移動通信課程設計(基于simulink的擴頻通信仿真與實現)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 收到其他用戶按其地址碼發來的信號，此時自相關特性出現峰值，可以判別出是有用信號。對于其他用戶發來的別的信號，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。實現直擴碼分多址通信值得注意的問題有：（1） 是要選擇有優良互相關特性的碼。 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量。Gold碼就可以作為地址碼來用，它既有較優良的相關特性，也有足夠的數量可供選。 （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，自動調節各用戶的發射功率，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，才能正確地區分有用信號。（3）是同時通話的用戶數，決定于整個網內的噪聲水平。 因此，直擴碼分多址系統是一種噪聲受限的系統。隨著用戶數的增加，通信質量逐漸變壞。 直擴系統的抗多徑干擾性能 多徑信道就是發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，直擴系統是一種有效的抗多徑干擾的通信系統。 直擴測距定時系統 直擴系統的發展是從測距開始的。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。用直擴信號來測取和定時有獨特的優點。當采用一個較長周期的PN碼序列作為發射信號、用它于目的地反射回來或轉發回來的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，就可以看出其時間差，也就能換算出發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，不難形成一個精確的定位系統；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。任何數字通信系統都是離散信號的傳輸，要求收發兩端信號在頻率上相同和相位上一致，才能正確地解調出信息。擴頻通信系統也不例外。一個相干擴頻數字通信系統，接收端與發送端必須實現信息碼元同步、PN碼碼元和序列同步和射頻載頻同步。只有實現了這些同步，直擴系統才能正常的工作。可以說沒有同步就沒有擴頻通信系統。同步系統是擴頻通信的關鍵技術。信息碼元時鐘可以和PN碼元時鐘聯系起來，有固定的關系，一個實現了同步，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，例如用跟蹤鎖相環來實現載頻同步。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. 收發信機的距離引起傳播的延遲產生的相位差。 2. 收發信機相對不穩定性引起的頻差。 3. 收發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。 同步系統的作用就是要實現本地產生的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搜索和捕獲用信號。這一階段也稱為起始同步或粗同步，也就是要把對方發來的信號與本地信號在相位之差納入同步保持范圍內，即在PN碼一個時片內。 2. 一旦完成這一階段后，則進入跟蹤過程，即繼續保持同步，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生偏移，同步系統能加以調整，使收發信號仍然保持同步。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的自動控制和調整過程。接收信號圖25 同步系統搜捕和跟蹤原理圖輸出出寬帶濾波器碼跟蹤器PN碼發生器壓控鐘源搜捕器件解調器圖25為同步系統搜捕和跟蹤原理圖，圖中接收到的信號經寬帶濾波器后，在乘法器中與本地PN碼進行相關運算。此時搜捕器件，調整壓控鐘源，調整PN碼發生器產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，由其調整壓控鐘源，使本地PN碼發生器與外來信號保持同步。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中的一部分是十分關鍵的，它關系到擴頻系統的性能。四十年代末，信息論的奠基人香農()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。同時香農在證明編碼定理的時候，提出用具有白噪聲統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分布，功率譜在很寬頻帶內都是均勻的。但是至今無法實現對白噪聲放大、調制、檢測、同步及控制等，而只能用具有類似于限帶白噪聲統計特性的偽隨機序列信號來逼近它，并作為擴頻系統的擴頻碼。 偽隨機序列的數學定義白噪聲是一種隨機過程，瞬時值服從正態分布，自相關函數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，它趨近于正態分布，由此，偽隨機序列定義如下：(1)凡自相關函數具有 (31)式的序列稱為狹義偽隨機序列。(2)凡自相關函數具有 (32)形式的序列，成為第一類廣義偽隨機序列。(3)凡互相關系數具有 或 (33)形式的序列，稱為第二類廣義偽隨機序列。(4)凡相關函數滿足(1)、(2)、(3)三者之一的序列，統稱為偽隨機序列。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的定義。設有兩條長為N的序列{a}和{b}，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定義為： (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ρa(τ)定義為： (35)序列{a}和{b}的互相關函數定義為： (36)歸一化互相關函數定義為： (37)對于二進制序列，可以表示為： (38)其中，A為序列{a}和{b}對應碼元相同的數目，D為不相同的數目。若ρab(τ)=0，則序列{a}和序列{b}正交，定義{a}的部分相關函數和歸一化部分相關函數為 (式中t為某一整數) ： (39)定義序列{a}和序列{b}的部分互相關函數和歸一化部分互相關函數分別為： (310) m序列的產生原理m序列是最長線性移位寄存器序列的簡稱。它是由多級移位寄存器或其他延遲元件通過線性反饋產生的最長的碼序列。由于m序列容易產生、規律性強、有許多優良的性能，在擴頻通信中最早獲得廣泛的應用。，m序列可由二進制線性反饋移位寄存器產生。它主要由n個串聯的寄存器、移位脈沖產生器和模2加法器組成。 圖中第i級移存器的狀態ai表示，ai=0 或ai=1，i=整數。反饋線的連接狀態用ci表示，ci=1表示此線接通（參加反饋），ci=0表示此線斷開。由于反饋的存在，移存器的輸入端受控地輸入信號。不難看出，若初始狀態為全“0”,則移位后得到的仍為全“0”，因此應避免出現全“0”狀態，又因為n級移存器共有2n1種可能的不同狀態，除全“0”狀態外，剩下2n1種狀態可用。每移位一次，就出現一種狀態，在移位若干次后，一定能重復出現前某一狀態，其后的過程便周而復始了。反饋線位置不同將出現不同周期的不同序列，我們希望找到線性反饋的位置，能使移存器產生的序列最長，即達到周期P=2n1。按圖中線路連接關系，可以寫為： （模2） （311）該式稱為遞推方程。圖31 線性反饋移位寄存器上面曾經指出，ci的取值決定了移位寄存器的反饋連接和序列的結構。現在將它用下列方程表示： （312）這一方程稱為特征多項式。式中xi僅指明其系數ci的值（1或0），x本身的取值并無實際意義，也不需要去計算x的值。例如，若特征方程為f(x)=1+x+x4則它僅表示x0,x1和x4的系數c0=c1=c4=1,其余為零。經嚴格證明：若反饋移位寄存器的特征多項式為本原多項式，則移位寄存器能產生m序列。只