擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能分析與仿真1

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能分析與仿真摘要擴(kuò)頻通信由于具有抗干擾能力強(qiáng)，隱蔽性好，容易實(shí)現(xiàn)多址傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)而在移動(dòng)通信、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。而且目前它正處于快速的開(kāi)展中，當(dāng)前各個(gè)國(guó)家都在大力開(kāi)展的第三代移動(dòng)通信技術(shù)就采用了擴(kuò)頻通信方式。其中直接序列擴(kuò)頻通信是目前使用最典型的擴(kuò)頻工作方式。本論文以研究直擴(kuò)系統(tǒng)性能分析為目的，從系統(tǒng)仿真對(duì)直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)工作方式進(jìn)行了研究。論文闡述了擴(kuò)頻通信的根底理論，并簡(jiǎn)要介紹了直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。然后介紹了擴(kuò)頻序列的產(chǎn)生，詳細(xì)論述了m序列的相關(guān)理論。本設(shè)計(jì)選用m序列作為擴(kuò)頻序列，信號(hào)調(diào)制選用二進(jìn)制移相鍵控方式。在系統(tǒng)仿真中采用SystemView作為仿真平臺(tái)，對(duì)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行建模，得到了系統(tǒng)的誤碼特性，并與理論值進(jìn)行了比較，同時(shí)簡(jiǎn)單分析了系統(tǒng)的多徑能力。本論文采樣序列關(guān)鍵詞：Systemview；直接序列擴(kuò)頻；擴(kuò)頻碼；抗干擾SIMULATIONANDANALYSISOFTHESPREADSPECTRUMCOMMUNICATIONSYSTEMABSTRACTSpreadSpectrumCommunicationisusedmoreandmorewidelyinmobilecommunications,wirelessdatacommunicationsandotherareasforitshighperformanceinanti-jammingandsecurity.Moreover,itisveryeasilytorealizemultipleaccesstransmissiononthebasisofspreadspectrumcommunications.Nowthespreadspectrumcommunicationisinarapiddevelopment,andthethirdmobilecommunicationsystem(3G)thathasbeensearchedinmanycountriesalsousesthiscommunicationmethod.Directsequence(DS)spreadspectrumcommunicationsisoneofthemosttypicalspreadspectrummodes.Thispaperstudiesdirectsequencespreadspectrumsystemperformanceanalysisforthepurpose.Fromthesystemsimulation,directspreadspectrumcommunicationsystemworkisstudied.Thepapermainlyexpoundsthebasictheoryofspreadspectrumcommunication,andbrieflyintroducesthedirectsequencespreadspectrumcommunicationsystem.Thenintroducesthegeneratingofspread-spectrumsequencesandthetheoryofmsequencesincludingthegenerationmethodandthecorrelationpropertiesisdiscussedindetail.Asimplifieddirectsequencespreadspectrumsystemisdesignedandrealized,inwhichBPSKmodulationschemeisadoptedandmsequenceisemployedasthespreadingsequence.AndbiterrorperformanceisobtainedonthebasisofSystemViewsimulationsoftwareplatformandcomparedwiththetheoreticalvalues,alongwiththebriefanalysisofthemultiplepathability.Keywords:Systemview;directsequencespreadspectrum;spreadspectralsequence;anti-jamming目錄1緒論 11.1課題研究背景及意義 11.2本論文的主要工作及內(nèi)容安排 12擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 22.1擴(kuò)頻通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介 22.2擴(kuò)頻通信的根本概念 22.2.1擴(kuò)頻通信的定義 32.2.2擴(kuò)頻通信的理論根底 42.2.3擴(kuò)頻通信的主要性能指標(biāo) 52.3擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的工作原理 63直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù) 73.1直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介 73.2直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的原理 73.3多徑干擾 83.3.1多徑干擾的概念 83.3.2直擴(kuò)系統(tǒng)的抗多徑能力 94擴(kuò)頻碼 114.1擴(kuò)頻碼簡(jiǎn)介 114.2m序列 114.2.1m序列的產(chǎn)生 114.2.2m序列的性質(zhì) 134.2.3m序列的自相關(guān)函數(shù) 144.2.4m序列的互相關(guān)函數(shù) 154.2.5m序列的功率譜 154.2.6m列優(yōu)選對(duì) 164.3復(fù)合碼 164.3.1Gold碼 164.3.2JPL碼 175systemview直序擴(kuò)頻系統(tǒng)仿真 195.1systemview簡(jiǎn)介 195.2擴(kuò)頻碼仿真 195.2.1m序列仿真 195.2.2Gold碼仿真 205.2.3JPL碼仿真 215.3直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的仿真 225.3.1系統(tǒng)模型及主要模塊參數(shù) 225.3.2主要輸出波形 245.4直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾性分析 275.4.1參加高斯白噪聲后系統(tǒng)仿真 275.4.2系統(tǒng)誤碼率的理論值與測(cè)量值的比較 275.5直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)多徑能力分析 295.5.1系統(tǒng)模型及主要模塊參數(shù) 295.5.2主要輸出波形 315.5.3對(duì)直擴(kuò)系統(tǒng)抗多徑干擾的分析 326結(jié)束語(yǔ) 34參考文獻(xiàn) 35致謝 36附件1：開(kāi)題報(bào)告附件2：英文翻譯原文附件3：英文翻譯譯文1緒論1.1課題研究背景及意義通信現(xiàn)代化是人類社會(huì)進(jìn)入信息時(shí)代的重要標(biāo)志。在現(xiàn)代通信中遇到的一個(gè)重要問(wèn)題就是干擾問(wèn)題。隨著通信事業(yè)的開(kāi)展，各類通信網(wǎng)的建立，使得有限的頻率資源更加擁擠，相互之間的干擾更為嚴(yán)重。如何在惡劣的環(huán)境條件下，保證通信有效、準(zhǔn)確、迅速地進(jìn)行是擺在當(dāng)今通信科研人員面前的一個(gè)重要難題。擴(kuò)頻通信是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中一種重要的信息傳輸方式。擴(kuò)頻技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、保密性好、具有多址通信能力、抗多徑干擾、可精確測(cè)距等優(yōu)點(diǎn)，將其用于通信系統(tǒng)中，可以大大提高通信系統(tǒng)的抗干擾性能，這在當(dāng)今電磁環(huán)境越來(lái)越惡劣的情況下，尤為引人矚目。將其用于移動(dòng)通信系統(tǒng)，不但可以實(shí)現(xiàn)CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)，而且能減輕甚至消除由于移動(dòng)信道多徑時(shí)延擴(kuò)展所引起的頻率選擇性衰落對(duì)數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)性能的影響。從50年代中期到現(xiàn)在的30多年時(shí)間內(nèi)，擴(kuò)頻技術(shù)迅速開(kāi)展，在通信、數(shù)據(jù)傳輸、信息保密、定位、測(cè)距和多址技術(shù)等方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于擴(kuò)展頻譜通信比普通通信方式通信容量大，各國(guó)紛紛提出在將來(lái)的個(gè)人通信中采用擴(kuò)頻技術(shù)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，擴(kuò)頻技術(shù)在軍事通信和民用通信中都將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。1.2本論文的主要工作及內(nèi)容安排本文包括6章。第1章介紹了課題的研究背景及意義；第2章介紹了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)；第3章介紹了直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù)；第4章介紹了擴(kuò)頻碼，對(duì)m序列的產(chǎn)生及其性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)論述，并且對(duì)復(fù)合碼進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹；第5章進(jìn)行了直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在Ssystemview上的仿真，同時(shí)簡(jiǎn)單分析系統(tǒng)的多徑能力。第6章對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)，提出了有待進(jìn)一步研究和解決的問(wèn)題。2擴(kuò)頻通信系統(tǒng)2.1擴(kuò)頻通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信(SpreadSpectrumCommunication)，它與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時(shí)代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。擴(kuò)頻通信是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機(jī)編碼(擴(kuò)頻序列：SpreadSequence)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸；接收端那么采用相同的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具備3個(gè)主要特征：〔1〕載波是一種不可預(yù)測(cè)的，或稱之為偽隨機(jī)的寬帶信號(hào)?！?〕載波的帶寬比調(diào)制數(shù)據(jù)的帶寬要寬得多.〔3〕接收過(guò)程是通過(guò)將本地產(chǎn)生的寬帶載波信號(hào)的復(fù)制信號(hào)與接收到的寬帶信號(hào)相關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。擴(kuò)頻技術(shù)通常有4種類型：〔1〕直接序列擴(kuò)頻，簡(jiǎn)稱直擴(kuò)〔DS〕。所傳送的信息符號(hào)經(jīng)偽隨機(jī)序列〔或稱偽噪聲碼〕編碼后對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制。偽隨機(jī)序列的速率遠(yuǎn)大于要傳送信息的速率，因而調(diào)制后的信號(hào)頻譜寬度將遠(yuǎn)大于所傳送信息的頻譜寬度?！?〕載波頻率跳變擴(kuò)頻，簡(jiǎn)稱跳頻〔FH〕。載荷信息的載波信號(hào)頻率受偽隨機(jī)序列的控制，快速地在給定的頻段中跳變，此跳變的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳送信息的頻譜寬度?！?〕跳時(shí)〔TH〕。將時(shí)間軸分成周期性的時(shí)幀，每幀內(nèi)分成許多時(shí)片。在一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)片發(fā)送信號(hào)由偽碼控制，由于時(shí)片寬度遠(yuǎn)小于信號(hào)持續(xù)時(shí)間從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜的擴(kuò)展。〔4〕混合擴(kuò)頻。幾種不同的擴(kuò)頻方式混合應(yīng)用，例如：直擴(kuò)和跳頻的結(jié)合〔DS/FH〕，跳頻和跳時(shí)的結(jié)合〔FH/TH〕，以及直擴(kuò)、跳頻與跳時(shí)的結(jié)合〔DS/FH/TH〕等。2.2擴(kuò)頻通信的根本概念2.2.1擴(kuò)頻通信的定義所謂擴(kuò)展頻譜通信，可簡(jiǎn)單表述如下：擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的碼序列來(lái)完成，用編碼及調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)；在接收端那么用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。這一定義包含了以下三方面的意思：〔1〕信號(hào)的頻譜被展寬了。我們知道，傳輸任何信息都需要一定的帶寬，稱為信息帶寬。例如人類的語(yǔ)音的信息帶寬為300Hz——3400Hz，電視圖像信息帶寬為數(shù)MHz。為了充分利用頻率資源，通常都是盡量采用大體相當(dāng)?shù)膸挼男盘?hào)來(lái)傳輸信息。在無(wú)線電通信中射頻信號(hào)的帶寬與所傳信息的帶寬是相比較的。如用調(diào)幅信號(hào)來(lái)傳送語(yǔ)音信息，其帶寬為語(yǔ)音信息帶寬的兩倍；電視播送射頻信號(hào)帶寬也只是其視頻信號(hào)帶寬的一倍多。這些都屬于窄帶通信。一般的調(diào)頻信號(hào)，或脈沖編碼調(diào)制信號(hào)，它們的帶寬與信息帶寬之比也只有幾到十幾。擴(kuò)展頻譜通信信號(hào)帶寬與信息帶寬之比那么高達(dá)100——1000，屬于寬帶通信。為什么要用這樣寬的頻帶的信號(hào)來(lái)傳輸信息呢?這樣豈不太浪費(fèi)珍貴的頻率資源了嗎?〔2〕采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制的方式來(lái)展寬信號(hào)頻譜。我們知道，在時(shí)間上有限的信號(hào)，其頻譜是無(wú)限的。例如很窄的脈沖信號(hào)，其頻譜那么很寬。信號(hào)的頻帶寬度與其持續(xù)時(shí)間近似成反比。1微秒的脈沖的帶寬約為1MHz。因此，如果用限窄的脈沖序列被所傳信息調(diào)制，那么可產(chǎn)生很寬頻帶的信號(hào)。如下面介紹的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)就是采用這種方法獲得擴(kuò)頻信號(hào)。這種很窄的脈沖碼序列，其碼速率是很高的，稱為擴(kuò)頻碼序列。這里需要說(shuō)明的一點(diǎn)是所采用的擴(kuò)頻碼序列與所傳信息數(shù)據(jù)是無(wú)關(guān)的，也就是說(shuō)它與一般的正弦載波信號(hào)一樣，絲毫不影響信息傳輸?shù)耐该餍浴U(kuò)頻碼序列僅僅起擴(kuò)展信號(hào)頻譜的作用。

〔3〕在接收端用相關(guān)解調(diào)來(lái)解擴(kuò)正如在一般的窄帶通信中，已調(diào)信號(hào)在接收端都要進(jìn)行解調(diào)來(lái)恢復(fù)所傳的信息。在擴(kuò)頻通信中接收端那么用與發(fā)送端相同的擴(kuò)頻碼序列與收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，恢復(fù)所傳的信息。換句話說(shuō)，這種相關(guān)解調(diào)起到解擴(kuò)的作用。即把擴(kuò)展以后的信號(hào)又恢復(fù)成原來(lái)所傳的信息。這種在發(fā)端把窄帶信息擴(kuò)展成寬帶信號(hào)，而在收端又將其解擴(kuò)成窄帶信息的處理過(guò)程，會(huì)帶來(lái)一系列好處。弄清楚擴(kuò)頻和解擴(kuò)處理過(guò)程的機(jī)制，是理解擴(kuò)頻通信本質(zhì)的關(guān)鍵所在。2.2.2擴(kuò)頻通信的理論根底長(zhǎng)期以來(lái)，人們總是想法使信號(hào)所占領(lǐng)譜盡量的窄，以充分利用十分珍貴的頻譜資源。為什么要用這樣寬頻帶的信號(hào)來(lái)傳送信息呢?簡(jiǎn)單的答復(fù)就是主要為了通信的平安可靠。擴(kuò)頻通信的根本特點(diǎn)，是傳輸信號(hào)所占用的頻帶寬度(W)遠(yuǎn)大于原始信息本身實(shí)際所需的最小(有效)帶寬(F)，其比值稱為處理增益Gp:〔2-1〕眾所周知，任何信息的有效傳輸都需要一定的頻率寬度，如話音為1.7——3.1kHz，電視圖像那么寬到數(shù)兆赫。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(diào)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(shí)力求使傳輸?shù)拿浇橹袀鬏數(shù)男盘?hào)占用盡量窄的帶寬。因現(xiàn)今使用的、播送系統(tǒng)中，無(wú)論是采用調(diào)幅、調(diào)頻或脈沖編碼調(diào)制制式，Gp值一般都在十多倍范圍內(nèi)，統(tǒng)稱為“窄帶通信”。而擴(kuò)頻通信的Gp值，高達(dá)數(shù)百、上千，稱為“寬帶通信”。擴(kuò)頻通信的可行性，是從信息論和抗干擾理論的根本公式中引伸而來(lái)的。信息論中關(guān)于信息容量的仙農(nóng)(Shannon)公式為：〔2-2〕式中：C信道容量(用傳輸速率度量)W信號(hào)頻帶寬度P信號(hào)功率N白噪聲功率式2-2說(shuō)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P/N是可以互換的。即可通過(guò)增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比下傳輸信息。擴(kuò)展頻譜換取信噪比要求的降低，正是擴(kuò)頻通信的重要特點(diǎn)，并由此為擴(kuò)頻通信的應(yīng)用奠定了根底。擴(kuò)頻通信可行性的另一理論根底，為柯捷爾尼可夫關(guān)于信息傳輸過(guò)失概率的公式：(2-3)式中：Powj過(guò)失概率E信號(hào)能量N。噪聲功率譜密度因?yàn)?，信?hào)功率P＝E/T(T為信息持續(xù)時(shí)間)，噪聲功率N＝WN。(W為信號(hào)頻帶寬度)，信息帶寬F＝l/T，那么式2-3可化為：(2-4)式2-4說(shuō)明，對(duì)于一定帶寬F的信息而言，用Gp值較大的寬帶信號(hào)來(lái)傳輸，可以提高通信抗干擾能力，保證強(qiáng)干擾條件下，通信的平安可靠。亦即式2-4與式2-2一樣，說(shuō)明信噪比和帶寬是可以互換的?？傊?，我們用信息帶寬的100倍，甚至1000倍以上的寬帶信號(hào)來(lái)傳輸信息，就是為了提高通信的抗干擾能力，即在強(qiáng)干擾條件下保證可靠平安地通信。這就是擴(kuò)展頻譜通信的根本思想和理論依據(jù)。2.2.3擴(kuò)頻通信的主要性能指標(biāo)處理增益和抗干擾容限是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的兩個(gè)重要性能指標(biāo)?！?〕增益G也稱擴(kuò)頻增(SpreadingGain)它定義為頻譜擴(kuò)展前的信息帶寬F與頻帶擴(kuò)展后的信號(hào)帶寬W之比：〔2-5〕在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中．接收機(jī)作擴(kuò)頻解調(diào)后，只提取偽隨機(jī)編碼相關(guān)處理后的帶寬為F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映了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)信噪比改善的程度?！?〕抗干擾容限是指擴(kuò)頻通信系統(tǒng)能在多大干擾環(huán)境下正常工作的能力，定義為：〔2-6〕式中：Mj抗干擾容G處理增益信息數(shù)據(jù)被正確解調(diào)而要求的最小輸出信噪比Ls接收系統(tǒng)的工作損耗2.3擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的工作原理數(shù)字?jǐn)U頻通信的一般工作原理如圖1.1所示。圖1.1數(shù)字?jǐn)U頻通信系統(tǒng)根本框圖圖1.1所示為一個(gè)數(shù)字?jǐn)U頻通信系統(tǒng)的根本框圖。其中信道編碼器、信道解碼器、調(diào)制器和解調(diào)器是傳統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)的根本構(gòu)成單元。在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中除去了這些單元外，應(yīng)該用了相同的偽隨機(jī)序列發(fā)生器，分別作用在發(fā)送前端的調(diào)制器與接收前端的解調(diào)器。這兩個(gè)序列發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)噪聲〔PN〕二值序列，在調(diào)制端將傳送信號(hào)在頻域進(jìn)行擴(kuò)展，在解調(diào)端解擴(kuò)該擴(kuò)頻發(fā)送信號(hào)。信息數(shù)據(jù)D經(jīng)過(guò)常規(guī)的數(shù)據(jù)調(diào)制，變成了帶寬為B1的基帶(窄帶)信號(hào)，再用擴(kuò)頻編碼發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)編碼(PN碼：PseudoNoiseCode)，對(duì)基帶信號(hào)作擴(kuò)頻調(diào)制，形成帶寬B2(B2遠(yuǎn)大于B1)、功率譜密度極低的擴(kuò)頻信號(hào)，這相當(dāng)于把窄帶B1的信號(hào)以PN碼所規(guī)定的規(guī)律分散到寬帶B2上，再發(fā)射出去。接收端用與發(fā)射時(shí)相同的偽隨機(jī)編碼做擴(kuò)頻解調(diào)，把寬帶信號(hào)恢復(fù)成常規(guī)的基帶信號(hào)，即依PN碼的規(guī)律從寬帶中提取與發(fā)射對(duì)應(yīng)的成份積分起來(lái)，形成普通的基帶信號(hào)，然后，可再用常規(guī)的通信處理解調(diào)出發(fā)送來(lái)的信息數(shù)據(jù)D。3直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù)3.1直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介直接序列擴(kuò)頻〔DirectSequenceSpreadSpectrum〕工作方式，簡(jiǎn)稱直擴(kuò)方式〔DS方式〕是目前使用最多，最典型的擴(kuò)頻工作方式。直擴(kuò)方式就是用高速率的擴(kuò)頻序列在發(fā)射端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展開(kāi)的擴(kuò)頻信號(hào)復(fù)原成原來(lái)的信號(hào)。直接序列擴(kuò)頻方式是直接用偽噪聲序列對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，要傳送的數(shù)據(jù)信息需要經(jīng)過(guò)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(hào)后，首先通過(guò)偽碼同步捕獲電路來(lái)捕獲發(fā)送來(lái)到偽碼精確相位，并由次產(chǎn)生跟發(fā)送端的偽碼相位完全一致的偽碼相位，作為本地解擴(kuò)信號(hào)，以便能夠及時(shí)恢復(fù)出數(shù)據(jù)信息，完成整個(gè)直擴(kuò)通信系統(tǒng)的信號(hào)接收。3.2直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的原理圖3-1為直接擴(kuò)頻系統(tǒng)的組成原理框圖。由信源輸出的信號(hào)a〔t〕是碼元持續(xù)時(shí)間Ta的信息流，偽隨機(jī)碼產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼為c〔t〕，每一隨機(jī)碼碼元寬度或切普〔chip〕寬度為T(mén)c，將信碼a〔t〕與位隨機(jī)碼c〔t〕進(jìn)行模2加，產(chǎn)生一速率與偽隨機(jī)碼速率相同的擴(kuò)頻序列，然后再用擴(kuò)頻序列去調(diào)制載波，這樣就得到已擴(kuò)頻調(diào)制的射頻信號(hào)。在接收端，接收到的擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)高放和混頻后，用與發(fā)端同步的偽隨機(jī)序列對(duì)中頻的擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，將信號(hào)的頻帶恢復(fù)為信息序列a〔t〕的頻帶，即為中頻調(diào)制信號(hào)；然后再進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出所傳輸?shù)男畔〔t〕，從而完成信息的傳輸。對(duì)于干擾信號(hào)和噪聲而言，由于偽隨機(jī)序列不相關(guān)，在相關(guān)解擴(kuò)器的作用下，相當(dāng)于進(jìn)行了一次擴(kuò)頻。干擾信號(hào)和噪聲頻帶被擴(kuò)展后，其譜密度降低，這樣就大大降低了進(jìn)入信號(hào)通頻帶內(nèi)的干擾功率，使解調(diào)器的輸入信噪比和信干比提高，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。圖3-1直接擴(kuò)頻系統(tǒng)組成框圖3.3多徑干擾多徑干擾是一種在通信中，特別是移動(dòng)通信中常見(jiàn)的且影響很?chē)?yán)重的干擾，它屬于乘性干擾?？苟鄰礁蓴_的方法很多，擴(kuò)頻技術(shù)就是其中的一種。多徑干擾的概念多徑干擾是由于電波在傳播過(guò)程中遇到各種反射體〔如電離層、對(duì)流層、高山和建筑物等〕引起的反射或散射，在接收端收到的直接路徑信號(hào)與反射路徑信號(hào)產(chǎn)生的群反射信號(hào)之間的隨機(jī)干預(yù)形成的。多徑的形成與電臺(tái)所處的環(huán)境、地形、地物等有關(guān)。多徑干擾信號(hào)的頻率選擇性衰落和路徑差引起的傳播時(shí)延τ，可使信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真和波形展寬并導(dǎo)致信息波形重疊。這不但能引起噪聲增加和誤碼率上升，使通信質(zhì)量降低，而且可能使某些通信系統(tǒng)無(wú)法工作。下面分析多徑傳輸對(duì)接收的影響。設(shè)發(fā)射信號(hào)為，那么經(jīng)過(guò)幾條路徑傳播后的接收信號(hào)可表示為〔3-1〕式中，、、分別為第i條路徑的接收信號(hào)的振幅、傳播時(shí)延、附加相位，。大量觀察說(shuō)明，與隨時(shí)間的變化與發(fā)射載頻的周期相比通常要緩慢的多。因此，上式可以改寫(xiě)為〔3-2〕其中：〔3-3〕〔3-4〕〔3-5〕 〔3-6〕由于與可認(rèn)為是緩慢變化的隨機(jī)過(guò)程，因此U〔t〕與以及與均是緩慢變化的隨機(jī)過(guò)程，r〔t〕為一窄帶過(guò)程。由式3-2可知：〔1〕從波形看，多徑傳播的結(jié)果使單一頻率確實(shí)知信號(hào)變成了包絡(luò)和相位受到調(diào)制的信號(hào)，這樣的信號(hào)稱為衰落信號(hào)；〔2〕從頻譜上看，多徑引起了頻率彌散，即由單個(gè)頻率變成了一個(gè)窄帶頻率。一般情況下，U〔t〕服從瑞利分布，服從均勻分布，那么可將r〔t〕看成窄帶高斯過(guò)程。多徑傳播造成了衰落及頻率彌散，同時(shí)還可能發(fā)生頻率選擇性衰落。直擴(kuò)系統(tǒng)的抗多徑能力直擴(kuò)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗多徑干擾的能力，其抗多徑效應(yīng)的機(jī)理主要在于以下3點(diǎn)：〔1〕直擴(kuò)系統(tǒng)是一種寬帶系統(tǒng)，盡管在通信中一局部頻譜可能被衰落，但不會(huì)帶來(lái)太大的惡化。從這一點(diǎn)上講，頻譜擴(kuò)展可認(rèn)為是一種頻率分集?！?〕偽隨機(jī)序列具有鋒利的自相關(guān)特性，因而對(duì)多徑效應(yīng)不敏感。當(dāng)多徑時(shí)延擴(kuò)散小于一個(gè)偽碼寬度Tc時(shí)，反射信號(hào)與有用信號(hào)疊加，被視為信號(hào)的一局部，對(duì)有用信號(hào)幅度有影響，但不產(chǎn)生對(duì)偽碼寬度的展寬或壓縮。當(dāng)多徑時(shí)延超過(guò)了一個(gè)偽碼寬度Tc時(shí)，可把多徑信號(hào)視為噪聲處理，相關(guān)接收后多徑信號(hào)就可以去掉。圖3-2給出了直擴(kuò)減弱多徑效應(yīng)的示意圖。圖中用{Ki}〔i=1～m〕表示擴(kuò)頻碼序列；在接收信號(hào)中，除主信號(hào)外，還加上延遲時(shí)間為τ的反射信號(hào)。匹配濾波器對(duì)擴(kuò)頻序列的輸出實(shí)現(xiàn)了別離鋒利的主信號(hào)峰和反射信號(hào)的小峰值的作用。主信號(hào)波形與擴(kuò)頻碼的自相關(guān)函數(shù)相對(duì)應(yīng)。如果碼選擇適宜，那么峰值點(diǎn)以外的相關(guān)值就像峰值兩邊的斜線局部所示那樣影響非常小。圖3-2直擴(kuò)抗多徑示意圖〔3〕當(dāng)碼元Tc相當(dāng)窄且偽碼碼長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)的頻譜很寬，反射回來(lái)的多徑頻率分量不可能同時(shí)到達(dá)接收點(diǎn)，形成的多徑干擾信號(hào)就被消弱，對(duì)接收有用信號(hào)影響不大。4擴(kuò)頻碼4.1擴(kuò)頻碼簡(jiǎn)介在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，信號(hào)頻譜的擴(kuò)展是通過(guò)擴(kuò)頻碼實(shí)現(xiàn)的。擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能同擴(kuò)頻碼的性能有很大關(guān)系。對(duì)擴(kuò)頻碼通常提出以下要求：〔1〕易于產(chǎn)生；〔2〕具有隨機(jī)性；〔3〕擴(kuò)頻碼應(yīng)具有盡可能長(zhǎng)的周期，使干擾者難以通過(guò)擴(kuò)頻碼的一小段去重建整個(gè)碼序列；〔4〕擴(kuò)頻碼應(yīng)具有雙值自相關(guān)函數(shù)和良好的互相關(guān)特性，以有利于接收時(shí)的截獲和跟蹤，以及多用戶應(yīng)用。從理論上說(shuō)，用純隨機(jī)序列去擴(kuò)展信號(hào)頻譜是最理想的。但在接收機(jī)中為了解擴(kuò)應(yīng)當(dāng)有一個(gè)同發(fā)送端擴(kuò)譜碼同步的副本。因此，實(shí)際工程中，我們只能用偽隨機(jī)或偽噪聲〔PN〕序列作為擴(kuò)頻碼。偽隨機(jī)序列具有貌似噪聲的性質(zhì)，但它又是周期性的有規(guī)律的，既容易產(chǎn)生，又可以加工和復(fù)制的序列。偽隨機(jī)序列具有類似于隨機(jī)序列的性質(zhì)，歸納起來(lái)有以下三點(diǎn)：〔1〕平衡特性：隨機(jī)序列中0和1的個(gè)數(shù)接近相等；〔2〕游程特性：把隨機(jī)序列中連續(xù)出現(xiàn)0或1的子序列稱為游程。連續(xù)的0或1的個(gè)數(shù)稱為游程長(zhǎng)度。隨機(jī)序列中長(zhǎng)度為1的游程約占游程總數(shù)的1／2，長(zhǎng)度為2的游程約占游程總數(shù)的1／22，長(zhǎng)度為3的游程約占游程總數(shù)的1／23，…〔3〕相關(guān)特性：隨機(jī)序列的自相關(guān)函數(shù)具有類似于白噪聲自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)。4.2m序列m序列是最長(zhǎng)線性反應(yīng)移存器序列的簡(jiǎn)稱，它是由帶線性反應(yīng)的移存器產(chǎn)生的周期最長(zhǎng)的一種序列。在二進(jìn)制移位存放器發(fā)生器中，假設(shè)n為級(jí)數(shù)，那么所能產(chǎn)生的最大長(zhǎng)度的碼序列為2n－1位。4.2.1m序列的產(chǎn)生〔1〕序列多項(xiàng)式與特征多項(xiàng)式設(shè)線性移位存放器產(chǎn)生的序列為：…定義以二元有限域的元素an〔n=0，1，2，…〕為系數(shù)多項(xiàng)式，那么〔模2加〕〔4-1〕稱為序列多項(xiàng)式。式中a取0，1兩個(gè)值，符號(hào)x的冪次表示序列元素的位置。假設(shè)r級(jí)線性移位存放器的初始狀態(tài)為：a,a,…,a且滿足線性反應(yīng)邏輯〔模2加〕〔4-2〕可得序列多項(xiàng)式G(x)與反應(yīng)邏輯函數(shù)關(guān)系：〔4-3〕如果把模2加法器反應(yīng)到第一級(jí)的連線c=1考慮進(jìn)去，式4-3的分母就是反應(yīng)邏輯。令〔4-4〕為特征多項(xiàng)式。因c=1,所以上式變?yōu)镚(x)=1/F(x)〔4-5〕上式說(shuō)明序列多項(xiàng)式是特征多項(xiàng)式的倒數(shù)。知道了特征多項(xiàng)式，通過(guò)長(zhǎng)除就可以求出G(x)?！?〕本原多項(xiàng)式設(shè),c0=1,cr=1是F2域上的特征多項(xiàng)式，以G(F)代表由特征多項(xiàng)式所產(chǎn)生的所有非零序列的集合。于是G(F)中之非零序列均為m序列的充要條件是F(x)為F2上的本原多項(xiàng)式。所謂本原多項(xiàng)式是指F(x)是不可約的，F(xiàn)(x)可整除1+xp，p=2r-1，F(xiàn)(x)除不盡1+xq，q<p。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常常是根據(jù)需要確定所要求的碼長(zhǎng)，有p=2r-1確定移位存放器的級(jí)數(shù)r，查本原多項(xiàng)式表，確定F(x)，由F(x)就可以決定線性移位存放器的反應(yīng)連線。如圖4.1所示為一個(gè)一般的線性反應(yīng)移存器的組成。圖中一級(jí)移存器的狀態(tài)用ai表示，ai=0或1，i=整數(shù)。反應(yīng)線的連接狀態(tài)用ci表示，ci=1表示此線接通〔參加反應(yīng)〕，ci=0表示此線斷開(kāi)。圖4.1線性反應(yīng)移位存放器4.2.2m序列的性質(zhì)〔1〕在m序列碼中，碼元為“1”的數(shù)目和碼元為“0”的數(shù)目只相差1個(gè)。在P=2-1周期中，碼元為“1”的出現(xiàn)2次，碼元為“0”的出現(xiàn)2-1次，即“0”比“1”少出現(xiàn)1次。這是由于在m序列中不允許出現(xiàn)全零狀態(tài)的緣故。〔2〕m序列中，一個(gè)周期內(nèi)長(zhǎng)度為1〔單個(gè)“0”或單個(gè)“1”〕游程占總游程數(shù)的一半，長(zhǎng)度為2的游程〔即“00”或“11連符〕占總游程的1/4，長(zhǎng)度為3〔即“000或“111符〕占總游程的1/8……只要1個(gè)包含n個(gè)“1”的游程，也只有一個(gè)包含n-1個(gè)“0”的游程。表1列出了長(zhǎng)度為15〔n=4〕的m序列游程分布。表3-1游程分布游程長(zhǎng)度(比特)游程數(shù)目所包含的比特?cái)?shù)“1”的“0”的1224211430134104游程總數(shù)8合計(jì)15一般m序列中，游程總數(shù)為2-1，n是移位存放器級(jí)數(shù)。游程長(zhǎng)度為K的游程出現(xiàn)的比例為=1/，而1≤K≤n-2，此外還有一個(gè)長(zhǎng)度為n的“1”游程和長(zhǎng)度為n-1的“0”游程?！?〕一個(gè)周期長(zhǎng)的序列與其循環(huán)移位序列遠(yuǎn)位比較，相同碼的位數(shù)與不相同碼的位數(shù)相差l位。4.2.3m序列的自相關(guān)函數(shù)m序列的自相關(guān)函數(shù)定義為〔4-5〕式中：A——該序列與其j次移位序列一個(gè)周期中對(duì)應(yīng)元素相同的數(shù)目；D——該序列與其j次移位序列一個(gè)周期中對(duì)用元素不同的數(shù)目；n——該序列的周期；上式還可以改寫(xiě)成如下形式：〔4-6〕式中，xi=0或1。利用上式來(lái)計(jì)算m序列的自相關(guān)函數(shù)。由m序列的延遲相加特性可知，上式分子中的仍為m序列的一個(gè)元素，所以上式分子就等于m序列一個(gè)周期中“0”的數(shù)目與“1”的數(shù)目之差；另外，由m序列的均衡性可知，m序列一周期中“0”的數(shù)目比“1”〔4-7〕式中m為m序列的周期當(dāng)j=0，顯然R〔0〕=1。所以，我們最后寫(xiě)成〔4-8〕R(τ)曲線是由R〔j〕各點(diǎn)連成的折線，如圖4.2所示，其表達(dá)式為〔4-9〕圖4.24.2.4m序列的互相關(guān)函數(shù)兩個(gè)碼序列的互相關(guān)函數(shù)是兩個(gè)不同碼序列一致程度〔相似性〕的度量，它也是位移量的函數(shù)。當(dāng)使用碼序列作為區(qū)分地址是，必須選擇碼序列互相關(guān)函數(shù)值很小的碼，以防止用戶之間互相干擾。研究說(shuō)明，兩個(gè)長(zhǎng)度周期相同，由不同反應(yīng)系數(shù)產(chǎn)生的兩個(gè)m序列，其互相關(guān)函數(shù)〔或互相關(guān)系數(shù)〕與自相關(guān)函數(shù)相比，沒(méi)有鋒利的二值特性，是多值的。作為地址碼而言，希望選擇互相關(guān)函數(shù)很小，這樣便于區(qū)分不同用戶，或者說(shuō)，抗干擾能量強(qiáng)。在二進(jìn)制的情況下，假設(shè)碼序列周期為P的兩個(gè)m序列，其互相關(guān)函數(shù)為〔4-10〕式中，A為兩序列對(duì)應(yīng)位相同的個(gè)數(shù)，即兩序列模2加后“0”的個(gè)數(shù)；D為兩序列對(duì)應(yīng)位不同的個(gè)數(shù)，即兩序列模2加后“1”的個(gè)數(shù)。4.2.5m序列的功率譜信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)和功率譜之間形成一傅里葉變換對(duì)，即〔4-11〕由于m序列的自相關(guān)函數(shù)是周期性的，因而對(duì)應(yīng)的頻譜是離散的。自相關(guān)函數(shù)的波形是三角波，對(duì)應(yīng)的離散譜的包絡(luò)為〔x〕。由此可得m序列的功率譜G〔w〕為〔4-12〕由此可得：〔1〕m序列的功率譜為離散譜，譜線間隔；〔2〕功率譜的包絡(luò)為，每個(gè)分量的功率與周期N成反比；〔3〕直流分量與N2成反比，N越大，直流分量越小，載漏越小；〔4〕帶寬由碼元寬度Tc決定，Tc越小，即碼元速率越高，帶寬越寬；〔5〕第一個(gè)零點(diǎn)出現(xiàn)在處；〔6〕增加m序列的長(zhǎng)度N，減小碼元寬度Tc，將使譜線加密，譜密度降低，更接近于理想噪聲特性。4.2.6m列優(yōu)選對(duì)所謂m序列優(yōu)選對(duì)，是指在m序列集中，其互相關(guān)函數(shù)最大值的絕對(duì)值小于某個(gè)值的兩條m序列。設(shè)序列{a}是對(duì)應(yīng)n階本原多項(xiàng)式f〔x〕產(chǎn)生的m序列，序列是對(duì)應(yīng)n階本原多項(xiàng)式g〔x〕產(chǎn)生的m序列。當(dāng)它們的互相關(guān)函數(shù)滿足不等式〔4-13〕時(shí)，f〔x〕和g〔x〕產(chǎn)生的m序列{a}和便構(gòu)成一優(yōu)選對(duì)。例如，n=7的本原多項(xiàng)式：211和301。211原本多項(xiàng)式；301原本多項(xiàng)式，分別產(chǎn)生m序列{a}和，經(jīng)計(jì)算它們的互相關(guān)特性為=17。式4-13計(jì)算出：n=7時(shí)，，滿足條件，因而產(chǎn)生m序列{a}和構(gòu)成一m序列優(yōu)選對(duì)。4.3復(fù)合碼4.3.1Gold碼Gold碼是m序列的組合碼，是由兩個(gè)長(zhǎng)度相同、速率相同、但碼字不同的m序列優(yōu)選對(duì)模2加后得到的，具有良好的自、互相關(guān)特性，且地址碼數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于m序列。一對(duì)m序列優(yōu)選對(duì)可產(chǎn)生2n+1條Gold碼。這種碼發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，工程中應(yīng)用廣泛。設(shè)序列{a}和為長(zhǎng)N=2n-1的m序列優(yōu)選對(duì)。以{a}序列為參考序列，對(duì)序列進(jìn)行移位i次，得到移位序列{bi}〔i=0，1，…，N-1〕，然后與{a}序列模2加后得到一新的長(zhǎng)度為N的序列{ci}，那么此序列就是Gold序列，即i=0，1，…，N〔4-14〕對(duì)不同的i，得到不同的Gold序列，這樣可得2n-1條Gold碼，加上{a}序列和序列，共得到2n+1條Gold碼。把這2n+1條Gold碼稱為一Gold碼族。Gold碼的產(chǎn)生方法有兩種形式，一種是串聯(lián)成2n級(jí)的線性移位存放器，如圖4.3所示；另一種是由兩個(gè)n級(jí)移位存放器并聯(lián)而成的，如圖4.4所示。通常多使用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，即將兩個(gè)m序列進(jìn)行模2和后輸出。圖4.3Gold碼發(fā)生器串聯(lián)結(jié)構(gòu)圖4.4Gold碼發(fā)生器并聯(lián)結(jié)構(gòu)Gold碼具有良好的自、互相關(guān)特性，而且可以用作地址碼的數(shù)量比m序列要多得多。因此，Gold碼在碼分多址通信，組網(wǎng)工作的雷達(dá)及報(bào)警系統(tǒng)等許多工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。4.3.2JPL碼雖然m序列具有很好的自相關(guān)特征，其鑒別指數(shù)很大，為2n。但是，不管對(duì)于碼分多址通信還是測(cè)距，在一些情況下要求碼捕獲快時(shí)，m序列還是不夠理想。對(duì)測(cè)距常要求碼周期很長(zhǎng)，減小模糊距離，測(cè)距精度又要高，即碼速率很高〔Tc很小〕，同步又要快。對(duì)于m序列，周期要求很長(zhǎng)時(shí)，其同步時(shí)間一般也很長(zhǎng)〔用一般的遠(yuǎn)距搜尋方法〕，不能滿足使用要求。另一種組合碼稱為JPL測(cè)距碼，其構(gòu)造特征非常適合與遠(yuǎn)距測(cè)距，碼周期很長(zhǎng)，但是同步很快。Gold碼可由相同長(zhǎng)度的m序列模2和產(chǎn)生。如果將兩個(gè)或兩個(gè)以上的周期長(zhǎng)度是互質(zhì)的m序列模2和，那么可產(chǎn)生JPL測(cè)距碼。假定有三個(gè)長(zhǎng)度分別為2n－1、2m－1、2p－1且三個(gè)互質(zhì)，那么產(chǎn)生的JPL碼周期長(zhǎng)達(dá)(2n－1)*(2m－1)*(2p－1)，如圖圖4.5JPL碼產(chǎn)生器原理圖JPL碼捕獲時(shí)間很短，JPL碼的用途之一就是用于擴(kuò)頻碼的快捕。另外，由于JPL碼的碼長(zhǎng)很長(zhǎng)，如把很長(zhǎng)的JPL碼〔碼產(chǎn)生器并不長(zhǎng)〕用于測(cè)距那么可以消除距離模糊。JPL碼的捕獲過(guò)程如下：以包含兩個(gè)分碼為例。先用一個(gè)分碼與組合碼互相關(guān)，一旦一個(gè)分碼與嵌在組合碼中的它的對(duì)應(yīng)的分碼實(shí)現(xiàn)同步時(shí)，就會(huì)使互相關(guān)值超過(guò)一定的門(mén)限，然后開(kāi)始第二個(gè)分碼的捕獲。需要注意的是，這里對(duì)JPL碼實(shí)現(xiàn)快捕是在信噪比較高時(shí)才能可靠的實(shí)現(xiàn)。5systemview直序擴(kuò)頻系統(tǒng)仿真5.1systemview簡(jiǎn)介Systemview是一個(gè)用于現(xiàn)代工程與科學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析平臺(tái)。從濾波器設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、完整通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，直到一般的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立等各個(gè)領(lǐng)域，Systemview在友好而且功能齊全的窗口環(huán)境下，為用戶提供了一個(gè)精密的嵌入式分析工具。Systemview是美國(guó)ELANIX公司推出的，基于Windows環(huán)境下運(yùn)行的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具，它使用功能模塊(Token)描述程序。利用Systemview，可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)和各種多速率系統(tǒng)，因此，它可用于各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。用戶在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只需從Systemview配置的圖標(biāo)庫(kù)中調(diào)出有關(guān)圖標(biāo)并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，完成圖標(biāo)間的連線，然后運(yùn)行仿真操作，最終以時(shí)域波形、眼圖、功率譜等形式給出系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。5.2擴(kuò)頻碼仿真5.2.1m序列仿真序列都存在一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的反商〔或反碼〕，有時(shí)也稱為鏡像序列。兩者輸出的0、1序列在周期內(nèi)輸出次序正好是鏡像的。并且本原多項(xiàng)式的反商也是本原多項(xiàng)式〔本原多項(xiàng)式性質(zhì)〕。反商定義為：。當(dāng)n=4時(shí)，設(shè)原本多項(xiàng)式為，那么反商為。圖5.1是一個(gè)m序列及其反商的發(fā)生器仿真原理圖，圖5.2為m序列及其反商的輸出波形。圖5.1m圖5.2m5.2.2Gold碼仿真圖5.3是Gold碼產(chǎn)生的仿真原理圖，對(duì)應(yīng)本原多項(xiàng)式為:,其輸出的碼序列波形如圖5.4所示。圖5.3Gold碼產(chǎn)生器仿真原理圖圖5.4Gold碼序列輸出波形5.2.3JPL碼仿真圖5.5是一個(gè)JPL碼發(fā)生器的仿真原理圖。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)三個(gè)分碼使用了存放器長(zhǎng)度分別為2、3、4的的本原多項(xiàng)式抽頭。圖5.6是其JPL碼輸出序列的波形。圖5.5JPL碼產(chǎn)生器仿真原理圖圖5.6JPL碼序列輸出波形5.3直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的仿真5.3.1系統(tǒng)模型及主要模塊參數(shù)系統(tǒng)模型如圖5.7所示：圖5.7直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)〔無(wú)噪聲情況〕系統(tǒng)主要參數(shù)模塊如下：發(fā)送局部：〔1〕Token0為信息碼發(fā)生器，主要參數(shù)如下：Source：PNSeqAmp=1v；Offset=0v；Rate=2e+3Hz〔2〕Token1及2為m序列發(fā)生器，它的時(shí)鐘信號(hào)是4e+3的脈沖信號(hào)，所以產(chǎn)生的m序列速率為4e+3，主要參數(shù)如下：Comm:PNGenRegLen=7；Taps=[6-7]；True=1；False=-1；Freq=4e+3〔3〕Token3為異或門(mén)，信息碼和m序列通過(guò)它來(lái)產(chǎn)生擴(kuò)頻信號(hào)，它的輸出信號(hào)為雙極性的二進(jìn)制信號(hào)，主要參數(shù)如下：Operator：XORThreshold=500e-3；True=1；False=-1〔4〕Token4為平衡調(diào)制器，它是一乘法器，對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制?！?〕Token5為正弦波發(fā)生器，主要參數(shù)如下：Source：SinusoidAmp=1v；Freq=8e+3Hz；Phase=0deg接收局部：〔1〕Token6為接收濾波器，它是一帶通濾波器，主要參數(shù)如下：Operator：LinearSysLowFc=4e+3Hz；HiFc=12e+3Hz〔2〕Token7為解調(diào)器，它是一乘法器?！?〕Token8為本地載波信號(hào)，和發(fā)送端的載波信號(hào)參數(shù)相同?！?〕Token9為解擴(kuò)器，它是一乘法器?！?〕Token10及11為本地m序列發(fā)生器，它發(fā)送端的m序列參數(shù)相同?！?〕Token12為低通濾波器，主要參數(shù)如下：Operator：LinearSysFc=2e+3Hz〔7〕Token13及14為抽樣保持模塊，主要參數(shù)如下：Operator：SamplerRate=4e+3Hz〔8〕Token15為比較器，主要參數(shù)如下：Operator：CompareComparison='<'；TrueOutput=1v；FalseOutput=-1v5.3.2主要輸出波形〔1〕為了清楚直接擴(kuò)頻系統(tǒng)仿真的過(guò)程，把主要波形進(jìn)行比較如下所示：發(fā)送局部：信源波形如圖5.8所示，產(chǎn)生的m序列波形如圖5.9所示，信源經(jīng)m序列擴(kuò)頻后波形如圖5.10所示，經(jīng)載波調(diào)制后的波形如圖5.11所示。圖5.8信源波形圖5.9m圖5.10擴(kuò)頻后波形圖5.11調(diào)制后波形接收局部：用與發(fā)送端相同的載波對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后波形如圖5.12所示。用發(fā)送端的m序列對(duì)波形進(jìn)行解擴(kuò)得到如圖5.13所示的波形，經(jīng)低通濾波后的波形如圖5.14所示。通過(guò)抽樣判決就可復(fù)原出原始的信號(hào)，如圖5.15所示。比照原始的信源容易發(fā)現(xiàn)原始信號(hào)經(jīng)擴(kuò)頻、解碼之后，根本上能很好地恢復(fù)。圖5.12解調(diào)后波形圖5.13解擴(kuò)后波形圖5.14低通濾波器輸出波形圖5.15接收波形〔2〕將調(diào)制以前的信號(hào)與解調(diào)后信號(hào)比較：圖5.16調(diào)制前后信號(hào)如圖5.16所示，上面的波形為調(diào)制前即擴(kuò)頻后的信號(hào)，下面的波形為解調(diào)后即解擴(kuò)前的信號(hào)?！?〕將發(fā)送波形、低通濾波輸出波形及接收波形進(jìn)行比較：圖5.17發(fā)送波形、低通濾波器輸出波形及接收波形如圖5.17所示，第一個(gè)波形為發(fā)送信號(hào)，第二個(gè)波形為接收端低通濾波器輸出信號(hào)，第三個(gè)波形為恢復(fù)出的信號(hào)。比照發(fā)送端和接收端兩個(gè)波形圖，可明顯觀察到前后波形一致，輸出波形有一定的時(shí)延。5.4直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾性分析參加高斯白噪聲后系統(tǒng)仿真圖5.18參加白噪聲后直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)在圖5.18中，Token26為高斯白噪聲，Token27、28和29是計(jì)算誤碼率的模塊。當(dāng)發(fā)送信息碼元和接收到的信息碼元對(duì)齊時(shí)，Token27模塊統(tǒng)計(jì)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)的錯(cuò)誤的比特?cái)?shù)和總比特?cái)?shù)的比率，Token28和29模塊把所計(jì)算的誤碼率顯示出來(lái)。其他模塊與圖14對(duì)應(yīng)模塊相同。系統(tǒng)誤碼率的理論值與測(cè)量值的比較直接擴(kuò)頻系統(tǒng)在高斯白噪聲的情況下的誤碼率為：〔5-1〕其中為系統(tǒng)輸出信噪比，P為信號(hào)功率，T為信息碼元的周期，N0/2為高斯白噪聲雙邊帶功率譜密度。對(duì)于本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，接收端收到的信號(hào)幅度為1，所以信號(hào)功率為P=1/2，信息碼的速率為2K，所以T=1/2K。通過(guò)修改Token26模塊的參數(shù)來(lái)修改N0，計(jì)算誤碼率的理論值并運(yùn)行系統(tǒng)得到測(cè)量值。下表即為在不同高斯白噪聲的情況下的各參數(shù)：表5-1在不同高斯白噪聲的情況下的各參數(shù)N0/2(S/N)out10log(S/N)outPe1logPe1Pe2logPe20.000012514.02.87e-7-6.53.69e-5-4.40.0000212.5111.84e-4-3.78.76e-4-3.10.000038.339.21.93e-3-2.75.84e-3-2.20.000046.258.06.21e-3-2.20.0112-1.950.000055.007.00.0125-1.90.0266-1.60.000064.176.20.0207-1.70.0333-1.50.000073.535.50.0294-1.50.0412-1.40.000083.134.90.0384-1.40.0499-1.30.000092.784.40.0480-1.30.0627-1.20.00012.504.00.0571-1.20.0758-1.10.00021.250.970.1314-0.880.1429-0.840.00030.833-0.800.1814-0.740.1923-0.710.00040.625-2.00.2148-0.670.2208-0.660.00050.500-3.00.2389-0.620.2459-0.610.00060.416-3.80.2588-0.590.2643-0.580.00070.357-4.50.2743-0.560.2832-0.550.00080.313-5.10.2877-0.540.2966-0.530.00090.278-5.60.2981-0.530.3130-0.500.0010.250-6.00.3085-0.510.3200-0.49如上表所示，第一列N0/2為高斯白噪聲的雙邊帶功率譜密度，(S/N)out為系統(tǒng)輸出信噪比，由前面的討論可知(S/N)out=2PT/N0，Pe1為對(duì)應(yīng)高斯白噪聲的系統(tǒng)誤碼率的理論值，logPe1為其對(duì)數(shù)值。Pe2為運(yùn)行系統(tǒng)后的測(cè)量值，logPe2為其對(duì)數(shù)值。根據(jù)表5-1可得誤碼率的理論值和測(cè)量值同系統(tǒng)輸出信噪比的關(guān)系如圖5.19所示：圖5.19系統(tǒng)誤碼率的理論值和測(cè)量值如圖5.19所示，橫坐標(biāo)為系統(tǒng)輸出信噪比分貝數(shù)，其值從-6.0db到14.0db，縱坐標(biāo)為誤碼率的對(duì)數(shù)值。下面的曲線為誤碼率理論值和輸出信噪比的關(guān)系，上面的曲線為誤碼率測(cè)量值和輸出信噪比的關(guān)系。由兩條曲線的分布可以得出，當(dāng)誤碼率比較高的時(shí)候，兩曲線根本重合，說(shuō)明測(cè)量值和理論值很接近；當(dāng)誤碼率比較低的時(shí)候，兩曲線差異很大。因?yàn)槔碚撝凳谴a元錯(cuò)誤接收的概率值，而測(cè)量值只是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值，而仿真系統(tǒng)只是在所設(shè)定的時(shí)間內(nèi)計(jì)算誤碼率，這個(gè)設(shè)定時(shí)間包含的碼元周期是有限的，只有在取無(wú)限長(zhǎng)的周期的情況下，計(jì)算出來(lái)的誤碼率才是理論值，由于計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量的限制，這樣做是不可能的。當(dāng)誤碼率越低的時(shí)候，系統(tǒng)所要求的取樣周期就越長(zhǎng)，計(jì)算出的誤碼率和理論值差異就越大，但從兩曲線的走向是大致相同的，總體來(lái)說(shuō)測(cè)量值要比理論值要大一些，這是因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)的不完整性造成的，例如接收濾波器、低通濾波器等模塊的性能不可能完全到達(dá)理論所要求的標(biāo)準(zhǔn)，所以仿真得出的數(shù)據(jù)和理論值有差異是難免的。5.5直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)多徑能力分析系統(tǒng)模型及主要模塊參數(shù)直接擴(kuò)頻多徑通信系統(tǒng)模型如圖5.20所示：圖5.20直接擴(kuò)頻多徑系統(tǒng)仿真此系統(tǒng)為兩個(gè)用戶的多徑系統(tǒng)，由第四章的討論可知本原多項(xiàng)式211和301所產(chǎn)生的周期為127的一對(duì)m序列構(gòu)成優(yōu)選對(duì)，所以此系統(tǒng)就選用這一對(duì)序列作為擴(kuò)頻碼。圖5.20所示系統(tǒng)主要參數(shù)如下：用戶一：〔1〕Token1及2為用戶一的m序列發(fā)生器，對(duì)應(yīng)本原多項(xiàng)式為301。它的時(shí)鐘信號(hào)是4e+3的脈沖信號(hào)，主要參數(shù)如下：RegLen=7；Taps=[6-7]；True=1；False=-1；Freq=4e+3〔2〕Token5為用戶一正弦波發(fā)生器，主要參數(shù)如下：Amp=1v；Freq=8e+3Hz；Phase=0deg〔3〕Token13為用戶一接收濾波器，它是一帶通濾波器，主要參數(shù)如下：LowFc=4e+3Hz；HiFc=12e+3Hz〔4〕Token15、Token17及18與用戶一發(fā)送端參數(shù)設(shè)置相同。用戶二:〔1〕Token7及8為用戶二的m序列發(fā)生器，對(duì)應(yīng)本原多項(xiàng)式為211。它的時(shí)鐘信號(hào)是4e+3的脈沖信號(hào)，主要參數(shù)如下：RegLen=7；Taps=[3-7]；True=1；False=-1；Freq=4e+3〔2〕Token11為用戶二正弦波發(fā)生器，主要參數(shù)如下：Amp=1v；Freq=1e+6Hz；Phase=0deg〔3〕Token24為用戶一接收濾波器，它是一帶通濾波器，主要參數(shù)如下：LowFc=850e+3Hz；HiFc=1.15e+6Hz〔4〕Token26、Token28及29與用戶一發(fā)送端參數(shù)設(shè)置相同。其他個(gè)模塊參數(shù)都與圖5.7所示系統(tǒng)相同。主要輸出波形信源的波形如圖5.21和圖5.22所示，信源經(jīng)PN碼擴(kuò)頻后波形如圖5.23和圖5.24所示，在信道中混合后的波形如圖5.25所示。用原來(lái)的PN碼對(duì)混合后的波形進(jìn)行復(fù)原看到如圖5.26和圖5.27所示的波形，經(jīng)低通濾波后的波形如圖5.28和圖5.29所示。通過(guò)抽樣判決就可復(fù)原出原始的信號(hào)，如圖5.30和圖5.31所示。比照原始的信源容易發(fā)現(xiàn)原始信號(hào)經(jīng)擴(kuò)頻、解碼之后，根本上能很好地恢復(fù)。信道中的2個(gè)信號(hào)也沒(méi)有對(duì)對(duì)方產(chǎn)生干擾，所以即使出現(xiàn)較強(qiáng)的干擾仍可以較好復(fù)原出原始信號(hào)。圖5.21信源0波形圖5.22信源1波形圖5.23信源0經(jīng)PN碼擴(kuò)頻后波形圖5.24信源1經(jīng)PN碼擴(kuò)頻后波形圖5.25在信道混合后波形圖5.26混合信號(hào)經(jīng)PN碼解擴(kuò)后的信源0圖5.27混合信號(hào)經(jīng)PN碼解擴(kuò)后的信源1圖5.28經(jīng)低通濾波器后信源0波形圖5.29經(jīng)低通濾波器后信源1波形圖5.30復(fù)原后的信源0波形圖5.31復(fù)原后的信源1波形5.5.3對(duì)直擴(kuò)系統(tǒng)抗多徑干擾的分析多徑干擾是由于電波在傳播過(guò)程中遇到各種反射體(如電離層、對(duì)流層、高山和建筑物等)而引起反射或散射、在接收端收到的直接路徑信號(hào)與這些群反射信號(hào)之間的隨機(jī)干預(yù)形成的。由