1、中北大学分校学士学位论文I【摘要】直接序列扩频通信系统（DS-CDMA）因其抗干扰性强、 隐蔽性好、易于实现码分多址（CDMA）、抗多径干扰、直扩通信速率高等众多优点，而被广泛应用于许多领域中。针对频通信广泛的应用，本文用 MATLAB 工具箱中的SIMULINK 通信仿真模块和 MATLAB 函数对直接序列扩频通信系统进行了分析和仿真，使其更加形象和具体。【关键词】：直接序列扩频通信系统 码分多址 MATLAB 仿真 SINMULINK 模块仿真中北大学分校学士学位论文II【ABSTRACT】Direct sequence spread spectrum communication syst
2、em because of its advantage such as strong anti-disturbance,hidden, being easy to realize CDMA ,anti-multi-path interference,DS communications rate higher strengths and so ,so it is widely used in many fields. With the wide use of the direct sequence spread spectrum communication technique , this te
3、xt use communication simulated module of SIMULINK in the toolbox of MATLAB and MATLAB functions to make an analysis and emulation to DS-CDMA system and make the system more image and particular. 【KEY WORDS 】： DS-CDMA CDMA MATLAB SINMULINK中北大学分校学士学位论文III目 录【摘要】 .I【ABSTRACT】 II1.引言 .11.1 直序扩频系统的应用背景 1
4、1.2 直序扩频系统的特点 21.3 直扩系统的发展 .32CDMA 数字蜂窝移动通信的介绍 .42.1 CDMA 简介 .42.1.1 CDMA 技术背景 42.1.2 几种常见的 CDMA 技术 42.1.3 CDMA 的特点 42.2 CDMA 通信技术的基本原理 .52.2.1 CDMA 通信技术的基础 52.2.2 CDMA 通信技术的基本原理 62.3 CDMA 的应用前景 63. 扩频码序列 73.1 码序列的相关性 .73.2 M序列 93.3 GOID 码序列 .114直接序列扩频通信技术 .144.1 直接序列扩频的概念及理论基础 144.1.1 直接序列扩频的概念 144
5、.1.2 扩频通信的理论基础 144.1.3 扩频增益和抗干扰容限 154.2 直接序列扩频的基本原理 154.3 直扩系统的性能 .184.3.1 直扩系统的抗干扰性 184.3.2 直扩信号的抗截获性 19中北大学分校学士学位论文IV4.3.3 直扩码分多址通信系统 194.3.4 直扩系统的抗多径干扰性能 204.3.5 直扩测距定时系统 204.4 扩频序列通信系统的同步原理 .205. 直接序列扩频通信系统的 MATLAB 仿真 225.1 MATLAB 的基本操作 .225.2 Simulink 仿真技术 .235.2.1 Simulink 窗口环境 .235.2.2 功能模块的连
6、接及设置 .245.2.3 Simulink 对通信系统的仿真 .275.3 MATLAB 源程序设计 .32【参考文献】 40【致 谢】 41【附录】 42英文文献 .42中文文献 .46中北大学分校学士学位论文11.引言11 直序扩频系统的应用背景:直接序列扩频(DSSS Direct Sequence Spread Spectrum)技术是当今人们所熟知的扩频技术之一。这种技术是将要发送的信息用伪随机码（PN 码）扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信息。它是二战期间开发的，最初的用途是为军事通信提供安全保障, 是
7、美军重要的无线保密通信技术。这种技术使敌人很难探测到信号。即便探测到信号，如果不知道正确的编码，也不可能将噪声信号重新汇编成原始的信号。有关扩频通信技术的观点是在 1941 年由好莱坞女演员 Hedy Lamarr 和钢琴家 George Antheil 提出的。基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路，他们申请了美国专利#2.292.387。不幸的是，当时该技术并没有引起美国军方的重视，直到十九世纪八十年代才引起关注，将它用于敌对环境中的无线通信系统。直序扩频解决了短距离数据收发信机、如：卫星定位系统(GPS)、3G 移动通信系统、WLAN (IEEE802.11a, IEEE802.11b, I
8、EE802.11g)和蓝牙技术等应用的关键问题。扩频技术也为提高无线电频率的利用率(无线电频谱是有限的因此也是一种昂贵的资源)提供帮助。直序扩频通信系统的工作原理如图1-1所示。在发端输入的数字信号信息，先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，扩频码序列一般采用 PN 码。展宽后的信号再调制到射频发送出去。调制多采用 BPSK、DPSK、MPSK 等调制方式。在接收端收到的信号进行解调（一般采用相干解调）。然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。恢复成原输入的信息输出。信息信息 扩 频 射频调制射频发生器伪 码扩频解调本地伪码解调本地射频发生器图 1-1 扩频
9、通信工作原理中北大学分校学士学位论文2由此可见，般的扩频通信系统都要进行两次调制和相应的解调。一次调制为扩频调制，二次调制为射频调制，以及相应的解扩和射频解调。 与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。 12 直序扩频系统的特点:1.直序扩频通信系统的优点：1）抗干扰性强抗干扰是扩频通信主要特性之一，比如信号扩频宽度为 100 倍，窄带干扰基本上不起作用，而宽带干扰的强度降低了 100 倍，如要保持原干扰强度，则需加大 100 倍总功率，这实质上是难以实现的。因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰，在不知道信号的扩频码的情况下，由于不同扩频
10、编码之间的不同的相关性，干扰也不起作用。正因为扩频技术抗干扰性强，美国军方在海湾战争等处广泛采用扩频技术的无线网桥来连接分布在不同区域的计算机网络。2）隐蔽性好因为信号在很宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低，信号淹没在白噪声之中，别人难以发现信号的存在，加之不知扩频编码，很难拾取有用信号，而极低的功率谱密度，也很少对于其他电讯设备构成干扰。 3）易于实现码分多址（CDMA）直扩通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，是否浪费了频段？其实正相反，扩频通信提高了频带的利用率。正是由于直扩通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码作相关解扩才能得到
11、，这就给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性，分配给不同用户不同的扩频编码，就可以区别不同的用户的信号，众多用户，只要配对使用自己的扩频编码，就可以互不干扰地同时使用同一频率通信，从而实现了频率复用，使拥挤的频谱得到充分利用。发送者可用不同的扩频编码，分别向不同的接收者发送数据； 同样，接收者用不同的扩频编码，就可以收到不同的发送者送来的数据，实现了多址通信，提高了频谱利用率。另外，扩频码分多址还易于解决随时增加新用户的问题。4）抗多径干扰无线通信中抗多径（发射的信号经多条不同路径传播）干扰一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性，在接收端可以用相关技
12、术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。5）直扩通信速率高直扩通信速率可达 2M，8M，11M，无须申请频率资源，建网简单，网络性能好。6）有很强的保密性能。对于直扩系统而言，射频带宽很宽，谱密度很低，甚至淹没在噪音中，就很难检查到信号的存在。由于直扩信号的频谱密度很低，直扩系统对其它系统的影响就很小。 2.直扩通信系统的不足：中北大学分校学士学位论文3直扩系统除了一般通信系统所要求的同步以外，还必须完成伪随机码的同步，以便接受机用此同步后的伪随机码去对接受信号进行相关解扩。直扩系统随着伪随机码字的加长，要求的同步精
13、度也就高，因而同步时间就长。1.3 直扩系统的发展由于它的抗噪声的特性，直接序列扩频技术非常适合商业应用。在容许无线设备公开使用的电磁环境里，它对其他传统微波设备造成最小的干扰，同时对附近其他设备有更高的抗扰性。上世纪 80 年代末，晶体电子技术的先进程度已经足以提供商用的、成本效益好的直接序列扩频系统。现在直扩技术被广泛应用于包括计算机无线网等许多领域。扩频技术在发展的初始阶段，就已经实现了理论和技术上的重大突破，在此后的发展过程中主要是硬件的改善和性能的提高。随着移动通信的迅猛发展，目前 3G 系统由研制开发逐步进入商用并且向第四代无线多媒体通信飞速发展。根据 ITU 的标准，世界各大电信
14、公司联盟均提出了自己的第三代移动通信系统方案，虽然第三代移动通信系统的标准差异很大，但采用码分多址技术已经达成共识。直扩码分多址，由于具备通信容量大、能充分利用话音的统计特性、平滑的越区切换、通信容量的软特性等优点被作为未来移动通信中最具竞争力、最有前景的无线多址接入技术。无线扩频通信作为另一种有效的补充通信手段,已在金融系统得到了越来越广泛的应用。发展到现在，扩频技术理论和技术都已趋于完善，主要应从系统的角度考虑总体性能，且与其它新技术结合应用。因此，应用的驱动一直是扩频技术发展的强大动力，未来的无线通信系统，如移动通信、无线局域网、全球个人通信等，扩频技术必将发挥重要作用。随着科技的发展，
15、扩频技术必将获得更加广阔的应用空间。中北大学分校学士学位论文42CDMA 数字蜂窝移动通信的介绍21 CDMA 简介2.1.1CDMA技术背景 CDMA 的英文全称为（Code Division Multiple Access），中文意思是码分多址。它是基于 IS-95 标准（双模宽带扩谱蜂窝系统的移动台基站兼容标准）的数字移动电话系统。CDMA 是根据现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等要求而设计的一种移动通讯技术。它是 20 世纪 60 年代由美国高通公司（QUALCOMM）开发的移动通信技术，最早用于军事领域。与使用时分多路的 GSM 技术不同，CDMA 并
16、不给每一个通话者分配一个确定的频率，而是让每一个通信都使用全部的频率，使大量用户能够共享同一个无线频率。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。它为每个用户分配各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。它的地址码通过相互间的正交性进行区别。也就是说，每个用户有自己的地址码，地址码彼此之间是互相独立、互相不影响的。由于有不同的地址码来区分用户，所以对频率、时间和空间没有特定的限制，在这些方面通信是可以重叠的。CDMA 的示意图如2-1 所示，用户信号是用 Ci 来区分的。 2.1.2几种常见的 CDMA技术。 1. NCDMA：窄带码分多址系统，在美国又称为
17、 IS95。由高通公司创立，具有大容量、小蜂窝半径、运用宽波技术和特殊密码主题的特点，1993 年被电信产业协会采用。2. B CDMA：宽带码分多址系统，包括 WCDMA、CDMA2000 和 TDSCDMA，它们分别是欧洲、美国（高通）和中国（大唐电信与西门子合作）所提出并开发的第三代移动通信标准。 3. CDMAOne：流行于日本的一个品牌，是应用 IS95 CDMA 技术的数字蜂窝通信系统。4. CDMAPCS： 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。2.1.3 CDMA的特点：1.系统容量大：理论
18、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 4-5 倍。 fCi码t图 2-1 CDMA 的示意图中北大学分校学士学位论文52. 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
19、户。3.CDMA 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。4.频率规划简单：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。5.话音质量好：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。 6.接通率高：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。7.保密性好：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。8.发射功耗小：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0.毫瓦，
20、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”。9.支持多种业务：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2.2 CDMA通信技术的基本原理2.2.1 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
21、（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
22、学分校学士学位论文62.2.2 CDMA通信技术的基本原理点对点 CDMA 通信系统的组成如图 2-2 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
23、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。2.3 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
24、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 CDMA2000 的开发策略是对以 IS-95 标准为蓝本的 CDMA 系统的平滑升级，CDMA2000 1X 在商用化进程方面处于领先阶段，CDMA2000 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1.25MHz 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 2-2 CDMA 通信系统中北大学分
25、校学士学位论文73 扩频码序列3.1 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
26、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：（3-/2 0,1lim0TaTftdt 当常 数 ，1）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 来比较:ft如二者不完全重叠，即 ，则乘积的积分 为 0；0a如二者完全重叠，即 ；则相乘积分后 为一常数
27、。因此， 的大小可用来表征 f(t)与自身延迟后的 的相关性，故称为自相关函a ft数。现在来看看随机噪声的自相关性。图 3-1(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 3-1(b)为其自相关函数。当 t0 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 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a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
28、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。例如二元码序列中北大学分校学士学位论文81110l00 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 3-1 (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 3-1 (d)中。自相关峰值在 0 时出现，自相关函数在 0/2 范围 内呈三角形。 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
29、数取负值。（a）f（t- ） ttf（t）（b）当码长取得很大时，它就越近似于图 3-1(b)中所示的理想的随机噪声的自相关特性。f（ t） 图 3-1 随机噪声的自相关性 rf2t0（d）ttf（t-）（c）021 1 1 0 1 0 0 1 1 1中北大学分校学士学位论文9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
30、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)之间的相似性用互相关函数来表示：（3-2）/21limTcTftgtdt 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。3.2 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
31、 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 2n1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 3-2 (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、D2、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
32、，即 0 十 00，0 十 11，1 十 0l，l 十 10。图(a)中 D2、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 17 的码序列后，D1、D2、D3 又回到 111 状态。在时钟脉冲的驱动下，输出序列作32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这一简单的例子说明
33、：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 31、63、127、255、511、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
34、l 的游程(连续为“0”或连续为 “l”)占 12，长度为 2 的游程占 l4，长度 3 的游程占 l8。只有一个包含 n 个“l”的游程，也只有一个包含(n1)个“0”的游程。“l”和“0”的游程数相等。3. 一个周期长的序列与其循环移位序列比较，相同码的位数与不相同码的位数相差 l位。在 m 序列中一个周期内“1”的数目比“0”的数目多 l 位。例如上述 7 位码中有 4 个1 1 10 1 10 0 11 0 00 1 01 0 11 1 0D1 D2 D301100 01 00 11 1输出输入图 3-2 周期性 m 序列的产生（b）模二加法器的运算 （c）D1、D2、D3、输入中北大
35、学分校学士学位论文11表 3-2 111101011001000 游程分布“1”和 3 个“0”。在 15 位码中有 8 个“l”和 7 个“0”。在表 3-2 中列出长为 15 位的游程分布。一般说来，m 序列中长为 R 的游程数占游程总数的 l2k。 m 序列的自相关函数由下式计算：A-“0”的位数；D-“1”的位数 （3-ADR，3）令 p =A + D = 2n 1 则：（3-, 0,RP4）设 n = 3, p = 23 1 7， 则：（3-, 0R5）它正是图 3-1 (d)中所示的二值自相关函数。m 序列和其移位后的序列逐位模二相加，所得的序列还是 m 序列，只是相移不同而已。例
36、如 1110100 与向右移三位后的序列 1001110 逐位模二相加后的序列为 0111010，相当于原序列向右移一位后的序列，仍是 m 序列。m 序列发生器中移位寄存器的各种状态，除全 0 状态外，其他状态只在 m 序列中出现一次。如 7 位 m 序列中顺序出现的状态为 111，110 ，101，010，100，00l 和 011，然后再回到初始状态 111。 m 序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产生 m 序列。理论分析指出，产生的 m 序列数由下式决定（3-21/Fn游程长度（比特）“1”的游程数“0”的游程数 所包含的比特数1 2 2 42 1 1 43 0 1 34 1 0 4游
37、程总数 8 合计 15中北大学分校学士学位论文126）其中由 F(X)为欧拉数(即包括 1 在内的小于 X 并与它互质的正整数的个数)。例如 5 级移位寄存器产生的 31 位 m 序列只有 6 个。 3.3 GoId码序列m 序列虽然性能优良，但同样长度的 m 序列个数不多，且序列之间的互相关值并不都好。RGold 提出了一种基于 m 序列的码序列,称为 Gold 码序列。这种序列有较优良的自相关和互相关特性，构造简单，产生的序列数多，因而获得了广泛的应用。如有两个 m 序列，它们的互相关函数的绝对值有界，且满足以下条件：（3-12,nR为 奇 数， 为 偶 数 不 是 4的 倍 数7）我们称
38、这一对 m 序列为优选对。它们的互相关函数如图 3-3(实线)，由小于某一极大值的旁瓣构成。互相关31 位自相关图 3-3 自相关和互相关函数曲线如果把两个 m 序列发生器产生的优选对序列模二相加，则产生一个新的码序列，即Gold 序列。图 34(a)中示出 Gold 码发生器的的原理结构图。图中码发生器 1 和码发生器 2 为 m 序列优选对。每改变两个 m 序列相对位移就可得到一个新的 Gold 序列。因为总共有 个1n不同的相对位移，加上两个 n 级移位寄存器可以产生 个 Gold 序列。因此，Gold 序列2n数比 m 序列数多得多。例如 n=5，m 序列只有 6 个，而 Gold 序
39、列数为 。523钟源码发生器 1（a）Gold 码发生器的的原理结构图码 3（码 1 码 2）码发生器 2中北大学分校学士学位论文13（b）两个 5 级 m 序列优选对构成的 Gold 码发生器1 2 3 4 55 4 321图 3-4 Gold 码发生器的的原理结构图图 34(b)中为两个 5 级 m 序列优选对构成的 Gold 码发生器。这两个 m 序列虽然码长相同，但相加以后并不是 m 序列，也不具备 m 序列的性质。Gold 序列的主要性质有以下几点： Gold 序列具有三值自相关特性，类似图 3-3 中的自相关与互相关特性。其旁辩的极大值满足上式表示的优选对的条件。两个 m 序列优选
40、对不同移位相加产生的新序列都是 Gold 序列。因为总共有 2n1 个不同的相对位移，加上原来的两个 m 序列本身，所以，两个 m 级移位寄存器可以产生 2n1个 Gold 序列。采用 Gold 码族作为地址码，其地址数大大超过了用 m 序列做地址码的数量，所以 Gold码序列在多址技术中，特别是在码序列长度较短的情况下，得到了广泛的应用。中北大学分校学士学位论文144 直接序列扩频通信技术4.1直接序列扩频的概念及理论基础4.1.1 直接序列扩频的概念所谓直接序列(DS：Direct Sequence)扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。而在接收端，用相同的扩频码
41、序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。4.1.2 扩频通信的理论基础长期以来，人们总是想方设法使信号所占的频谱尽量窄，以充分提高十分宝贵的频率资源利用率。但扩频通信在发送端用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽，在接收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复出所传信息数据。为什么要用宽频带信号来传输窄带信息呢？主要是为了通信的安全可靠性。这可用信息论和抗干扰理论的基本观点来说明：根据香农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出的信道容量公式，香农公式：（4-2log(1)SCBN1）式中：C-信息的传输速率（信道容量） 单位 b/s； S-信号平均功率单位 W
42、； B-频带宽度 单位 Hz； N-噪声平均功率 单位 W。由式中可以看出：为了提高信息的传输速率 C，可以从两种途径实现，既加大带宽 B 或提高信噪比 S/N。换句话说，当信号的传输速率 C 一定时，信号带宽 B 和信噪比 S/N 是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信中北大学分校学士学位论文15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。柯捷尔尼可夫在其潜在抗干扰性理论中得到如下关于信息传输差错概率的公式（4-2）0efEpn此公式指出，差错概率 Pe 是信号能量 E 与噪声
43、功率谱密度 之比的函数。设信息持续on时间为 T，或数字信息的码元宽度为 T，则信息的带宽 Bm 为（4-3）1mB信号功率 S 为（4-T4）已调（或已扩频）信号的宽度为 B，则噪声功率为（4-5）0NnB将式（4-3）（4-5）代入式（4-2），可得（4-6）e mSTSBPffN上面公式指出，差错概率 Pe 是输入信号与噪声功率之比（S/N）和信号带宽与信息带宽之比（B/Bm）二者乘积的函数，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。综上所述：将信息带宽扩展 100 倍，甚至用 1000 倍以上的带宽信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强
44、干扰条件下保证可靠安全的通信。这就是扩频通信的基本思想和理论依据。4.1.3扩频增益和抗干扰容限扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接收端解扩还原了信息，这样的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。一般把扩频信号带宽 W 与信息带宽F 之比称为处理增益，即PG(4-7)PWF=它表明了扩频系统信噪比改善的程度。除此之外，扩频系统的其他一些性能也大都与有关。因此，处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。P系统的抗干扰容限 定义如下：jM中北大学分校学士学位论文16(4-8)0jPSMGLN式中：（S/N）。= 输出
45、端的信噪比， = 系统损耗S由此可见，抗干扰容限 与扩频处理增益 成正比，扩频处理增益提高后，抗干扰容jMpG限大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。通常的扩频设备总是将用户信息(待传输信息)的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽可能地提高处理增益。4.2 直接序列扩频的基本原理所谓直接序列扩频（DS），就是直接用具有高速率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。而接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信息。图4-1 示出了直扩通信系统的原理方框图图 4-1 直扩通信系统的组成框图信息信码 m(t) QPSK 调制载波PN 码扩频解调本地 PN 码QPSK
46、解调本地载波中北大学分校学士学位论文17大地的 淡淡的 1 就不个饭的淡淡的 his图表 扩频通信系统的发射机框图图表 扩频通信系统的发射机框图串并变换映射扩频伪码发生器 载波发生器IQ滤波IPNQPNsincos输入图表 扩频通信系统的发射机框图中北大学分校学士学位论文1800（3） ctmpt0（4）载波0 1 11 1 1 10101 （1）信码m（t）（2）伪码 p（t）（5）QPSK 已调波1st（7） 相位2st（6） 相位1（9）解调输出（8）中频调相图 4-2 直扩通信系统的主要相位或波形在发送端输入信息码元 m（t），它是二进制数据，图中为 0、1 两个码元，其码元宽度为 。
47、加入扩频解调器，图中为模 2 加法器，扩频码为一个伪随机码（PN 码），记作bTp（t ）。伪码的波形如图 4-2 中的第（2）个波形，其码元宽度为 ，且取 =16 。通常pTbpT在 DS 系统中，伪码的速率 远远大于信码速率 ，即 ，也就是pRmRcttR=m说，伪码的宽度 pT远远小于信码的宽度 bT，即 ，这样才能展宽频谱。模 2 加法器的p=b运算规则可用下式表示 （4ctmtt9）当 m（t）与 p（t）符号相同时，c（t）为 0；而当 m（t ）与 p（t）不同时，则为1。c（t）的波形如图 4-2 所示中的第（3）个波形。由图可见，当信码 m（t）为 0 时，c（t ）与 p（
48、 t）相同；而当信码 m（t）为 1 时，则 c（t ）为 p（t）取反既是。显然，包含信中北大学分校学士学位论文19码的 c（t）其码元宽度已变成了 ，即已进行了频谱扩展。其扩展处理增益也可用下式表pT示（410lgbppG10）在 一定的情况下，若伪码速率越高，即伪码宽度（码片宽度） 越窄，则扩频处理bT pT增益越大。经过扩频，还要载频调制，以便信号在信道上有效的传输。图中采用二相相移键控方式。调相器可由环行调制器完成，即将 c（t）与载频 相乘，输出为 。即1cosAt1st（41 1osstctA11）式中，（4101ct当 二 进 制 序 列 为 码当 二 进 制 序 列 为 码12）因此，经过扩频和相位调制后的信号 为1st（4111cocossAstAttt13）由上面讨论可知，经过扩频调制信号 c（t）可看作只取 1 的二进制波形，然后对载频进行调制，这里是采用调相（QPSK）。所谓调制，就是指相乘过程，可采用相乘器，环行调制器（或平衡调制器），最后得到的是抑制载波双边带振幅调制信号。这里假定平衡调制器是理想对称，码序列取+1 、 1 的概率相同，即调制信号无直流分量，这样平衡调制
