畢業(yè)設計論文基與Systemview 的直序擴頻系統(tǒng)的仿真與實現(xiàn)

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1、 目 錄中文摘要.英文摘要.引言.11直序擴頻概述1.1 現(xiàn)代通信的安全需要.21.2 直序擴頻的發(fā)展歷史.21.3 本文的主要內容和工作.22直序擴頻的基本理論和概念2.1擴展頻譜通信概述.32.2直序擴頻通信概述 .52.3直序擴頻信號的發(fā)送與接收.62.3.1擴頻調制.72.3.2相關解擴.72.4直序擴頻系統(tǒng)的性能.82.5直序擴頻在工程中的實際應用.103 PN碼的產生3.1擴頻碼序列.113.1.1偽隨機序列的產生 .113.2 m序列.133.2.1自相關和互相關函數(shù).153.2.2 m序列的平均功率譜密度.153.2.3 SSRG的.163.2.4 m序列生成表.174 基與S

2、ystemview 的直序擴頻系統(tǒng)的仿真與實現(xiàn)4.1 Systemview仿真系統(tǒng)概述.174.2直序擴頻系統(tǒng)仿真.194.2.1直序擴頻系統(tǒng)原理仿真.194.2.2 MSK直序擴頻相關解調系統(tǒng)在Systemview上的仿真.214.2.3 PSK直序擴頻信號數(shù)字相關解調在Systemview上的仿真.254.3 MSK與PSK仿真對比.285 擴頻技術的總結與展望5.1工作總結.295.2擴頻技術的發(fā)展趨勢.295.3超寬帶技術.295.4多載波調制技術.295.5軟件無線電. .30結論.31致謝 .32參考文獻.33摘 要擴展頻譜通信(Spread Spectrum Communicat

3、ion)，它與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽為進入信息時代的三大高技術通信傳輸方式。在本文中主要研究了擴頻通信中的直序擴頻通信。直序擴頻技術是目前使用比較廣泛的一種擴頻技術，由于它在發(fā)送端用擴頻碼序列進行擴頻調制，在接收端用相關解調技術，使其具有許多窄帶通信難于替代的優(yōu)良性能。 本文主要闡述了直序擴頻技術的基本原理以及實現(xiàn)擴頻的關鍵技術偽隨機序列，并敘述了偽隨機序列的產生、性質，講述了直序擴頻的調制與解調，同時研究了在Systemview系統(tǒng)下的仿真實現(xiàn)，以及它的未來發(fā)展趨勢。關鍵詞直序擴頻； 偽隨機序列ABSTRACTExpand the frequency chart corresponde

4、nce ( Spread Spectrum Communication), fiber optic Communication the and satellite Communication are three advanced transfer mode in communication in the information age Studied the keeping of Spread Spectrum correspondence inside preface Spread Spectrum correspondence primarily in this text.Keeping

5、the preface Spread Spectrum technique is good function that more extensive a kind of Spread Spectrum technique in current usage, because of it is sending out to carry to proceed with the Spread Spectrum code preface row the Spread Spectrum makes, at receive to carry to use related the solution adjus

6、ts the technique, making its have many narrow take the correspondence difficult in act for. This text expatiates to keep the technical and basic principle in Spread Spectrum in preface and realizes the key technique of the Spread Spectrum primarily false with machine preface row, and describe false

7、with the creation, kind of the machine preface row, related to keep the preface Spread Spectrum make with solve to adjust, undering the system of Systemview studied at the same time of imitate true now, and it of future development trend. Keyword: Direct sequence spread spectrum，PN sequence34直序擴頻技術的

8、仿真與應用引 言隨著個人通信業(yè)務的發(fā)展以及全球定位系統(tǒng)的應用，人們對信息傳輸安全性的要求越來越高，擴頻通信是通信的一個重要分支和無線通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。擴頻技術具有抗干擾能力強、保密性好、易于實現(xiàn)多址通信等優(yōu)點，因此該技術越來越受到人們的重視。近年來，隨著超大規(guī)模集成電路技術、微處理器技術的飛速發(fā)展，以及一些新型元器件的應用，擴頻通信在技術上已邁上了一個新的臺階，它不僅在軍事通信中占有相當重要的地位，而且正迅速地滲透到個人通信和計算機通信等民用領域，成為新世紀最有潛力的通信技術之一。到現(xiàn)在為止，使用擴頻技術的用戶已經超過一億 。無線通信已經成為電信產業(yè)最大的部門之一。現(xiàn)在在移動通信中得到廣泛的

9、應用，因此擴頻技術的歷史經歷了兩個發(fā)展階段，而目前它在這兩個領域仍占據(jù)重要的地位。以后在衛(wèi)星通信，數(shù)據(jù)傳輸，定位，授時系統(tǒng)中都有使用。今后，在衛(wèi)星通信，移動通信系統(tǒng)，定位系統(tǒng)等領域將會得到進一步廣泛使用。因此，研究擴頻技術具有很大實用價值。在本文里研究了擴頻的原理和它的關鍵技術PN碼，并通過仿真比較了不同方式調制解調的優(yōu)缺點，從而展望到擴頻在未來不同領域的應用。1 直序擴頻技術概述1.1 現(xiàn)代通信的安全需求隨著無線網(wǎng)絡的發(fā)展應用，人們對其的安全要求也越來越注重，希望信息能安全準確的傳輸?shù)侥康牡亍Ｈ藗兂Ｓ玫谋Ｃ芊绞骄褪菍π畔⑦M行加密，但在信息的傳輸過程中信息可能被干擾、截獲或破譯。 擴展頻譜技術

10、在50年前第一次被軍方公開介紹，用來進行保密傳輸。從一開始它就被設計成抗噪音、抗干擾、抗阻塞和抗未授權檢測。在擴展頻譜方式中，信號可以跨越很寬的頻段,數(shù)據(jù)基帶信號的頻譜被擴展至幾倍幾十倍再被搬移至射頻發(fā)射出去。這一做法雖然犧牲了頻帶帶寬，但由于其功率密度隨頻譜的展寬而降低，甚至可以將通信信號淹沒在自然背景噪聲中，因此其保密性很強。要截獲或竊聽、偵察這樣的信號是非常困難的，除非采用與發(fā)送端相同的擴頻碼與之同步后再進行相關的檢測，否則對擴頻信號是無能為力的。正是由于擴頻技術的這些特點使得它滿足了信息安全傳輸?shù)囊?，并得到快速發(fā)展。1.2 直序擴頻技術的發(fā)展歷史擴頻通信系統(tǒng)是在50年代中期產生的，其

11、最初的應用包括軍事抗干擾通信、導航系統(tǒng)、抗多徑實驗系統(tǒng)以及其它方面。 擴頻技術的最初構想是在第二次世界大戰(zhàn)期間形成的。在戰(zhàn)爭后期，干擾和抗干擾技術成為決定勝負的重要因素。戰(zhàn)后得出了“最好的抗干擾措施就是好的工程設計和擴展工作頻率”的結論。跳頻通信的思路就是在這段時期出現(xiàn)的：如果對窄帶信號使用編碼的頻率控制，則可以使其在任何時間占據(jù)寬頻段中的任何一部分，這樣敵人要進行干擾就必須維持很寬的頻段。另一方面，直序擴頻則起源于導航系統(tǒng)中高精度測距。 自從擴頻通信的概念在50年代開始成熟以后，此后的二十多年擴頻通信技術仍得到很大的發(fā)展，但都只是局部的發(fā)展，如硬件的改進和應用領域的拓展。一直到80年代初期，

12、擴頻通信的概念都只是在軍事通信系統(tǒng)中得到應用，這種狀況到了80年代中期才得到改變。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）于1985年5月發(fā)布了一份關于將擴頻技術應用到民用通信的報告。從此，擴頻通信技術獲得了更加廣闊的應用空間。而個人通信業(yè)務（PCS）的發(fā)展終于使擴頻技術迎來了另一次大發(fā)展的機遇。1.3 本文的主要內容和工作本文研究了擴頻系統(tǒng)的發(fā)展背景和發(fā)展歷史，并在第二章和第三章中闡述了直序擴頻通信的原理和核心技術PN碼的產生，在第四章中用Systemview系統(tǒng)進行了簡單的仿真，通過前面的研究和了解，展望了直序擴頻技術在未來的信息社會中的發(fā)展趨勢以及在新的領域中的新的應用，2 直序擴頻的基本理論和概念

13、2.1 擴展頻譜通信概述2.1.1 擴展頻譜通信的定義 所謂擴展頻譜通信，可簡單表述如下：“擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關；在接收端則用同樣的碼進行相關同步接收、解擴及恢復所傳信息數(shù)據(jù)”。擴頻調制信道載波調制信道編碼信源編碼信源解擴頻符號解調信道譯碼信源譯碼信息輸 出 圖1典型擴展頻譜系統(tǒng)框圖信號功率譜干擾信號噪聲信號由圖1可看出它主要由原始信息，信源編譯碼，信道編譯碼（差錯控制），載波調制與解調，擴頻調制與解擴頻和信道六大部分組成。信源編碼的目的是去掉信

14、息的冗余度，壓縮信源的數(shù)碼率，提高信道的傳輸效率。差錯控制的目的是增加信息在信道傳輸中的冗余度，使其具有檢錯或糾錯能力，提高信道傳輸質量。調制部分是為使經信道編碼后的符號能在適當?shù)念l段傳輸，如微波頻段，短波頻段等。擴頻調制和解擴是為了某種目的而進行的信號頻譜展寬和還原技術。擴頻通信一般分為直序擴頻和跳頻。直序擴頻和跳頻系統(tǒng)都有很強的保密性能。對于直擴系統(tǒng)而言，射頻帶寬很寬，譜密度很低，甚至淹沒在噪音中，就很難檢查到信號的存在。由于直擴信號的頻譜密度很低，直擴系統(tǒng)對其它系統(tǒng)的影響就很小。直擴系統(tǒng)一般采用相干解調解擴，其調制方式多采用BPSK、DPSK、QPSK、MPSK等調制方式。而跳頻方式由于

15、頻率不斷變化、頻率的駐留時間內都要完成一次載波同步，隨著跳頻頻率的增加，要求的同步時間就越短。因此跳頻多采用非相干解調，采用的解調方式多為FSK或ASK，從性能上看，直擴系統(tǒng)利用了頻率和相位的信息，性能優(yōu)于跳頻。2.1.2 擴頻通信的理論基礎 擴頻通信的基本特點，是傳輸信號所占用的頻帶寬度(W)遠大于原始信息本身實際所需的最小(有效)帶寬(DF)，其比值稱為處理增益Gp: Gp = W/DF . (1)為了充分利用有限的頻率資源，增加通路數(shù)目，人們廣泛選擇不同調制方式，采用寬頻信道(同軸電纜、微波和光纖等)，和壓縮頻帶等措施，同時力求使傳輸?shù)拿浇橹袀鬏數(shù)男盘栒加帽M量窄的帶寬。因現(xiàn)今使用的電話、

16、廣播系統(tǒng)中，無論是采用調幅、調頻或脈沖編碼調制制式，Gp值一般都在十多倍范圍內，統(tǒng)稱為“窄帶通信”。而擴頻通信的Gp值，高達數(shù)百、上千，稱為 “寬帶通信”。擴頻通信的可行性，是從信息論和抗干擾理論的基本公式中引伸而來的。 信息論中關于信息容量的香農(Shannon)公式為： C WLog2(1十P/N) . (2)式中：C - 信道容量(用傳輸速率度量) W - 信號頻帶寬度 P - 信號功率 N - 白噪聲功率 式(2)說明，在給定的傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比PN是可以互換的。即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比PN(SN)情況下，傳輸信息。該公式說明在一定的信道容量條

17、件下，可以用減少發(fā)送信號功率、增加信道帶寬的辦法達到提高信道容量的要求；可以采用減少帶寬而增加信號功率的辦法來達到。信道容量可以通過帶寬與信噪比的互換而保持不變。2.1.3 擴頻通信的主要性能指標 處理增益和抗干擾容限是擴頻通信系統(tǒng)的兩個重要性能指標。 處理增益G也稱擴頻增益(Spreading Gain) 它定義為頻譜擴展前的信息帶寬DF與頻帶擴展后的信號帶寬W之比： GWDF 在擴頻通信系統(tǒng)中接收機作擴頻解調后，只提取偽隨機編碼相關處理后的帶寬為DF 的信息，而排除掉寬頻帶W中的外部干擾、噪音和其地用戶的通信影響。因此，處理增益G反映了擴頻通信系統(tǒng)信噪比改善的程度?？垢蓴_容限是指擴頻通信系

18、統(tǒng)能在多大干擾環(huán)境下正常工作的能力，定義為： Mj = G (S/N)out + Ls 其中：Mj - 抗干擾容G - 處理增益 (SN)out - 信息數(shù)據(jù)被正確解調而要求的最小輸出信噪比 Ls - 接收系統(tǒng)的工作損耗2.1.4 擴頻通信的特點擴頻通信方式與常規(guī)的窄道通信方式是有區(qū)別的： 一是信息的頻譜擴展后形成寬帶傳輸； 二是相關處理后恢復成窄帶信息數(shù)據(jù)。正是由于這兩大持點，使擴頻通信有如下的優(yōu)點： 抗干擾 抗噪音 抗多徑衰落 具有保密性 功率譜密度低，具有隱蔽性和低的截獲概率 可多址復用和任意選址 高精度測量2.2 直序擴頻概述2.2.1直序擴頻定義直接序列擴頻（Direct seque

19、nce spread spectrum）工作方式，簡稱直擴(DS)方式，是擴頻技術的一種，直接利用具有高碼率的擴頻碼系列采用各種調制方式在發(fā)端與擴展信號的頻譜，而在收端，用相同的擴頻碼序去進行解碼，把擴展寬的擴頻信號還原成原始的信息。它是一種數(shù)字調制方法，具體說，就是將信源與一定的PN碼（偽噪聲碼）進行摸二加。2.2.2直序擴頻通信原理原理是用偽隨機編碼序列去調制載波。由于一般所使用的偽隨機序列速率遠大于信碼，所以經過調制以后，信號的能量被擴散到一個很寬的頻帶上，它的功率譜與噪聲相似。在接收端，用與發(fā)送端同步的相同的偽隨機序列解調接收信號，則最終有用信號可以恢復為窄帶的中頻信號，而干擾信號則仍

20、然為寬帶信號，在通過一個濾波器之后其大部分能量可被濾除。下圖為直序擴頻系統(tǒng)原理框圖載波發(fā)生器數(shù)據(jù)時鐘功率放大器調制器模2和加法器PN碼發(fā)生器 （a）發(fā)射機時鐘同步PN碼發(fā)生器本振調制器數(shù)據(jù)輸出解調器中放混頻器 圖2（b）接收機 2.2.3直擴系統(tǒng)的特點l 頻譜的擴展是直接由高碼率的擴頻碼序列進行調制而得到的。 l 擴頻碼序列多采用偽隨機碼，也稱為偽噪聲(PN)碼序列。 l 擴頻調制方式多采用BPSK或QPSK等幅調制。擴頻和解擴的調制解調器多采用平衡調制器，制作簡單又能抑制載波。 l 模擬信息調制多采用頻率調制(FM)，而數(shù)字信息調制多采用脈沖編碼調制(PCM)或增量調制(DM)。 l 接收端

21、多采用產生本地偽隨機碼序列對接收信號進行相關解擴，或采用匹配濾波器來解擴信號。 l 擴頻和解擴的偽隨機碼序列應有嚴格的同步，碼的搜捕和跟蹤多采用匹配濾波器或利用偽隨機碼的優(yōu)良的相關特性在延遲鎖定環(huán)中實現(xiàn)。 l 一般需要用窄帶通濾波器來排除干擾，以實現(xiàn)其抗干擾能力的提高。2.3 直擴信號的發(fā)送與接收直擴系統(tǒng)發(fā)送接收系統(tǒng)的原理方框中，在發(fā)端輸入信息要經過信息調制“擴頻和射頻調制”，在收端接收到的信號要經過變頻、解擴和信息解調。與一般模擬或數(shù)字通信系統(tǒng)比較，信息識別與解調、射頻的上變頻和下變頻，情況基本相同。 直擴通信系統(tǒng)的主要特點在于直擴信號的產生，即擴頻調制和直擴信號的接收，即相關解擴。2.3.

22、1 擴頻調制 一般說來，都是用高碼率的PN碼脈沖序列去進行調制擴展信號的頻譜的。通常采用的調制方式為BPSK，輸入信號與PN 碼在平衡調制器調制而輸出展寬的擴頻信號；圖3中已經表示出直擴擴頻調制的原理圖。圖中平衡調制器的輸出信號的中心頻率位置決定于輸入的載波頻率，在這里是載頻抑制的。而兩個邊帶則為展寬的頻譜，它決定于調制PN碼脈沖的寬度。PN碼碼率越高，或脈沖寬度越窄，擴展的頻譜越寬。平衡調制器的一個重要特性是輸出的調制信號是載波抑制的。無載波發(fā)射，既可節(jié)省功率，又可使擴頻信號更加隱蔽，不易被發(fā)覺。平衡調制器對兩個輸入信號來說相當于乘法器。 如果載波信號用Acosvct表示，脈沖信號用m(t)

23、表示，則輸出信號為二者乘積： Am(t)cosvct 如果m(t)取值為土l，則輸出信號根據(jù)三角公式可分解為相位相差180的兩個分量之和，它相當于只有兩個邊頻而無載波。但在直擴系統(tǒng) 中，調制脈沖不是周期性的規(guī)則脈沖，而是PN碼脈沖序列。在圖3中已示出周期性的脈沖序列的頻譜，而是呈(sinx/x)2型的分布。因此，實際PN碼調制載波獲得的功率譜邊呈(sinx/x)2型分布， 除了BPSK調制獲得擴頻信號外，還可以采用QPSK及MSK調制來進行擴頻調制。 2.3.2 相關解擴 一般采用相關檢測或匹配濾波的方法來解擴。 所謂相關檢測，一個簡單的譬喻就是用像片去對照找人。如果想在一群人中去尋找某個不相

24、識的人，最簡單有效的方法就是手里有一張某人的照片，然后用照片一個一個的對比，這樣下去，自然能夠找到某人。同理，當你想檢測出所需要的有用信號，有效的方法是在本地產生一個相同的信號，然后用它與接收到的信號對比，求其相似性。換句話說，就是用本地產生的相同的信號與接收到的信號進行相關運算，其中相關函數(shù)最大的就最可能是所要的有用信號。圖3中已表示出基本的解擴過程。也就是在收端產生與發(fā)端完全相同的PN碼，對收到的擴頻信號，在平衡調制器中再一次進行二相相移鍵控調制。發(fā)端相移鍵控調制后的信號在收端又被恢復成原來的載波信號。一個必要的條件是本地的PN碼信號的相位必須和收到的相移后的信號在相移點對準，才能正確地將

25、相移后的信號再翻轉過來。由此可見，收發(fā)兩端信號的同步十分重要。另外從圖3(b)中的頻譜圖上也可以看出，平衡調制器把收到的展寬的信號解擴成信息調制的載波。最后經帶通濾波器輸出。以上所述就是所謂的相關解擴過程。通常為了處理方便，大多在中頻進行。也就是接收到的擴頻信號，先在變頻器中先變換到中頻，再進入到平衡調制器中解擴。其后接中頻帶通濾波器輸出。有時為了避免強干擾信號從平衡調制器的輸入端繞過它而泄漏到輸出端去，可以來用外差相關解擴。本地產生的PN碼先與本地振蕩器產生的與接收信號差一個中頻信號的本地振蕩信號在下面一個平衡調制器進行調制，產生本地參考信號。它是一個展寬了的信號。然后，此本地參考信號與接收

26、的信號在上面一個平衡調制器調制成中頻輸出信號。這時平衡調制器實際上起的是混頻器的作用。由于它的輸入信號與輸出信號不同，也就不會發(fā)生強干擾信號直接繞過去的泄漏了。并且后面還有一個中頻帶通濾波器，可以起到濾除干擾的作用。相關解擴過程對擴頻通信至關重要。正是這一解擴過程大大提高了系統(tǒng)的抗擾能力。 圖4(a)示出一直擴接收機的簡化框圖。輸入信號除直擴信號外，還有連續(xù)載波干擾和寬帶信號干擾。圖4(b)中示出三種信好的處理過程。由于解擴相關器對連續(xù)載波起作擴頻的作用，把它變換成展寬的直擴信號。同理，對輸入的不是相同PN碼調制的寬帶信號也進一步展寬2倍。這兩種信號經窄帶濾波器后，只剩下一小部分干擾信號能量。

27、與解擴出的信息調制載波相比較，輸出的信噪比大大提高了。由此可見，頻帶展得越寬，功率譜密度越低，經窄帶濾波后殘余的干擾信號能量就更小了。這里也可以看出，在接收端，窄帶濾波器對提高抗干擾性起作很關鍵的作用，因而在實際應用中，對其性能指標的要求也就很嚴格。相關解擴在性能上固然很好，但總是需要在接收端產生本地PN碼。這一點有時帶來許多不方便。因為匹配濾波和相關檢測的作用在本質上是一樣的，可以用匹配濾波器來解擴直擴信號。所謂匹配濾波器，就是與信號相匹配的濾波器，它能在多種信號或干擾中把與之匹配的信號檢測出來。這同樣是一種“用相片找人”的方法。對于視頻矩形脈沖序列來說，無源匹配濾波器就是抽頭延遲線上加上加

28、法累加器，時稱為橫向濾波器。2.4直序擴頻系統(tǒng)的性能 直序擴頻系統(tǒng)的抗干擾性 直序擴頻信號的抗截獲性 直序擴頻碼分多址通信系統(tǒng) 直序擴頻系統(tǒng)的抗多徑干擾性能 直序擴頻測距定時系統(tǒng) 圖3 (a), (b), (c) 圖42.5直序擴頻在工程中的實際應用擴頻技術最初在無繩電話中獲得成功應用，因為當時已經沒有可用的頻段供無繩電話使用，而擴頻通信技術允許與其它通信系統(tǒng)共用頻段，所以擴頻技術在無繩電話的通信系統(tǒng)中獲得了其在民用通信系統(tǒng)中應用的第一次成功經歷。而真正使擴頻通信技術成為當今通信領域研究熱點的原因是碼分多址（CDMA）的應用。 90年代初，在第一代模擬蜂窩通信系統(tǒng)的基礎上，出現(xiàn)了PCS研究的熱

29、潮。要實現(xiàn)PCS并考慮其長期發(fā)展，需要FCC為其分配100200 MHz的帶寬，而與頻譜分配相關的一個重要技術因素就是多址技術。當時頻譜資源的分配已經是非常擁擠，不存在還未分配且可用的一段寬達100 MHz的頻譜資源。要為PCS分配可用的頻段就只有2種方案：一是為PCS分配一段專用頻譜，使正在使用該頻譜的用戶換到其它的頻段；另一種辦法就是讓PCS與其它用戶共享一段頻譜。采取第一種方案將要遇到巨大的政治和經濟阻礙：當時只有政府使用的一些頻段還比較寬松，因此只能是讓政府用戶換用其它頻段來為PCS騰出頻譜資源；同時換用頻段意味著已有設備的射頻部分需要改造。因此第二種方案成為合理的選擇。擴頻技術為共享

30、頻譜提供了可能。使用擴頻技術能夠實現(xiàn)碼分多址，即在多用戶通信系統(tǒng)中所有用戶共享同一頻段，但是通過給每個用戶分配不同的擴頻碼實現(xiàn)多址通信。利用擴頻碼的自相關特性能夠實現(xiàn)對給定用戶信號的正確接收；將其他用戶的信號看作干擾，利用擴頻碼的互相關特性，能夠有效抑制用戶之間的干擾。此外由于擴頻用戶具有類似白噪聲的寬帶特性，它對其它共享頻段的傳統(tǒng)用戶的干擾也達到最小。由于采用CDMA技術能夠實現(xiàn)與傳統(tǒng)用戶共享頻譜，因此它也就成為PCS首選的多址方案。隨著PCS以及蜂窩移動通信的發(fā)展，CDMA技術已經成為不可或缺的關鍵技術。擴頻通信技術也在民用通信中找到更為廣闊的應用空間,而關于CDMA技術的研究熱潮也一直延

31、續(xù)到現(xiàn)在. 同時直序擴頻在全球定位系統(tǒng)、電力載波通信、藍牙技術等領域也的到廣泛的應用。3 PN碼的產生3.1 擴頻碼序列l(wèi) 在擴展頻譜通信中需要用高碼率的窄脈沖序列?，F(xiàn)在實際上用得最多的是偽隨機碼，或稱為偽噪聲(PN)碼。這類碼序列最重要的特性是具有近似于隨機信號的性能。因為噪聲具有完全的隨機性，也可以說具有近似于噪聲的性能。但是，真正的隨機信號和噪聲是不能重復再現(xiàn)和產生的。我們只能產生一種周期性的脈沖信號來近似隨機噪聲的性能，故稱為偽隨機碼或PN碼。l 在擴頻通信系統(tǒng)中對發(fā)端PN碼的同步是個至關重要的環(huán)節(jié)，沒有對發(fā)端PN碼的捕獲和同步就根本無法實現(xiàn)解擴，也就無法獲得擴頻通信的各項優(yōu)勢。3.1

32、.1偽隨機序列（PN碼）的產生：擴頻碼中應用最廣理論研究最深入的是m序列,又稱最大長度序列移位寄存器序列移位寄存器序列是指由移位寄存器輸出的由“1”和“0”構成的序列。相應的時間波形是指由“1”和“-1”構成的時間函數(shù)，如圖6所示。移位寄存器序列的產生如圖7 。主要由移位寄存器和反饋函數(shù)構成。移位寄存器內容為或1，反饋函數(shù)的輸入端通過系數(shù)與移位寄存器的各級狀態(tài)相聯(lián)（）輸出通過反饋線作為的輸入。移位寄存器在時鐘的作用下把反饋函數(shù)的輸出存入，在下一個時鐘周期又把新的反饋函數(shù)的輸出存入而把原的內容移入，依次循環(huán)下去，不斷輸出。根據(jù)反饋函數(shù)對移位寄存器序列產生器分類：（1）性反饋移位寄存器序列產生器（

33、LFSRSG）：如果為的模2加。（2）反饋移位寄存器序列產生器（NLFSRSG）：如果不是的模2加。擴頻碼中應用最廣理論研究最深入的是m序列,又稱最大長度線性反饋移位寄存器序列. 圖5偽隨機碼產生器(b)1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0(a)圖6（a）移位寄存器序列 （b）移位寄存器波形反饋線輸出移位寄存器時鐘圖7移位寄存器序列生成器3.2 m序列 m序列是最長線性移位寄存器序列的簡稱。由于m序列容易產生、規(guī)律性強、有許多優(yōu)良的性能，在擴頻通信中最早獲得廣泛的應用。 顧名思義，m序列是由多級移位寄存器或其他延遲元件通過線性反饋產生的最長的碼序列。在

34、二進制移位寄存器發(fā)生器中，若n為級數(shù)，則所能產生的最大長度的碼序列為2n1位。 m序列的一些基本性質： 在m序列中一個周期內“1”的數(shù)目比“0”的數(shù)目多 l位。例如上述7位碼中有4個“1”和3個“0”。 在15位碼中有8個“l(fā)”和7個“0”。 在下表中列出長為15位的游程分布。 111101011001000游程分布 游程長度(比特) 游程數(shù)目 所包含的比特數(shù) “1”的 “0”的 1 2 2 4 2 1 1 4 3 0 1 3 4 1 0 4 游程總數(shù)8 合計15 一般說來，m序列中長為R(1 R n 2)的游程數(shù)占游程總數(shù)的l2k。 m序列和其移位后的序列逐位模二相加，所得的序列還是m序列，

35、只是相移不同而已。 m序列發(fā)生器中移位寄存器的各種狀態(tài)，除全0狀態(tài)外，其他狀態(tài)只在m序列中出現(xiàn)一次。 m序列發(fā)生器中，并不是任何抽頭組合都能產生m序列。理論分析指出，產生的m序列數(shù)由下式決定： F(2n 1) / n 其中由F(X)為歐拉數(shù)(即包括1在內的小于X并與它互質的正整數(shù)的個數(shù))m序列的產生m序列產生器的結構在設備中，m序列可以用硬件產生，也可以用軟件產生，然后存在ROM中。在硬件中可使用移位寄存器，也可用聲表面濾波器件等延遲線來產生。用移位寄存器產生m序列，從結構上又有兩種方式，一種是簡單線性碼序列發(fā)生器(SSRG)，另一種是模塊式碼序列發(fā)生器(MSRG)，前一種結構如圖8 a，參加

36、反饋的各級輸出經多次模二加后把最后結果送入第一級。第二種結構如圖8 b，多級的輸出都可能與反饋信號模二和后送入下一級，因為n級碼產生器是由幾個相同模塊構成，因而稱為模塊式結構，每個模塊中包括一級觸發(fā)器和一級模二加構成。不管哪種結構都需有全“0”起動電路，否則由于某種原因（如啟動）發(fā)生器可能死在全“0”狀態(tài)。(a)SSRG輸出(b)MSRG 圖8 m序列產生器結構3.2.1 自相關和互相關函數(shù)在擴展頻譜系統(tǒng)中，不管是通信系統(tǒng)還是測距系統(tǒng)，都非常注重研究擴頻碼的自相關和互相關特性。特別是在碼分多址通信系統(tǒng)中，碼序列的過大的自相關旁瓣和互相關峰值會使碼捕獲的虛警概率增加，對雷達系統(tǒng)（擴頻方式）也是類

37、似影響。自相關函數(shù)定義為 為捕獲序列，也常用表示互相關函數(shù)定義為其中、為兩個碼序列。對二進制時間離散碼序列，自相關函數(shù)和互相關函數(shù)的計算可簡化如下:把兩個碼序列進行逐對和逐比特比較（模2加），則自相關（或互相關）值為一致比特數(shù)減不一致比特數(shù)，逐次改變從，則可得到自相關（或互相關）函數(shù)，如圖9。0N+1N-1N-11-1圖9 m序列自相關函數(shù)3.2.2 m序列的平均功率譜密度m序列是一種偽隨機序列，根據(jù)平穩(wěn)隨機過程理論，它的平均功率譜密度為其自相關函數(shù)的付氏變換，即其中為自相關函數(shù)，在一個周期內，即0PTC. M序列功率譜密度由上圖可見m序列譜特點：譜是離散的，因為是周期性的。譜線間隔為，如N很

38、大，則譜線間隔很小，近似為連續(xù)譜。第一個零點在處，主瓣寬度為。時，。N很大時，3.2.3 SSRG的反饋系數(shù)首先，對移位寄存器狀態(tài)和它的運轉特性，可以通過n維矢量矩陣的運算來表示。如對n=4其中(j)表示第j次移位，(j+1)表示第j+1次移位，矩陣中表示反饋系數(shù)即為的第j+1時刻的輸出，以下第i行的1表示在j+1時刻的輸出為j時刻的輸出。對n級在中第一行：完全表明了反饋函數(shù)與各級寄存器的關系，其它各行只是表明下一級輸入是前一級的輸出，只是狀態(tài)的延時，所以能否構成最大長度序列，完全取決于。換句話說，完全表達了寄存器的狀態(tài)轉移。特征方程和特征多項式：特征多項式對研究移位寄存器序列的產生起到非常重

39、要的作用，是一個重要工具。對于的A矩陣，將行列式定義為的特征多項式，稱方程為特征方程，記為，其中I為單位矩陣為參數(shù)。3.2.4 m序列生成表在給定n之后找出本原多項式，從而確定，即確定了具體反饋連接方式，利用反商（逆）可使具體實現(xiàn)方式加倍。若給定的反饋邏輯,則利用反商得到的系數(shù)形式為，稱為鏡像序列。SSRG與MSRG序列之間關系：與為同一序列，但相位不同。例：n=4，表給出1234123412341111111111110111011111101011001101110101000110101010100001011101010010110110001011000011100101101001

40、11000011010001101000001010110100000101010010100010100001110011011001111011101101111111111111(a) (b) (c) 可見，(a)與(c)為同一m序列，但相移不同，二者與(b)碼互為鏡像。從表中看出，反饋抽頭的數(shù)目為偶數(shù)，不可為奇數(shù)。很容易理解，如為奇數(shù)則會靜止在全1狀態(tài)。4 基與Systemview的直序擴頻系統(tǒng)的仿真與實現(xiàn)4.1 Systemview仿真系統(tǒng)概述4.1.1 Systemview仿真系統(tǒng)的基本功能SystemView是一個信號級的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)的設計、仿真，是一個強

41、有力的動態(tài)系統(tǒng)分析工具，能滿足從數(shù)字信號處理、濾波器設計，到復雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設計、仿真要求。SystemView借助大家熟悉Windows窗口環(huán)境，以模塊化和交互式的界面，為用戶提供了一個嵌入式的分析引擎。使用SystemView時，用戶只需要關心項目的設計思想和過程，用鼠標點擊圖標即可完成復雜系統(tǒng)的建模、設和測試，而不必花費太多的時間和精力通過編程來建立系統(tǒng)仿真模型。4.1.2 Systemview仿真系統(tǒng)的特點(1) 能仿真大量的應用系統(tǒng) (2) 快速方便的動態(tài)系統(tǒng)設計與仿真使用了用戶 (3) 在報告中方便地加入SystemView的結論 (4) 提供基于組織結構圖方式的設計 (

42、5) 多速率系統(tǒng)和并行系統(tǒng) (6) 完備的濾波器和線性系統(tǒng)設計 (7) 先進的信號分析和數(shù)據(jù)塊處理 (8)可擴展性 (9) 完善的自我診斷功能下圖為SystemView仿真系統(tǒng)的仿真界面4.1.3 Systemview仿真系統(tǒng)的基本流程進入SystemView設置系統(tǒng)運行時間添加圖標，設置圖標屬性連接圖符運行系統(tǒng)可在分析窗口中顯示信號對輸入的信號進行頻譜分析結束仿真24.2直序擴頻系統(tǒng)仿真4.2.1 直序擴頻系統(tǒng)原理仿真 圖4.1直序擴頻系統(tǒng)仿真電路圖在上圖中數(shù)據(jù)信號源使用了一個較低頻率（圖符0）的隨機序列通過一個1HZ的低通濾波器來代替。擴頻用的PN碼采用了10KHZ的PN碼（圖符2）。擴頻

43、調制是通過乘法器直接用PN碼調制數(shù)據(jù)信號，合成后的擴頻復合信號同樣是直接用更高的載波（圖符12）進行調制發(fā)射。同時在上圖中還使用了干擾信號源。 上圖為直序擴頻系統(tǒng)仿真原理圖以下為仿真結果：圖4.2經過預處理后的輸入信號波形圖4.3 經過整形后的輸出信號波形圖4.4 未加干擾前的已調信號頻譜圖圖4.5 加入干擾后的已調信號頻譜圖從以上四個圖可觀察到，在100KHZ附近有較強的干擾存在，而解擴后的信號與輸入的信號波形基本一致，完全未受干擾影響，當不斷加大噪聲或干擾的幅度，使起達到系統(tǒng)的抗干擾門限時，則不能準確地恢復原始波形。4.2.2 MSK直序擴頻相關解調系統(tǒng)在SystemView上的仿真信息數(shù)

44、據(jù)擴頻調制信息解調卷積器相關峰處理器信息解調MSK調制本地信號發(fā)生器 偽碼發(fā)生器 MSK直序擴頻相關解調系統(tǒng)原理框圖 圖4.6 MSK直序擴頻相關解調的仿真電路圖圖標49是信號源庫中的用戶自定義輸出圖標，子系統(tǒng)圖標51為擴頻偽隨機序列發(fā)生器和擴頻調制器子系統(tǒng)，子系統(tǒng)12完成MSK調制，發(fā)送的MSK信號可由觀察窗50來觀察，子系統(tǒng)圖標25是本地碼產生模塊，由圖標7、8、9組成的時間窗截取兩個周期的M序列，由子系統(tǒng)圖標100進行MSK調制，作為本地參考信號。通過相關峰處理子系統(tǒng)圖標133，完成相關峰頂點時刻的提取，最后由圖標子系統(tǒng)136完成信息的解調。MSK直序擴頻相關解調系統(tǒng)仿真電路圖標參數(shù)設置

45、圖標序號圖標名稱參數(shù)設置1信號源庫，階躍信號發(fā)生器Amp= -1V, Start= -6.4s, Offset=0 V2，9信號源庫，階躍信號發(fā)生器Amp= 0 V, Start=0 s, Offset=0 V,4DSP庫，格式轉換器Data Type Out=IEEE General,Register Out=64bit,Exponent Out=11bits5DSP庫，格式轉換器Data Type Out=IEEE General,Register Out=64bit,Exponent Out=11bits6DSP庫，卷積器Operation=Convolve, FFT Size=8.19

46、2E+3 sample8信號源庫，階躍信號發(fā)生器Amp= -1V, Start= 12.8s, Offset=0 V49信號源庫，自定義信號源No of Assigned Outputs=5,Algebra p(0)=1, p(1)=1,P(2)=0, p(3)=0, p(4)=012，100子系統(tǒng)PSK轉換法MSK調制器子系統(tǒng)25子系統(tǒng)本地參考信號發(fā)生器51子系統(tǒng)偽碼發(fā)生器和擴頻調制器子系統(tǒng)133子系統(tǒng)相關峰處理子系統(tǒng)136子系統(tǒng)十進制到二進制信息轉換子系統(tǒng)113子系統(tǒng)信息解調子系統(tǒng)0，7加法器無3，10乘法器無48，50，132，143觀察窗庫，分析型觀察窗無以下為MSK仿真結果W0:解調

47、輸出(t48)W1:擴頻數(shù)據(jù)(t50)W2:發(fā)送MSK信號(t132) W3:視頻相關峰 (t142) W4:中頻相關峰W5:相關峰負微分結果(t144)接收的MSK信號與本地參考信號直接進行卷積運算可以得到中頻相關峰。中頻相關峰頂點信號與幅度閘門進行“與”運算，就可以得到唯一的視頻相關峰。中頻相關峰進入相關峰子系統(tǒng)可的到幅度均為正的相關峰包絡。為了提取相關峰的頂點，首先將該包絡進行負微分，最后可得到相關峰包絡負微分結果波形。從上圖視頻相關峰波形可以看出，在第一主峰前旁瓣較大，主瓣比大約為3.9，著是非循環(huán)相關的結果。在第1主峰和第二主峰之間，旁瓣比約為7，這是循環(huán)相關的結果。4.2.3 PS

48、K直序擴頻信號數(shù)字相關解調在SystemView上的仿真低通濾波器Sin2fot數(shù)字相關器擴頻調制后的序列PSK信號PSK調制器 相關峰低通濾波器cos2fot PSK直序擴頻數(shù)字相關解調系統(tǒng)原理圖圖4.7 PSK直序擴頻數(shù)字相關解調系統(tǒng)仿真電路圖待發(fā)送的擴頻碼序列與正弦信號源圖標15產生的載波信號相乘完成PSK調制。PSK擴頻信號可由觀察窗圖標12觀察。在接收端，首先用正弦信號源圖標190產生的與調制載波相干的本地載波與接收的信號相乘來進行相干解調。相干解調后的I路和Q路信號分別經圖表193、94進行低通濾波。為了后面進行采樣處理，信號先經過增益圖標195、196進行一定增益的放大，是信號幅

49、度限制在+2V以內。經過限幅的I路和Q路信號進入數(shù)字相關峰子系統(tǒng)圖標20進行數(shù)字相關解擴處理。最后輸出3個信號，分別是I路信號的相關峰、Q路信號的相關峰、整個系統(tǒng)采用正交檢測法得到的相關峰。PSK直序擴頻數(shù)字相關解調系統(tǒng)仿真電路圖標參數(shù)設置圖標序號圖標名稱參數(shù)設置8信號源庫，階躍信號發(fā)生器Amp= -1V, Start= 3.2s, Offset=0 V9信號源庫，階躍信號發(fā)生器Amp= 1V, Start=0 s, Offset=0 V,15,190信號源庫，正弦信號發(fā)生器Amp= 1V, Freq=60 M Hz, Phase=00193,194算子庫，線性系統(tǒng)與濾波器Linear Pha

50、se Lowpass IIR,8 Poles, Fc=15 MHz195,196算子庫，增益放大器Gain Units =Linear,Gain=420子系統(tǒng)數(shù)字相關器子系統(tǒng)197子系統(tǒng)擴頻偽碼發(fā)生器子系統(tǒng)7加法器無11,19,191,192乘法器無10,12,13,14,201,202觀察窗庫，分析型觀察窗無以下為PSK方式的仿真結果：圖4.8 Q路相干解調濾波器輸出波形 圖 4.9 I路相干解調濾波器輸出波形 圖4.10 I相關峰圖4.11 Q相關峰 圖4.12 中頻相關峰從上面五個圖可以看出，隨著本地載波初相位的變化，I路和Q路的解調輸出以及I路和Q路的相關峰幅度均有變化。當本地載波與調

51、制載波正交時，I路輸出相關峰幅度幾乎為0；當本地載波與調治載波同相時，Q路輸出相關峰幅度幾乎為0。但經過I、Q兩路相關峰的合成，最后輸出的相關峰的幅度變化不大。4.3 MSK與PSK的仿真對比根據(jù)不同用戶需求不同，直序擴頻系統(tǒng)在調制、解調和解擴各部分可以采用多種方案。PSK方式易于調制和解調，但PSK信號帶寬較寬，頻帶利用率低，頻譜特性不好。相比于PSK信號，MKS信號具有帶窄、頻譜主瓣能量集中、旁瓣滾降衰減快、頻帶利用率高等優(yōu)點，因此，在很多保密通信要求較高的直序擴頻系統(tǒng)中，大多采用MSK調制方式。5 擴頻技術的總結與展望5.1 工作總結經過收集資料研究了解直序擴頻的相關原理知識，了解了直序擴頻有著其獨特的優(yōu)點使它在無論軍事還是民用領域方面都有著廣泛的應用。5.2 擴頻技術的發(fā)展趨勢 從擴頻技術的歷史可以看出，每一次技術上的大發(fā)展都是由巨大的需求驅動的。軍事通信抗干擾的驅動以及個人通信業(yè)務的驅動使得擴頻技術的抗干擾性能和碼分多址能力得到最大限度的挖掘。展望未來，第四代移動通信系統(tǒng)（4G）的驅動無疑會使擴頻技術傳輸高速數(shù)據(jù)的能力得到更大的拓展。 3G設計的目標主要是支持多媒體業(yè)務的高速數(shù)據(jù)傳輸，因此其研究主要集中在新標準和新硬件的開發(fā)。而對于3G以后的發(fā)展，不同的研究者有不同的觀點。但是從用戶的觀點看，4G應該具備以下的主要特