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直接序列扩频系统发射机的设计与实现
摘要
扩频技术是一种抗干扰能力极强并得到广泛应用的先进技术。
本文首先阐述了扩频技术的基本概念、理论基础、系统组成及性能；介绍了扩频系统的优点与应用。
接着，着重论证了直接序列扩频系统发射机的设计方案及电路组成。
包括时钟电路、伪随机序列发生器、信码产生器、载波振荡电路、BPSK调制器、选频放大电路等。
同时，对电路的参数进行了选择与计算。
通过电路的组装、调试，得到了各测试点的正确波形；并且对系统的性能进行了分析。
结果表明，电路的设计符合技术指标的要求，达到了设计的效果与目的。
关键词：
直接序列扩频系统扩频增益伪随机序列BPSK调制
Abstract
SpreadSpectrumtechniquewhichhasstronganti-jamabilityandhasbeenappliedwidelyisanadvancedtechnique.Firstly,thisthesisintroducesthebasicconception,principles,thecompositionofsystemandperformanceaboutSpreadSpectrumtechnique.TheadvantagesofSpreadSpectrumsystemandapplicationalsohasbeenmentioned.Later,itdiscussesemphaticallytheschemeandcompositionofcircuitofDirectSequenceSpreadSpectrumSystemTransmitter,includingclockcircuit,PseudoNoisesequencegenerator,informationcodesgenerator,carrierwaveoscillator,BPSKmodulation,amplifiercircuitandsoon.Atthesametime,wechooseandcalculateallthecircuitparameters.Throughassemblinganddebuggingthecircuit,wehaveobtainedthecorrectwaveformofeachtestpoint,andhaveanalyzedtheperformanceofsystem.Asaresult,thedesignofcircuithaveaccordedwiththerequirementsoftechnicaltargets,andhavereachedtheexpectanteffectandpurpose.
Keywords:
DirectSequenceSpreadSpectrumSystemSpreadingGainPseudoNoisesequence
BPSKmodulation
第1章绪论
扩展频谱（SpreadSpectrum，SS）技术最初是为军用目的而开发出来的，应用于军事导航和通信系统中。
出于提高通信系统抗干扰性能的需要，扩频技术的研究得以广泛开展，使得一些民用领域也从扩频技术的独特性质中受益。
本章将概括性地描述扩频技术的基本概念、理论基础、系统组成及性能；介绍扩频系统的优点与应用。
以此阐明直接序列扩频系统（DS—SS）发射机的设计与实现的重要意义。
1.1扩频的概念
扩展频谱通信系统（SpreadSpectrumCommunicationSystem）是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数（SpreadingFunction）扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，接收端再利用相应手段将其解扩，从而获取传输信息的通信系统。
为此，扩频函数（信号）必须满足以下的特性：
扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号；它的带宽远大于欲传输信息（数据）带宽；具有类似于噪声的随机特性等。
由于扩频信号的上述特性，扩频系统具有许多的优点：
（1）扩频信号的不可预测性，使得扩频系统具有很高的抗干扰（anti-jam，AJ）能力。
因为干扰者难以通过观测实施干扰，而只能采用发射大功率宽带的干扰信号进行干扰。
（2）扩频信号的功率相当均匀地被分布在很宽的频率范围，以致被传输信号功率密度很低，侦察接收机难以检测。
因此，扩频系统具有低截获概率性（LowProbabilityofIntercept，LPI），即信号有很好的隐蔽性。
（3）通过对宽带扩频信号的相关检测，可以使扩频系统具有很高的距离鉴别力，可用于测距。
（4）扩频通信系统具有良好的码分多址（CDMA）能力，对不同的用户使用不同的码，使得旁人无法窃听，因而具有高的保密性，可用于多址通信中。
1.2扩频技术的应用与分类
正因为这种种优点，扩频技术得到了迅速的发展，扩频系统也得到了越来越广泛的应用。
在通信、数据传输、信息保密、定位、测距和多址技术等方面，显示了它极强的生命力。
在电子对抗时代，扩频技术用于通信、导航和识别信息综合系统，为军事上开展联合指挥提供最先进的通信系统，是强有力的电子对抗手段之一。
另外，扩频技术在医学领域中也得到了应用，例如，超声多普勒血流成像。
在各种扩频方式中，直接序列扩频（DirectSequencing，DS）和频率跳变（FrequencyHopping，FH）是最为常用的扩频技术。
时间跳变（TimeHopping，TH）也是一种扩频技术，主要用于时分多址（TDMA）通信。
此外，还有这几种技术的混合应用，例如，跳频/直接序列（FH/DS）混合扩频，跳时/跳频（TH/FH）混合扩频和跳时/直接序列（TH/DS）混合扩频等，它们都可看作上述几种基本方式的综合运用。
从使用各种扩频技术成功的范例来看，各种不同的扩频方式都有其特点，在各自特定的领域里发挥所长，所以每种扩频方式都很重要。
1.3扩频技术的理论基础
扩频技术的理论基础是香农（Shannon）定理，它可用香农信道容量公式
S
C=Wlog2（1+）（1-1）
N
来描述。
该公式表明，在高斯白噪声干扰的信道中，当传输系统的信号噪声功率比S/N下降时，可用增加系统传输带宽W的方法来保持信道容量C不变。
对于任意给定的信噪比，可以用增大传输带宽来获得较低的信息差错率和较高的传输速率。
扩频技术正是利用这一原理，用高速率的扩频码（SpreadingCode）来扩展待传输的数字信息的带宽。
扩频通信系统的带宽比常规通信体制大几百倍至几千倍，故在相同的信噪比条件下，具有较强的抗噪声干扰能力。
其次，在高斯噪声的干扰下，在信道中实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。
这是因为白噪声是一种随机过程，它的瞬时值服从高斯分布，功率谱在很宽的频带内都是均匀的，而且它具有极其优良的相关特性。
但是至今对实现白噪声放大、调制、检测、同步及控制等仍存在着许多的技术困难。
因此，只能用类似于带限白噪声统计特性的伪噪声（Pseudonoise，PN）序列或伪随机序列来逼近它，作为扩频系统的扩频码。
此外，哈尔凯维奇也从理论上证明：
要克服多径衰落干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式也应该是具有白噪声统计特性的信号形式。
因而扩频系统又具有抗多径干扰的能力。
对于作为扩频系统扩频码的伪随机序列，其优良特性将在下一章中作具体的介绍。
1.4扩频系统的组成
直接序列扩频通信系统（DirectSequenceSpreadSpectrumCommunicationSystem）是直接用扩频码序列对载波调制的系统，简称为直扩系统，它是最典型的扩展频谱通信系统。
现在以直扩系统为例，来说明扩频系统的组成。
直扩系统由发射机、接收机两部分组成。
直扩系统中用的扩频码序列通常是伪随机序列。
要传送的信息经数字化后变成二元数字序列，它和伪随机序列模2相加后形成复合码序列再去调制载波，使频谱得到扩展。
当扩频信号经数字调制器调制后，再经过上变频及功率放大，最后由天线发射出去。
在接收机中要有一个和发射机中的伪随机序列同步的本地序列，对接收信号进行解扩（缩谱），解扩后的信号送到解调器取出传送的信息。
直接序列扩频通信系统的框图如图1.1所示。
（a）发射机
（b）接收机
图1.1直接序列扩频通信系统框图
1.5扩频系统的性能分析
扩频通信系统比常规通信系统具有更强的抗干扰能力。
通常在衡量扩频通信系统抗干扰能力优劣时，我们引入“扩频增益（SpreadingGain）”的概念来描述。
在扩频系统中，扩频增益G定义为接收机解扩器输出信噪比与接收机的输入信噪比之比，即
So/No
G=（1-2）
Si/Ni
在直接序列扩频系统中，它等于扩频伪随机序列信号带宽（即扩频序列码速率Rc的两倍）与信息数据信号带宽（即信息数据速率Rb）之比，即
2Rc
G=（1-3）
Rb
扩频增益G是反映扩频通信特性的重要参数，是扩频通信对信噪比改善程度的度量。
扩频通信系统的扩频增益越大，对噪声干扰的抑制能力就越强。
但是由于扩频通信系统对噪声功率的抑制能力为扩频带宽与噪声带宽之比，当噪声带宽与扩频带宽一样都非常宽时，系统对噪声功率不再有明显的抑制能力。
扩频通信系统抗外部单频干扰的能力，同样，扩频增益越大，即扩频编码的码长越长，对单频干扰信号的抑制能力就越强。
综上所述，扩频通信系统具有很强的抗干扰能力，抗干扰能力与扩频增益成正比。
这是扩频通信系统的重要特点之一。
第2章
方案设计与论证
在第一章里已经对扩频技术的基本概念、理论基础、系统组成及性能作了介绍，并讨论了扩频系统的优点与应用。
本章将着重讨论直接序列扩频系统（DS—SS）发射机的设计。
从理论上阐述直扩系统发射机的组成及性能，扩频信号的特点及其调制技术。
对总体方案的可行性进行分析与论证。
在下一章中将进一步讨论直扩系统发射机的具体电路结构以及参数的选择与计算。
2.1概述
直接序列扩频系统（DS—SS），又称“平均”系统或伪噪声系统，是目前应用较为广泛的一种扩频系统。
其中，直接序列扩频的码分多址接入，即DS/CDMA系统，是扩频技术中典型的商业应用。
在毕业设计中要完成直接序列扩频系统（DS—SS）发射机的设计与实现。
扩频信号的产生包括调制和扩频两个步骤。
我们可以先用伪随机序列（PN序列）与信息比特相乘（即模2相加）把信息的频谱扩展，再对载波进行调制；也可以先用要传送的信息比特对载波进行调制，再用伪随机序列进行再次调制以扩展信号的频谱。
二者是等效的。
但是，从系统实现的难易程度及所需元器件的数量上来看，前者更为简单与经济，故在直扩系统发射机的设计中采用前者。
第3章
电路设计与参数计算
在前一章中论述的直接序列扩频系统（DS—SS）发射机总体设计方案的基础上，本章将具体地阐述直扩系统发射机的电路结构。
根据技术指标的要求，通过参数的计算和选择，确定并论证各部分的电路设计与实现。
3.1电源
正电压输出78系列三端稳压器是最常见的集成稳压器件。
它是将电源调整管、误差放大器、启动电路以及保护电路集成于一身，具有过热、过流、调整管安全工作区保护功能。
因而性能优良，可靠性高。
第4章
电路调试与分析
在前面几章中，我们已经对扩频技术有了一定的了解。
特别是对直接序列扩频系统（DS—SS）发射机作了较为全面的阐述与分析。
通过总体方案的设计与论证，电路结构的选择以及参数的计算，基本上完成了在理论上对直接序列扩频系统（DS—SS）发射机的设计。
并且根据原理图的设计利用Protel99SE电路板设计软件完成了印刷电路板的设计和制作。
本章将给出经过电路调试后各点的输出波形，并对系统的性能作了分析。
第5章
结论
在本次毕业设计中，我在学习掌握了扩频技术的基础上，综合运用了数字电子技术，模拟电子技术，高频电子线路，通信原理及移动通信等各门基础理论与专业知识，设计出了具有一定先进性的直接序列扩频系统（DS—SS）发射机电路，并选用了廉价的集成电路和分立元器件组装成实际电路。
调试结果表明基本满足了技术指标的要求，达到了预期的设计效果与目的。
毕业设计是大学学习中必不可少的一个环节，是一次不可多得的学习和锻炼机会。
在本次毕业设计中，通过总体方案的设计与论证，使我们所学的理论知识得到了进一步的深化；同时，培养了我们理论联系实际，综合运用各门知识以及信息检索与利用的能力。
通过电路的组装、调试，提高了我们发现问题、分析问题、解决问题的水平；锻炼了实际动手操作能力。
通过同学间相互的学习交流、关心帮助，增强了我们的团队合作意识，这一点对于将来的工作也是十分重要的。
当然，在毕业设计中也体现出了许多不容忽视的问题。
在电路设计中对元器件的选择问题，我们应该选择常用的、便于安装的器件。
在印刷电路板的设计与制作中，对于元器件的布局，电路的布线以及导孔、焊盘大小的把握常常不是很准确，这就需要在设计之前细心的观察与仔细的测量。
在电路调试的过程中，明显地表现出对于故障的排除缺乏经验，以及对于万用表、示波器、扫频仪、函数信号发生器等常用仪器的操作不够熟练。
此外，焊接技术的好坏也会直接影响电路的性能，因此，焊接技术作为一种基本功必须掌握。
这种种的不足之处都需要在今后的工作学习中不断地改进。
总之，毕业设计是专业知识的一次综合应用；是对大学四年学习的一次检验。
在毕业设计中，我们得到了充分的锻炼与显著的提高。
它将对于我们以后的学习工作起到至关重要的指导作用。
参考文献
[1]查光明，熊贤祚．扩频通信．西安：
西安电子科技大学出版社，1990
[2]A．J．维特比著．李世鹤，鲍刚，彭容译．CDMA扩频通信原理．北京：
人民邮电出版社，1997
[3]沈允春．扩谱技术．北京：
国防工业出版社，1995
[4]朱近康．扩展频谱通信及其应用．合肥：
中国科学技术大学出版社，1993
[5]郭梯云，邬国扬，李建东．移动通信（修订版）．西安：
西安电子科技大学出版社，2000
[6]樊昌信，张甫翊，徐炳祥，吴成柯．通信原理（第5版）．北京：
国防工业出版社，2001
[7]B．斯克拉著．徐平平等译．数字通信——基础与应用（第2版）．北京：
电子工业出版社，2002
[8]A．V．奥本海姆等著．刘树棠译．信号与系统（第2版）．西安：
西安交通大学出版社，1998
[9]阎石主编．清华大学电子学教研组编．数字电子技术基础（第4版）．北京：
高等教育出版社，1998
[10]A．B．马科维奇著．殷洪玺等译．逻辑电路设计基础．北京：
电子工业出版社，2002
[11]王尔乾，杨士强，巴林凤．数字逻辑与数字集成电路（第2版）．北京：
清华大学出版社，2002
[12]何希才，刘洪梅．新型通用集成电路实用技术．北京：
国防工业出版社，1996
[13]徐建仁．数字集成电路应用与实验（第2版）．长沙：
国防科技大学出版社，1999
[14]梁廷贵主编．现代集成电路实用手册计数器分频器锁存器寄存器驱动器分册．北京：
科学技术文献出版社，2002
[15]梁廷贵主编．现代集成电路实用手册译码器编码器数据选择器电子开关电源分册．北京：
科学技术文献出版社，2002
[16]梁廷贵，王裕琛主编．现代集成电路实用手册数字单元电路转换电路分册．北京：
科学技术文献出版社，2003
[17]宋春荣等编．通用集成电路速查手册．济南：
山东科学技术出版社，1995
[18]康华光主编．华中理工大学电子学教研室编．电子技术基础：
模拟部分（第4版）．北京：
高等教育出版社，1999
[19]谈文心，邓建国，张相臣．高频电子线路．西安：
西安交通大学出版社，1996
[20]高吉祥．高频电子线路．北京：
电子工业出版社，2003
[21]钱聪，陈英梅．通信电子线路．北京：
人民邮电出版社，2004
[22]任致程．经典晶体管电子线路300例．北京：
机械工业出版社，2002
[23]张洪润，唐昌建，马平安．电子线路及应用．北京：
科学出版社，2002
[24]肖玲妮，袁增贵．Protel99SE印刷电路板设计教程．北京：
清华大学出版社，2003
[25]王力，张伟．电路设计与制板：
ProtelDXP库元器件手册．北京：
人民邮电出版社，2003
附录
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