移動通信課程設計(基于simulink的擴頻通信仿真與實現(xiàn))(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 干擾能力就越強。下面就來分析直擴系統(tǒng)抗寬帶干擾和抗窄帶干擾的原理。圖 23 為直擴系統(tǒng)抗寬帶干擾的示意圖。 這里的寬帶干擾是泛指的與擴頻信號不相關的，在 CDMA 通信網(wǎng)中，其它用戶的信號就是一種寬帶干擾。相關處理前，信號頻譜是很寬的，經(jīng)相關處理后，有用信息被解擴，其功率譜集中于信息帶寬內(nèi)，而寬帶干擾通過相關器，其功率譜密度基本不變。由于解擴后必然連接窄帶濾波器，保證信號能順利通過，對信號頻帶之外的各種干擾起到很大的抑制作用，從而提高了輸出的信噪比。 對單頻或窄帶干擾，直擴系統(tǒng)有很強的抗干擾能力。圖 24（ a）為解擴前的功率譜，窄帶干擾功率很大，由于干擾與本地擴頻碼（ PN 碼）是不相關的。對干擾來說，相關器起到擴展頻譜的目的，功率譜密度就大大下降，其中對信號有害的干擾分量只有落入信息帶寬部分，從而抑制了大部分干擾。由于有用信號能順利通過窄帶濾波器，因此提高了輸出的信噪比。 解擴后的有用信號信息帶寬 B A 有用信號 干擾電平 白限熱噪聲電平 cR cR 功率頻譜 干擾信號 cf f cR f 圖 23 直擴系統(tǒng)抗寬帶干擾的示意圖 （ a）接收機輸入的信號及干擾的功率譜 （ b）相關器輸出的信號及干擾的功率譜 成都學院（成都大學）課程設計報告 12 直擴信號的抗截獲性 截獲敵方信號的目的在于： （ 1） 發(fā)現(xiàn)敵方信 號的存在； （ 2） 確定敵方信號的頻率； （ 3） 確定敵方發(fā)射機的方向； 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，單位時間內(nèi)的能量就很小，同時它的頻帶很寬。因此，它具有很強的抗截獲性。 如果滿足直擴信號在接收機輸入端的功率低于或與外來噪聲及接收機本身的熱噪聲功率相比擬的條件、則一般接收機發(fā)現(xiàn)不了直擴信號的存在。另外，由于直擴信號的寬頻帶特性，截獲時需要在很寬的頻率范圍進行搜索和監(jiān)測，也是困難之一。因此，直 擴信號可以用來進行隱藏通信。至于如何發(fā)現(xiàn)敵方直擴信號的存在，和弄清楚其參數(shù)，即直擴信號的檢測與估值問題。 直擴碼分多址通信系統(tǒng) 多址通信系統(tǒng)指的是許多用戶組成的一個通信網(wǎng)，網(wǎng)中任何兩個用戶都可以通信，而且許多對用戶同時通信時互不不擾。應用直擴系統(tǒng)就很容易組成這樣一個多址通信系統(tǒng) (網(wǎng) )。 具體的做法是給每一個用戶分配一個 PN 碼作為地址碼。首先，利用直擴信號中 PN碼的相關特性來區(qū)分不同的用戶，每個用戶只能收到其他用戶按其地址碼發(fā)來的信號，A A 解擴后的有用信號 干擾被擴展頻譜 有用信號 窄帶干擾信號 2cR f if f cf cf （ a） 未解擴的功率譜 （ b） 解擴后的功率譜 圖 44 直擴系統(tǒng)抗窄帶干擾示意圖 成都學院（成都大學）課程設計報告 13 此時自相關特性出現(xiàn)峰值，可以判別出是有用信號。對于其他用戶發(fā) 來的別的信號，因PN 碼不同時互相關值很小，不會被解擴出來。其次，利用直擴信號中頻譜擴展，功率譜密度很低的特性，可以有許多用戶共用同一寬頻帶。此時相互之間干擾很小，可以當作噪聲處理。另外，每個用戶占用的頻寬很窄，相對說來，頻譜利用率也是高的。 實現(xiàn)直擴碼分多址通信值得注意的問題有： （ 1） 是要選擇有優(yōu)良互相關特性的碼。 一般多采用有二值或三值相關特性的碼作為地址碼。同時還需要有一定的數(shù)量。Gold 碼就可以作為地址碼來用，它既有較優(yōu)良的相關特性，也有足夠的數(shù)量可供選。 （ 2） 是要注意克服“遠－近”問題。 所謂“遠一近”問題指的是距離近的用戶的信號強，它會干擾距離遠的弱信號的接收。解決的辦法是采用自動功率控制，自動調(diào)節(jié)各用戶的發(fā)射功率，使達到接收機時各用戶信號功率基本相等，也就是滿足接收機輸入端等功率的條件，才能正確地區(qū)分有用信號。 （ 3） 是同時通話的用戶數(shù)，決定于整個網(wǎng)內(nèi)的噪聲水平。 因此，直擴碼分多址系統(tǒng)是一種噪聲受限的系統(tǒng)。隨著用戶數(shù)的增加，通信質(zhì)量逐漸變壞。 直擴系統(tǒng)的抗多徑干擾性能 多徑信道就是發(fā)射機和接收機之間電波傳播的路徑不止一條。例如由于大氣層的反射和折射，以及由于建筑物等對 電波的反射都是形成多徑信道的原因。不同的傳播路徑使電波在幅度上衰減不同，到達時間的延遲也不同。 直擴系統(tǒng)能夠同步鎖定在最強的直達路徑的電波上。其它有延遲到達的電波，由于相關解擴的作用，只起到噪聲干擾的作用。這就是利用 PN 碼的自相關特性，只要延遲超過半個 PN 碼時片，其相關值就很小，可作為噪聲來對待。另外，如果采用不同時延的匹配濾波器，把多徑信號分離出來，還可以變害為利，將這些多徑信號在相位上對齊相加，起到增加接收信號能量的作用。 因此，直擴系統(tǒng)是一種有效的抗多徑干擾的通信系統(tǒng)。 直擴測距定時系統(tǒng) 直擴系統(tǒng)的發(fā)展是從測距開始的。電磁波在空間是以固定的光速傳播的。如果測定了電波傳播的時間，也就測定了距離。 成都學院（成都大學）課程設計報告 14 用直擴信號來測取和定時有獨特的優(yōu)點。當采用一個較長周期的 PN 碼序列作為發(fā)射信號、用它于目的地反射回來或轉(zhuǎn)發(fā)回來的 PN 碼序列的相位進行比較，即比較兩個碼序列相差的時片數(shù)，就可以看出其時間差，也就能換算出發(fā)射機與目的地之間的距離。不難把碼片選得很窄，即碼的鐘速率很高，則可以高精度的測距與定時，基本的分辨率即一個碼片。 此外，有了精確的測距的定時系統(tǒng)，不難形成一個精確的定位系統(tǒng)；按照簡單的幾何關系，已知 兩個點的位置 (座標 )和距離，及其在某一平面上分別與第三點的距離，也就能確定第三點的座標位置。 擴 頻序列通信系統(tǒng)的同步原理 任何數(shù)字通信系統(tǒng)都是離散信號的傳輸，要求收發(fā)兩端信號在頻率上相同和相位上一致，才能正確地解調(diào)出信息。擴頻通信系統(tǒng)也不例外。一個相干擴頻數(shù)字通信系統(tǒng)，接收端與發(fā)送端必須實現(xiàn)信息碼元同步、 PN碼碼元和序列同步和射頻載頻同步。只有實現(xiàn)了這些同步，直擴系統(tǒng)才能正常的工作?？梢哉f沒有同步就沒有擴頻通信系統(tǒng)。 同步系統(tǒng)是擴頻通信的關鍵技術。信息碼元時鐘可以和 PN 碼元時鐘聯(lián)系起來，有固定的關系， 一個實現(xiàn)了同步，另一個自然也就同步了。對于載頻同步來說，主要是針對相干解調(diào)的相位同步而言。常見的載頻提取和跟蹤的方法都可采用，例如用跟蹤鎖相環(huán)來實現(xiàn)載頻同步。因此，這里我們只需討論 PN 碼碼元和序列的同步。 一般說來，在發(fā)射機和接收機中采用精確的頻率源，可以去掉大部分頻率和相位的不確定性。但引起不確定性的因素有以下一些： 1. 收發(fā)信機的距離引起傳播的延遲產(chǎn)生的相位差 。 2. 收發(fā)信機相對不穩(wěn)定性引起的頻差 。 3. 收發(fā)信機相對運動引起的多普勒頻移； 4. 以及多徑傳播也會影響中心頻率的改變。 因此，只靠提高頻率源的穩(wěn)定度是不夠的，需要采取進一步提高同步速率和精度的方法。 同步系統(tǒng)的作用就是要實現(xiàn)本地產(chǎn)生的 PN 碼與接收到的信號中的 PN 碼同步，即頻率上相同，相位上一致。同步過程一般說來包含兩個階段： 1. 接收機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范圍內(nèi)搜索和捕獲用信號。這一階段也稱為起始同步或粗同步，成都學院（成都大學）課程設計報告 15 也就是要把對方發(fā)來的信號與本地信號在相位之差納入同步保持范圍內(nèi)，即在 PN 碼一個時片內(nèi)。 2. 一旦完成這一階段后，則進入跟蹤過程，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，使收發(fā)信號仍然保持同步。 如果由于采種原因引起失步，則重新開始新的一輪搜捕和跟蹤過程。因此，整個同步過程是包含搜捕和跟蹤兩個階段閉環(huán)的自動控制和調(diào)整過程。 圖 25為同步系統(tǒng)搜捕和跟蹤原理圖，圖中接收到的信號經(jīng)寬帶濾波器后，在乘法器中與本地 PN碼進行相關運算。此時搜捕器件，調(diào)整壓控鐘源，調(diào)整 PN 碼發(fā)生器產(chǎn)生的本地脈序列偽重 復頻率和相位，以搜捕有用信號。一旦捕獲到有用信號后，則起動跟蹤器件，由其調(diào)整壓控鐘源，使本地 PN 碼發(fā)生器與外來信號保持同步。 接收信號 圖 25 同步系統(tǒng)搜捕和跟蹤原理圖 輸出出 寬帶濾波器 碼跟蹤器 PN碼發(fā)生器 壓控鐘源 搜捕器件 解調(diào)器 成都學院（成都大學）課程設計報告 16 第 3 章 PN 序列 PN 序列（偽隨機序列）概述 偽隨機序列的一般定義 偽隨機序列作為擴頻通信系統(tǒng)中的一部分是十分關鍵的，它關系到擴頻系統(tǒng)的性能。四十年代末，信息論的奠基人香農(nóng) ()提出的編碼定理指出：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，在碼周期相當長的條件下，能夠幾乎無差錯的從收到高斯噪聲干擾的信號中復制 出原發(fā)信息。這里有兩個條件，一是Rb=C，二是編碼的碼周期足夠長。同時香農(nóng)在證明編碼定理的時候，提出用具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號來編碼。白噪聲是一種隨機過程，它的瞬時值服從正態(tài)分布，功率譜在很寬頻帶內(nèi)都是均勻的。但是至今無法實現(xiàn)對白噪聲放大、調(diào)制、檢測、同步及控制等，而只能用具有類似于限帶白噪聲統(tǒng)計特性的偽隨機序列信號來逼近它，并作為擴頻系統(tǒng)的擴頻碼。 偽隨機序列的數(shù)學定義 白噪聲是一種隨機過程，瞬時值服從正態(tài)分布，自相關函數(shù)和功率譜密度有極好的相關性，偽隨機序列是針對白噪聲演化而來的，只有“ 0”和“ 1”兩種電平，因此偽隨機編碼概率分布不具備正態(tài)分布形式。但當序列足夠長時，由中心極限定理可知，它趨近于正態(tài)分布，由此，偽隨機序列定義如下： (1)凡自相關函數(shù)具有 ????????????????piiipiiapaapapR1121111)(??00???? (31) 式的序列稱為狹義偽隨機序列。 (2)凡自相關函數(shù)具有 ???????????????piiipiiacaapapR112111)(?? 1??c 00???? (32) 形式的序列，成為第一類廣義偽隨機序列。 (3)凡互相關系數(shù)具有 成都學院（成都大學）課程設計報告 17 1)( ???abR 或 0)( ??abR (33) 形式的序列，稱為第二類廣義偽隨機序列。 (4)凡相關函數(shù)滿足 (1)、 (2)、 (3)三者之一的序列，統(tǒng)稱為偽隨機序列。由上面的四種定義可以看出，狹義偽隨機序列是第一類廣義偽隨 機序列的一種特例。 偽隨機序列的相關特性 擴頻系統(tǒng)中，對偽隨機序列而言，最關心的問題就是其相關特性，包括自相關性、互相關性及部分相關性。下面分別給出這些相關函數(shù)的定義。設有兩條長為 N的序列 {a}和 ，序列中的元素分別為 ai， bi， (i=1,2,3,? ,N)。則序列的自相關函數(shù)定義為： ?? ?? pi iia aaR 1)( ?? (34) 由于 {a}是周期為 P的序列，故有 ai+p=ai,其歸一化自相關函數(shù) ρ a(τ )定義為： ?? ?? pi iia aap 11)( ??? (35) 序列 {a}和 的互相關函數(shù)定義為： ?? ?? pi iiab baR 1)( ?? (36) 歸一化互相關函數(shù)定義為： ?? ?? pi iiab bap 11)( ??? (37) 對于二進制序列， 可以表示為： P DAab )()()( ???? ?? (38) 其中， A為序列 {a}和 對應碼元相同的數(shù)目， D為不相同的數(shù)目。 若 ρ ab(τ )=0，則序列 {a}和序列 正交，定義 {a}的部分相關函數(shù)和歸一化部分相關函數(shù)為 (式中 t為某一整數(shù) ) ： ??? ?? 11)( Ni iiN aaR ?? ,PN? ??? ?? 11