實驗十一直接序列擴頻實驗

1、實驗十一 直接序列擴頻實驗一、 實驗目的1、通過本實驗掌握基帶信號m序列擴頻原理及方法，掌握擴頻前后信號在時域及頻域上的變化。2、通過本實驗掌握基帶信號Gold序列擴頻原理及方法，掌握擴頻前后信號在時域及頻域上的變化。二、 實驗內(nèi)容1、觀察擴頻前后信息碼的時域變化。2、觀察擴頻前后信息碼的頻域變化。3、觀察已調(diào)信號在擴頻前后的頻域變化。三、 基本原理擴展頻譜通信系統(tǒng)是指將待傳輸信息的頻譜用某個特定的擴頻函數(shù)擴展成為寬頻帶信號后送入信道中傳輸，在接收端利用相應手段將信號解壓縮，從而獲取傳輸信息的通信系統(tǒng)。也就是說在傳輸同樣信息時所需的射頻帶寬，遠比我們已熟知的各種調(diào)制方式要求的帶寬要寬得多。擴頻

2、帶寬至少是信息帶寬的幾十倍甚至幾萬倍。這一定義包括以下三方面的意思：（1）信號頻譜被展寬了。在常規(guī)通信中，為了提高頻率利用率，通常都是采用大體相當帶寬的信號來傳輸信息，即在無線電通信中射頻信號的帶寬和所傳信息的帶寬是屬于同一個數(shù)量級的，但擴頻通信的信號帶寬與信息帶寬之比則高達1001000，屬于寬帶通信，原因是為了提高通信的抗干擾能力，這是擴頻通信的基本思想和理論依據(jù)。擴頻通信系統(tǒng)擴展的頻譜越寬，處理增益越高，抗干擾能力就越強。（2）采用擴頻碼序列調(diào)制的方式來展寬信號頻譜。由信號理論知道，脈沖信號寬度越窄，其頻譜就越寬，信號的頻帶寬度和脈沖寬度近似成反比，因此，所傳信息被越窄的脈沖序列調(diào)制，則

3、可產(chǎn)生很寬頻帶的信號。擴頻碼序列就是很窄的脈沖序列。（3）在接收端用與發(fā)送端完全相同的擴頻碼序列來進行解擴。 擴頻技術的理論依據(jù)定性的討論有以下幾點：首先，擴頻技術的理論基礎可用香農(nóng)信道容量公式來描述：式中：C為信道容量； W為系統(tǒng)傳輸帶寬； S/N為傳輸系統(tǒng)的信噪比。該公式表明，在高斯信道中當傳輸系統(tǒng)的信噪比S/N下降時，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬W的辦法來保持信道容量C不變。對于任意給定的信噪比可以用增大傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯率。擴頻技術正是利用這一原理，用高速率的擴頻碼來達到擴展待傳輸?shù)臄?shù)字信息帶寬的目的。故在相同的信噪比條件下，具有較強的抗噪聲干擾的能力。常用的擴展頻譜方式可分為：a、

4、直接序列擴頻CDMA（DS-CDMA）：用待傳信息信號與高速率的偽隨機碼序列相乘后，去控制射頻信號的某個參量而擴展頻譜。b、跳頻擴頻CDMA（FH-CDMA）：數(shù)字信息與二進制偽隨機碼序列模二相加后，去離散地控制射頻載波振蕩器的輸出頻率，使發(fā)射信號的頻率隨偽隨機碼的變化而跳變。c、跳時擴頻CDMA（TH-CDMA）：跳時是用偽隨機碼序列來啟閉信號的發(fā)射時刻和持續(xù)時間。發(fā)射信號的“有”、“無”同偽隨機序列一樣是偽隨機的。d、混合式：由以上三種基本擴頻方式中的兩種或多種結(jié)合起來，便構(gòu)成了一些混合擴頻體制，如FH/DS，DS/TH，F(xiàn)H/TH等。1、m序列擴頻實驗按照偽隨機m序列的定義有：m231=

5、7，即它可以由最簡單的3節(jié)移位寄存器產(chǎn)生。其生成多項式為。7位m序列產(chǎn)生器如圖11-1所示，其周期m=7。圖11-1 7位m序列產(chǎn)生器將圖中0、1序列轉(zhuǎn)換成實值序列：，即有下列對應關系不考慮多徑傳輸?shù)挠绊?，則7位碼每移一位可供一個用戶做地址碼，這樣可提供7個用戶，分別為：C0=（1 1 1 1 1 1 1），C1=（1 1 1 1 1 1 1），C2=（1 1 1 1 1 1 1），C3=（1 1 1 1 1 1 1），C4=（1 1 1 1 1 1 1），C5=（1 1 1 1 1 1 1），C6=（1 1 1 1 1 1 1），C7=（1 1 1 1 1 1 1）= C0。若用上述7位碼進

6、行擴頻，其擴頻前后的波形圖如圖11-2所示。m=231=7序列的自相關函數(shù)波形如圖11-3所示圖11-2 7位碼擴頻前后的波形圖 圖11-3 m=231=7序列的自相關函數(shù)圖形擴頻后性能分析有效性性能：擴頻后頻帶擴展7倍，直接有效性下降7倍，但是若不考慮實際多徑影響，7位擴頻碼每錯開一位可供一個新用戶，共可供7個用戶，這正好抵消了擴展頻帶的7倍下降位。但實際上必須要考慮多徑影響，這時有效性能會下降可靠性性能：根據(jù)偽碼自相關特性，當碼位對齊時可以將7位偽碼信號能量累加起來增加7倍，碼位不對齊時均下降至1。若采用自相關接收，其接收門限可定在3.5V上（假設信號電平均歸一化為1V），然而若不擴頻，接

7、收信號的門限值只能定在0.5V上，兩者相比，擴頻后抗干擾能力增加倍。實際在擴頻系統(tǒng)中，抗干擾的改善是與擴頻成正比的。圖11-4和11-5分別是擴頻前后PSK信號的頻譜。圖11-4 擴頻前PSK信號的頻譜圖11-5 擴頻后PSK信號的頻譜 圖11-6 直接序列擴頻直接序列擴頻通信的過程是將待傳送的信息碼元與偽隨機序列相乘，在頻域上將二者的頻譜卷積，將信號的頻譜展寬，展寬后的頻譜呈窄帶高斯特性，經(jīng)載波調(diào)制之后發(fā)送出去。在接收端，一般首先恢復同步的偽隨機碼，將偽隨機碼與調(diào)制信號相乘，這樣就得到經(jīng)過信息碼元調(diào)制的載波信號，再作載波同步，解調(diào)后得到信息碼元。我們采用“擴頻增益”GP的概念來描述擴頻系統(tǒng)抗

8、干擾能力的優(yōu)劣，其定義為解擴接收機輸出信噪比與其輸入信噪比的比值，即：它表示經(jīng)擴頻接收處理之后，使信號增強的同時抑制輸入到接收機的干擾信號能力的大小，越大，則抗干擾能力愈強。在直接序列擴頻通信系統(tǒng)中，擴頻增益GP為：2、Gold序列擴頻實驗應該說Gold序列擴頻與m序列擴頻的本質(zhì)區(qū)別僅僅在于擴頻碼的不同，在前面我們已經(jīng)提到過，雖然m序列有優(yōu)良的自相關特性，但是使用m序列作CDMA（碼分多址）通信的地址碼時，其主要問題是由m序列組成的互相關特性好的互為優(yōu)選的序列集很少，對于多址應用來說，可用的地址數(shù)太少了。而Gold序列具有良好的自、互相關特性，且地址數(shù)遠遠大于m序列的地址數(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)

9、，在工程上特別是第三代移動通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。Gold序列是m序列的復合碼，它是由兩個碼長相等、碼時鐘速率相同的m序列優(yōu)選對模二和構(gòu)成的。其中m序列優(yōu)選對是指在m序列集中，其互相關函數(shù)最大值的絕對值最接近或達到互相關值下限（最小值）的一對m序列。這里我們定義優(yōu)選對為：設A是對應于n級本原多項式f（x）所產(chǎn)生的m序列，B是對應于n級本原多項式g（x）所產(chǎn)生的m序列，當他們的互相關函數(shù)滿足： （11-1）則f（x）和g（x）產(chǎn)生的m序列A和B構(gòu)成一對優(yōu)選對。在Gold序列的構(gòu)造中，每改變兩個m序列相對位移就可得到一個新的Gold序列。當相對位移2n1比特時，就可得到一族（2n1）個Gold

10、序列。再加上兩個m序列，共有（2n1）個Gold序列。由優(yōu)選對模二和產(chǎn)生的Gold族2n1個序列已不再是m序列，也不具有m序列的游程特性。但Gold碼族中任意兩序列之間互相關函數(shù)都滿足（11-1）式。四、 實驗原理 1、實驗模塊簡介（1）CDMA發(fā)送模塊：本模塊主要功能：產(chǎn)生PN31偽隨機序列，將偽隨機序列或外部輸入的其它數(shù)字序列擴頻，擴頻增益為32，擴頻后輸出碼速率為512kbps，可輸出兩路不同擴頻碼信號。（2）IQ調(diào)制解調(diào)模塊：本模塊主要功能：產(chǎn)生調(diào)制及解調(diào)用的正交載波；完成射頻正交調(diào)制及小功率線性放大；完成射頻信號正交解調(diào)。 2、實驗框圖及電路說明IQ調(diào)制CDMA發(fā)送CDMA發(fā)送模塊上

11、產(chǎn)生的PN碼（由PN31端輸出），速率為16K，作為信源輸入進模塊中（由NRZ IN端輸入）。模塊內(nèi)部產(chǎn)生PN序列（m序列或Gold序列），速率為512K，作為擴頻碼，與輸入信源模2加，完成擴頻操作后輸出，擴頻增益為32。五、 實驗步驟（一）m序列擴頻實驗1、 在實驗箱上正確安裝CDMA發(fā)送模塊（以下簡稱發(fā)送模塊）及IQ調(diào)制解調(diào)模塊（以下簡稱IQ模塊）。2、 關閉實驗箱電源，用臺階插座線完成如下連接：源端口目的端口連線說明發(fā)送模塊：PN31發(fā)送模塊：DATA1 IN提供PN31偽隨機序列發(fā)送模塊：PN31IQ模塊：I-IN進行PSK調(diào)制3、 將發(fā)送模塊上“GOLD1 SET”撥碼開關第一位置“

12、1”，其他位置“0”（撥向下）。4、 對比觀察m序列擴頻前后的信號波形、頻譜a、示波器探頭分別接發(fā)送模塊上“DATA1 IN”測試點及該模塊上“DS1”測試點，觀察擴頻前后信息碼及擴頻碼的變化。（示波器釋抑為491.8ms492.0ms）b、如果具備條件，可觀察“DATA1 IN”測試點及“DS1”測試點的頻譜及其變化情況。c、為避免擴頻后信號帶寬過大，在發(fā)送模塊中將擴頻后信號進行了限帶濾波，測試點為“DS1 OUT”，觀察該點信號并與“DS1”測試點信號進行比較。5、 對比觀察擴頻前后的已調(diào)信號波形、頻譜a、示波器探頭接IQ模塊調(diào)制單元上的“輸出”測試點，觀察未經(jīng)擴頻的PSK調(diào)制信號，如果條件具備，可觀察此時的譜狀況。b斷開發(fā)送模塊上“PN31”端與IQ模塊上“I-IN”端連線，將發(fā)送模塊上“DS1 OUT”端連到IQ模塊上“I-IN”端。c、示波器探頭接IQ模塊調(diào)制單元上的“輸出”測試點，觀察擴頻后的已調(diào)信號，如果條件具備，可觀察此時的譜狀況，并與擴頻前的信號譜進行比較（二）GO