为高斯白噪声信号具有理想的自相关特性，其功率谱为 2)( 0NS    () 它的自相 关函数为 )(2)(21)( 0   NdeSR j   () 其中： f 2 ，  为时延，    时当 时当 000)(  t () 白噪声的自相关函数具有 函数的特点，说明它具有尖锐的自相关特性。 但是对白噪声信号的产生、加工和复制至今仍存在着许多技术困难。 然而人们已经找到了一些易于产生又便于加工和控制的伪 随机 序列，它们的统计特性逼近于高斯白噪声统计特性。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 16 设某种伪随机序列周期为 p， 且码元都是二元域｛ 1， 1｝上的元，一个周期为 p，码元为 x 的伪随机二元序列 X 的归一化自相关函数为 )011)0111111)。