毕业设计（论文）基于第三代移动通信中的M序列的研究.doc

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1、基于第三代移动通信中的M序列的研究摘 要：随着社会的发展，人们期望能不受时空限制、及时可靠地进行信息交流，移动通信系统为人们更有效地利用时间提供了可能。由于网络的发展，数据和多媒体通信发展迅猛，所以第三代移动通信的目标是宽带通信，也就是扩频通信。本文就是基于第三代移动通信中的M序列的研究，通过对M序列的产生和形成的原理以及对通信系统的影响，来了解M序列在第三代移动通信中的作用。关键字：移动通信；扩频通信； M序列Abstract: With the development of society, people can not expect time and space constraints,

2、 timely and reliable information exchange, mobile communication system for people to make more effective use of time may be provided. Since the development of networks, data and multimedia communication is developing rapidly, so the third generation mobile communication is the goal of broadband comm

3、unications, which is spread spectrum communication. This article is based on third generation mobile communications in the M series of studies, through a sequence of the M and the formation of the principle and the impact of the communications system, to understand M sequence in the third generation

4、 mobile communication in the role. Keyword: Mobile communications; Spread spectrum communication; M series目 录第一章绪论31.1 引言31.2扩频通信与扩频序列41.3国内外研究动态61.4 第三代移动通信的技术与发展81.4.1第三代移动通信系统的组成91.4.2第三代移动通信的主要技术标准9第二章 直接序列扩频通信系统122.1扩频通信系统122.1.1理论基础122.2直接序列扩频通信系统162.2.1系统结构172.2.2信号分析182.2.3处理增益和干扰容限202.3直接序列

5、扩频通信系统的伪随机序列212.3.1 m序列212.3.2 Gold序列252.4本章小结26第三章m序列性质的分析与研究273.2 m序列的性质293.2.1 m序列的定义293.2.2 m序列的自相关特性303.2.3 m序列优选对303.3产生m序列的方法312.3.1寻求本原多项式的方法313.3.2 m序列个数353.3.3由硬件产生m序列353.3.4由MATLAB软件仿真m序列37第四章m序列设计方案384.1 m序列设计的常规方法384.2 m序列的性质40第五章 通信系统中的干扰与抗干扰445.1通信系统中的干扰445.2通信系统中的抗干扰46总 结50参考文献51致 谢5

6、3第一章 绪论1.1 引言当前移动通信的发展正处于一个关键时期，新的业务和技术正不断涌现，客户的需求也在不断增长。同时，因特网迅速发展成为真正的超级信息高速公路。无线业务也在激增，很多企业开始利用数据联网和电信为客户服务。同时，电信，视频电话，语音信箱，无线寻呼，蜂窝电话，便携式计算机使得专业人士可以随时随地进行工作。移动和个人通信是新世纪创新和发展的重要驱动力。目前，移动通信发展已经过了两代，第一代是模拟蜂窝移动通信网，时间跨度是上世纪70年代中期至80年代中期。其主要特点是采用频分复用(FDMA)模拟制式，语音信号为模拟调制。其典型代表为美国的MAPS系统(先进移动电话系统)和改进型系统T

7、ACS(总接入通信系统)等。第二代是以GMS和IS一95为代表的数字蜂窝移动通信系统，从上世纪80年代中期开始，至今仍在高速发展中。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但其频谱利用率低，业务种类受限，通话易被窃听，难以满足移动通信的发展。到了80年代中期，欧洲推出了泛欧数字移动通信网(GSM)的体系。随后，美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。第二代移动通信系统以传输话音和低速数据业务为目的，又称为窄带数字通信系统，其典型代表是美国的DAMPS系统、IS一95和欧洲的GSM系统。由于第二代移动通信是以传输话音和低速数据业务为目的。从19%年开始，为解决中速数据传输问题，又出现了2.5代的移动通信

8、系统，如GPRS和IS一95B。由于网络的发展，数据和多媒体通信发展迅猛，所以第三代移动通信的目标是宽带通信，也就是扩频通信.目前第三代移动通信系统主要有代D以、dcmaZ000和TD一SDCM三种技术体制。WCDMA一宽带码分多址，采用了码分多址技术和扩频技术，技术体制的核心网是基于GSM/GPRS网络的演进，保持与GSM/GPRS网络的兼容性。信号带宽SMHZ，码片速率3.84MPcs，调制采用上行BPKS和下行QPSK调制方式。Cmda200O技术体制是基于IS一95标准基础上提出的第三代移动通信系统(3G)标准。信号带宽为Nx1.25MHz(N=1，3，6，9，12)，码片速率为Nx1

9、.2288Meps。调制也采用上行即SK和下行QPSK调制方式。TD一SCMDA标准是由中国无线通信标准组织CwTS提出，目前己经融合到3G即关于CWDMA一TDD的相关规范中。TD一SCMDA采用的关键技术有智能天线十联合检测、多时隙DCMA十DS一CDMA、同步DCMA、信道编译码和交织、接力切换等。由此可见第三代移动通信系统的三种技术体制无一例外的均采用了扩频通信技术。表1.1第三代移动通信的三种主要技术体制扩频通信技术从40年代末期开始发展以来，从军事领域发展到商用民用，以其独有的技术优势，一直保持着强大的生命力。尤其是第三代移动通信的三大标准均采用了扩频通信技术，所以，扩频通信技术在

10、未来的移动通信领域必将发挥更加重要的作用。而在扩频通信技术的研究中，伪随机序列的研究又是其重要组成部分。1.2扩频通信与扩频序列扩展频谱通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，接收时再利用相应手段将其压缩，从而获取传输信息的通信系统，也就是说在传输同样信息时所需的射频带宽，远比我们已熟知的各种调制方式要求的带宽要宽得多。扩频带宽至少是信息带宽的几十倍甚至几万倍。信息已不再是决定调制信号带宽的重要因素，其调制信号的带宽主要由扩频函数来决定。扩频通信是一种应用广泛的通信手段，它具有抗干扰能力强、安全性高、抗衰落及抗多径性能好等优点.扩频系统的基本原理由

11、如图1.1所示 图1.1扩频通信系统原理图 在发射端输入的信息，先经过信息调制形成数字信号，然后由扩频发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以扩展信号的频谱，扩展以后的信号调制到射频发射出去。在收端接收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发射端相同的扩频码序列去解扩。最后经信息解调，恢复成原始信息输出。由此可见，一般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。在发射端，第一次为信息调制，第二次为扩频调制，第三次为射频调制，在接收端相应的为信息解调，解扩和射频解调。现有的扩频通信系统可以分为:直接序列扩频通信系统(DS-SS )，跳频扩频通信系统(FH-SS )，跳时扩频通信系统(TH

12、-SS)以及混合扩频通信系统(如FH/DS,DS/TH,FH/TH等)。扩频序列的研究开始于二十世纪五十年代，早在1955年，Golomb和Zierler就发表了关于最大度线性移位寄存器序列(m序列)的结果。具有良好伪随机特性和相关特性的扩频序列对扩频通信系统的性能具有决定性的作用。序列的相关性是评价序列性能的一个重要指标，在直接扩频系统中，常用的相关函数有周期相关函数，非周期相关函数以及奇相关函数。理想的扩频序列应该具有如下特性:自相关的边峰值和互相关值均为零，还必须有尽可能大的序列复杂度、序列平衡性。然而，具有理想特性的单码扩频序列经理论证明是不存在的。近半个世纪以来，经过人们的不断努力，

13、扩频序列的研究己经取得了很多成果，并设计出了许多具有优良特性的序列。有许多专著已经对此进行了详细介绍。 扩频序列的最初应用是军事的电子对抗。通常采用的扩频方案有两种:一种是直接序列(Directse quence扩频技术;另一种是跳频(Frequency Hopping)扩频技术。扩频通信系统是靠扩频序列来区分不同用户的，所以，扩频序列的性能就决定了系统的抗干扰性能。对扩频码通常提出下列要求:1.易于产生;2.具有随机性;3.扩频码应具有尽可能长的周期，使干扰者难以从扩频码的一小段去重建整个码序列;4.扩频码应具有双值自相关函数和良好的互相关特性，以有利于接收时的截获和跟踪，以及多用户应用。根

14、据Shannon信息论理论，用纯随机序列去扩展频谱是最理想的。但是，在接收机中为了解扩应当有一个同发送端扩频码同步的副本。因此，实际上，我们只能用伪随机或伪噪声(PN)序列作为扩频码。伪随机序列具有貌似噪声的性质，但它又是有规律的，它应该是既容易产生，又可以加工复制的序列。 扩频码中应用最广的是m序列，又称最大长度序列。其它的还有GoId,L序列(Legebdre序列)和霍尔序列(孪生素数序列)等。在实际CDMA系统中，IS-95和CDMA2000系统的前向信道中使用Walsh序列，而WCDMA系统中采用正交可变扩频因子(Orthogonal Variable Spreading Factor

15、, OVSF )序列。1.3国内外研究动态目前对扩频通信伪随机序列的研究主要集中于二元伪随机序列，在CDMA系统中所使用的m序列，Gold序列等就是一种典型的二元伪随机序列。m序列是一种狭义的伪随机序列，具有优良的自相关特性但是，m序列的局限性在于其数量有限，如9级移位寄存器产生的m序列共有48个，而满足彼此互相关峰值较低(33)的优选对只有12个。Gold序列是在m序列的基础上实现的，其数量远远超过m序列，但Gold序列具有不平衡性，使直接序列扩频(DS)系统漏载增大，将降低扩展频谱通信系统的保密、抗干扰和抗侦破等能力;而构造平衡Gold码又有很大局限性。Walsh码的自相关特性不好，旁瓣较

16、大，其峰有时甚至和主峰一样高，这样不但不利于系统的同步，而且容易产生假同步。其后，又相继提出了GL序列族，DBCH序列，高忠雄(Kasami )序列族等，均有一定的使用价值。 近年来，人们开始着眼于多相序列的研究，多相序列有着许多优点，首先，多相序列可能产生较多的地址码;其次，在相同的传输速率条件下，占用的带宽是m序列或者Gold序列的1/N，提高了频带的利用率;再次，多相序列的复杂度高且易于产生，且有较高的信噪比;最后，在传输速率不是很高时，多相编码可以减轻多径衰减的程度。所以，目前对多相序列的研究，是伪随机序列研究中的重要分支。 多相序列有着许多种构造方法，其中一类很有名的多相序列一FZC

17、(Frank-Zadoff-Chu)序列有着良好的相关特性，并且对序列的长度没有限制，其序列长度等于相位数。但当扩频序列较长时，在工程上难以实现的缺点。另一种四相序列的构造方法是由Naoki Suehiro提出的，它以弗兰克(Frank)和海米勒(Heimiller)给出的FH序列为基础。FH序列具有良好的相关特性，它的周期自相关函数主峰值为N2，周期自相关函数的副峰值为。在此基础上可以构造长度为p=N2，的多相序列，FH用矩阵表示如下:（1.1）其中FH序列的非周期自相关函数R(l)具有如下特性:(1)l为N的整数倍时，副峰值为零。(2)l=1(mod N)时，副峰为1。(3)相对于主峰，副

18、峰具有对称性。(4)在时间轴上，具有分段对称性。阳序列的非周期自相关函数的主副峰比的渐近值为，这比同样长度的二元序列高1 0个分贝。FH序列的倍序列的周期，非周期的自、互相关函数的旁瓣的最大值不大于FH序列的非周期互相关旁瓣的最大值，其上限是随着多相序列相位数的增加，满足工程要求的序列组中的序列数会迅速增加。按照Naoki Suehiro所提出的多相序列构造方法构造六相序列时，序列中最大互相关函数为12时的rM .rr为0.33 (r M .rr为M.rr与循环自相关函数主峰值16的比值)，此时序列组中可以作为独立地址码的序列数最多达到13。因此，当多相序列长度达到当前实际应用的二元序列的长度

19、时，其独立地址码的数量要远多于二元序列的独立地址码的数量。 2004年Nakoto Nakamura与Naoki Suehiro共同提出了一种新的ZCZ序列的构造方法与过去的构造方法相比，由这种构造方法构造出的四相序列具有更长的零相关域，这种序列更适合准同步码分多址(AS-CDMA)系统。1.4 第三代移动通信的技术与发展第三代移动通信技术(3G即3rd Generation),相对于第一代模拟手机(1G)和第二代GSM、CDMA等数字手机(2G)而言,第一代模拟手机只能进行语音通话;第二代数字手机增加接收数据功能(如接受电子邮件或网页);第三代手机的主要特征是:语音和数据的传输速率提升;将无

20、线通信与国际互联网等多媒体通信结合,并能处理图像、音乐、视频流等多媒体形式,提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务;最高目标是使个人终端用户能在任何时间、任何地点、与任何人实现高质量地信息传递,又被称为未来个人通信系统。ITU(国际电联)1996年将3G由原来的FPLMTS正式命名为IMT-2000,含义是3G统一使用2 000 MHz频段、最高数据传输速率2 000 kbit/s,于2000年使用;分为陆地网和卫星网,包括寻呼、无绳系统、蜂窝系统、移动卫星通信系统等功能。3G标准分为核心网标准和无线接口标准。目前,核心网标准的基础是基于MAP的GSM网络和基于IS-41的CDMA

21、网络,向支持IP的分组平台方向发展。在无线接口标准方面,ITU1998年向其所属成员征集无线传输技术(RTT:Rodio Transmissia Technology)提案,要求:(1)能实现全球漫游:用户可在整个系统甚至全球范围内漫游,且可在不同的速率、运动状态下获得有质量保证的服务;(2)能提供多种服:提供话音、可变速率的数据、活动视频会话业务,特别是多媒体业务。(3)能适应多种环境:可以综合现有的公众电话交换网(PSTN)、综合数字业务网、无绳系统、地面移动通信系统、卫星通信系统,提供无缝隙的覆盖。(4)足够的系统容量,强大的多种用户管理能力,高保密性能和服务质量。为实现上述目标,对于R

22、TT提出以下要求:高速传输以支持多媒体任务:室内环境至少2 Mbit/s;室内外步行环境至少384 kbit/s;室外车辆运送中至少144 kbit/s;卫星移动环境至少9.6 kbit/s。传输速率能够按需分配。上下行链路能适应不对称需求。1.4.1第三代移动通信系统的组成IMT-2000系统(见图1)主要有四个功能子系统,即核心网(CN)、无线接入网(RAN)、移动台(MT)、用户识别模块(UIM),分别对应于GSM系统的交换子系统(SSS)、基站子系统(BSS)、移动台(MS)、SIM卡。ITU定义的4个标准接口为:网络与网络接口(NNI,指不同家族成员之间的标准接口,是保证互通和漫游的

23、关键接口)。无线接入网与核心网之间的接口(RAN-CN,对应于GSM的A接口)。无线接口(UNI)。用户识别模块和移动台之间的接口(UIM-MT)。图1.1 IMT-2000功能模型及接口图图2为无线接口的分层结构,其中:(1)物理层(L1):由下行物理信道和上行物理信道组成。(2)链路层(L2):由媒体接入层(MAC)子层和链路接入控制(LAC)子层组成。MAC子层根据LAC子层不同业务实体的要求对物理层资源进行管理与控制,并负责提供LAC子层业务实体所需的QoS(服务质量)级别。LAC子层与物理层相对独立的链路管理与控制,并负责提供MAC子层所不能提供的更高级别的QoS控制,可以通过ARQ

24、等方式实现以满足来自更高层业务实体的传输可靠性。(3)高层(L3):它集OSI模型中的网络层、传输层、会话层、表达层、应用层为一体。主要负责各种业务的呼叫信令处理,话音业务和数据业务的控制处理等。1.4.2第三代移动通信的主要技术标准图1.2无线接口的分层结构图在ITU确认的无线接口标准的基础上,目前己经形成主要技术标准:有基于FDD方式的WCDMA和CDMA2000、基于TDD方式的TD-SCDMA。(1)WCDMA:由3GPP1的WCDMA方案与3GPP2的CDMA2000方案的直接扩频(DS)部分融合而来,主要源于欧洲的ETSI和日本的ARIB标准化组织,主要倡导者有爱立信和诺基亚等公司

25、。它的核心网基于GSM MAP,通过网络扩展方式提供基于ANSI-41的运行能力。WCDMA系统能同时支持电路交换业务(如PSTN ISDN)和分组交换业务(如IP网)。该系统使用灵活的无线协议,可在一个载波内同时支持话音、数据和多媒体业务,并通过透明或非透明传输支持实时、非实时业务。(2)CDMA2000:即3GPP2提交方案中的多载波(MC)方案,源于美国TIA(电话工业协会)的TR45.5标准由美国高盛公司提出。CDMA 2000是从CDMA One发展而来,目的是为已有的CDMA运营商平滑升级到3G提供途径,核心是Lucent,Motorola,Nortel和Qualcomm联合提出的

26、宽带CDMA One技术。主要特点是与现有的TIA/EIA-95-B标准向后兼容,并与IS-95B系统的频段实现共享或重叠,使运营商可在IS-95B系统的基础上平滑地过渡,保护已有投资。CDMA 2000的核心网基于ANSI-41,但经网络扩展方式;也可提供基于GSM-MAP核心网上的运行能力。(3)TD-SCDMA:它是一种高性能和低成本的系统,是在TDD模式下,采用在周期重复的时间帧里传输基本的TDMA突发脉冲的工作模式(和GSM相同),通过周期性地切换传输方向,在同一载波上交替地进行上下行链路传输。可以控制上下行的发送时间,发送时间段内不接受,接受时间段内不发送,且可灵活控制和改变发送和

27、接受的时段长短比例。其优势是上下行链路间的转折点可因业务的不同而认识调整。对于因特网等非对等业务的数据传输,下行数据量远大于上行数据量,可增加下行的时段时间,缩短上行的时段时间,以达到高效传送非对等数据业务的目的,从而实现3G所要求的两类业务(对称的电路交换业务和非对称的分组交换业务)。第二章 直接序列扩频通信系统 本章是全文的理论基础，随着概念的深入逐步展开。在诸多的扩频类型中，直接序列扩频通信系统是本文研究的重点，因此将详细讨论其组成及特点。2.1扩频通信系统扩展频谱通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带号，然后送入信道中传输，再利用相应手段将其解扩，从而获取传输

28、信息的通信系统。它在传输同样信息时所需的射频带宽，远比我们熟悉的各种调制方式要求的带宽要宽的多。扩频前的信息码元带宽远小于扩频后的扩频码序列的带宽，信息己不再是决定调制信号带宽的一个重要因素，其调制信号的带宽主要由扩频函数来决定。一般常用的扩频函数是伪随机编码信号。扩频系统比常规的通信系统具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径的能力，此外还具有信息隐蔽多址保密通信等优点。下面是对它的定性的分析。2.1.1理论基础扩展频谱技术的理论基础可以用香农(C.E.Shannon)信道容量公式来描述 (21) 上式表明，在高斯信道中当传输系统的信号噪声功率比下降时，可以用增加系统传输带宽W的办法来保持信

29、道容量C不变。对于任意给定的信号噪声比，可以用增大传输带宽来获得较低的信息差错率。可见，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系统大几百倍至几千倍，所以在相同的信噪比条件下，具有较强的抗噪声干扰能力。其次，香农又指出:在高斯噪声的干扰下，在平均功率受限的信道上，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: （22）其自相关函数为:（23）其中: 为时延，。 白噪声的自相关函数具有(r)函数的特点，说明它具有尖锐的自相关特性。但是对于白噪声信号的产生、加工

30、和复制至今存在着许多技术上的困难。然而，有许多易于产生又便于加工和控制的伪随机噪声序列，它们的统计特性逼近于高斯白噪声信号的统计特性。设某种伪随机序列周期为P，且码元都是一二元域1，一1上的元，假设一个周期为P，码元为x的伪随机序列X的归一化自相关函数为:（24）式中:j=0,1,2,.,p-1。当伪随机序列码长P取足够长或P趋于无穷时，上式可以简化为: （25） 可以看到式(2-5)中当P足够长或趋于无穷时，该伪随机序列和白噪声信号有类似的统计特性，也就是逼近于高斯信道要求的最佳信号形式。可见用伪随机码扩展待传基带信号的扩展频谱通信系统，优于常规通信体制。 扩频通信的工作原理如图2-1所示:

31、 图2-1扩频通信的工作原理在发端输入的信息先经信息调制变成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。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，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频序列进行相关解扩，再经信息解调、恢复成原始信息输出。2.1.2系统的主要特点 由于扩频通信能大大扩展信号的频谱，发送端用扩频码序列进行扩频调制，以及在接收端用相关解调技术，使其具有许多窄带通信难于替代的优良性能，能在民用后，迅速推广到各种公用和专用通信网络之中，主要有以下几项特点: (1)易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率无线频谱十分宝贵，虽然从长波到

32、微波都得到了开发利用，仍然满足不了社会的需求。在窄带通信中，主要依靠波道划分来防止信道之间发生干扰。为此，世界各国都设立了频率管理机构，用户只能使用申请获准的频率。扩频通信发送功率极低(1-650mW)，采用了相关接收技术，且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率，也可与现今各种窄道通信共享同一频率资源。所以，在美国及世界绝大多数国家，扩频通信不需申请频率，任何个人与单位可以无执照使用。 (2)抗干扰性强，误码率低 扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，而收端又采用相关检测的办法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波

33、技术提取有用的信号。这样，对于各种干扰信号，因其在收端的非相关性，解扩后窄带信号中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干扰性强。当处理增益Gp=35dB时，抗干扰容限肠=22dB，即在负信噪声比(-22dB)条件下，可以将信号从噪声的湮灭中提取出来。在目前商用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作在负信噪比条件下的通信方式。(3)隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率很小，信号湮没在噪声里，一般不容易被发现，而想进一步检测信号的参数(如伪随机编码序列)就更加困难，因此说其隐蔽性好。再者，由于扩频信号具有很低的功率谱密度，它对目前使用的各种窄

34、带通信系统的干扰很小。(4)可以实现码分多址扩频通信提高了抗干扰性能，但付出了占用频带宽的代价。如果让许多用户共用这一宽频带，则可大为提高频带的利用率。由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型的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码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。这样一来，在一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。 (5)抗多径干扰 在无线通信的各个频段，长期以来，多径干扰始终是一个难以解决的问题之一。在以往的窄带通信中，采用两种方法来提高抗多径干扰的能力:一是把最强的有用信号分离出来，排除

35、其他路径的干扰信号，即采用分集/接收技术;二是设法把不同路径来的不同延迟、不同相位的信号在接收端从时域上对齐相加，合并成较强的有用信号，即采用梳状滤波器的方法。 这两种技术在扩频通信中都易于实现。利用扩频码的自相关特性，在接收端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，这相当于梳状滤波器的作用。另外，采用频率跳变扩频调制方式的扩频系统中，由于用多个频率的信号传送同一个信息，实际上起到了频率分集的作用。 (6)能精确地定时和测距 我们知道电磁波在空间的传播速度是固定不变的光速，人们自然会想到如果能够精确测量电磁波在两个物体之间传播的时间，也就等于测量两个物

36、体之间的距离。在扩频通信中如果扩展频谱很宽，则意味着所采用的扩频码速率很高，每个码片占用的时间就很短。当发射出去的扩频信号在被测物体反射回来后，在接收端解调出扩频码序列，然后比较收发两个码序列相位之差，就可以精确测出扩频信号往返的时间差，从而算出二者之间的距离。测量的精度决定于码片的宽度，也就是扩展频谱的宽度。码片越窄，扩展的频谱越宽，精度越高。 (7)适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务 扩频通信一般都采用数字通信、码分多址技术，适用于计算机网络，适合于数据和图像传输。 (8)安装简便，易于维护 扩频通信设备是高度集成，采用了现代电子科技的尖端技术，因此，十分可靠、小巧，大量运用后成

37、本低，安装便捷，易于推广应用。2.1.3基本类型扩频系统包括以下几种扩频方式:(1) 直接序列扩频，记为DS(Direct Sequence):这是本文主要研究的对象，下文将有详细介绍(2)跳频扩频，记为FH(Frequency Hopping):频率跳变系统有称为“多频、 码选、频移键控”系统，主要由码产生器和频率合成器两部分组成。(3)跳时扩频，记为TH(Time Hopping):跳时扩频系统主要通过扩频码控制发射机的通断，可以减少时分复用系统之间的干扰。 上述三种基本扩频系统各有优缺点，单独使用一种系统有时难以满足要求，将以上集中扩频方法结合就构成了混合扩频系统，常见的有TH/DS,

38、TH/DS,FH/TH等。由于本论文采用直接序列扩频方式，下面重点介绍直接序列扩频通信系统。2.2直接序列扩频通信系统直接序列扩频通信系统(Direct Sequence Spread System. DSSS)，简称直扩系统，是目前应用最广泛的扩频系统。早期的一些军事领域的研究开发，例如全球定位系统(Global Position System GPS),航天飞机通信用的跟踪和数据中继卫星系统等都是直接序列扩频系统应用的实例。直接序列扩频系统是将要发送的信息用伪随机序列扩展到一个很宽的频带上去。在接收端，用与发射端扩展用的相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的干扰信息。

39、由于干扰信息与伪随机序列不相关，在接收端被扩展，使落入信号频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了系统的输出信噪比，达到抗干扰的目的。2.2.1系统结构图2-2 直扩系统发送框图 图2-3直扩系统接收框图 图2-2为直扩系统发送框图，信源输出信号a(t)为码元持续时间为Tu的信息流，伪随机码发生器产生的伪随机码为c(t)，每一随机码元宽度为T.。将信码a(t)和伪随机码c(t)进行模二加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样就得到了己扩频调制的射频信号。在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频后，用与发端速率及相位都相同的伪随机序列对中频的扩频调制信号进行相关

40、解扩，将信号的频带恢复为信号序列a(t)的频带，为中频调制信号，然后再进行解调，恢复出所传输的信息a(t)，从而完成信息的传输，直扩系统接收框图如图2-3所示。对于干扰信号和噪声而言，由于与伪随机序列不相关，在相关解扩器的作用下，相当于进行了一次扩频。干扰信号和噪声频谱被扩展后，其谱密度降低，这样就大大降低了进入信号通频频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪比和输入信干比提高，从而提高了系统的抗干扰能力。2.2.2信号分析 信号源产生的信号a(t)为信息流，码元速率为Ra，码元宽度为Ta=1/Ra，其中 （26） 式中:an为信息码，取值+1或者-1 ,ga(t)为门函数。伪随机序列发生器产生的

41、信号伪随机序列C(t)，速率为Rc，码片宽度为Tc=1 /Rc。 （27） 式中:Cn为信息码，取值+1或者-1 gc(t)为门函数。扩频过程实质上是信息流a(t)与伪随机序列c(t)的模二加或者相乘的过程。伪随机码速率Rc比信息速率Ra大得多，一般Rc/Ra的比值为整数，且Rc/Ra1,所以扩展后的序列的速率仍为伪随机码的速率R。扩展后的序列d(t)为 （28）式中: （29）用此扩展后的序列去调制载波，将信号搬移到载频上去，用于直扩系统的调制。一般来说、大多数数字调制方式均可，但应视具体情况，根据系统的性能要求来确定，用得较多的调制方式有BPSK, MSK, QPSK等。这里分析采用BPS

42、K调制，调制后的信号s(t)为 （210）其中，Wo为载波频率。接收端天线上感应的信号经高放的选择放大和混频后，得到包括以下几部分的信号:有用信号sI(t)、信道噪声nI(t)、干扰信号.JI(t)、和其它网的扩频信号SJ(t)等，即收到的信号(经混频后)为 （211）接收端的伪随机码产生器产生的伪随机序列与发端产生的伪随机序列相同，但起始时间或者初始相位可能不同，为c(t)。解扩的过程与扩频过程相同，用本地的伪随机序列c(t)与接收到的信号相乘，相乘后为（212）下面分别对式(2-11)中的四个分量进行分析，首先看信号分量s(t): （213）若本地产生的伪随机序列c(t)与发端产生的伪随机

43、序列c(t)同步时，有C(t) =c(t)，则c(t).c(t)=1。这样，信号分量S (t)为 （214） 后面所接滤波器的频带正好能让信号通过，因此可以进入解调器进行解调，将有用信号解调出来。对噪声分量nI(t)、干扰分量.JI(t)、和不同网干扰sJ(t)，经解扩处理后，被大大削弱。这里的nI(t)一般为高斯带限白噪声，因而用。(r)处理后，谱密度基本不变，但相对带宽改变，因此噪声功率降低。.I,(t)分量，是人为干扰信号引起的。由于与伪随机码不相关，因此相乘过程相当于频谱扩展过程，将干扰信号功率分散到很宽的频带上，谱密度降低。相乘器后接的滤波器只能让有用信号通过，因而能够进入到解调器输

44、入端的干扰功率只能是与信号频带相同的那一部分。解扩前后的频带相差甚大，因而解扩后干扰功率大大降低，提高了解调器输入端的信噪比，从而提高了系统抗干扰的能力。至于不同网的信号sJ(t),由于不同网采用不同的伪随机码序列，序列之间很低的互相关性，相当于再次扩展，从而降低了不同网信号的干扰。2.2.3处理增益和干扰容限 (1)处理增益Gp在扩频系统中，传输信号经过扩频和解扩的处理，系统的抗干扰性能得到提高，这种扩频处理得到的好处，称之为扩频系统的处理增益，其定义为接收相关处理器输出与输入信噪比的比值，即 (215)一般用分贝表示为 （216）经分析可知 （217） 由此可见，直扩系统的处理增益为扩频信

45、号射频带宽与传输的信息带宽的比值，或为伪随机码速率Rc与信息速率Ra的比值，也即直扩信号的扩频倍数。一般情况下，发送信息的带宽是不变的，要提高扩频系统的抗干扰能力，就应该提高扩频系统的处理增益，即提高扩频用的伪随机码的速率。 当处理增益提高到一定程度时，不能再靠提高伪随机码速率的方法来提高系统的处理增益，而应考虑用别的办法，比如可以降低信息速率，而且可能更为有效一些。(2)干扰容限Mj所谓干扰容限，是指在保证系统工作正常的条件下，接收机能够承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数。用Mj表示 （218）式中Ls为系统内部损耗;S/N为系统正常工作时要求的最小输出信噪比;Gp即系统的处理增益。干扰容

46、限直接反映了扩频系统接收机可能抵抗的极限干扰强度，即只有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。因而干扰容限往往比处理增益更确切反映系统的抗干扰能力。2.3直接序列扩频通信系统的伪随机序列 在扩频系统中，信号频谱的扩展是通过扩频码实现的。扩频系统的性能的扩频码的性能有很大关系，对扩频码通常提出下列要求: 1.易于产生:2.具有随机性:3.扩频码应该具有尽可能长的周期，使干扰者难以从扩频码的一小段中重建整个码序列:4.扩频码应该具有双值自相关函数和良好的互相关特性，以利于接收时的捕获和跟踪，以及多用户检测。 从理论上说，用纯随机序列去扩展频谱是最理想的，例如高斯白噪声，但在接收机中为了解扩应当有一个同发送端扩频码同步的副本，因此实际上只能用伪随机或伪噪声序列作为扩频码。伪随机序列具有貌似噪声的性质，但它又是周期性有规律的，易于产生和处理。 扩频码中应用最广的是m序列，又称最大长度序列，其它还有Gold序列，L序列和霍尔序列等。2.3.1 m序列 m序列是最长线性移位寄存器序列，是由移位寄存器加反馈后形成的。m序列是伪随机序列中最重要的一种，其易于实现，有优良的自相关特性，在直扩通信系统中用于扩展要传递的信号。它的产生如图2-4反馈移位寄存器结构所示:图2-4 反馈移位寄存器结构 图2-4中an-1(i =1, 2, 3.r)为移位寄存