基于matlab的直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計

1、基于matlab的直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真摘 要根據(jù)擴(kuò)頻理論，用MATLAB對直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。根據(jù)香農(nóng)定理和科捷爾尼科夫潛在抗干擾理論,通過MATLAB的仿真平臺對直擴(kuò)通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,建立了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型,詳細(xì)講述了各個模塊的設(shè)計,接收端同步捕獲過程采用數(shù)字匹配濾波器的原理。在給定的仿真條件下，對仿真程序進(jìn)行了運(yùn)行測試，得到了預(yù)期的仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：直接序列擴(kuò)頻；通信；MATLABDirect sequence spread spectrum communication system based on matlab simulationAbstract In this

2、paper, based on the spread spectrum theory, I use MATLAB to simulate the direct sequence spread spectrumAccording to the shannon theorem and jie's nico's potential interference theory, direct sequence spread spectrum is simulated by the simulation platform which is offered by MATLAB. And it

3、tells the story of the design of various modules in detail. The receiver synchronization capture process adopts the principle of digital matched filter. In a given simulation conditions, I run the test simulation program and get the expectant simulation results.Key Words:direct sequence spread spect

4、rum, communication, MATLAB目錄1緒論11.1 擴(kuò)頻通信的概述11.2擴(kuò)頻通信的發(fā)展與應(yīng)用12 直接序列擴(kuò)頻通信32.1理論基礎(chǔ)32.2擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的指標(biāo)42.3擴(kuò)頻通信的種類52.4直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)62.5 擴(kuò)頻序列112.6 擴(kuò)頻序列的同步捕獲142.6.1 擴(kuò)頻序列的偽碼同步142.6.2 擴(kuò)頻序列的同步捕獲163 直接擴(kuò)頻系統(tǒng)MATLAB仿真253.1 直接擴(kuò)頻MATLAB仿真組成框圖253.2 m序列發(fā)生器253.3 高斯噪聲253.4干擾和解擴(kuò)判決263.5仿真結(jié)果分析263.6實驗心得28附錄29參考文獻(xiàn)32致3334 / 341 緒論1.1 擴(kuò)頻通信

5、的概述擴(kuò)頻通信與光纖通信、衛(wèi)星通信一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時代的三大高技術(shù)通信傳輸方式,它是指發(fā)送的信息被展寬到一個很寬的頻帶上,在接收端通過相關(guān)接收,將信號恢復(fù)到信息帶寬的一種系統(tǒng)1。采用擴(kuò)頻信號進(jìn)行通信的優(yōu)越性在于用擴(kuò)展頻譜的方法可以換取信噪比上的好處,即接收機(jī)輸出的信噪比相對于輸入的信噪比有很大改善,從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)是指待傳輸信息的頻譜用某個特定的擴(kuò)頻函數(shù)擴(kuò)展頻譜后成為寬頻帶信號，然后送入信道中傳輸，在接收端再利用相應(yīng)的技術(shù)或手段將擴(kuò)展的頻譜進(jìn)行壓縮，恢復(fù)為原來待傳輸信息信號的帶寬，從而達(dá)到傳輸信息目的的通信系統(tǒng)。利用擴(kuò)頻技術(shù)，系統(tǒng)頻率利用率比頻分系統(tǒng)要高很多1。由

6、于擴(kuò)展頻譜技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、截獲率低、多址能力強(qiáng)、抗多徑干擾、性好與測距能力強(qiáng)等一系列的優(yōu)點(diǎn)，使得擴(kuò)頻通信越來越受到人們的重視1。1.2擴(kuò)頻通信的發(fā)展與應(yīng)用擴(kuò)頻技術(shù)的歷史可以追溯到20世紀(jì)50年代中期，擴(kuò)頻技術(shù)主要應(yīng)用在軍事通信和通信中，但是直到80年代初，隨著個人通信業(yè)務(wù)的發(fā)展以與全球定位系統(tǒng)的應(yīng)用，擴(kuò)頻通信技術(shù)又在移動通信中得到廣泛的應(yīng)用，無線通信已經(jīng)成為電信產(chǎn)業(yè)最大的部門之一，經(jīng)過十年多的穩(wěn)步發(fā)展，儼然是21世紀(jì)中最有發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域，到現(xiàn)在為止使用擴(kuò)頻技術(shù)的用戶已經(jīng)超過一億。因此擴(kuò)頻技術(shù)的歷史經(jīng)歷了兩個發(fā)展階段，目前它在這兩個領(lǐng)域仍占據(jù)重要的地位。 擴(kuò)頻技術(shù)的最初構(gòu)想是在第二次世界大

7、戰(zhàn)期間形成的，其最初的應(yīng)用包括軍事抗干擾通信、導(dǎo)航系統(tǒng)、抗多徑實驗系統(tǒng)以與其它方面。在戰(zhàn)爭后期，干擾和抗干擾技術(shù)成為決定勝負(fù)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(shè)計和擴(kuò)展工作頻率"的結(jié)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(jìn)行干擾就必須維持很寬的頻段。另一方面，直序擴(kuò)頻則起源于導(dǎo)航系統(tǒng)中高精度測距1。 真正實用的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是在50年代中期發(fā)展起來的。麻省理工學(xué)院林肯實驗室開發(fā)的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)F9CARake系統(tǒng)被公認(rèn)為第一個成功的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的研制過程中，首次提出了瑞

8、克(RAKE)接收的概念并成功應(yīng)用，該系統(tǒng)也是第一個真正實用的寬帶通信系統(tǒng)。第一個跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)BLADES也在這段時期研制成功，在該系統(tǒng)中第一次利用移位寄存序列實現(xiàn)糾錯編碼。在此期間，噴氣實驗室(JPL)在其空間任務(wù)中完成了偽碼產(chǎn)生器的設(shè)計以與跟蹤環(huán)路的設(shè)計。從此軍事部門對軍事通信、空間探測、衛(wèi)星偵察、導(dǎo)彈制導(dǎo)等方面廣泛應(yīng)用擴(kuò)頻通信方式的研究就十分活躍了1。 一直到80年代初期，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)于1985年5月發(fā)布了一份關(guān)于將擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用到民用通信的報告，從此擴(kuò)頻通信技術(shù)獲得了更加廣闊的應(yīng)用空間。擴(kuò)頻技術(shù)最初在無繩中獲得成功應(yīng)用，因為當(dāng)時已經(jīng)沒有可用的頻段供無繩使用，而擴(kuò)頻通信

9、技術(shù)允許與其它通信系統(tǒng)共用頻段，所以擴(kuò)頻技術(shù)在無繩的通信系統(tǒng)中獲得了其在民用通信系統(tǒng)中應(yīng)用的第一次成功經(jīng)歷，而真正使擴(kuò)頻通信技術(shù)成為當(dāng)今通信領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的原因是碼分多址(CDMA)的應(yīng)用。隨著通信技術(shù)、超大規(guī)模集成電路和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以與擴(kuò)頻通信理論的不斷深入研究和成熟，基帶的編碼和相關(guān)信號處理都變得越來越容易實現(xiàn)和完善了，擴(kuò)頻技術(shù)也從軍用不斷地向民用方面普與。由于擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)具有很強(qiáng)的抗干擾性能、低功率密度隱蔽傳輸、信息傳輸、任意選址等特點(diǎn)，在通信、測距、定位、控制等諸多領(lǐng)域使用時都具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因而在國際上受到普遍關(guān)注而迅猛發(fā)展。目前，各個國家為了滿足R益增長的民用通信容量的需

10、求和有效地利用頻譜資源，都紛紛提出在數(shù)字蜂窩移動通信、衛(wèi)星移動通信和未來的個人通信中采用擴(kuò)頻技術(shù)，因此擴(kuò)頻技術(shù)己廣泛應(yīng)用于蜂窩、無繩、微波通信、無線數(shù)據(jù)通信、遙測遙控等各種系統(tǒng)中1。2.直接序列擴(kuò)頻通信2.1理論基礎(chǔ)直接序列調(diào)制擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)，是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)序列擴(kuò)展到一個很寬的頻帶上去，在收端再用與發(fā)端擴(kuò)展用的一樣的偽隨機(jī)序列對接收到的擴(kuò)頻信號進(jìn)行相關(guān)處理，從而恢復(fù)出擴(kuò)頻調(diào)制以前的信息。擴(kuò)頻技術(shù)主要是將基帶信號的頻譜擴(kuò)展至很寬的頻帶進(jìn)行傳輸，接收端采用相關(guān)接受的原理，將擴(kuò)展的頻譜恢復(fù)到基帶信號的頻譜，從而抑制傳輸過程中加進(jìn)來的干擾。通常的實現(xiàn)方式是將待擴(kuò)頻的信號與一個擴(kuò)頻函數(shù)（一般

11、是偽隨機(jī)編碼信號）在時域相乘來擴(kuò)展信號的頻譜。擴(kuò)頻通信的基本理論依據(jù)是信息論中香農(nóng)的信道容量公式 C=Blog2(1+) (bit/s) （21）式中：C為信道容量（比特/秒）；B為信道帶寬（赫茲）；N為噪聲功率；S為信號平均功率。由上式可以看出，對于任意給定的信噪比SN，只要增加用于傳輸信息的帶寬B，就可以增加在信道中無差錯地傳輸信息的速率C?；蛘哒f在信道中當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信噪比下降時，可以用增加系統(tǒng)傳輸帶寬B的辦法來保持信道容量C不變，而C是系統(tǒng)無差錯傳輸信息的速率。這說明了在增加信道帶寬后，在低的信噪比情況下，信道仍可在一樣的容量下傳送信息，甚至在信號被噪聲淹沒的情況下，只要相應(yīng)地增加傳輸信

12、號的帶寬，也能保持可靠的通信。可見，擴(kuò)展頻譜技術(shù)正是利用這一原理，用高速率的擴(kuò)頻碼來達(dá)到擴(kuò)展待傳輸?shù)臄?shù)字信息帶寬的目的。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)通信系統(tǒng)大幾百倍至幾千倍，所以在一樣的信噪比條件下，具有較強(qiáng)的抗噪聲干擾能力2。擴(kuò)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(kuò)展后形成寬帶傳輸。即在發(fā)送端將輸入的信息先經(jīng)信息調(diào)制形成數(shù)字信號，然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號以展寬信號的頻譜，展寬后的信號調(diào)制到射頻發(fā)射出去。二是相關(guān)處理后恢復(fù)成窄帶信息數(shù)據(jù)。由接收端采用與發(fā)射端同步的代碼進(jìn)行相關(guān)檢波，把被展寬有用頻譜收集起來，所形成的信息碼送給后端進(jìn)行解碼。正是由于這兩大持

13、點(diǎn)，使擴(kuò)頻通信系統(tǒng)比常規(guī)的通信系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗人為干擾、抗窄帶干擾、抗多徑干擾能力。此外還具有信息隱蔽、高分辨率測距、低的空間無線電波“通量密度”與多址通信等優(yōu)點(diǎn)2。22擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的指標(biāo)衡量擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能好壞的性能指標(biāo)主要有兩個：處理增益和干擾容限。在衡量擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力的優(yōu)劣時，通常引入處理增益Gp來描述，它定義為接收相關(guān)處理器的輸出信噪比與輸入信噪比之比，即： Gp=輸出信號噪聲功率比/輸入信號噪聲功率比=10lg(db)=（22）式中：Bc為頻譜擴(kuò)展后的信號帶寬，Bb為頻譜寬展前的信息信號帶寬。在直擴(kuò)系統(tǒng)中，處理增益也等于偽隨機(jī)碼速率Rc與信息碼的碼速率Rb的比值。Gp= （

14、23）處理增益的物理意義表明擴(kuò)頻系統(tǒng)對于信噪比的改善程度，即對干擾的抑制程度。它反映經(jīng)過擴(kuò)頻接收機(jī)處理后，使信號增強(qiáng)的同時抑制輸入到接收機(jī)干擾信號能力的大小。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力與擴(kuò)頻處理增益成正比，處理增益越大，則系統(tǒng)抗干擾能力越強(qiáng)。目前國外在工程上能實現(xiàn)的處理增益對直擴(kuò)系統(tǒng)來說可以達(dá)至70dB，如果系統(tǒng)的基帶濾波器輸出信噪比為10dB，則這個系統(tǒng)的輸入端信噪比為-60dB，也就是說，信號功率可以在低于干擾功率60dB的惡劣條件下正常工作。所以擴(kuò)頻系統(tǒng)在深空超遠(yuǎn)距離的通信工程中占有顯著的地位2。處理增益表明了擴(kuò)頻系統(tǒng)對干擾的抑制程度，但系統(tǒng)能否正常工作僅靠處理增益是不能描述的，它主要取決

15、于干擾容限。干擾容限用來表示擴(kuò)頻系統(tǒng)在干擾環(huán)境中的工作能力。它定義為在保證系統(tǒng)正常工作條件下(系統(tǒng)輸出信噪比一定)，接收機(jī)輸入端能夠正常承受的干擾信號比有用信號高出的分貝數(shù)，用Mj表示：（24） 式中：Gp為系統(tǒng)的處理增益，Lsys為擴(kuò)頻系統(tǒng)的部損耗，(SN)out為系統(tǒng)正常工作時要求的最小輸出信噪比，即相關(guān)器的輸出信噪比。干擾容限直接反映了擴(kuò)頻系統(tǒng)接收機(jī)可能允許的極限干擾強(qiáng)度，當(dāng)干擾功率超過干擾容限后，才能對擴(kuò)頻系統(tǒng)形成干擾。因此它往往比處理增益更確切表征了系統(tǒng)的抗干擾能力2。例如，某系統(tǒng)擴(kuò)頻處理增益Gp=30dB，要求相關(guān)器輸出信嗓比(SN)=10dB，系統(tǒng)損耗Lsys=2dB，由此可得干

16、擾容限為Mj=30-(2+10)=l8dB，也就是說，只要接收機(jī)前端的干擾功率不超過信號功率18dB，系統(tǒng)就能正常工作。23擴(kuò)頻通信的種類 按照擴(kuò)展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴(kuò)頻通信基本方式分為：直接序列擴(kuò)頻、跳頻、跳時、線性調(diào)頻以與上述幾種方式的組合。就是采用高速率的直接序列偽隨機(jī)碼與待傳輸?shù)男畔⑿盘柌ㄐ蜗喑撕?，去直接控制載波信號的某個參量，在發(fā)送端來擴(kuò)展傳輸信號的帶寬，在接收端采用一樣的偽碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，恢復(fù)出傳送的信息。形象地說就是采用特定偽碼控制的多頻率頻移鍵控。它是用二進(jìn)制偽隨機(jī)碼控制射頻載波振蕩器輸出信號的頻率隨著偽隨機(jī)碼的變化而跳變。頻率跳變系統(tǒng)可供隨機(jī)選取的載波頻率數(shù)通常是幾千幾萬

17、個離散頻率。就是采用特定的偽隨機(jī)碼控制的多時片的時移鍵控，使發(fā)射信號在時間軸上離散地跳變，由于采用了窄很多的時隙去發(fā)送信號，相對來說信號的頻譜也展寬了。跳時方式主要用于時分多址(TDMA)通信中。是指系統(tǒng)的工作頻率在一給定的脈沖時間間隔線性地掃過一個很寬的頻帶，形成一個帶寬很寬的掃頻信號。由于線性脈沖調(diào)頻信號占用的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息帶寬，從而也可以獲得較好的抗干擾性能。在上述幾種基本的擴(kuò)頻方式基礎(chǔ)上，可以組合起來構(gòu)成多種混合方式。例如：FHDS、DSTH、FHTH等。不同方式結(jié)合起來的優(yōu)點(diǎn)有時能夠得到單用其中一種方式所得不到的特性3。因本課題是針對直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù)的研究，所以對直擴(kuò)系統(tǒng)做

18、一下重點(diǎn)介紹。2.4直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)直擴(kuò)系統(tǒng)是最典型、應(yīng)用較為廣泛的一種擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)。人們對直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的研究最早，研制出了許多直擴(kuò)系統(tǒng)，比如美國的國防衛(wèi)星通信系統(tǒng)(AvVSC28)、全球定位系統(tǒng)GPS等等3。直接序列擴(kuò)頻方式是直接用偽隨機(jī)編碼序列對載波進(jìn)行調(diào)制，要傳送的數(shù)據(jù)信息需要經(jīng)過信道編碼后，與偽噪聲序列進(jìn)行模2和生成復(fù)合碼去調(diào)制載波。接受機(jī)在收到發(fā)射信號后，首先通過偽碼同步捕獲電路來捕獲發(fā)送來的精確偽碼相位，并由此產(chǎn)生跟發(fā)送端偽碼相位完全一致的偽碼作為本地解擴(kuò)信號，以便能夠與時恢復(fù)出數(shù)據(jù)信息，完成整個直擴(kuò)通信系統(tǒng)的信號接收3。直擴(kuò)系統(tǒng)的組成原理框圖如圖2-1所示：信號源擴(kuò)頻

19、調(diào)制器時鐘源擴(kuò)頻碼發(fā)生器載波發(fā)生器高放放混頻器解擴(kuò)解調(diào)器本振時鐘源擴(kuò)頻碼發(fā)生器 同 步圖2-1直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的組成原理框圖 由信源產(chǎn)生的信息流通過編碼器變換為二進(jìn)制基帶信號d(t)，二進(jìn)制數(shù)字信號中所包含的兩個符號的先驗概率一樣，均為1/2，且兩個符號相互獨(dú)立，二進(jìn)制基帶信號是寬為Tb的+1或-1值的矩形波信號，1Tb為信息數(shù)據(jù)的傳輸速率，用Rb表示；擴(kuò)頻編碼是碼長為N、碼元寬度為Tc、+1或-1取值的矩形波信號c(t)，擴(kuò)頻序列脈沖c(t)通常稱為碼片(chip)，其持續(xù)時間Tc。被稱為碼片間隔，其倒數(shù)lT。稱為碼片速率Rc，通常發(fā)送信號的帶寬取決于碼片速率，一般擴(kuò)頻序列的速率Rc是M

20、bs的量級，有的甚至達(dá)到幾百M(fèi)bs，而待傳輸?shù)男畔⒘鲾?shù)據(jù)的碼速率Rb較低，如數(shù)字語音信號一般為1632kbs。 基帶信號與高速率的擴(kuò)頻編碼序列時域相乘或者模2加得到頻譜擴(kuò)展后的復(fù)合信號d(t)c(t)，經(jīng)載波Acos(2fct+)進(jìn)行調(diào)制(直接序列擴(kuò)頻一般采用PSK調(diào)制)，然后通過發(fā)射機(jī)和天線送入信道中傳輸，發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號用s(t)表示。直擴(kuò)系統(tǒng)發(fā)射信號s(t)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： s(t)=Ad(t)c(t)cos(2fct+) （25） 因為在任何時刻t都有d(t)c(t)=±1,則信號可表示為：S(t)=Acos(2fct+(t)+) (26) 其中A為載波信號振幅，fc為載

21、波頻率，為初始相位，當(dāng)d(t)c(t)=+1時，(t)=0；當(dāng)d(t)c(t)=-1時，(t)=，其相位變化速率為1Tc 。 直擴(kuò)系統(tǒng)的處理增益為碼片速率與信息數(shù)據(jù)速率的比值，即，其值越大，說明抗干擾能力就越強(qiáng)。 擴(kuò)頻信號的功率譜密度函數(shù)如圖2-3所示，它等于信息碼和擴(kuò)頻碼兩信號功率譜密度函數(shù)在頻域的卷積積分，包絡(luò)是(sinxx)2型的，其帶寬等于功率譜的主瓣寬度Rc，即直擴(kuò)系統(tǒng)的射頻帶寬在二元PSK調(diào)制下BRF=2Rc，而與數(shù)字基帶信號的碼速率Rb無關(guān)4。圖2-2 理想擴(kuò)頻系統(tǒng)波形示意圖圖2-3直接序列擴(kuò)頻信號的功率譜 在傳播過程中，傳輸信號受到各種干擾信號與噪聲的污染，在不考慮傳輸過程號電

22、平衰減的情況下，接收端天線上感應(yīng)的信號經(jīng)高放的選擇放大和混頻后，收到的信號用r(t)表示為 r(t)=sI(t)+nI(t)+JI(t)+sJ(t) （27） 式中sI(t)為有用信號，nI(t)為信道噪聲，JI(t)為干擾信號，sJ(t)為其它網(wǎng)的擴(kuò)頻信號。接收端偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列與發(fā)送端產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列一樣，但起始時間或初始相位可能不同，為c,(t)。解擴(kuò)的過程與擴(kuò)頻過程一樣，用本地的偽隨機(jī)序列c,(t)與接收信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，相乘后為 r(t)=r(t)c(t)=sI(t)+nI(t)+JI(t)+sJ(t) （28） 對噪聲分量、干擾分量和不同網(wǎng)干擾，因與本地偽隨機(jī)碼不相關(guān)

23、，經(jīng)相關(guān)處理后其頻帶在接收端被擴(kuò)展，即干擾信號的能量被擴(kuò)展到整個傳輸頻帶之，使落入信號頻帶的干擾信號功率大大降低。 而有用信號分量 sJ,(t)=sI(t)c,(t)=Ad(t)c(t)c,(t)cos(2fct+) （29） 若本地產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列c,(t)與發(fā)端的偽隨機(jī)序列c(t)同步時，有c,(t)=c(t)，則c,(t)c(t)=1，這樣信號分量 sJ,(t)= Ad(t)cos(2fct+) （210）經(jīng)后面解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)后，將有用信號d,(t)解調(diào)出來。由于有用信號和本地偽隨機(jī)碼有良好的相關(guān)性，在通過相關(guān)處理后被壓縮到中心頻率為fIF，帶寬為Bb的頻帶，又因為相關(guān)器后的中頻濾波器通

24、頻帶很窄，通常為Bb=2Rb，所以中頻濾波器只輸出被基帶信號d,(t)調(diào)制的中頻信號和落在濾波器通頻帶的那部分干擾信號和噪聲，而絕大部分的干擾信號和噪聲的功率被中頻濾波器濾除，這樣大改善了系統(tǒng)的輸出信噪比，達(dá)到抗干擾目的。下面以解擴(kuò)前后信號功率譜密度示意圖來說明這一問題。 圖2-4 解擴(kuò)前后信號功率譜密度示意圖 如圖2-4所示，解擴(kuò)前，假設(shè)所有信號的功率譜是均勻分布在B=2Rc的帶寬之，各信號的功率一樣，在圖中各部分的面積均為Po；解擴(kuò)后的信號功率譜各部分面積保持不變，通過相關(guān)解擴(kuò)后，有用信號的頻帶被壓縮在很窄的帶寬，可以無失真地通過帶寬為Bb=2Rb的中頻濾波器，其他信號與本地偽隨機(jī)序列不相

25、關(guān)，根據(jù)頻域卷積定理，頻帶被擴(kuò)展為本地偽隨機(jī)序列帶寬的兩倍，即B=4Rc，所以進(jìn)入中頻濾波器的能量很少，大部分能量落在中頻濾波器的通頻帶之外，被中頻濾波器濾除了?？梢远ㄐ缘乜闯?，解擴(kuò)前后的信噪比發(fā)生了顯著的改善。綜上所述，直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 抗干擾能力強(qiáng) 擴(kuò)頻解調(diào)器實際上是一個相關(guān)器，擴(kuò)頻信號通過相關(guān)器后能有效地恢復(fù)，干擾信號(包括瞄準(zhǔn)性窄帶干擾和寬帶干擾)由于與本地PN碼不相關(guān)而被相關(guān)器抑制掉。(2) 具有強(qiáng)的抗多徑干擾能力 無線電波在傳播的過程中，除了直接到達(dá)接收天線的直射信號外，還會有各種反射體(如大氣對流層、建筑物、高山、樹木、水面、地面)等引起的反射和折射信號被接收

26、天線接收。反射和折射信號的傳播時問比直射信號長，就會對直射信號產(chǎn)生多徑干擾。多徑干擾會造成通信系統(tǒng)的嚴(yán)重衰落甚至無法工作。由擴(kuò)頻序列的自相關(guān)函數(shù)的特性知道，當(dāng)兩個接收信號序列相對時間超過碼元寬度時，相關(guān)器輸出只為碼長的倒數(shù)，故被很大程度地抑制掉3。 (3) 對其他電臺干擾小，抗截獲能力強(qiáng)理論分析表明，信號的檢測概率與信號能量與噪聲功率譜密度之比成正比，與信號的頻帶寬度成反比。直擴(kuò)信號正好具有這兩方面的優(yōu)勢，它的功率譜密度很低，單位時間的能量就很小，同時它的頻帶很寬。因此它具有很強(qiáng)的抗截獲性。簡單的說：由于信息信號經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制后頻譜被大大擴(kuò)展，使信號的功率譜密度大大降低，接收端接收到的信號譜密度

27、比接收機(jī)噪聲低，即信號完全淹沒在噪聲中，這樣對其他同頻段電臺的接收不會形成干擾，信號也就不容易被發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步檢測出信號就更難，所以有非常高的隱蔽性，特別適合應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的通信6。(4) 可以同頻工作由于采用相關(guān)解擴(kuò)，所以只要每部通信機(jī)的解擴(kuò)PN碼不同，幾部通信機(jī)就可以使用同一載頻而不會有互相干擾，只是多增加點(diǎn)背景噪聲而已。(5) 便于實現(xiàn)多址通信由于不同的擴(kuò)頻碼是正交或接近正交的，彼此相互影響很小，所以可以把不同的擴(kuò)頻碼作為用戶的地址碼，則很容易實現(xiàn)碼分多址(CDMA)通信。移動通信系統(tǒng)采用CDMA方式，理論上可以使通信容量比目前的蜂窩式通信容量大6。2.5 擴(kuò)頻序列在擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)中，擴(kuò)頻運(yùn)

28、算是通過偽隨機(jī)序列來實現(xiàn)的，因此在系統(tǒng)中有一個偽隨機(jī)碼發(fā)生器，它是構(gòu)成擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)不可缺少的一部分，偽隨機(jī)碼性能的好壞，直接關(guān)系整個系統(tǒng)性能的好壞，是一個至關(guān)重要的問題。 (1) 偽隨機(jī)碼的要求 香農(nóng)編碼定理指出：只要信息速率Rb小于信道容量C，則總可以找到某種編碼方法，在碼周期相當(dāng)長的條件下，能夠幾乎無差錯地從受到高斯噪聲干擾的信號中恢復(fù)出原發(fā)送的信息。同時香農(nóng)又指出：在高斯白噪聲的干擾下，在平均功率受限的信道上，實現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號是具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號。這是因為高斯白噪聲信號具有理想的自相關(guān)特性，其功率譜為 S(f)= -<f<（211） 其自相關(guān)函數(shù)為：（2

29、12）其中為時延，定義為：（213） 白噪聲是一種平穩(wěn)隨機(jī)過程，它具有如下特性：瞬時值服從高斯分布(或正態(tài)分布)；功率譜在很寬的頻帶都是均勻的，其值為N0/2；自相關(guān)函數(shù)具有類似函數(shù)的形狀，即具有尖銳的自相關(guān)函數(shù)。但是對于白噪聲信號的產(chǎn)生、加工和復(fù)制，迄今為止仍存在著許多技術(shù)問題和困難，然而人們已經(jīng)找到一些易于產(chǎn)生又便于加工和控制的偽隨機(jī)碼序列，它們的統(tǒng)計特性近似于或逼近于高斯白噪聲的統(tǒng)計特性，因此在工程上與實踐中，用偽隨機(jī)碼信號來逼近，并作為擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼。偽隨機(jī)碼又稱為偽噪聲碼，簡稱PN碼。大部分偽隨機(jī)碼都是周期碼，通常由二進(jìn)制移位寄存器來產(chǎn)生，在工程上常用二元域0，1的0元素與1元

30、素的序列來表示。由于這種碼具有類似白噪聲的性質(zhì)，相關(guān)函數(shù)具有尖銳的特性，功率譜占據(jù)很寬的頻帶，因此易于從其他信號或干擾中分離出來，具有良好的抗干擾特性。理想的擴(kuò)頻碼主要應(yīng)具有以下特性：有尖銳的自相關(guān)特性，而互相關(guān)特性應(yīng)接近0值；有足夠長的碼周期，以確?？箓善婆c抗干擾的要求；碼的數(shù)量足夠多，以實現(xiàn)碼分多址的要求；在cdmaOne通信系統(tǒng)中采用的用戶地址碼是周期為2421的m序列，在WCDMA通信系統(tǒng)中采用的用戶地址碼是周期為2411的Gold序列等，其中最簡單、最基礎(chǔ)的偽隨機(jī)序列是m序列。因此，本文采用的擴(kuò)頻序列也是m序列，故對m序列作重點(diǎn)介紹。（2）m序列m序列是最長線性移位寄存器序列，這種序

31、列易于產(chǎn)生與復(fù)制，有優(yōu)良的自 相關(guān)特性，是擴(kuò)頻系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種偽隨機(jī)碼。m序列有如下性質(zhì)：周期性：m序列的周期為N=2n-1,n為移位寄存器的階數(shù)。均衡性：在m序列的一個周期，“1”與“0”的個數(shù)基本相等，準(zhǔn)確地說，“1”的個數(shù)比“0”的個數(shù)多一個，且“1”的個數(shù)為2n-1個，“0”的個數(shù)為2n-1個。游程特性：游程就是一個序列中取值一樣的連在一起的元素。在一個游程中元素的個數(shù)稱為游程長度。在周期為N=2n-1的m序列中，總游程數(shù)為2n-1個，其中元素0的游程與元素1的游程數(shù)目各占一半；長度為k（1kn-2)的游程占游程總數(shù)的2k，最后還有一個長度為n的全1游程和一個長度為n-1的全0游程

32、。移位相加特性：一個m序列與其任意移位序列模2相加，所得序列仍是該m序列的另一個位移序列。m序列的自相關(guān)特性： (214)將m序列的每一比特變換為寬度為Tc（Tc=1/Rc）、幅度為1的波形函數(shù)，當(dāng)m序列為0元素時，波形函數(shù)取正極性，否則取負(fù)極性。經(jīng)過這樣變換后，周期為N的m序列就變?yōu)榇a元寬度為Tc、周期為NTc的m碼。m碼的自相關(guān)函數(shù)為：（215）式中，N=2n-l為m序列的周期。它的自相關(guān)函數(shù)曲線如圖2-5所示。由圖可以看出，當(dāng)周期很長與碼元寬度很小時，R()近似于沖激函數(shù)()的形狀。 圖2-5 m碼的自相關(guān)函數(shù)曲線由相關(guān)函數(shù)理論可得知，信號的自相關(guān)函數(shù)R()與功率譜密度函數(shù)G(f)構(gòu)成一

33、對傅里葉變換，因此我們很容易由m碼的自相關(guān)函數(shù)經(jīng)過傅里葉變換得出功率譜密度，如圖2-6所示，其趨于白噪聲的功率譜特性。圖2-6 m碼的功率譜密度示意圖 m序列的生成是由移位寄存器加上反饋后所產(chǎn)生的，其結(jié)構(gòu)如圖2-7所示 C0 1 C2 C3 Cn 序列輸出 a1 a2 a3 . an 圖2-7 m序列生成器結(jié)構(gòu)示意圖圖中ai(i=1，2，n)為移位寄存器中每位寄存器的狀態(tài)，Ci(i=0，1，2，n)為第i位寄存器的反饋連線系數(shù)。當(dāng)Ci=0時表示反饋線斷開；當(dāng)ci=l時表示反饋存在。在此結(jié)構(gòu)中co=cn=1，不同的反饋邏輯，即ci取不同的值將產(chǎn)生不同的移位寄存器序列。若初始狀態(tài)為全0時，則線性移

34、位寄存器輸出的狀態(tài)將不會改變，因此在實際應(yīng)用中全0這種狀態(tài)應(yīng)避免。n級線性移位寄存器的反饋邏輯可用特征多項式表示為： （216）若n級移位寄存器產(chǎn)生的非零序列周期為N=2n-1，則稱這個序列為n級最大周期線性移位寄存器序列，簡稱m序列。能產(chǎn)生m序列的特征多項式必是不可約的，且是本原多項式，一個本原特征多項式對應(yīng)一個最大長度序列，也就是對應(yīng)一個m序列。2.6 擴(kuò)頻序列的同步捕獲2.6.1 擴(kuò)頻序列的偽碼同步 對于常規(guī)數(shù)字通信，接收端有了相干載波，即可解調(diào)出基帶數(shù)字信號，然而對于擴(kuò)頻信號，首先要完成解擴(kuò)才能進(jìn)行解調(diào)。接收機(jī)若要把偽碼擴(kuò)展的信號解出，接收方就必須能產(chǎn)生一個與發(fā)方一樣的偽碼序列(保證最

35、大相關(guān)值)，而且該本地偽碼速率、相位要與接收到的偽碼保持一致。對于約定好的收、發(fā)方用同一個偽碼很容易辦到，但是，如果要從解擴(kuò)相關(guān)器得到傳送的信息，僅僅保證一樣的碼型是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因為即使一樣的偽隨機(jī)碼，當(dāng)相位差大于一個碼片時，它們的相關(guān)峰就完全消失。所以擴(kuò)頻信號的同步是擴(kuò)頻通信的關(guān)鍵技術(shù)，其性能的好壞直接影響到系統(tǒng)的性能和可靠性。在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，對同步來說存在兩類不確定的因素，即偽碼延時(偽碼相位)和載波頻率的不確定性。引起同步這兩個不確定性因素的原因主要有以下幾個方面：頻率源的漂移、擴(kuò)頻序列的啟動時差、電波傳播的時延、多普勒頻偏、多徑效應(yīng)等，這些原因?qū)⒃斐墒瞻l(fā)兩端的不同步。 偽碼同步一般分為兩

36、步進(jìn)行，偽碼同步流程見圖2-8。同步捕獲 是 調(diào)整時鐘 搜索 是否捕獲 停止搜索 否 轉(zhuǎn)入同步跟蹤 失步 同步鎖定 同步跟蹤 是 否 圖2-8偽隨機(jī)碼同步流程圖一是同步捕獲(又稱粗同步)，主要是捕獲偽碼。接收機(jī)在一開始并不知道對方是否發(fā)送了信號，因此需要有一個搜捕過程，即在一定的頻率和時間圍搜索和捕獲有用信號，找到接收信號中偽碼的起始相位，使收端偽碼與發(fā)端偽碼的相位差小于二分之一個碼元；二是同步跟蹤(又稱精同步)，一旦完成捕獲后，則進(jìn)入跟蹤過程，即繼續(xù)保持同步，不因外界影響而失去同步。也就是說，無論由于何種因素兩端的頻率和相位發(fā)生偏移，同步系統(tǒng)能加以調(diào)整，進(jìn)一步減小收端碼元與發(fā)端碼元的相位誤差

37、，一般誤差要小于十分之一碼元時間，并使收端碼元跟蹤發(fā)端碼元的變化。同步捕獲的方法很多，由于解擴(kuò)過程通常都在載波同步之前進(jìn)行，載波相位在這時是未知的，大多數(shù)捕獲方法都利用非相干檢測。捕獲方法的共同特點(diǎn)是用本地信號與收到的信號相乘，即進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，獲得二者相似性的量度，并與一個門限相比較，以判斷其是否捕獲到有用信號。如果認(rèn)為捕獲到有用信號，則開始跟蹤過程，使系統(tǒng)保持同步，否則又開始繼續(xù)搜捕。當(dāng)偽碼捕獲完成后，系統(tǒng)將控制權(quán)交給偽碼跟蹤電路，對本地偽碼序列相位進(jìn)行精確調(diào)整，即繼續(xù)保持同步，不因外界影響而失去同步；當(dāng)偽碼跟蹤電路失步時，再將控制權(quán)交給偽碼捕獲電路，重新進(jìn)行同步捕獲。跟蹤與一般的數(shù)字通信系

38、統(tǒng)的跟蹤方法類似，一般采用鎖相環(huán)原理來完成跟蹤過程，關(guān)鍵還是在第一步的同步捕獲。在直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)中，偽碼的同步捕獲是構(gòu)成碼同步系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)，也是直擴(kuò)系統(tǒng)中必不可少的部分，因此在本論文中只討論幾種同步捕獲的方法。2.6.2 擴(kuò)頻序列的同步捕獲應(yīng)用中擴(kuò)頻碼大部分是偽隨機(jī)序列，偽隨機(jī)序列的一項基本特性是其自相關(guān)函數(shù)的旁瓣極低。例如，m序列的自相關(guān)函數(shù)相移為零時為序列周期N；當(dāng)相移不等于零時，相關(guān)函數(shù)值為-1。擴(kuò)頻序列的捕捉與跟蹤便是依據(jù)此特性而實現(xiàn)的，只要檢測發(fā)送擴(kuò)頻序列與本地序列在2N個相位狀態(tài)下的相關(guān)函數(shù)值，便可判斷二者相位是否對齊，即是否捕捉成功。PN碼捕獲方法可分為有源相關(guān)和無源相關(guān)兩種

39、。有源相關(guān)時采用了在不同的搜索區(qū)間，用不同相位的本地碼與輸入碼相關(guān)的方法。如果檢測不到相關(guān)峰，則時鐘脈沖驅(qū)動本地碼移向下一個搜索區(qū)間并重復(fù)上述的相關(guān)過程，一直到檢測到正確的相關(guān)峰為止。常用的有源相關(guān)法有滑動相關(guān)法、序列相位搜索法等；而無源相關(guān)是采用一種與已知的擴(kuò)頻碼相匹配的無源濾波器，只有當(dāng)輸入碼與接收機(jī)的匹配濾波器的脈沖響應(yīng)相匹配時，才可得到最大的相關(guān)輸出，否則就沒有相關(guān)輸出。常用的無源相關(guān)法多使用聲表面波器件(SAW)或數(shù)字匹配濾波器。 捕獲的過程是檢測器采用某種特定算法遍歷整個未知相位區(qū)間的過程。通常，把整個未知相位區(qū)間分成有限個小區(qū)間，每次檢測一個小區(qū)間。遍歷算法可以是串行也可以是并行

40、，或者串并結(jié)合，或者從某個特定的區(qū)域開始，逐漸擴(kuò)展到整個區(qū)域。以前采用的主要是串行捕獲方法，這種方案實現(xiàn)簡單，但捕獲速度不能滿足要求。而現(xiàn)在大規(guī)模集成電路的應(yīng)用使并行捕獲方案成為可能，但系統(tǒng)的復(fù)雜度很高，因此研究的目標(biāo)就是實現(xiàn)碼捕獲時間性能和系統(tǒng)復(fù)雜度之間的折衷。在串行捕獲方案中，利用一些新的搜索算法，進(jìn)一步縮短捕獲時間，改進(jìn)這些系統(tǒng)的性能，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。(1) 序列相位搜索捕獲法當(dāng)擴(kuò)額序列周期N>l時，并行捕捉法需要2N個相關(guān)器，電路設(shè)備量過大。為了減少并行捕捉的相關(guān)器數(shù)量，一般采用順序搜索的捕捉方法，只需要一個相關(guān)器即可。順序搜索捕捉的基本原理是：使用一個相關(guān)器，在0一TD期間

41、積分，在TD時刻將積分器的輸出送給一門限比較器，當(dāng)積分器的輸出值小于設(shè)定的門限值時，說明本地參考擴(kuò)頻碼序列的相位與接收擴(kuò)頻碼序列的相位不一樣，門限比較器輸出一信號給擴(kuò)頻碼序列相位搜索控制器，在其作用下不斷地改變本地序列的相位狀態(tài)，相位的變化量可設(shè)為Tc2，并在每個相位進(jìn)行相關(guān)檢測，判斷該相位是否同步，直到相關(guān)器的積分值超過設(shè)定的門限而達(dá)到最大，從而實現(xiàn)擴(kuò)頻碼序列的同步捕獲。 門限值門限比較器接收信號 解調(diào)器 相關(guān)器 射頻放大器擴(kuò)頻碼發(fā)生器相位搜索控制器0 T0積分器 已捕獲 載波 圖2-9序列相位搜索捕獲系統(tǒng)若擴(kuò)頻碼序列長為N，碼元寬度為Tc，則擴(kuò)頻碼序列信號的周期為T=NTc。接收擴(kuò)頻碼序列

42、與本地參考擴(kuò)頻碼序列作相關(guān)積分后，經(jīng)門限比較器進(jìn)行比較判別，TD為一次積分的時間。設(shè)檢測概率Pd=1，虛警概率Pra=O，若Tc/2為搜索相位改變增量，則搜索完擴(kuò)頻碼序列一個周期的時間即為最大的同步捕獲時問TACmax=2NTD，若只經(jīng)過一次積分，不需要再搜索就實現(xiàn)了捕獲，即為最小的同步捕獲時間TACmax=TD，這樣擴(kuò)頻碼序列相位搜索捕獲法的平均同步捕獲時問為TAC=(N+1/2)TD。 擴(kuò)頻碼序列相位搜索捕獲法的特點(diǎn)是電路設(shè)備量少，易于實現(xiàn)，但平均同步捕獲時間隨著擴(kuò)頻碼長度的增加而增大，在擴(kuò)頻碼的長度比較長的情況下要實現(xiàn)快速捕獲是很困難的，所以不適用于低信噪比長序列PN碼捕獲。(2) 滑動

43、相關(guān)捕獲法 滑動相關(guān)捕獲法，是基于擴(kuò)頻碼序列相位搜索方法建立起來的，是一種最簡單也是最基本的搜索法。所謂滑動相關(guān)就是使本地參考擴(kuò)頻碼產(chǎn)生器的時鐘頻率與接收擴(kuò)頻碼時鐘的頻率有一定的偏差，通過改變本地參考擴(kuò)頻碼產(chǎn)生器時鐘的頻率來達(dá)到改變碼序列的相位。依據(jù)具體的實現(xiàn)方案，分成單積分滑動相關(guān)法、串行雙積分滑動相關(guān)法和并行雙積分滑動相關(guān)法。單積分滑動相關(guān)捕獲系統(tǒng)的電路由壓控振蕩器(VCO)、分頻器和時鐘信號成型電路組成，如圖2-10所示解調(diào)后的擴(kuò)頻基帶信號與本地擴(kuò)頻序列相關(guān)后送入積分器，輸出的積分值和門限比較器的門限值作比較，若該值低于設(shè)定的門限值時，輸出一低電平信號給時鐘電路，此信號控制VCO輸出信號

44、的頻率，從而改變時鐘信號的頻率，間接改變了本地參考擴(kuò)頻碼序列的相位狀態(tài)，其結(jié)果相當(dāng)于本地參考擴(kuò)頻碼序列的相位作Tc/2的滑動。當(dāng)積分器的輸出大于設(shè)定的門限值，就完成了擴(kuò)頻碼的捕獲，進(jìn)入到擴(kuò)頻碼序列的同步跟蹤。因此單積分滑動相關(guān)捕獲法的平均同步捕獲時間同序列相位搜索捕獲法一樣也為TAC=(N+1/2)TD。圖2-10 單積分滑動相關(guān)捕獲系統(tǒng)原理圖 與序列相位搜索捕獲法不同的是，門限比較器輸出的低電平用以控制時鐘信號的速率而不是直接控制相位。如果本地擴(kuò)頻序列相位與發(fā)送來的擴(kuò)頻序列相位相差Tc，單積分滑動相關(guān)捕獲系統(tǒng)積分時間TD=Tc。在初次作TD=Tc相關(guān)積分后，因本地擴(kuò)頻序列相位與發(fā)送來的擴(kuò)頻序

45、列相位不一致，積分輸出信號經(jīng)門限比較輸出一個信號，控制改變時鐘信號的速率，即壓控振蕩器的振蕩信號頻率，使本地擴(kuò)頻碼的碼元寬度由Tc變?yōu)門c，使積分時間TD由原來的Tc變?yōu)門D=(+1/2)Tc，這就實現(xiàn)了本地擴(kuò)頻碼的相位滑動了半個碼元，經(jīng)過了2次相位滑動后，本地參考擴(kuò)頻碼序列相位狀態(tài)達(dá)到與接收擴(kuò)頻碼序列相位一致，這時本地參考擴(kuò)頻碼的碼元寬度由F恢復(fù)到最初的瓦，相位滑動被中止，實現(xiàn)了擴(kuò)頻碼序列相位的同步捕獲，因此擴(kuò)頻碼序列的相位同步捕獲時間為2TD。 單積分滑動相關(guān)捕獲電路簡單，但是當(dāng)擴(kuò)頻序列很長時，同步捕獲時間很長。實際上平均同步捕獲時間與積分時間TD、檢測概率Pd、虛警概率Pfa都有關(guān)，而T

46、D、Pd與Pfa之間相互牽制，故難以減小捕獲時間。因此當(dāng)要搜索的PN碼相位比較多時，此時可以考慮使用多個相關(guān)器，即將單積分檢測改為多積分檢測，這樣每個相關(guān)器只要搜索較少的相位，從而減少捕獲時間4。多積分檢測器中具有若干個積分電路，并且各個積分電路具有不同的積分時間。捕捉開始時，先用積分時問最短的積分器進(jìn)行積分并對其輸出判決，這樣可以快速地去掉那些非同步狀態(tài)，當(dāng)然這會引起很高的虛警概率。如果輸出大于門限，判決為同步(其中包含了虛警)，再用積分時間更長的積分器來檢測，以進(jìn)一步去除虛警。直至所有檢測都大于門限時，才判定為同步。這樣，通過快速地去除非同步相位，系統(tǒng)的平均捕捉時間大大降低。 最常使用的多

47、積分檢測是采用雙積分檢測，根據(jù)兩個積分器相對位置的不同，又可分為串行雙積分滑動相關(guān)捕獲系統(tǒng)和并行雙積分滑動相關(guān)捕獲系統(tǒng)。串行雙積分滑動相關(guān)捕獲系統(tǒng)把原單一積分時間為TD的積分器改為積分時間為TDI和TD2的兩個積分器，并且TDl<TD2，第一個積分時間為TDl的積分器僅提供一個捕獲到擴(kuò)頻碼序列相位的粗略估值，在此基礎(chǔ)上第二個積分時間為TD2的積分器提供一個本地序列是否進(jìn)入同步跟蹤的更準(zhǔn)確的估值，處理流程見圖21l。 并行雙積分滑動相關(guān)捕獲系統(tǒng)同理也是積分時間為TDl和TD2的兩個積分器，并且TDI<TD2，兩個積分器并行同時進(jìn)行積分。當(dāng)?shù)谝粋€積分器輸出小于門限值，則對兩個積分器同時

48、清零開始下一個相位的檢測，若大于門限值，則第二個積分器繼續(xù)TD2的積分，直到兩個積分器都大于門限值，表明同步捕獲完成。積分器清零門限2TD2積分門限1改變Tc/2TD1積分開始 否 是 跟蹤環(huán)路 圖2-11串行雙積分滑動相關(guān)捕獲系統(tǒng)的捕獲流程滑動相關(guān)法的優(yōu)點(diǎn)是硬件電路十分簡單，但是當(dāng)接收碼同本地碼之間失配量達(dá)到很大時，搜索過程可能很長，因為要識別捕獲總要一定的時間，因此搜索速度不能過快。盡管存在上述問題，在實際工程應(yīng)用上，滑動相關(guān)法總是首選方案之一。但是要和別的方法結(jié)合使用，先用其它快速捕獲的方法使兩個碼序列接近到一定程度，再用滑動相關(guān)法實現(xiàn)捕獲，即并串結(jié)合的快速捕獲方法。(3) 匹配濾波器法

49、 以上串行捕獲系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，但是其搜索時間較長，在許多應(yīng)用的場合，對捕獲的時間有較高的要求，因此采用并行捕獲結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)捕獲時間最短，但并行捕獲需要N個相關(guān)器，所以電路較為復(fù)雜。用匹配濾波器對偽碼進(jìn)行快速捕獲是一種行之有效的方法，這種方法可以在中頻進(jìn)行，也可以在基帶進(jìn)行。中頻多采用模擬器件聲表面波(SAW)匹配濾波器來完成，基帶多采用數(shù)字集成電路來完成。匹配濾波器的基本原理 匹配濾波器是一種無源相關(guān)技術(shù)，它可以快速地實現(xiàn)相關(guān)器的功能。這里的“匹配"是指濾波器的傳遞函數(shù)為所傳輸信號的復(fù)共軛函數(shù)4。匹配濾波器的基本結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。主要由三部分組成：移位寄存器、乘法器和多輸入加

50、法器組成，這是一個類似于FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)。圖2-12 匹配濾波器結(jié)構(gòu)圖濾波器的輸出SO(t)是輸入信號s(f)和濾波器沖激響應(yīng)向(f)在時間域的卷積積分。在0一TD的時間間隔，匹配濾波器的沖激響應(yīng)為輸入信號的時間反轉(zhuǎn)，即： h(t)=s(Th-t) (0tTb) （217）則其輸出波形為： s0(t)=s(t)*h(t)=R(t-Tb) （218）R(t)為輸入信號的自相關(guān)函數(shù)，因此匹配濾波器可以看成是一個相關(guān)器，但一般相關(guān)器必須經(jīng)過時間為T的積分，才能得到一個相關(guān)值，而匹配濾波器的每個時間點(diǎn)上都能輸出一個相關(guān)值，因而是一種快速的相關(guān)器件。當(dāng)處理基帶信號時，設(shè)輸入的偽隨機(jī)碼序列為： s(

51、n)= （219）其中ak為周期為N的偽隨機(jī)碼序列的序列值，為沖激序列。匹配濾波器的輸出波形為輸入偽隨機(jī)碼序列的自相關(guān)函數(shù)，如前圖2-5所示。匹配濾波器的沖激響應(yīng)為： （220） （221）所以匹配濾波器傳遞函數(shù)為： （222）基帶數(shù)字匹配濾波器同步捕獲法傳統(tǒng)的匹配濾波器捕獲法采用聲表面波器件，該器件在通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可以大大減少捕獲時間，另外它是無源器件，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性能好。但SAW器件插損大，而且濾波器長度也受限于國工藝水平，只能對長碼的一小段進(jìn)行匹配，在低信噪比下不可靠；而且對SAW延遲器件來說，偽碼序列是預(yù)先確定的，器件制造好以后偽隨機(jī)序列就不能改變了。 隨著大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)

52、展，使用數(shù)字匹配濾波器(DMF)進(jìn)行并行捕捉方式的優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)出來，對于需要高性能、低功耗的數(shù)字?jǐn)U頻通信系統(tǒng)來說，使用DMF是一種必然的選擇。 數(shù)字匹配濾波器與傳統(tǒng)的匹配濾波器相比，它主要有以下一些優(yōu)點(diǎn)：可通過編程改變PN碼的碼型，碼長等；獲得很大的處理增益，而且處理增益在一定的圍任意可調(diào)，此外它還有捕捉時間短、體積小、開發(fā)周期短、易于實現(xiàn)等。 如圖2-13所示，在數(shù)字匹配濾波器中，接收的擴(kuò)頻碼序列信號被送入M級移位寄存器中寄存，本地參考擴(kuò)頻碼序列按某一相位狀態(tài)存入另一M級移位寄存器中。當(dāng)兩碼序列的相位狀態(tài)不一致時，所得到的相關(guān)值較低(此時為擴(kuò)頻碼序列自相關(guān)函數(shù)的旁瓣值)，接收擴(kuò)頻碼序列再輸入

53、下一相位狀態(tài)，相關(guān)過程相當(dāng)于接收信號滑過本地序列，每一時刻產(chǎn)生一個相關(guān)結(jié)果，當(dāng)滑到兩個序列相位對齊時，必有一個相關(guān)峰值輸出(擴(kuò)頻序列在零相移時的自相關(guān)函數(shù)值)，檢測到這個相關(guān)峰值，并同時啟動另一個預(yù)先設(shè)置好的PN碼序列發(fā)生器，那么此PN碼序列必定與接收序列同步，實現(xiàn)了擴(kuò)頻碼序列的捕獲。圖2-13 數(shù)字匹配濾波器的并行相關(guān)捕獲法設(shè)輸入數(shù)據(jù)的矩形脈沖周期為Tc，輸入碼序列長為N，在僅僅T=NTc時間里，碼序列所有可能的相位都被搜索一遍，因而具有很高的相位搜索速度。其平均同步捕獲時間為： TAC=MTs+Tc （223）式中，Ts是每級移位寄存器裝載一個碼元的時間對于M級移位寄存器需要花費(fèi)的時間為MTs。一般Tc=Ts，所以平均捕獲時間又可以寫為： TAC=（M+)Tc （224） 數(shù)字匹配濾波器在解擴(kuò)過程中自動完成了偽隨