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直接序列扩频通信系统伪码同步技术的研究

时间:2014-06-06


《宽带无线接入技术》课程论文

直接序列扩频通信系统伪码同步技术的研究
摘 要: 扩频技术是当前通信领域迅速发展起来的一门前沿技术,它最初是用于军事通信中,由于其抗干扰性强、 抗衰落性好、 保密性好和可实现多址通信等优点,现已广泛应用于民事通信领域。直接序列扩频技术是应用最广的一种扩频技术,研究它 便于掌握扩频技术的精髓。 在扩频系统中被用作扩频序列的伪码是类似于白噪声统计特性的随机序列, 它的同步是实现扩频 通信系统的关键,同步性能的优劣直接影响整个扩频系统的性能。伪码同步包括捕获和跟踪两部分,捕获阶段实现粗同步, 跟踪是在捕获的基础上,实现精同步。本文主要对伪码捕获算法和跟踪算法进行研究,并对部分伪码捕获算法进行改进。文 中对使伪码在捕获成功的基础上实现精确同步。 关键词:扩频技术;捕获;伪码同步;跟踪

Study on Pseudo-code Synchronization of Direct Sequency Spread Spectrum Communication System
Abstract: Spread spectrum (SS) technology is a frontier technology that develops quickly in thefiled of communication, which initially is used in military communication field. At thesame time, the SS technology is also widely applied to civil communication since it hassome advantages including strong anti-interference, good anti-fading and security andmultiple access communication can be realized. Direct sequence spread spectrum (DSSS)technology is used most widely, upon which the essence of SS technology can be mastered. The pseudo-code used as SS sequence in the SS system is a random sequence which issimilar to the statistic characteristics of white noise, the synchronization of which is criticalto realize SS communication system and the performance of the whole SS system isdirectly influenced by the merits of synchronous performance. The synchronization ofpseudo-code includes two parts which are capturing and tracking, rough synchronization isachieved in the capturing stage and fine synchronization is implemented in the trackingstage on the basis of capturing. The capturing and tracking algorithms forpseudo-codes are studied in this dissertation, and certain capturing algorithms areimproved. the accurate synchronization for pseudo-codes isachieved on the basis of successful capturing. Keyword: Spread spectrum technology; pseudo-code synchronization; capturing; tracking

1 扩频通信概况
扩频通信是扩展频谱通信的简称。 通过将待传输的信息数据 用伪随机噪声(Pseudorandom Noise,PN)码调制,使得传输信 息的射频带宽远大于信息本身的带宽, 是信息本身带宽的几 百倍甚至几万倍,在接收端则采用相同的 PN 码序列进行 解扩,恢复原始信息。在第二次世界大战中,为了在敌方的 监控区内提供一种安全保密的通信方式,便开始对扩频通信 进行研究。 它是一种具有良好的抗截获和抗干扰等性能的宽 带通信,其应用领域很广泛, 由起初的军事通信领域扩展到 现在的通信、雷达、导航、测距和定位等领域 [1]。扩频通 信已是信息时代的三大高科技通信方式之一, 另外两种是光 纤通信和卫星通信。扩频系统主要包括以下几类:直扩系统, 跳频系统,跳时系统,混合扩频系统

2 直扩通信基础理论及伪随机序列
2.1 扩频通信的理论基础 扩频通信得到广泛应用, 是有重要理论基础做铺垫的。在信 息论中, 香农得出带宽与信噪比互换的关系式, 即香农公式:

式中, C 为信道容量,单位为 b/s; B 为信号频带宽度, 单位为 Hz; S 为信号功率,单位为 W; N 为噪声功率, 单位为 W。该公式是指在给定信噪比情况下,采用某种编 码方式,能以任意小的差错概率,以接近于 C 的信息传输 速率来传送信息。 从式中可以看出, 为了提高信息的传输速 率,可以加大信号的带宽 B 或提高信噪比 S N 。扩频通 信就是用宽带传输技术来换取低信噪比上的好处。

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2.2 扩频通信的基本参数 扩频通信有频带效率、处理增益和干扰容限三个基本参数。 1.频带效率:传送的码速率 bit/s 与数字信号占用的频率 带宽 Hz 之比,即 bit/Hz。频带效率和信源编码不相关, 仅取决于信号调制的方式, 代表调制的信息密度, 也称为调 制信息密度。例如,GSM 标准规定 200KHz 信道传输 270Kbit/s,它的频带效率是 1.4bit/Hz。 2.处理增益: 因为发射信号的频谱在扩频系统的发射端被扩 宽,在接收端经相反处理恢复原始信号, 这一过程会对噪声 信号进行一次扩频处理, 很大程度地降低噪声信号功率, 使 得接收机的输出信噪比比输入信噪比增大许多, 从很大程度 上改善了系统的抗干扰能力。 所以, 扩频系统的抗干扰性可 以用系统的输出信噪比与输入信噪比的比值来表示。 大量理 论研究证实, 扩频系统的抗干扰性能在很大程度上都和扩频 信号带宽 B 与信息带宽 m 的比值成正比。我们把扩频增益 Gp 表示为: 2.4 它表示了扩频系统信噪比改善的程度。 3.干扰容限: 要想清楚地表明系统在干扰环境下运行的能力 如何,仅了解扩频系统的处理增益是不够的。 因为扩频系统 正常运行,不但要保证输出端有一定的信噪比, 而且还要去 除系统内部消耗的信噪比,因此干扰容限 Mj 必不可少,其 表达式为: m 序列 然后,再对扩频后的序列 d(t)进行载波调制,这里使用 BPSK 调制,调制后得到信号 s(t) ,表达为: 式中,Tc 是码元宽度,码元速率 Vc=1/Tc,Ck 是 PN 码元, 取值+1 或-1,gc(t)为门函数,扩频过程的实质就是信息 流 a(t)与 PN 码 c(t)的模 2 加或相乘的过程,且这里的 PN 码元速率 Vc 远大于信息码元速率 Va,即 Vc/Va>>1,扩 频后的序列 d(t)的速率仍为 Vc,d(t)表达式 PN 码产生器产生的 PN 码为 c(t),其表达为:

m 序列是最长线性移位寄存器序列的简称, 它是有多级移位 寄存器或延迟元件通过线性反馈产生的最长码序列。 它的产 生器如图。图中,c 0,c1….ck 均为反馈系数,其中,c0 和 cn 的值必为 1,即参加反馈,其余的反馈系数的值可为 1,也可为 0。当值为 1 时,参加反馈,值为 0 时,不参 加反馈。

式中, (S/N)0 为输出端的信噪比,Ls 为系统损耗。 2.3 直接序列扩频系统 直接序列扩频的原理是:在发送端,用伪随机(PN)序列与 要发送的信息相乘, 即对待传送的信息进行扩频处理, 在接 收端,用与发送端一样的伪随机序列与扩频信号相乘, 恢复 出原来的信息。在接收端进行解扩处理时, 干扰信号的频谱 会被展宽,这样就会降低信号频带内的干扰信号功率, 增加 系统的输出信噪比,达到了抗干扰的目的。 直接扩频系统的结构框图如图 扩频使用的 m 序列 反馈系数决定一个线性反馈移位寄存器能否产生 m 序列, 对应的特征多项式为:

数据源信号 图中,信号源产生的信号 a(t)表达为:

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扩频后的数据信号

经研究发现, 扩频序列的主要特点是: 有良好的自相关性和 互相关性;有充足的独立地址数,可以实现码分多址;有尽 可能大的复杂度, 不易被敌方检测和伪造等; 有不同码元数 平衡相等的特性;工程上易于实现、复制和操控。

3 直扩系统伪码捕获及改进
直扩系统的同步, 除了具有一般通信系统要求的位同步、帧 经 BPSK 调制后的数据信号 同步和载波同步外, 还有它特有的伪随机码同步。 伪码同步 的研究是直扩系统研究的重点内容。同步可分为两步进行: 第一步的目标是使本地的扩频序列相位尽量与发送序列相 位对齐, 使它们之间的相位差小于一个码片, 这一步称为粗 同步,即捕获;第二步的目标是在捕获的基础上,使它们之 间的相位差更小, 保证两序列的相位持续保持高精度的对齐 状态,这一步称为精同步,即跟踪。 加入白噪声后的数据信号 3.1 捕获原理简要 在所有各级标题的排法中, 有一点是相同的, 即所有标 题均应编号居左(即不前空 2 个汉字) 。同时一级标题采用 黑体 5 号,2 级标题采用宋体小 5 号加粗。一级标题前后均 空一行, 但在二级标题的前后均不同空行,如果二级标题是 紧接着一级标题,则中间应空一行。 3.2 基本伪码捕获法 解调后的信号 3.2.1 并行搜索捕获法 在接收端用 2N(N 是 PN 码的周期)个间隔了 Tp/2 的本 地序列相关处理器, 分别与接收信号做相关处理该相关器的 本地序列与接收序列接近重合或重合, 则该本地序列就是同 步的伪码序列,实现了捕获。 3.2.2 串行搜索捕获法 恢复后的数据信号

3.3 改进的串行搜索捕获法
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和改进前相比,增加了辅助电路。 其中带通滤波器的带宽约 为载波带宽与最大多普勒频移之和。 改进后, 扩频系统的接 收信号仍可以表示为: 可以看出,在信噪比为-27dB 时,改进后的伪码捕获 方法也能够找出最大相关值及对应的位置, 能够准确判断出 该位置就是 PN 码同步的相位。说明基于 FFT 改进的伪码 3.4 仿真结果与分析 当 SNR=-10dB 和 SNR=-18dB 时, 采用滑动相关捕获法, 得 到的仿真图分别如图 捕获法能够适合低信噪比环境下的伪码捕获。

4 研究总结
扩频技术从最初的研究开始,一直都受到人们的广泛关 注。它是一种看似不合常理的无线通信技术,但实际上,它 有着坚实的理论基础和广泛的应用领域。比如扩频技术在 GPS、CDMA 和未来的 4G 技术中的应用等,都和我们有 着紧密的联系。 对扩频伪码同步技术的研究一直是扩频技术 研究的重点、 难点和热点问题。 伪码同步包括伪码捕获和伪 码跟踪,捕获阶段实现粗同步。

参考文献
[1] 韦惠民 . 扩频通信技术及应用 [M]. 西安 : 西安电子科技大学出版 社,2007. [2] Alfred R.Lopez. GPS Landing System Reference

当 SNR=-15dB 和 SNR=-27dB 时,采用基于 FFT 改进的伪 码捕获法,得到的仿真图分别如图:

Antenna[J] IEEEAntennasand Propagation Magazine, Vol. 52, No.1, February 2010:104-113. [3] 樊昌信,曹丽娜.通信原理(第 6 版)[M].北京:国防工业出版社, 2008. [10] [4] 石云墀 .中频接扩数字接收机的设计 [D]. 硕士学位论文 .上海交通大 学,2005. [5] 冯彦芳 .直扩通信中的伪码捕获技术研究 [D]. 硕士学位论文. 西安电 子科技大学,2010.]

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