直接序列扩频系统Word下载.docx

1、综上所述，直扩系统的特点是：频谱的扩展是直接由高码率的扩频码序列进行调制而得到的扩频码序列多采用伪随机码，也称为伪噪声 （PN） 码序列。 扩频调制方式多采用 BPSK或 QPSK等幅调制。扩频和解扩的调制 解调器多采用平衡调制器，制作简单又能抑制载被。模拟信息调制多采用频率调制 （FM），而数字信息调制多采用脉冲 编码调制 （PCM）或增量调制 （ M）。接收端多采用产生本地伪随机码序列对接收信号进行相关解扩， 或采用匹配滤波器来解扩信号。扩频和解扩的伪随机码序列应有严格的同步，码的搜捕和跟踪多 采用匹配滤波器或利用伪随机码的优良的相关特性在延迟锁定环 中实现。一般需要用窄带通滤波器来排除干

2、扰，以实现其抗干扰能力的提 高。5.1.2直扩信号的波形与频谱任何周期性的时间波形都可以看成是许多不同幅度、频率和相位的正 弦波之和。这些不同的频率成分，在频谱上占有一定的频带宽度。单一频 率的正弦波，在频谱上只有一条谱线，而周期性的矩形脉冲序列，则有许 多谱线。任何周期性的时间波形，可以用富氏级数展开的数学方法求出它 的频谱分布图。现在以矩形脉冲序列为例来说明其间的关系。 图 5 2（a） 中为一周期性 矩形脉冲序列 f（t） 的波形及其频谱函数 An（f） 。图 5 2 （a）, （b）, （c）图中 E为脉冲的幅度， o为脉冲的宽度， To为脉冲的重复周期。 设 To 5 o，从图中可以

3、看出 f（t） 的 An（f） 分布为一系列离散谱线，由基频 fo 及其高次谐波组成。随着谐波频率的升高、幅度逐渐衰减。对于棱角分明 的波形，在理论上包含有无限多的频谱成分。不难证明，时间有限的波形， 在频谱无限的；相反，频谱有限的信号，在时间上也是无限的。但一般来说，信号的能量主要集中在频谱的主瓣内，即频率从 0 开始 到频谱经过第一个 0 点的频率为止的宽度内，称为信号的频带宽度，以 Bf 表示。从数学分析可知，信号谱线间隔决定于脉冲序列的重复周期，即 fo 1/To 。而信号频带宽度取决于脉冲的宽度，即 Bo 1/ o。在图 52（b） 中，如果脉冲重复周期增加一倍，基频降低一半，谱线间

4、隔也减少一 半，谱线密度增加一倍，此时 Bfo 不变。如果脉冲重复周期不变，而脉冲宽度减少一半 1 0/2 ，则从图 52（c）可以看出，谱线间隔不变，但信号的频带宽度 Bf1 增加一倍。此外， 从图中还可以看出，无论是脉冲重复周期的增加，还是脉冲宽度的减少， 频谱函数的幅度都降低了。从上面的讨论中可以得出两个重要的结论：一是为了扩展信号的频谱，可以采用窄的脉冲序列去进行调制某一载 波，得到一个很宽的双边带的直扩信号。采用的脉冲越窄，扩展的频谱越 宽。如果脉冲的重复周期为脉冲宽度的 2 倍，即 T2 ，则脉冲宽度变窄对 应于码重复频率的提高，即采用高码率的脉冲序列。直扩系统正是应有了这一原理，

5、直接用重复频率很高的窄脉冲序列来 展宽信号的频谱。二是如果信号的总能量不变， 则频谱的展宽， 使各频谱成分的幅度下降， 换句话说，信号的功率谱密度降低。这就是为什么可以用扩频信号进行隐 蔽通信，及扩频信号具有低的被截获概率的原故。5.2扩频码序列5.2.1 码序列的相关性在扩展频谱通信中需要用高码率的窄脉冲序列。 这是指扩频码序列的波形而 言。并未涉及码的结构和如何产生等问题。那么究竟选用什么样的码序列作为扩频码序列呢 ? 它应该具备哪些基本性 能呢 ? 现在实际上用得最多的是伪随机码，或称为伪噪声 （PN）码。这类码序列最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。 因为噪声具有完全 的随机性，

6、也可以说具有近似于噪声的性能。 但是，真正的随机信号和噪声是不 能重复再现和产生的。 我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性 能，故称为伪随机码或 PN码。为什么要选用随机信号或噪声性能的信号来传输信息呢？许多理论研究表 明，在信息传输中各种信号之间的差别性能越大越好。 这样任意两个信号不容易 混淆，也就是说，相互之间不易发生干扰，不会发生误判。理想的传输信息的信 号形式应是类似噪声的随机信号， 因为取任何时间上不同的两段噪声来比较都不 会完全相似。用它们代表两种信号，其差别性就最大。在数学上是用自相关函数来表示信号与它自身相移以后的相似性的。 随机信 号的自相关函数的定义为下列积

7、分：式中 f（t） 为信号的时间函数， 为时间延迟。 上式的物理概念是 f（t） 与其相对延迟的 的 f（ t - ） 来比较:如二者不完全重叠，即 0 ，则乘积的积分 a（ ）为 0；如二者完全重叠，即 0；则相乘积分后 a（0） 为一常数因此， a（ ）的大小可用来表征 f（t） 与自身延迟后的 f（ t ）的相关性， 故称为自相关函数。现在来看看随机噪声的自相关性。 图 53（a） 为任一随机噪声的时间波形及 其延迟一段 后的波形。图 53（b） 为其自相关函数。当 0 时，两个波形完 全相同、重叠，积分平均为一常数。如果稍微延迟一 ，对于完全的随机噪声， 相乘以后正负抵消，积分为 0。

8、因而在以 为横座标的图上 a（ ） 应为在原点的 一段垂直线。在其他 时，其值为 0。这是一种理想的二值自相关特性。利用这种特性，就很容易地判断接收到的信号与本地产生的相同信号复制品之间的波 形和相位是否完全一致。相位完全对准时有输出，没有对准时输出为 0。遗憾的是这种理想的情况在现实中是不能实现的。 因为我们不能产生两个完全相同的随 机信号。我们所能做到的是产生一种具有类似自相关特性的周期性信号。图 5 3PN码就是一种具有近似随机噪声这种理想二值自相关特性的码序列。例如 二元码序列 1110l00 为码长为 7位的 PN码。如果用 1，1脉冲分别表示“ l ” 和“ 0”，则在图 53（c

9、） 中示出其波形和它相对延迟 个时片的波形。这样我们很容易求出这两个脉冲序列波形的自相关函数，如图 53（d） 中。自相关峰值 在 0 时出现，自相关函数在 0/2 范围内呈三角形。 0为脉冲宽度。而其它延迟时，自相关函数值为 1/7, 即码位长的倒数取负值。当码长取得很大时， 它就越近似于图 53（b） 中所示的理想的随机噪声的自 相关特性。 自然这种码序列就被称为伪随机码或伪噪声码。 由于这种码序列具有 周期性，又容易产生， 它就是下面即将介绍的 m序列，成为直扩系统中常用的扩 频码序列。扩频码序列除自相关性外，与其他同类码序列的相似性和相关性也很重要。 例如有许多用户共用一个信道， 要区

10、分不同用户的信号， 就得靠相互之间的区别 或不相似性来区分。换句话说，就是要选用互相关性小的信号来表示不同的用户。 两个不同信号波形 f（t） 与 g（t） 之间的相似性用互相关函数来表示：如果两个信号都是完全随机的，在任意延迟时间 都不相同，则上式为 0。 如果有一定的相似性，则不完全为 0。两个信号的互相关函数为 0，则称之为是 正交的。通常希望两个信号的互相关值越小越好， 则它们越容易被区分， 且相互 之间的干扰也小。5.2.1 m 序列m序列是最长线性移位寄存器序列的简称。 由于 m序列容易产生、 规律性强、 有许多优良的性能，在扩频通信中最早获得广泛的应用。顾名思义， m序列是由多级

11、移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的 最长的码序列。 在二进制移位寄存器发生器中， 若 n 为级数，则所能产生的最大 长度的码序列为 2n1 位。现在来看看如何由多级移位寄存器经线性反馈产生周期性的 m序列。图 5 4（a） 为一最简单的三级移位寄存器构成的 m序列发生器。图中 Dl 、D2、D3 为三级移位寄存器，为模二加法器。移位寄存器的作用为 在时钟脉冲驱动下，能将所暂存的“ 1”或“ 0”逐级向右移。模二加法器的作用 为图中（b） 所示的运算，即 0十00，0十11，1十0l，l 十10。图（a） 中 D2、D3输出的模二和反馈为 Dl 的输入。在图（c） 中示出， 在时钟脉冲驱

12、动下， 三级移位寄存器的暂存数据按列改变。 D3的变化即输出序列。如移位寄存器各 级的初始状态为 111时，输出序列为 1110010。在输出周期为 23 17 的码序 列后， D1、D2、D3又回到 111 状态。在时钟脉冲的驱动下，输出序列作周期性 的重复。因 7 位为所能产生的最长的码序列， 1110010则为 m序列。这一简单的例子说明： m序列的最大长度决定于移位寄存器的级数，而码的 结构决定于反馈抽头的位置和数量。 不同的抽头组合可以产生不同长度和不同结 构的码序列。 有的抽头组合并不能产生最长周期的序列。 对于何种抽头能产生何 种长度和结构的码序列，已经进行了大量的研究工作。现在

13、已经得到 3 - 100级 m 序列发生器的连接图和所产生的 m序列的结构。例如 4 级移位寄存器产生的 15 位的 m序列之一为 111101*。同理 我不难得到 31、63、127、255、511、l023 位的 m序列。一个码序列的随机性由以下三点来表征：一个周期内“ l ”和“ 0”的位数仅相差 1 位。一个周期内长度为 l 的游程（连续为“ 0”或连续为“ l ”）占12，长 度为 2的游程占 l 4，长度 3的游程占 l 8。只有一个包含 n个“l ” 的游程，也只有一个包含 （n 1）个“ 0”的游程。“ l ”和“ 0”的游程 数相等。一个周期长的序列与其循环移位序列远位比较，

14、相同码的位数与不相 同码的位数相差 l 位。M序列的一些基本性质：在 m 序列中一个周期内“ 1 ”的数目比“ 0 ”的数目多 l 位。例如上述 7 位 码中有 4个“1”和 3个“0”。 在15位码中有 8个“l”和 7个“ 0”。在表 51 中列出长为 15 位的游程分布。表 5 1 111101011001000 游程分布游程长度 （比特）游程数目所包含的比特数“1”的“0”的1243游程总数 8合计 15一般说来， m序列中长为 R（1 R n 2）的游程数占游程总数的 l 2k m序列的自相关函数由下式计算：令 p =A + D = 2 n 1则：它正是图 53（d） 中所示的二值自

15、相关函数。 m序列和其移位后的序列逐位模二相加，所得的序列还是 m序列，只是相移不同而已。例如 1110100 与向右移三位后的序列 1001110 逐位模二相加后的序列为 0111010，相当于原序列向右移一位后的序列，仍是 m序列。m序列发生器中移位寄存器的各种状态，除全 0 状态外，其他状态只在 m 序列中出现一次。如 7 位 m序列中顺序出现的状态为 111， 110，101，010，100，00l 和 011，然后再回到初始状态 111m序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产生 m序列。理论分析指出，产生的 m序列数由下式决定：（2n 1） / n其中由（X） 为欧拉数 （即包括 1

16、 在内的小于 X并与它互质的正整数的个数 ）。例如 5 级移位寄存器产生的 31 位 m序列只有 6 个现在让我们来讨论一下 m序列的相关特性。前面已经提到过 m 5.2.3 GoId 码序列m 序列虽然性能优良，但同样长度的 m序列个数不多，且序列之间的互相关 值并不都好。 RGold 提出了一种基于 m序列的码序列 , 称为 Gold 码序列。这种 序列有较优良的自相关和互相关特性， 构造简单，产生的序列数多， 因而获得了 广泛的应用。如有两个 m序列，它们的互相关函数的绝对值有界，且满足以下条件：我们称这一对 m序列为优选对。它们的互相关函数如图 5-5（ 实线） ，由小于某 一极大值的

17、旁瓣构成。 如果把两个 m序列发生器产生的优选对序列模二相加， 则 产生一个新的码序列， 即 Gold 序列。图 56（a） 中示出 Gold 码发生器的的原理 结构图。图 5-5图 56（b） 中为两个 5级 m序列优选对构成的 Gold 码发生器。这两个 m序列虽Gold 序列具有三值自相关特性，类似图 5-5 中的自相关与互相关特性。其旁辩的极大值满足上式表示的优选对的条件。两个 m序列优选对不同移位相加产生的新序列都是 Gold 序列。因为总共有 2n1 个不同的相对位移，加上原来的两个 m序列本身，所以，两个 m级移位寄 存器可以产生 2n1个 Gold序列。因此， Gold 序列的

18、序列数比 m序列数多得多。同类 Gold 序列互相关特性满足优选对条件， 其旁瓣的最大值不超过上式的 计算值。在表 2 2 中列出 m序列和 Gold 序列互相关函数旁瓣的最大值。从上表中明显的看出 Gold 序列的互相关峰值和主瓣与旁瓣之比都比 m序列 小得多。这一特性在实现码分多址时非常有用。5.3直扩信号的发送与接收在图 5l 中所示出的直扩系统发送接收系统的原理方框中，在发端输入 信息要经过信息调制“扩频和射频调制”，在收端接收到的信号要经过变频、 解扩和信息解调。 与一般模拟或数字通信系统比较， 信息识别与解调、 射频的上 变频和下变频，情况基本相同。 直扩通信系统的主要特点在于直扩

19、信号的产生，即扩频调制和直扩信号的接收， 即相关解扩。5.3.1扩频调制通过对扩频信号波形与频谱关系的分析和对 PN码序列性能的了解，来说明 获得扩频信号的调制方法就比较容易了。一般说来，都是用高码率的 PN码脉冲序列去进行调制扩展信号的频谱的。通常采用的调制方式为 BPSK，输入信号与 PN 码在平衡调制器调制而输出展 宽的扩频信号；图5-2 中已经表示出直扩扩频调制的原理图。 图中平衡调制器的 输出信号的中心频率位置决定于输入的载波频率， 在这里是载频抑制的。 而两个 边带则为展宽的频谱，它决定于调制 PN码脉冲的宽度。 PN码码率越高，或脉冲 宽度越窄，扩展的频谱越宽。那么这一扩频调制的

20、原理是如何具体实现的呢 ?图 5-7（a） 中为一常见的二极管平衡调制器。它的作用原理是：左端上面输 入为正弦载波信号，下面输入的是 PN码脉冲信号。 4 个二极管起作开关的作用。 当脉冲信号为正 D2、D3 导通，此时输出变压器中载波信号电流是向上的。脉冲 输入信号变负时， Dl ，D4导通，此时输出变压器中载波电流是向下的。换句话 说，随着脉冲信号极性的不同，输出载波信号的相位改变 180 。因此，平衡调 制器起到了二相相移键控 （BPSK）调制器的作用。输出正弦波相位改变的情况如图 57（b） 中所示。平衡调制器的一个重要特性是输出的调制信号是载波抑制的。 这对于扩频通 信是很重要的。无

21、载波发射，既可节省功率，又可使扩频信号更加隐蔽，不易被 发觉。平衡调制器对两个输入信号来说相当于乘法器。 如果载波信号用 Acos ct 表示，脉冲信号用 m（t） 表示，则输出信号为二者乘积：Am（t）cos ct如果 m（t） 取值为土 l ，则输出信号根据三角公式可分解为相位相差 180 的 两个分量之和如图 57（c） 所示，它相当于只有两个边频而无载波。但在直扩系 统 中，调制脉冲不是周期性的规则脉冲，而是 PN 码脉冲序列。图 5-7在图 52 中已示出周期性的脉冲序列的频谱， 而是呈 （sinx/x） 2 型的分布 因此，实际 PN码调制载波获得的功率谱边呈 （sinx/x） 2

22、型分布，如图 58（a） 所示，它好像是分布为 （sinx）/x 2 的噪声一样。 图中这一波型是比较理想的平 衡调制器的波型。实际的平衡调制器，有时不能做到真正平衡。因此，可能出现 载波不能完全抑制，或调制的 PN脉冲信号有泄漏，以及钟脉冲信号泄漏到输出 端的情况。图 58（b） ，（c） ，（d） 分别示出这三种情况的输出波形。当然，它们 都是我们所不希望的和应尽量想法避免的。图 5 8除了 BPSK调制获得扩频信号外， 还可以采用 QPSK及 MSK调制来进行扩频调 制。5.3.2相关解扩前面说了直扩系统在发端用 PN码进行调制以扩展信号频谱。那么在收端又 如何解扩呢 ? 也就是如何从频

23、谱已经扩展的信号中把要传的基带有用信息解调 出来呢?一般采用相关检测或匹配滤波的方法来解扩。所谓相关检测， 一个简单的譬喻就是用像片去对照找人。 如果想在一群人中 去寻找某个不相识的人， 最简单有效的方法就是手里有一张某人的照片， 然后用 照片一个一个的对比，这样下去，自然能够找到某人。同理，当你想检测出所需 要的有用信号， 有效的方法是在本地产生一个相同的信号， 然后用它与接收到的 信号对比，求其相似性。 换句话说，就是用本地产生的相同的信号与接收到的信 号进行相关运算，其中相关函数最大的就最可能是所要的有用信号。图 52 中已表示出基本的解扩过程。也就是在收端产生与发端完全相同的 PN码，

24、对收到的扩频信号，在平衡调制器中再一次进行二相相移键控调制。在 图 5 1（b） 中可以看出发端相移键控调制后的信号在收端又被恢复成原来的载 波信号。当然一个必要的条件是本地的 PN码信号的相位必须和收到的相移后的 信号在相移点对准， 才能正确地将相移后的信号再翻转过来。 由此可见， 收发两 端信号的同步十分重要。下面我们将进一步较详细地加以讨论。另外从图 52（b） 中的频谱图上也可以看出， 平衡调制器把收到的展宽的信 号解扩成信息调制的载波。 最后经带通滤波器输出。 以上所述就是所谓的相关解 扩过程。通常为了处理方便，大多在中频进行。也就是接收到的扩频信号，先在 变频器中先变换到中频， 再

25、进入到平衡调制器中解扩。 其后接中频带通滤波器输 出。有时为了避免强干扰信号从平衡调制器的输入端绕过它而泄漏到输出端去， 可以来用外差相关解扩，如图 59 所示。图 5 9本地产生的 PN码先与本地振荡器产生的与接收信号差一个中频信号的本地 振荡信号在下面一个平衡调制器进行调制， 产生本地参考信号。 它是一个展宽了 的信号。然后，此本地参考信号与接收的信号在上面一个平衡调制器调制成中频 输出信号。 这时平衡调制器实际上起的是混频器的作用。 由于它的输入信号与输 出信号不同， 也就不会发生强干扰信号直接绕过去的泄漏了。 并且后面还有一个 中频带通滤波器，可以起到滤除干扰的作用。相关解扩过程对扩频

26、通信至关重要。 正是这一解扩过程大大提高了系统的抗 扰能力。图 5 10（a） 示出一直扩接收机的简化框图。输入信号除直扩信号外，还有连续载波干扰和宽带信号干扰。图 510（b） 中示出三种信好的处理过程。由于解扩相关器对连续载波起作扩频的作用， 把它变换成展宽的直扩信号。 同理，对 输入的不是相同 PN码调制的宽带信号也进一步展宽 2 倍。这两种信号经窄带滤 波器后， 只剩下一小部分干扰信号能量。 与解扩出的信息调制载波相比较， 输出 的信噪比大大提高了。由此可见，频带展得越宽，功率谱密度越低，经窄带滤波 后残余的干扰信号能量就更小了。 这里也可以看出， 在接收端， 窄带滤波器对提 高抗干扰

27、性起作很关键的作用， 因而在实际应用中， 对其性能指标的要求也就很 严格。图 5 10相关解扩在性能上固然很好，但总是需要在接收端产生本地 PN码。这一点有时带来许多不方便。 例如，解决本地信号与接收信号的同步问题就很麻烦， 还不能 做到实时把有用信号检测出来。 因为匹配滤波和相关检测的作用在本质上是一样 的，我们可以用匹配滤波器来解扩直扩信号。所谓匹配滤波器， 就是与信号相匹配的滤波器， 它能在多种信号或干扰中把 与之匹配的信号检测出来。这同样是一种“用相片找人”的方法。对于视频矩形 脉冲序列来说， 无源匹配滤波器就是抽头延迟线上加上加法累加器。 有时称为横 向滤波器，其结构如图 5 11（a） 所示。图 5 11但 SAW匹配滤波器制作有一定难度。 主要是插入损耗较大， 且工艺要求很严， 特别是在码位长时。一般情况，根据 PN码序列结构做成固定的抽头，它就不能 适应码序列需要改变的情况。如果在输出端加上控制电路，也可做成可编程的 SAW匹配滤波器。 这样应用起来就很方便， 但制作起来就更困难了， 要求有 VLSI 制作艺的精