基于matlab的直序擴頻通信系統(tǒng)的仿真(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 。在一個游程中元素的個數(shù)稱為游程長度。在周期為N=2n1的m序列中，總游程數(shù)為2n1個，其中元素0的游程與元素1的游程數(shù)目各占一半；長度為k（1≤k≤n2)的游程占游程總數(shù)的2k，最后還有一個長度為n的全1游程和一個長度為n1的全0游程。④移位相加特性：一個m序列與其任意移位序列模2相加，所得序列仍是該m序列的另一個位移序列。m序列的自相關(guān)特性： (2—14)將m序列的每一比特變換為寬度為Tc（Tc=1/Rc）、幅度為1的波形函數(shù)，當(dāng)m序列為0元素時，波形函數(shù)取正極性，否則取負(fù)極性。經(jīng)過這樣變換后，周期為N的m序列就變?yōu)榇a元寬度為Tc、周期為NTc的m碼。m碼的自相關(guān)函數(shù)為： （2—15）式中，N=2nl為m序列的周期。它的自相關(guān)函數(shù)曲線如圖25所示。由圖可以看出，當(dāng)周期很長及碼元寬度很小時，R(τ)近似于沖激函數(shù)δ(τ)的形狀。 圖25 m碼的自相關(guān)函數(shù)曲線由相關(guān)函數(shù)理論可得知，信號的自相關(guān)函數(shù)R(τ)與功率譜密度函數(shù)G(f)構(gòu)成一對傅里葉變換，因此我們很容易由m碼的自相關(guān)函數(shù)經(jīng)過傅里葉變換得出功率譜密度，如圖26所示，其趨于白噪聲的功率譜特性。 圖26 m碼的功率譜密度示意圖 m序列的生成是由移位寄存器加上反饋后所產(chǎn)生的，其結(jié)構(gòu)如圖27所示 C0 1 C2 C3 …… Cn 序列輸出 a1 a2 a3 ... an 圖27 m序列生成器結(jié)構(gòu)示意圖圖中ai(i=1，2，…，n)為移位寄存器中每位寄存器的狀態(tài)，Ci(i=0，1，2，…，n)為第i位寄存器的反饋連線系數(shù)。當(dāng)Ci=0時表示反饋線斷開；當(dāng)ci=l時表示反饋存在。在此結(jié)構(gòu)中co==1，不同的反饋邏輯，即ci取不同的值將產(chǎn)生不同的移位寄存器序列。若初始狀態(tài)為全0時，則線性移位寄存器輸出的狀態(tài)將不會改變，因此在實際應(yīng)用中全0這種狀態(tài)應(yīng)避免。n級線性移位寄存器的反饋邏輯可用特征多項式表示為： （2—16）若n級移位寄存器產(chǎn)生的非零序列周期為N=2n1，則稱這個序列為n級最大周期線性移位寄存器序列，簡稱m序列。能產(chǎn)生m序列的特征多項式必是不可約的，且是本原多項式，一個本原特征多項式對應(yīng)一個最大長度序列，也就是對應(yīng)一個m序列。 擴頻序列的同步捕獲 擴頻序列的偽碼同步 對于常規(guī)數(shù)字通信，接收端有了相干載波，即可解調(diào)出基帶數(shù)字信號，然而對于擴頻信號，首先要完成解擴才能進(jìn)行解調(diào)。接收機若要把偽碼擴展的信號解出，接收方就必須能產(chǎn)生一個與發(fā)方一樣的偽碼序列(保證最大相關(guān)值)，而且該本地偽碼速率、相位要與接收到的偽碼保持一致。對于約定好的收、發(fā)方用同一個偽碼很容易辦到，但是，如果要從解擴相關(guān)器得到傳送的信息，僅僅保證一樣的碼型是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因為即使相同的偽隨機碼，當(dāng)相位差大于一個碼片時，它們的相關(guān)峰就完全消失。所以擴頻信號的同步是擴頻通信的關(guān)鍵技術(shù)，其性能的好壞直接影響到系統(tǒng)的性能和可靠性。在擴頻系統(tǒng)中，對同步來說存在兩類不確定的因素，即偽碼延時(偽碼相位)和載波頻率的不確定性。引起同步這兩個不確定性因素的原因主要有以下幾個方面：頻率源的漂移、擴頻序列的啟動時差、電波傳播的時延、多普勒頻偏、多徑效應(yīng)等，這些原因?qū)⒃斐墒瞻l(fā)兩端的不同步。 偽碼同步一般分為兩步進(jìn)行，偽碼同步流程見圖28。同步捕獲 是 調(diào)整時鐘 搜索 是否捕獲 停止搜索 否 轉(zhuǎn)入同步跟蹤 失步 同步鎖定 同步跟蹤 是 否 圖28偽隨機碼同步流程圖一是同步捕獲(又稱粗同步)，主要是捕獲偽碼。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)搜索和捕獲有用信號，找到接收信號中偽碼的起始相位，使收端偽碼與發(fā)端偽碼的相位差小于二分之一個碼元；二是同步跟蹤(又稱精同步)，一旦完成捕獲后，則進(jìn)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，進(jìn)一步減小收端碼元與發(fā)端碼元的相位誤差，一般誤差要小于十分之一碼元時間，并使收端碼元跟蹤發(fā)端碼元的變化。同步捕獲的方法很多，由于解擴過程通常都在載波同步之前進(jìn)行，載波相位在這時是未知的，大多數(shù)捕獲方法都利用非相干檢測。捕獲方法的共同特點是用本地信號與收到的信號相乘，即進(jìn)行相關(guān)運算，獲得二者相似性的量度，并與一個門限相比較，以判斷其是否捕獲到有用信號。如果認(rèn)為捕獲到有用信號，則開始跟蹤過程，使系統(tǒng)保持同步，否則又開始繼續(xù)搜捕。當(dāng)偽碼捕獲完成后，系統(tǒng)將控制權(quán)交給偽碼跟蹤電路，對本地偽碼序列相位進(jìn)行精確調(diào)整，即繼續(xù)保持同步，不因外界影響而失去同步；當(dāng)偽碼跟蹤電路失步時，再將控制權(quán)交給偽碼捕獲電路，重新進(jìn)行同步捕獲。跟蹤與一般的數(shù)字通信系統(tǒng)的跟蹤方法類似，一般采用鎖相環(huán)原理來完成跟蹤過程，關(guān)鍵還是在第一步的同步捕獲。在直接序列擴頻系統(tǒng)中，偽碼的同步捕獲是構(gòu)成碼同步系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)，也是直擴系統(tǒng)中必不可少的部分，因此在本論文中只討論幾種同步捕獲的方法。 擴頻序列的同步捕獲應(yīng)用中擴頻碼大部分是偽隨機序列，偽隨機序列的一項基本特性是其自相關(guān)函數(shù)的旁瓣極低。例如，m序列的自相關(guān)函數(shù)相移為零時為序列周期N；當(dāng)相移不等于零時，相關(guān)函數(shù)值為1。擴頻序列的捕捉與跟蹤便是依據(jù)此特性而實現(xiàn)的，只要檢測發(fā)送擴頻序列與本地序列在2N個相位狀態(tài)下的相關(guān)函數(shù)值，便可判斷二者相位是否對齊，即是否捕捉成功。PN碼捕獲方法可分為有源相關(guān)和無源相關(guān)兩種。有源相關(guān)時采用了在不同的搜索區(qū)間，用不同相位的本地碼與輸入碼相關(guān)的方法。如果檢測不到相關(guān)峰，則時鐘脈沖驅(qū)動本地碼移向下一個搜索區(qū)間并重復(fù)上述的相關(guān)過程，一直到檢測到正確的相關(guān)峰為止。常用的有源相關(guān)法有滑動相關(guān)法、序列相位搜索法等；而無源相關(guān)是采用一種與已知的擴頻碼相匹配的無源濾波器，只有當(dāng)輸入碼與接收機的匹配濾波器的脈沖響應(yīng)相匹配時，才可得到最大的相關(guān)輸出，否則就沒有相關(guān)輸出。常用的無源相關(guān)法多使用聲表面波器件(SAW)或數(shù)字匹配濾波器。 捕獲的過程是檢測器采用某種特定算法遍歷整個未知相位區(qū)間的過程。通常，把整個未知相位區(qū)間分成有限個小區(qū)間，每次檢測一個小區(qū)間。遍歷算法可以是串行也可以是并行，或者串并結(jié)合，或者從某個特定的區(qū)域開始，逐漸擴展到整個區(qū)域。以前采用的主要是串行捕獲方法，這種方案實現(xiàn)簡單，但捕獲速度不能滿足要求。而現(xiàn)在大規(guī)模集成電路的應(yīng)用使并行捕獲方案成為可能，但系統(tǒng)的復(fù)雜度很高，因此研究的目標(biāo)就是實現(xiàn)碼捕獲時間性能和系統(tǒng)復(fù)雜度之間的折衷。在串行捕獲方案中，利用一些新的搜索算法，進(jìn)一步縮短捕獲時間，改進(jìn)這些系統(tǒng)的性能，已經(jīng)成為研究的熱點。(1) 序列相位搜索捕獲法當(dāng)擴額序列周期Nl時，并行捕捉法需要2N個相關(guān)器，電路設(shè)備量過大。為了減少并行捕捉的相關(guān)器數(shù)量，一般采用順序搜索的捕捉方法，只需要一個相關(guān)器即可。順序搜索捕捉的基本原理是：使用一個相關(guān)器，在0一TD期間內(nèi)積分，在TD時刻將積分器的輸出送給一門限比較器，當(dāng)積分器的輸出值小于設(shè)定的門限值時，說明本地參考擴頻碼序列的相位與接收擴頻碼序列的相位不相同，門限比較器輸出一信號給擴頻碼序列相位搜索控制器，在其作用下不斷地改變本地序列的相位狀態(tài)，相位的變化量可設(shè)為Tc／2，并在每個相位進(jìn)行相關(guān)檢測，判斷該相位是否同步，直到相關(guān)器的積分值超過設(shè)定的門限而達(dá)到最大，從而實現(xiàn)擴頻碼序列的同步捕獲。 門限值門限比較器接收信號 解調(diào)器 相關(guān)器 射頻放大器擴頻碼發(fā)生器相位搜索控制器0 T0積分器 已捕獲 載波 圖29序列相位搜索捕獲系統(tǒng)若擴頻碼序列長為N，碼元寬度為Tc，則擴頻碼序列信號的周期為T=NTc。接收擴頻碼序列與本地參考擴頻碼序列作相關(guān)積分后，經(jīng)門限比較器進(jìn)行比較判別，TD為一次積分的時間。設(shè)檢測概率Pd=1，虛警概率Pra=O，若Tc/2為搜索相位改變增量，則搜索完擴頻碼序列一個周期的時間即為最大的同步捕獲時問TACmax=2NTD，若只經(jīng)過一次積分，不需要再搜索就實現(xiàn)了捕獲，即為最小的同步捕獲時間TACmax=TD，這樣擴頻碼序列相位搜索捕獲法的平均同步捕獲時問為TAC=(N+1/2)TD。 擴頻碼序列相位搜索捕獲法的特點是電路設(shè)備量少，易于實現(xiàn)，但平均同步捕獲時間隨著擴頻碼長度的增加而增大，在擴頻碼的長度比較長的情況下要實現(xiàn)快速捕獲是很困難的，所以不適用于低信噪比長序列PN碼捕獲。(2) 滑動相關(guān)捕獲法 滑動相關(guān)捕獲法，是基于擴頻碼序列相位搜索方法建立起來的，是一種最簡單也是最基本的搜索法。所謂滑動相關(guān)就是使本地參考擴頻碼產(chǎn)生器的時鐘頻率與接收擴頻碼時鐘的頻率有一定的偏差，通過改變本地參考擴頻碼產(chǎn)生器時鐘的頻率來達(dá)到改變碼序列的相位。依據(jù)具體的實現(xiàn)方案，分成單積分滑動相關(guān)法、串行雙積分滑動相關(guān)法和并行雙積分滑動相關(guān)法。單積分滑動相關(guān)捕獲系統(tǒng)的電路由壓控振蕩器(VCO)、分頻器和時鐘信號成型電路組成，如圖210所示解調(diào)后的擴頻基帶信號與本地擴頻序列相關(guān)后送入積分器，輸出的積分值和門限比較器的門限值作比較，若該值低于設(shè)定的門限值時，輸出一低