基于stel-2000a的扩频信息系统的设计与实现_硕士学位论文(编辑修改稿)

基于stel-2000a的扩频信息系统的设计与实现_硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

特别引人注目，得到了迅速发展和广泛 应用。 [， ] 1 . 2 扩频通信技术发展与现状 扩频通信技术最早应用于军事领域。 50 年代美国麻省理工学院研究成功 NoMAe(NoiseMo 血 lationnadeoerrlationsystem)系统，成为扩频通信研究发展的 开端，从此，军事通信机关对军事通信、空间探测、卫星侦察等方面广泛应用扩 频通信方式的研究十分活跃。 1985 年 5 月美国联邦通信委员会 F(CC)制订了民 用公共安全、工业、科学与医疗和业余无线电采用扩频通信的标准和规范，明确 规定公共安全用 37MHz 一 952MHz，最大输出功率为 ZW 的电台。 工业、科学和医 疗用 902MHz 一 928MHz、 、 ，最大 输出功率为 IOOmW。 世界各国相继行动，组织扩频通信专门研究机构和学术团体， 开始了对扩频通信的深入研究和广泛应用。 1999 年，在火爆的移动通信领域，世界目光的焦点是 3G(3drgneeration)标 99 年 10 月 25 日至 11 月 5日在芬兰赫尔辛基 召开的 TIU 一 RTGS/1 最后一次会议顺利确定了 3G 无线接口标准，即 IMTZOOO 无 线接口技术规范建议 ()，基于这一全球统一的标准，用户可以实现全 球漫游。 世界各国都提出了自己的建议和标准，其中最有影响的是欧洲的 WCDMA、美国的 edmZaooo 以及我国提出的拥有自主知识产权的 TD 一 SCDMA。 20xx 年 3 月 16 日， TD 一 SCDMA 标准被正式写入 3GPPRelease4，这是 TD SCDMA 基于 STEL20xxA 的扩频信息系统的设计与实现基于 STEL20xxA 的扩频信息系统的设计与实现 基于 STEL20xxA 的扩频信息系统的设计与实现基于 STEL20xxA 的扩频信息系统的设计与实现 发展史上一个重要的里程碑。 而基于扩频理论的 CDMA 技术更是成为国际电联 3G 标准的主流技术。 从 20xx 年开始，全球的 3G 市场开始快速发展。 进入 20xx 年，在 3G 商用网 络建设上逐渐进入稳定增长的时期，业务发展和用户数量继续快速增长，产业链 和设备市场也越来越成熟。 截至 20xx 年 6 月底的统计数据显示，全球使用 CDMAZ000IX 和 WCDMA 等 3G 技术的用户已经达到了。 20xx 年， 随着我国 3G 牌照的发放， 3G 用户将迅猛增长，信息产业部预计到 20xx 年底我国 3G 用户将超过 1000 万。 随着技术的融合，业务需求的增长，最终在全球范围内 3G 将全面取代 ZG 网 络。 这样便确立了以扩频理论为基础的 CDMA 通信技术在当今移动通信领域中的 稳固地位，把扩频 CDMA 通信的研究、应用和发展推向了一个全新的阶段。 川 [2][3][4]15][6]17]18][9] 专用扩频芯片研发现状 目前，在专用扩频芯片研制领域，国外不少的公司都推出了自己的产品。 如 美国 AMI 公司生产的直接序列扩频芯片 SXO43，美国 Harris 公司的直接序列扩频 基带处理芯片 HSP3824， ZLOG 电信公司生产的直接序列数字脉冲调制解调芯片 287200，美国 stnaofdrTeleeom 公司生产的单片全数字扩频处理芯片 STEL 一 20xxA 等。 这些扩频芯片的功能很强大，比如 SXO43 扩频芯片具有可选长度为 11 位的 Barker 码和最长码长达 2047 的 m 序列或 Gold 码，在全双工或半双工方式下，具 有高达 IMbps(BpSK/DBpSK)、 ZMbps(QpsE 了 DQpsK)、 3Mbps(SQAM)、 4MPb(sl6QAM)的数据速率，能完成直接序列扩频基带处理的全部功能。 而 信号恢复成通常的基带信号，再使用通常 !通信处理手段解调出发送来的信息数据 D。 显然，接收端不知道发送的扩频信 卜所使用的伪随机编码时，要进行扩频解调是非常难办甚至不可能的。 川 Ll 扩频通信的理论基础 扩频通信的理论基础是信息论中关于信息容量的香农定理 : e=B109:(l+S/N) 式中 :C为信道容量 (比特渺 )。 B 为信道带宽 为信号平均功率。 可见，增加系统的信息传输速率， 增加信道带宽 (B)增加信噪比侧 N)来实现。 当信道容量 汾 1) (赫兹 )。 N 为噪声功率。 S 即增加信道容量，可以通过 C为常数时，带宽 B 与信噪 比之间可以互换，即可以通过增加带宽 (B)来降低系统对信噪比 (别 N)的要求，也可 以通过增加信号功率来降低信号的带宽。 当带宽 (B)增加到一定程度后，信道容量 C 不可能无限制地增加。 因此，在无差错传输的信息速率 则可以用足够宽的带宽来传输信号。 C不变时，如信噪比很低， 扩频通信的另一个理论基础是柯捷尔夫的抗干扰理论， 息与 差错概率的公式 : 其中得到的如下关于信 Pe 二 (f 习 N0)份 2) 基于 STEL20xxA 的扩频信息系统的设计与实现基于 STEL20xxA 的扩频信息系统的设计与实现 基于 STEL20xxA 的扩频信息系统的设计与实现基于 STEL20xxA 的扩频信息系统的设计与实现 这个公式指出 :差错概率凡是信号能量 E 与噪声功率频谱 N0 之比的函数。 设 信号频谱宽度为 B，信息持续时间为 T，信号功率为 S 二习 T，噪声功率为 N=B从， 信息带宽为叮二 /lT，则 : 几二 fS( .T 可 N)二 f《 /sN.)B(/M))份 3) 从上式可知 :差错概率凡是输入信号与噪声功率比 /sN 和信号带宽与信息带 宽比侧梦二者乘积的函数。 也就是说，对于传输一定带宽叮的信息来说，信噪 比与带宽是可以互换的。 它同样指出了用增加带宽的方法可以换取信噪比上的好 处这一客观规律。 总之，我们用信息带宽的 100 倍，甚至 1000 倍的带宽信号来传输信息，就是 为了提高通信的抗千扰能力，即在强千扰条件下保证可靠安全地通信。 扩频通信 扩频通信系统 2 . 1 扩频通信的基本原理 扩频通信一般是指用远远大于原始数据信号带宽的频带宽度来传输信息的技 术。 在信号发送端，首先将信息调制形成数据信号，该数据信号经扩频序列 (S，飞 adingSeuqneec)调制后，信号的频带被展宽，展宽后的信号再调制到射频 发送出去。 在接收端收到的宽带射频信号经变频至中频，然后由本地产生的与发 端相同的 扩频码序列去相关解扩，再经过信息解调恢复成原始信息输出。 具有伪 随机编码调制和信号相关处理两大特点。 正是这两大特点，使扩展频谱通信方式 有许多优点，如抗干扰、抗噪声、抗多径衰弱、能在低功率谱密度下工作、有保 密性、可多址复用和任意选址、可高精度测量等。 扩展频谱通信作为新型通信方 特别引人注目，得到了迅速发展和广泛应用。 A Dl 数据调制卜一叫扩频调制扩频解调 l 呻 I 数据解调卜州信息接收 ，一源式一信 扩频编码发生器扩频编码发生器 同步电路 图 2 一 1 扩频通信的基本原理图 一 1Basietheo 仃 figuerofsPerdasPectrummunication 扩频通信的基本原理如图分 1 所示。 信息数据 D 经通常的数据调制后变成带宽 为 B(.为基带信号带宽 )，用扩频序列发生器产生的伪随机编码 P(N 编码 : pseudoNoiseCod)e 去对基带信号作扩频调制，形成带宽为 B:(B:B.)、功率谱 密度极低的扩频信号，再发射。 众多的通信用户，使用各自不同的伪随机编码， 可以同时使用带宽为 B:的同一频带。 在接收端，首先使用与扩频信号发送者相同 上的好处，这就是扩展频谱通信的基本思想和 理论依据。 [10] 2LZ 扩频通信系统的指标 扩频通信系统有两个重要的性能指标 :处理增益和干扰容限。 (扩频增益 ) 扩频通信系统的抗干扰性能在扩频和解扩的处理过程中得到提高，这种扩频 处理得到的好处称之为扩频系统的处理增益，用 G 表示，定义为接收相关处理器 输出与输入信噪比之值，即 : 基于 STEL20xxA 的扩频信息系统的设计与实现基于 STEL20xxA 的扩频信息系统的设计与实现 基于 STEL20xxA 的扩频信息系统的设计与实现基于 STEL20xxA 的扩频信息系统的设计与实现 G，嘿镌蹂畏或 G，二‘ 01s 箫 =Bd()奇份刃 式中 :乓为频谱扩展后的信号带宽，凡为频谱宽展前的信息带宽。 在直扩系 统中，处理增益也等于伪随机码速率凡与信息速率凡的比值，即扩频的倍数。 扩频通信系统的抗干扰能力与扩频 处理增益成正比。 2 干扰容限 干扰容限指在保证系统正常工作条件下 (系统输出信噪比一定 )，接收机输入 端能够正常承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数，用从表示 : _「 _S、 1 M，一行一 {L +(万。 」田田怪 5) ~一 _、一 ~‘。 .， ~S、 .一，、人‘二、„ ~__二 _‘， ..一、一二‘、 一一式中 :入为系统的损耗， (杀 )n 为系统输出端信噪比， G。 为处理增益。 干扰容限直’ N‘” 一 p一”一’ 一” 一 接反映了扩频系统接收机可能允许的极限干扰强度，当干扰机的干扰功率超过干 扰容限后，才能对扩频系统形成干扰。 因此它往往比处理增益更确切表征了系统 的抗干扰能力。 2L3 扩频通信的特点 扩频通信是通信领域中的一个重要发展方向，与传统的通信相比它具有如下 特点 : (1)抗干扰能力强 对于各种形式人为的 (如电子对抗中 )干扰或其他窄带或宽带 (扩频 )系统 有差异，在接收端进行相关解扩后仍然保持其 宽带性，而有用信号将被压缩。 因此扩频系统具有极强的抗干扰能力。 ②抗衰落能力强，信息传输可靠性高 扩频信号占据的频带很宽，当由于某种原因引起衰落时，只会使一小部分频 谱衰落，而不会使整个信号产生严重畸变。 故具有抗频率选择性衰落的能力。 ③抗多径干扰能力强 由于在扩频系统中增加了扩频调制与解扩过程，这样可以利用扩频码序列间 的相关特性，在接收端解扩时用分集接收技术从多径信号中分离出最强的有用信 号，或将多径信号中的相同码序列信号叠加，这样就可以有效地消除无线通信中 多径干涉造成的信号衰落现象。 ④保密性好 由于扩频信号分布在很宽的频带内，功率谱密度很低，信号可以在强噪声背 景下，甚至是有用信号被噪声淹没的情况下进行可靠通信，这有利于减少对其他 通信系统的干扰，同时降低了被 窃听’和被截获’的机会。 因而扩频系统具有很高 的保密性。 ⑤可以采用码分复用实现多址通信 利用扩频码序列之间良好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，在分配给不同用户不同码型的情况下，系统可以区分不同用户 的信号，这样在同一频带上许多用户可以同时通话而互不干扰。 提高了频带利用 率。 ⑥易于多媒体通信组网 扩频系统是宽带系统，是一个透明的高速数字信道，可以传送语音、传真、 数据和图像等综合业务。 [’ 011” l 2L4 扩频通信的分类 基于 STEL20xxA 的扩频信息系统的设计与实现基于 STEL20xxA 的扩频信息系统的设计与实现 基于 STEL20xxA 的扩频信息系统的设计与实现基于 STEL20xxA 的扩频信息系统的设计与实现 按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为以下几种 : (DriectSequene。 s详 eadSpe 通信系统。 就是采用高速率的直接序列伪随机码 c 勺氏 lm)通信系统，简称直扩 (DS) (PN 码 ) 端采用相同的伪码进行相关解扩。 扩频调制可用振幅键控、 在发端进行扩频，在收 频移键控和相移键控。 ng)通信系统，简称跳频 (FH)通信系统。 形 象地说就是采用特定的伪码控制的多频率移频键控。 简单的频移键控只有两个频 率，它分别代表传号与空号。 而跳频系统是用伪随机码来为选择载频的，跳频通 信有几十个甚至上千个频率，由所传信息码与伪随机码的组合码序列进行控制， 按照码序列随机地自动地改变电台的工作频率。 虽然在每一瞬间跳频通信的频谱 与窄带通信相同，但从一个较长的观察时间来看，跳频通信的频谱占据了很宽的 频带，所以通常认为跳频通信也是扩频通信的一种形式。 3 跳变时间 (Tim。 H 叩 ping)通信系统，简称跳时 (TH)通信系统。 跳时系 统也是一种扩展频谱技术，主要用于时分多址 T(DMA)通信。 跳时是用伪码序列来 启闭键控发射机，将一个信码的持续时间分成若干时隙，由伪随机编码序列控制 在每一个时隙中发 射一个信码。 因此，信息码是在短时隙中以高的峰值功率突发 式传输的。 发射机的启闭同伪码序列一样，在时间上是伪随机的。 通常，跳时技 术在扩频系统中不单独使用，而与其他扩频方式结合组成混合式系统。 生宽带线性调频 (Ch 帅 Modul 而 no)通信系统，简称 ChPri 通信系统。 如果 发生的射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化，则称为线性调频。 5 各种混合方式。 在上述几种基本的扩频方式基础上，可以组合起来构成多 种混合方式。 例如 :FH/DS、 DS/TH、 F川 TH 等。 不同方式结合起来的优点有时能 够得到单用其中 一种方式所得不到的特性。 因本课题是针对直接序列扩频通信技术 (DSSS)的研究，所以对 DSSS 做一 下重点介绍。 2 . 2 直接序列扩频通信系统 (0555) 直接序列扩频通信系统与其他扩频通信系统相比较，实现频谱扩展方便，无 论对通信、测距应用。