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扩频通信课程方案设计书
兰州交通大学
移动通信课程设计
题目：
扩频通信技术在移动通信中的应用
摘要
扩频通信，即扩展频谱通信（SpreadSpectrumCommunication）的简称，它是指用来传输信息的射频信号带宽远远大于信息本身带宽的一种通信方式。
扩频通信系统的出现，是通信技术的一次重大突破。
它与光纤通信、卫星通信一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。
CDMA数字蜂窝移动通信等，就是利用扩频技术发展起来的一种扩频通信方式，它具有容量大，通信质量好，节约发射功率等优点。
本文就一些扩频通信的原理及中CDMA采用的扩频技术作些讨论，此外也简单介绍了一些扩频通信在其他方面的应用。
关键字扩频通信；CDMA数字蜂窝移动通信；光纤通信；卫星通信
Abstract
Spreadspectrumcommunication,namelythespreadspectrumcommunication（SpreadSpectrumCommunication）abbreviation,itisusedfortransmittingtheinformationtotheRFsignalbandwidthisfargreaterthantheinformationitselfisakindofcommunicationbandwidth.Spreadspectrumcommunicationsystem,isamajorbreakthroughincommunicationtechnology.Itandopticalfibercommunication,satellitecommunicationtogetherknownasenteringtheinformationageofthreebighigh-techcommunicationtransmissionmethod.CDMAdigitalcellularmobilecommunications,istheuseofspreadspectrumtechnology.Itisakindofspreadspectrumcommunicationmode,ithasalargecapacity,goodcommunicationquality,savingemissionpower.Inthispaper,someprincipleofspreadspectrumcommunicationandCDMAusingspreadspectrumtechniquesarediscussed,alsoabriefintroductionofsomeotheraspectsoftheapplicationofspreadspectrumcommunicationin.
Keywordsspreadspectrumcommunication。
CDMAdigitalcellularmobilecommunications。
opticalfibercommunication。
satellitecommunication
第1章概述
扩频通信技术自50年代中期美国军方便开始研究，一直为军事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。
直到80年代初才被应用于民用通信领域。
为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术现已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。
1.1扩频通信的定义
所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：
扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。
这一定义包含了以下三方面的意思：
一、信号的频谱被展宽了
传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。
例如人类的语音的信息带宽为300Hz-3400Hz，电视图像信息带宽数量级为MHz。
为了充分利用频率资源，通常都是尽量采用大体相当的带宽的信号来传输信息。
在无线电通信中射频信号的带宽与所传信息的带宽是相比拟的。
如用调幅信号来传送语音信息，其带宽为语音信息带宽的两倍；电视广播射频信号带宽也只是其视频信号带宽的一倍多。
这些都属于窄带通信。
一般的调频信号，或脉冲编码调制信号，它们的带宽与信息带宽之比也只有几到十几。
扩展频谱通信信号带宽与信息带宽之比则高达100-1000，属于宽带通信。
二、采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱
我们知道，在时间上有限的信号，其频谱是无限的。
例如很窄的脉冲信号，其频谱则很宽，信号的频带宽度与其持续时间近似成反比。
1微秒的脉冲的带宽约为1MHz。
因此，如果用很窄的脉冲序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信号。
如下面介绍的直接序列扩频系统就是采用这种方法获得扩频信号。
这种很窄的脉冲码序列，其码速率是很高的，称为扩频码序列。
这里需要说明的一点是所采用的扩频码序列与所传信息数据是无关的，也就是说它与一般的正弦载波信号一样，丝毫不影响信息传输的透明性。
扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。
三、在接收端用相关解调来解扩
正如在一般的窄带通信中，已调信号在接收端都要进行解调来恢复所传的信息。
在扩频通信中接收端则用与发送端相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解调，恢复所传的信息。
换句话说，这种相关解调起到解扩的作用。
即把扩展以后的信号又恢复成原来所传的信息。
这种在发端把窄带信息扩展成宽带信号，而在收端又将其解扩成窄带信息的处理过程，会带来一系列好处。
弄清楚扩频和解扩处理过程的机制，是理解扩频通信本质的关键所在。
1.2扩频通信的理论基础
长期以来，人们总是想法使信号所占谱尽量的窄，以充分利用十分宝贵的频谱资源。
为什么要用这样宽频带的信号来传送信息呢?
简单的回答就是主要为了通信的安全可靠。
扩频通信的基本特点，是传输信号所占用的频带宽度（W）远大于原始信息本身实际所需的有效带宽（F），其比值称为处理增益Gp:
Gp=W/F
（1）
众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，如话音为1.7-3.1kHz，电视图像则宽到数兆赫。
为了充分利用有限的频率资源，增加通路数目，人们广泛选择不同调制方式，采用宽频信道（同轴电缆、微波和光纤等）和压缩频带等措施，同时力求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽。
因现今使用的电话、广播系统中，无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式，Gp值一般都在十多倍范围内，统称为“窄带通信”。
而扩频通信的Gp值，高达数百、上千，称为“宽带通信”。
扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。
信息论中关于信息容量的仙农（Shannon）公式为：
C＝WLog2（1+P/N）
（2）
式中：
C---信道容量（用传输速率度量）
W---信号频带宽度
P---信号功率
N---白噪声功率
式
（2）说明，在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比P／N是可以互换的。
即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比P/N（S/N）情况下，传输信息。
扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。
香农又指出，高斯噪声的干扰下，在限平均功率的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有高斯白噪声统计特性的信号，因为它具有理想的自相关特性
哈尔凯维奇早在50年代已从理论上证明：
要克服多径衰落干扰，信道中传输的最佳信号形式应该具有白噪声统计特性的信号形式。
总之，我们用信息带宽的100倍，甚至1000倍以上的宽带信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。
这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。
1.3扩频通信的分类
按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为：
直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum）工作方式、跳变频率（FrequencyHopping）工作方式、跳变时间（TimeHopping）工作方式、宽带线性调频工作方式、各种混合方式等。
1.3.1直接序列扩频系统
所谓直接序列（DS）扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。
而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。
直接序列扩频的原理图1－1所示。
图1－1直扩原理系统图
直扩系统各部分输出信号频谱图1－2所示：
图b发送端射频信号
图1－2直扩系统主要频谱变换过程
1.3.2跳变频率工作方式
另外一种扩展信号频谱的方式称为跳频（FH－FrequencyHopping）。
所谓跳频，比较确切的意思是：
用一定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，所以称为跳频。
简单的频移键控如2FSK，只有两个频率，分别代表传号和空号。
而跳频系统则有几个、几十个、甚至上干个频率、由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制，不断跳变。
图1－3为跳频的组成图。
发端信息码序列与扩频码序列组合以后按照不同的码字去控制频率合成器。
图1－3跳频系统组成
1.3.3跳变时间工作方式
与跳频相似，跳时（TH－TimeHopping）是使发射信号在时间轴上跳变。
首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。
可以把跳时理解为：
用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。
由于采用了窄得很多的时片去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。
在发端，输入的数据先存储起来，由扩频码发生器的扩频码序列去控制通－断开关，经二相或四相调制后再经射频调制后发射。
在收端，由射频接收机输出的中频信号经本地产生的与发端相同的扩频码序列控制通－断开关，再经二相或四相解调器，送到数据存储器和再定时后输出数据。
只要收发两端在时间上严格同步进行，就能正确地恢复原始数据。
跳时也可以看成是一种时分系统，所不的地方在于它不是在一帧中固定分配一定位置的时片，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的时片。
跳时系统的处理增益等于一帧中所分的时片数。
由于简单的跳时抗于拢性不强，很少单独使用。
跳时通常都与其他方式结合使用，组成各种混合方式。
1.3.4宽带线性调频工作方式
如果发射的射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化，则称为线性调频。
因为其频率在较宽的领带内变化，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，但在通信中也有应用。
在发端，有一锯齿波去调制压控振荡器，从而产生线性调频脉冲。
它和扫频信号发生器产生的信号一样。
在收端，线性调频脉冲由匹配滤波器对其进行压缩，把能量集中在一个很短的时间内输出，从而提高了信噪比，获得了处理增益。
匹配滤波器可采用色散延迟线，它是一个存储和累加器件。
其作用机理是对不同频率的延迟时间不一样。
如果使脉冲前后两端的频率经不同的延迟后一同输出，则匹配滤波器起到了脉冲压缩和能量集中的作用。
匹配滤波器输出信噪比的改善是脉冲宽度与调频频偏乘积的函数。
一般，线性调频在通信中很少应用。
1.3.5各种混合方式
在上述几种基本的扩频方式的基础上，可以组合起来，构成各种混合方式。
例如DS/FH、DS/TH、DS/FH/TH等等。
一般说来，采用混合方式看起来在技术上要复杂一些，实现起来也要困难一些。
但是，不同方式结合起来的优点是有时能得到只用其中一种方式得不到的特性。
例如DS/FH系统，就是一种中心频率在某一领带内跳变的直接序列扩频系统。
DS/FH系统的处理增益为DS和FH处理增益之和。
因此，有时采用DS/FH反而比单独采用DS或FH获得更宽的频谱扩展和更大的处理增益。
甚至有时相对来说，其技术复杂性比单独用DS来展宽频谱或用FH在更宽的范围内实现频率的跳变还要容易些。
对于DS/TH方式，它相当于在扩频方式中加上时间复用。
采用这种方式可以容纳更多的用户。
在实现上，DS本身已有严格的收发两端扩频码的同步。
加上跳时，只不过增加了一个通－断开关，并不增加太多技术上的复杂性。
对于DS/FH/TH，它把三种扩频方式组合在一起，在技术实现上肯定是很复杂的。
但是对于一个有多种功能要求的系统，DS、FH、TH可分别实现各自独特的功能。
因此，对于需要同时解决诸如抗干扰、多址组网、定时定位、抗多径和远－近问题时，就不得不同时采用多种扩频方式。
1.4扩频通信在移动通信中的作用
扩频通信为接入网增添光彩：
接入网是个新的技术概念，它是由传统的用户线，用户环路和用户接入系统逐步发展、演变和升级而形成的。
现代电信网络分为3大部分：
传输网、交换网和接入网。
由于接入网发展较晚，往往成为电信发展规律的“瓶颈”，各国都很重视，接入网一天天变“热”，各类接入技术和系统应运而生。
例如，有线接入系统，包括铜线接入、光纤接入和光纤同轴混合接入等；无线接入分为移动接入和固定接入系统。
其中光纤接入和无线固定接入成为“热网”中的两个“热点”。
扩频通信的出现，使得无线通信旧貌换新颜。
扩频微波与常规微波相比有三个优点：
抗干扰强；频点问题好处理；价格比较便宜。
因此，扩频微波接入系统将成为无线接入的一支新军，为接入网增添光彩。
语音接入（点对点）:
现有的扩频微波，速率从64kb/s-8Mb/s，可传1-120路（PCM）语音。
时分双工（TDD）E1，距离近些；频分双工（FDD）E1，距离还可远些，在视距通信范围，扩频微波可取代超短波（VHF/UHF），常规小微波，以及电缆和光纤。
它可以单独或与各种复用设备结合，局间中继，GMS系统基站到交换机间通信等很多场合。
数据接入：
采用扩频Modem和复用器，可以实现点对点的数据通信，再逐级汇集，也可组成很大的专用数据网，例如银行的同城结算网；可应用于ISDN网和DDN网；
视频接入：
采用N*64kb/s或2Mb/s的扩频Modem加上会议电视终端可传会议电视信息。
若将多个点对点扩频信道和MCU相连，可以组成良好的多点扩频会议电视系统。
采用每秒可输出22-25帧的图像编解码器（CODEC），利用扩频E1，就可传送实时动态电视图像。
多媒体接入：
采用复用器，可在扩频信道上同时传送语音、数据和视频图像等多媒体信息。
现在已有的扩频Modem与当前的多媒体通信发展水平相适应，设备轻巧，易安装，是较好的无线多媒体接入手段。
国际互联网（Internet）接入：
利用64kb/s-8Mb/s的扩频Modem直接接入Internet网已有很多实例了，它是专线而不是租用线，费用会省些。
1.5扩频通信技术的应用
扩频通信技术的发展和应用，为现代信息技术的发展提供了优质的无线传输手段。
现代信息的技术发展需要高效率、高质量的传输手段来传输大量数据，就无线传输方式来说，传统的窄带微波传输由于抗干扰性，保密性，可靠性，频率占用、传输带宽等多方面的问题，已经很难适应现代信息技术的要求。
而扩频通信技术的发展和应用及时有效的为这个问题提供了解决手段。
现代通信的新领域，数字蜂窝移动通信，专用网络通信，室内无线通信，CDMA移动通信，无线局域网，无线广域网，“蓝牙”（短距离高速、互通式信息传输）传输技术都是基于扩频通信体制的通信方式。
扩频通信为人们提供了简洁、快捷、安全、经济的通信手段，不仅可以提供大容量的干线传输，还可以提供简单便捷的小容量接入。
因此，不仅可以作为主传输通道，也可以作为有线干线的备份，还可以实现无线办公室。
由于无线扩频通信技术具有十分显著的优越性，极大的推动了该技术及其产品在军用、民用领域的发展和应用。
目前，应用了扩频通信技术的通用产品主要有两类，一是专门数据传输的扩频无线调制解调器，二是专门提供无线网络连接的无线网桥、无线网卡、无线路由器。
其中无线调制解调器能够提供透明的数据通道，根据需要配置终端设备，可以支持多种数据业务，如，话音、数据、网络、图象等。
由于技术原因限制，还不能实现真正的话音点对多点业务，基本上都是依赖系统的叠加来实现。
对于单独的数据业务或网络连接，如果数据延时没有特别严格的要求，可以采用轮询方式传输。
无线网络类产品，又基本可以分为两类，一类是基于802.11无线网络协议标准的无线网络产品，另一类是基于各自厂商的传输标准的无线网桥或无线路由器。
它们都提供了高速的无线网络连接，可以广泛的应用于点对点或点对多点无线局域网、无线广域网连接或宽带无线接入。
随着现代网络技术的发展和广泛应用，网络已经成为通信技术的重要应用领域，各种通信业务也都逐渐趋向于借助网络平台上实现。
现在IP电话技术已经比较成熟，也得到了广泛的应用，其传输质量也得到了好评。
IP图象传输系统也由于传输效果比较好，设备简单，使用方便，已经得到了广泛的应用。
因此，现代的网络技术为话音、数据、图象的综合业务提供了良好的平台。
在此基础上，借助无线网络技术构建移动网络平台，便可以实现一种新的移动话音、数据、图象传输系统。
这种移动的网络平台可以提供移动工作条件下的快速、灵活建立和应用，可以根据需要建立在节点限制数量内的任意点数之间的通信，还可以根据需要将网络设置成为无中心的网状工作模式，这种无中心的模式为战争、自然灾害（水灾、地震等）的工作需要提供了最好的支持。
无线网络产品是扩频通信技术在数据通信领域一个典型应用，充分发挥了扩频通信技术的各种优越性，为现代网络技术的广泛应用提供了更灵活、多样的解决手段。
随着网络技术的发展和进一步应用，移动无线网络，漫游无线接入必将成为现实，话音、数据、图象的多业务移动应用也将得到巨大的发展和应用，这又将极大的促进扩频通信技术的快速发展。
第2章PN码的生成方法
PN码就是伪随机码，具有与二元随机序列性质相似的周期性码组。
是一种预先确定,并可重复实现的具有某种随机特性的码,它虽然仅有2个电平,却具有类似白噪声的相关特性,只是幅度概率分布不再服从高斯分布。
用在ofdm系统中，可能是基于PN序列的同步算法或者是基于PN序列的频偏信道参数估计算法，充分利用PN序列的相关特性，具有良好的抗噪特性、衰落信道适应性和高的估计精度。
2.1PN序列产生原理及作用
伪随机噪声具有类似于随机噪声的一些统计特性，同时又便于重复产生和处理。
由于它具有随机噪声的优点，又避免了它的缺点，因此获得了日益广泛的应用。
目前广泛应用的伪随机序列都是由数字电路产生的周期序列得到的，我们称这种周期序列为伪随机序列。
对于伪随机序列有如下几点要求：
①应具有良好的伪随机性，即应具有和随机序列类似的随机性；
②应具有良好的自相关、互相关和部分相关特性，即要求自相关峰值尖锐，而互相关和部分相关值接近于零。
这是为了接收端准确检测，以减少差错；
③要求随机序列的数目以保证在码分多址的通信系统中，有足够的地址提供给不同的用户；
④要求设备简单，易实现，成本低。
通常产生伪随机序列的电路为一反馈移存器。
它又分为线形反馈移存器和非线形反馈移存器两类。
由线形反馈移存器产生出的周期最长的二进制数字序列称为最大长度线形反馈移存器，通常称为m序列。
由于它的理论比较成熟，实现比较简便，实际应用也比较广泛，故在这里以m序列发生器为例，设计伪随机序列发生器。
伪随机信号在雷达、遥控、遥测、通信加密和无线电测量系统领域有着广泛的应用。
利用VHDL语言进行软件编程，通过EDA设计软件对程序编译、优化、综合、仿真、适配，最后将生成的网表文件配置于制定的目标芯片中，可以实现不同序列长度的伪随机信号发生器。
2.2CDMA系统中的PN码同步原理
发射机和接收机采用高精确度和高稳定度的时钟频率源，以保证频率和相位的稳定性。
但在实际应用中，存在许多事先无法估计的不确定因素，如收发时钟不稳定、发射时刻不确定、信道传输时延及干扰等，尤其在移动通信中，这些不确定因素都有随机性，不能预先补偿，只能通过同步系统消除。
因此，在CDMA扩频通信中，同步系统必不可少。
PN码序列同步是扩频系统特有的，也是扩频技术中的难点。
CDMA系统要求接收机的本地伪随机码与接收到的PN码在结构、频率和相位上完全一致，否则就不能正常接收所发送的信息，接收到的只是一片噪声。
若实现了收发同步但不能保持同步，也无法准确可靠地获取所发送的信息数据。
因此，PN码序列的同步是CDMA扩频通信的关键技术。
CDMA系统中的PN码同步过程分为PN码捕获（精同步）和PN码跟踪（细同步）两部分。
PN码捕获是精调本地PN码的频率和相位，使本地产生的PN码与接收到的PN码间定时误差小于1个码片间隔Tc，可采用基于滑动相关的串行捕获方案或基于时延估计问题的并行捕获方案。
PN码跟踪则自动调整本地码相位，进一步缩小定时误差，使之小于码片间隔的几分之一，达到本地码与接收PN码频率和相位精确同步。
典型的PN码跟踪环路分基于迟早门定时误差检测器的延迟锁定环及τ抖动环两种。
接收信号经宽带滤波器后，在乘地器中与本地PN码进行相关运算。
捕获器件调整压控时钟源，用以调整PN码发生器产生的本地PN码序列的频率和相位，捕获有用信号。
一旦捕获到有用信号，启动跟踪器件，用以调整压控钟源，使本地PN码发生器与外来信号保持精确同步。
如果由于某种原因引起失步，则重新开始新一轮捕获和跟踪。
同步过程包含捕获和跟踪两个阶段闭环的自动控制和调整。
2.2.1PN码序列捕获
PN码序列捕获指接收机在开始接收扩频信号时，选择和调整接收机的本地扩频PN序列相位，使它与发送的扩频PN序列相位基本一致，即接收机捕捉发送的扩频PN序列相位，也称为扩频PN序列的初始同步。
在CDMA系统接收端，一般解扩过程都在载波同步前进行，实现捕获大多采用非相干检测。
接收到扩频信号后，经射频宽带滤波放大及载波解调后，分别送往2N扩频PN序列相关处理解扩器（N是扩频PN序列长）。
2N个输出中哪个输出最大，该输出对应的相关处理解扩器所用的扩频PN序列相位状态，就是发送的扩频信号的扩频PN序列相位，从而完成扩频PN序列捕获。
捕获的方法有多种，如滑动相干法、序贯估值法及匹配滤波器法等，滑动相关法是最常用的方法。
（1）滑动相关法
接收系统在搜索同步时，它的码序列发生器以与发射机码序列发生器不同的速率工作，致使这两个码序列在相位上互相滑动，只有在达到一致点时，才停下来，因此称之为滑动相关法。
接收信号与本地PN码相乘后积分，求出它们的互相关值，然后与门限检测器的某一门限值比较，判断是否已捕获到有用信号。
它利用了PN码序列的相关徨性，当两个相同的码序列相位一致时，其相关值输出最大。
一旦确认捕获完成，捕获指示信号的同步脉冲控制搜索控制钟，调整PN码发生器产生的PN码重复频率和相位，使之与收到的信号保持同步。
由于滑动相关器对两个PN码序列按顺序比较相关，所以该方法又称顺序搜索法。
滑动相关器简单，应用簋广，缺点是当两个PN码的时间差或相位差过大时，相对滑动速度簋慢，导致搜索时间过长，特别是对长PN码的捕获时间过长，必须采取措施限定捕获范围，加快捕获时间，改善其性能。
使滑动相关器实用的有效方法之一是采用特殊码序列，特殊码序列要足够短，以便
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