摘 要
第三代移动通信系统是建立在ITU-2000建议基础上的工作在2GHz频段、最高速率可达2Mbit/s的宽带移动通信系统。第三代移动通信的主流是采用了码分多址（CDMA）的通信方式。CDMA系统中的初始同步技术作为第三代移动系统的关键技术，是其他关键技术得以实现的必要基础。CDMA通信系统接收机的初始同步包括PN码同步、符号同步、帧同步和扰码同步等。由于DS-SS技术在CDMA系统中的广泛应用最为广泛，因此基于DS-SS方面的PN码捕获方法研究很多。伪随机码的同步一般分两步进行。第一步是搜索和捕获伪随机码的初始相位，使与发送端的码相位误差小于1bit，即序列捕获；第二步是在初始同步的基础上，使码相位误差进一步减小，使所建立的同步保持下去，通常称这一步未跟踪。如何判断PN码是否捕获是码同步问题中的重要内容。传统的PN码捕获的判定是通过能量检测的办法进行的。
关键词：小波变换； 码分多址； 扩频序列； 捕获检测
Abstract
The third mobile communication system is built on the basis of ITU-2000 suggestion, and it can work on 2GHz. Meanwhile, the wideband system’s rate can get 2Mbit/s and this system use communication pattern of CDMA. As a key technique of key technologies. Initial synchronisms of CDMA communication system receiver include PN code sync, symbol sync, frame sync, sync of scramble code, and so on. Because that DS-SS technology is used most widely in the system of CDMA, a great deal of research on method for acquisition of PN code is based on DS-SS. The sync of code is divided into two steps generally: The first step is the searching and acquiring of PN code phase (namely, acquisition of sequences) so that the phase error between sending code and receiving code is within 1 bit. The second step is tracking which is on the base of the initial acquisition, so the error of phase is decreased more and sync is keeping. The judgments of PN code acquisition is an important problem of the code sync and the traditional of it is power detection.
Keywords: Wavelet Transform; Code Division Multiple Access; Spectrum spread Sequence;
Detection of Acquisition
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目 录
摘要?????????????????????????VI ABSTRACT???????????????????????VII 第一章 绪论??????????????????????1
1.1 扩频通信的背景和意义?????????????1 1.2 论文的主要内容????????????????2 1.3 论文的结构安排????????????????2 第二章 扩频通信????????????????????3
2.1 扩频通信的基本概念??????????????3 2.2 扩频通信系统的分类??????????????4 2.3 扩频通信的主要特点??????????????4 2.4 扩频系统中的伪随机序列????????????5 2.5 直接序列扩频通信系统?????????????12 第三章 直接序列扩频通信及其伪随机码同步技术??????16
3.1 直接序列扩频原理???????????????16 3.2 直接序列扩频通信的伪码同步技术????????16 第四章 直接扩频通信的System View仿真?????????30
4.1 System View的功能简介和特点?????????30 4.2 直接序列扩频系统的仿真????????????31 4.3 伪随机序列的产生???????????????32 结论?????????????????????????35 参考文献???????????????????????36 致谢?????????????????????????37
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第一章 绪 论
1.1 扩频通信的背景和意义
扩频通信，即扩展频谱通信技术(Spread Spectrum Communication)，它与光纤通信、卫星通信一同被誉为进入信息时代的三大高技术信息传输方式。它传输信息所用信号的带宽远远大于信息本身的带宽, 利用高速扩频码序列扩展低速信息码序列频谱的宽带通信方式，因其具有抗干扰能力强、信号信息隐蔽、便于加密、任意选址及易于组网等特点。国外自40年代末期就开始了这方面的研究工作，但其后一个很长的时期，由于技术复杂和造价昂贵，进展不大。随着通信技术的发展和新型器件的出现，特别是最近几次战争中电子战十分激烈，促使各国军方加速这种具有强抗干扰能力的新的通信方式的研究。到 80年代它被广泛应用于各种战略和战术通信中，成为电子战中通信反对抗的一种十分重要的手段。但是近年来随着 IS-95标准的颁布，扩频通信越来越多的被应用于民用通信的各个领域。特别是在 80年代，美Qualcomm公司率先成功地将扩频通信引入数字蜂窝移动通信系统后，在全球掀起了扩频通信热潮，不断地涌现出许多新的器件和新的方法，为扩频通信开辟了更加广阔的应用领域。与此同时，数字化、小型化的高性能扩频接收终端的研制成为了扩频通信发展的一个重要方向。
同步是通信系统中的一个非常重要的实际问题。与一般数字通信系统相同，扩频通信系统中的同步也包含载波同步、码元同步（位同步）、帧同步（群同步、字同步）、网同步等。比较特别的是，在扩频通信系统中，经载波解调，码元匹配滤波器采样输出后，得到二元序列。该序列必须被解扩后才能获得数据信息，而实现解扩的过程必须由一个与接收序列同步的本地参考序列。当扩频伪随机序列的相位差超过一个码元时，由伪随机序列的相关特性，将不知道其相差有多大，必须对整个未知相位区间进行搜索检测，这个过程成为码同步。在直接序列扩频通信系统中，伪随机码的准确同步包括同步捕获（初始同步）和同步跟踪（相位精同步）两部分。前者负责将本地扩频序列与接收序列的相差调整到小于半个码元的范围内，后者则进一步的减少同步误差，使之尽可能小。
本文着重论述了扩频通信系统的PN(Pseudo-Noise)码同步技术，其意义在于同步技术在扩频通信中的重要性体现在码序列的同步是数据解调的先决条件，是系统运行的第一步。此外，由于扩频序列的未知相位区间通常较大，完全搜索所需的时间较长，因此，如何快速有效地获得同步，是系统实现的另一个关键问题。任何用户要建立通话连接都必须先进行同步的捕获和跟踪。在同步捕获过程中，不但多用户的干扰、衰落效应同时存在，而且无法采用分集合并、前向纠错码和功率控制这些技术来降低干扰。如果干扰很大，信噪比很低，有可能在达到系统容量之前，就有一些用户由于
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无法同步或同步时间过长而被系统拒绝接入。因此，研究如何快速准确的获得码序列的同步，如何使得在低信噪比的环境中能有效地进行同步的捕获就有深刻意义，是系统设计关键的因素之一。无法同步或同步不准，通信将无法进行，通信系统的其它一切功能均无从谈起。
扩频序列的同步问题是扩频通信的重点也是难点。随着数字器件的飞速发展，数字系统的优势也越来越突出。使用数字化方法实现扩频序列的同步，不同于一般的同步理论分析，要求硬件电路能在恶劣的环境中快速准确的捕获码序列，并具有电路简单，集成度高，功耗小等特点。本文依据实际要求分析并设计了使用数字化方法实现扩频序列的同步方案。
1.2 论文的主要内容
本文重点研究直接序列扩频通信系统的PN码同步技术的原理和实现方法。全文介绍了课题背景及本文研究主要内容与意义、扩频通信系统的原理以及技术特点、伪随机码与伪码序列的相关性、同步捕获与跟踪的原理以及实现方法和性能分析，最后完成了PN码同步电路的总体设计，使用System View实现了相关模块的设计开发，并对各个模块进行了功能仿真仿真以及对整个PN码同步电路完成了时序仿真。
1.3 论文的结构安排
本论文研究的重点在于如何采用硬件电路实现DS-CDMA系统中发送端的PN序列码与接收端本地PN序列码同步，以及如何改善捕获性能和提高跟踪精度。主要内容安排：（1）运用直接序列扩频系统的相关理论知识，分析了直扩系统实现数字化接收的相关技术难点；（2）对直接序列扩频通信系统中的同步技术在理论上做了研究，通过比较多种捕获、跟踪法的优缺点；（3）采用SystemView电子仿真工具实时系统仿真，并验证本文提出的实现直扩系统数字化接收的可行性。
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第二章 扩频通信
2.1 扩频通信的基本概念
扩频（Spread Spectrum，SS）的精确定义为：用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身带宽的一种传输方式，频带的扩展由独立于信息的扩频码来实现，与所传信息数据无关，在接收端用同步接收实现接扩和数据恢复。
这种通信方式与常规的窄带通信方式的区别是：首先，它在信息的频谱扩展后形成宽带传输；其次，它在相关处理后再恢复出窄带信息数据。扩频通信的理论基础是香农定理，该定理指出：在噪声干扰条件下，通信系统的信道容量C（单位bits）是：
(2.1)
W为信道带宽式(2.1)也被称为香农定理，其中C为信道容量，单位为bps；（单
位Hz）；S/N为信噪比（dB）。式中给定信噪比S/N和没有误码的情况下信道的理论容量C与该信道带宽W的关系。从这个公式还可以得出一个重要的结论：对于给定的信息传输速率，可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输。换言之，信噪比和信道带宽可以互换。扩频通信系统正是利用这一理论，将信道带宽扩展许多倍以换取信噪比上的好处，增强了系统的抗干扰能力。
信源 信源编码 信道编码 载波调制 干扰和噪声 扩频 信 道 信息 输出 信源译码 信道译码 载波调制 解扩 图2.1 典型的扩频通信系统模型
一个典型的扩频系统框图如图2.1所示。可以看出，扩频通信系统主要由原始信息、信源编译码、信道编译码、载波调制与解调、扩频调制与解扩和信道六大部分组成。信源编码的目的是减小信息的冗余度，提高信道的传输效率。信道编码的目的是增加信息在信道传输中的冗余度，使其具有检错和纠错能力，提高信道传输质量。调制部分的目的是使经信道编码后的符号能在适当的频段传输，通常使用的数字信号调制方式为振幅监控、移频键控、移相键控，在码分多址移动通信中使用的QPSK和OQPSK都是PSK的改进型。与传统通信系统相比较，该系统模型中多了扩频和解扩俩个部分，
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经过扩频，在信道中传输的事一个带宽的低谱密度的信号。
2.2扩频通信系统的分类
扩频通信系统按扩频方式的不同，分为以下四种类型：
(1) 直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DS-SS） 直接序列扩频系统采用高码速率的直接序列（Direct Sequence，DS），伪随机码在发端进行扩频，在收端用相同的码序列进行解扩，然后将展宽的扩频信号还原成原始信息。
(2)跳频扩频（Frequency Hopping Spread Spectrum，FH-SS）
所谓跳频是指发送信号的载波按照某一随机跳变图样在跳变，跳频信号具有时变、伪随机的载频。跳频扩频系统在很多方面类似于将带宽为多个用户划分为多个信道的FDMA系统。在某个时间点上，某一用户的跳频信号只占用单个频率信道。跳频扩频系统和FDMA系统的区别在于：跳频信号在很短的周期间隔内改变载频。跳频系统又分为快跳频和慢跳频两种。如果信号跳频的速率等于或接近于符号速率，则该系统陈伟快跳频系统；如果信号跳频的速率低于符号速率，则称为慢跳频系统。跳时是使发射信号在时间轴上跳变。先把时间轴分为许多时片，在一帧内的哪个时片发射信号由扩频码序列进行控制。由于采用了很窄的时片去发送信号，所有信号的频谱被展宽了，达到了扩频的效果。
(3)跳时扩频（Time Hopping Spread Spectrum，TH-SS）
与跳频相似，跳时是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。跳时扩频系统主要通过扩频码控制发射机的通断，可以减少时分复用系统之间的干扰。
(4)混合方式
以上三种基本方式的不同组合。
2.3扩频通信的主要特点
自20世纪40年代后期，特别是80年代以来，扩频技术被广泛用于各种军事系统中。由于其性能独特，在移动通信中、卫星通信中也获得了广泛的应用，是一种具有优异抗干扰性能的新技术，扩频通信技术的主要特点概括如下：
（1）抗干扰能力强
抗干扰能力是扩频通信最基本的特点。扩频系统的扩展频谱越宽，获得的处理增益越高，干扰容限就越大，抗干扰能力就越强。接收端采用与发送端同步的扩频码解扩后，有用信号得到恢复，其他干扰信号的频谱都被展宽了，从而使得落入信息带宽内的干扰强度大大降低，从而抑制了干扰。如下图2.2所示，非常形象的描绘出扩频
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通信在传输过程中是如何克服干扰从而提高通信质量的。
图2.2 扩频系统抗噪声简图
（2）保密性好
保密性好是扩频通信最初在军事通信中获得应用的主要原因。由于扩频系统使用周期很长的伪随机码进行扩频，经调制后的数字信息类似于随机噪声，在接收端进行解扩时，只有采用与发送端同步的扩频码才能正确恢复发送的信息。而且在不知伪随机码时破译是很困难的，所以使信息的到了保密。此外，由于扩频信号的频谱被扩展到很宽的频带内，其功率谱密度也随之降低（可明显低于环境噪声和干扰电平），难以检测，所以信号具有隐蔽性。
（3）具有抗衰落、抗多径干扰能力
由于扩频通信系统的信号频谱被展宽，所以扩频系统具有潜在的抗频率选择性衰落的能力，此外，扩频通信系统还能有效地克服多径干扰。
（4）具有多址能力，易于实现码分多址
扩频通信系统中采用伪随机序列扩频，在实际通信系统中可以利用不同的伪随机序列作为不同用户的地址吗，从而实现码分多址通信。
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2.4 扩频系统中的伪随机序列
在扩频系统中，信号频谱的扩展是通过扩频序列实现的，因而扩频序列的特性对扩频系统的性能起决定性作用，影响到系统的抗干扰、抗多径衰落及多址能力，影响到扩频序列同步系统的实现。理想的扩频序列应具有以下特性：
(1) 尖锐的自相关特性； (2) 尽可能小的互相关特性；
(3) 序列中“1”和“0”出现的相对概率各占1/2，满足平衡性； (4) 足够多的扩频序列数目； (5) 尽可能大的序列复杂度；
(6) 具有近似噪声的频谱，即近似为连续谱且均匀分布； (7) 工程上易于实现。
根据扩频序列的自相关函数可以把扩频序列分为狭义伪随机序列和广义伪随机序列。狭义伪随机序列为自相关函数具有下列形式的伪随机序列：
Rx?????xixi??i?0N?1??N ??0?modN? ?????1 ??0?modN? (2.1)
第一类广义伪随机序列定义为自相关函数具有下列形式的伪随机序列：
??N ??0?modN?Rx?????xixi???? (2.2)
i?0??a?N ??0?modN?N?1第二类广义伪随机序列定义为互相关函数具有下列形式的伪随机序列：
Rxy?????xiyi???1 (2.3)
i?0N?1式中，N为伪随机序列的周期，即对于任意的整数i，满足：xi?xi?N。
在扩频序列中，应用最广泛的是最长线性反馈移位寄存器序列（m序列）。同时，m序列也是目前研究最深入的伪随机序列，是研究和构造其它伪随机序列的基础。m序列具有较理想的伪随机特性和尖锐的自相关特性，但互相关特性不理想。因此，R.Gold于1967年提出了Gold序列，Gold序列具有优良的互相关特性，而且序列数目远远大于m序列，便于实现多址通信。Kasami序列和Bent序列的最大互相关值达到了理论值的下限（Welch界）。为了实现伪随机序列的快速捕获，研究者还构造了JPL序列，择多序列等非线性序列。近年来，利用非线性动态系统混沌现象产生的混沌序列也逐渐受到了人们的重视[4]。本次系统仿真中的伪随机序列采用GOLD序列。由于GOLD序列是由两个m序列优选对模2加后得到的，故先介绍一下m序列及其特性。
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2.4.1 最长线性反馈移位寄存器序列—m序列
最长线性反馈移位寄存器序列是最典型的一种伪随机序列，属于狭义伪随机序列，简称m序列。它是由线性反馈移位寄存器产生的周期最长的伪随机序列，n级线
n性移位寄存器所产生的m序列周期为N?2?1。 m序列具有伪随机序列的特性：
（1）在一个序列周期N?2n?1中，“0”的个数为2n?1?1，“1”的个数为2n?1，满足平衡性 。
（2）每个连续非零的二进制s元组(s?n)都发生2n?s 次，而连续全零的s元组(s?n)都发生2n?s?1次。
（3）对于周期为2n?1的m序列，共有2n?1个游程，其中：长度为K的游程数占游程总数的12k， 还有一个长度为n的“1”游程和一个长度为n?1的“0”游程。
（4）m序列具有移位相加性，即：m序列Mp与其移位序列Mr，相加后得到的序列Ms是序列Mp的移位序列。 （5）m序列具有理想的自相关特性：
?1T1Rx?????c?t?c?t???dt??RTx???nT?? (2.4)
T0Nn????N?1?????1?? ??T (2.5) RTx?????N?Tc???0 其它如图2.3。
R???1-TcTc?-NTcNTc 图2.3 m序列的自相关函数
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（6）m序列虽然具有理想的自相关特性，但互相关特性并不理想。当两个m序列的互相关函数满足：
?1??NRx,y??????1??N?1?2?n?1?/2?,n为奇数???1?2?n?2?/2?,n为偶数,且非4的倍数?? (2.6)
称该m序列对为m序列优选对。
对于m序列，只有优选对序列之间的互相关函数满足理想的互相关特性。通过计算，在m序列集中，优选对的数目太少，而序列互相关特性的不理想会引入多址干扰，不便于实现扩频多址通信。
（7）序列的自相关函数是周期性的，假设Rx为归一化自相关函数，则：
?1 l?0 Rx(l)???1/N l?0 ? (2.7)
可以看到，m序列周期N越大，m序列的自相关函数和功率谱越接近白噪声的性能。通常，若在每个序列周期内0与1的数目最多差1，符号具有关联特性且在一个序列周期内，Rx(0)?1，Rx(l?0)?c（常数），满足以上三条件者称为伪随机序列，即PN码，显然m序列是PN码。
（8）m序列的功率谱
信号的自相关函数和功率谱之间形成——傅立叶变换对，有：
?j??G????F??R???????R???ed?????? 1??1j??R????F??G??????2????G???ed???? (2.8)
由于m序列的自相关函数是周期性的，所以对应的频谱是离散的。自相关函数的波形是三角波(图2.1)，对应的离散谱的包络为Sa?x?。由此可得m序列的功率谱为
G???
Tc?sin1N?1?2NG????2?????2?NN?Tc??2N?????2n???n?0????????2?n?? (2.9) NTc?Tc为伪随机码一个码片的持续时间。如图2.4。
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G????
图2.4 m序列的功率谱
由以上讨论可知：
1) m序列的功率谱为离散谱，谱线间隔???2?/NTc。
?T?2) 功率谱的包络为Sa?c??，每个分量的功率与周期N成反比。
?2N?3) 直流分量与N2成反比，N越大直流分量越小，载波抑制度越高，载漏越小。 4) 带宽由码元宽度Tc决定，Tc越小，即码元速率越高，带宽越宽。
5) 第一个零出现在2?/Tc，在??2?/Tc内包括信号80%的能量，因此，信号传输带宽一般定为H?2/Tc。
6) 增加m序列的长度N，减小码元宽度Tc，将使谱线加密，功率谱密度降低，也使功率谱趋向均匀，这些特性使得伪随机序列更接近于理想噪声特性。 Tc/2N减小，
（9）设生成多项式F?x???cixi?c0?1,cn?1?是F2域上的多项式，为了产生周
i?0n期N?2n?1的m序列，F?x?必须为F2域上的本原多项式。m序列的生成可用移位寄存器的特征多项式来确定，一个本原多项式对应一个m序列。m序列的个数就是n阶本原多项式的个数问题。要产生一个m序列，需要得到一个具体的本原多项式。确定本原多项式的方法是：先得到所有n次既约多项式，再计算各个既约多项式的周期，周期为N?2n?1的多项式即为本原多项式。表2.1给出了n为2～8的本原多项式F(x)[3]。[1,2,4,5]表示的多项式为F(x)?1?x?x2?x4?x5。
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表2.1 m序列的本原多项式
n 2 3 4 5 6 7 8 F(x) [1,2] [1,3] [1,4] [2,5] [2,3,4,5] [1,2,4,5] [1,6][1,2,5,6][2,3,5,6] [3,7] [1,2,3,7] [1,2,4,5,6,7] [2,3,4,7] [1,2,3,4,5,7] [2,4,6,7] [1,7] [1,3,6,7] [2,5,6,7] [2,3,4,8] [3,5,6,8] [1,2,5,6,7,8] [1,3,5,8,] [2,5,6,8] [1,5,6,8] [1,2,3,4,6,8] [1,6,7,8] 对于特征多项式F?x??x6?x?1，采用图2.5的移位寄存器生成周期为26?1的m序列。
X1X2X3X4X5X6m序列输出
图2.5 移位寄存器产生器
设m序列周期为N，码元宽度为Tc，则m序列由下式表示：
c?t???ang?t?nTc?
n?0? (2.10)
?1,0?t?Tc式中an??1,?1?,g?t???，在实际应用中，首先确定m序列的周期N及移
?0,其它位寄存器的级数n，并由查表得出其生成多项式F?x?，确定移位寄存器的反馈连线，最后得到m序列。
（10）当m序列周期不大时，同长度不同反馈逻辑的m序列数目不多，等于同幂次的本原多项式数目：
Ns?式中，????2n?1?n (2.11)
?为欧拉函数。表2.2给出了n为1～12的本原多项式的数目，也就是m
序列的数目。
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表2.2 m序列的序列数目
n 1 2 3 4 5 6 N?2n?1Ns n 7 8 9 10 11 12 N?2n?1Ns 1 3 7 15 31 63 1 1 2 2 6 6 127 255 511 1023 2047 4095 18 16 48 60 176 144 例如，对于周期为127的m序列共存在18种不同的反馈逻辑，周期为511的m序列仅有48种。因此，在多址系统中以m序列作为地址码是远远不够的。 2.4.2戈尔德—Gold序列
1967年，R.Gold提出了Gold序列。Gold序列具有m序列优选对的优良相关特性，而且可用序列数目远远大于 m序列，因此在扩频多址系统中得到了广泛的应用。
m序列优选对，是指在m序列集中，其互相关函数最大值的绝对值小于某个值的两个m序列。而Gold码是由两个长度相同、速率相同、但码字不同的m序列优选对
n模2加后得到的，具有良好的自、互相关特性。对于周期N?2?1的m序列优选对，
可以生成N?2个Gold序列，所以Gold码的个数远远大于m序列。
m序列优选对和优选序列之间的相对初始状态，唯一确定一个Gold序列。Gold序列之间的互相关函数为三值函数，远远小于m序列：
?t?n??2? Rxy??????1??tn??? (2.12)
式中，
t?n??1?2???n?2?2??。
图2.6为生成多项式的原理框图。
F1?x??x6?x?1F2?x??x6?x5?x2?x?1和生成Gold序列
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X1X2X3X4X5X6F1?x??x6?x?1Gold序列输出F2?x??x6?x5?x2?x?1X1X2X3X4X5X6
图2.6 Gold序列发生器框图
Gold序列分为平衡Gold序列和非平衡Gold序列。在平衡Gold序列中，“1”和“0”的个数之差为1，满足平衡性；非平衡性序列中，\”和“0”的个数之差大于1。通过推导，当移位寄存器级数n为奇数时，50%的Gold序列为平衡Gold序列；而当n为偶数时，75%的Gold序列为平衡Gold序列。在扩频通信中，扩频序列的平衡性对系统性能影响很大，序列不平衡不仅会引入直流分量，使系统载波发生泄漏，而且会破坏系统的抗干扰性和保密性。因此，在扩频系统中，必须采用平衡的Gold序列作为扩频序列。 2.4.3 沃尔什—Walsh序列
Walsh函数集是完备的非正弦型正交函数集，相应的离散Walsh函数称为沃尔什序列，是完全正交的序列集，由哈达玛(Hadamard)矩阵的行或列构成。 二阶Hadamard矩阵定义为：
?1 1?H2???
1 -1?? (2.13)
高阶Hadamard矩阵由下列递推公式得出：
?HN HN?H2N???
H -HN??N (2.14)
理论上，Walsh序列具有理想的同步正交特性，但在非同步条件下，Walsh序列的自、互相关特性均不理想。自相关函数具有较大的旁瓣值，不利于扩频序列的同步；互相关函数的旁瓣也较大，是造成扩频系统中多址干扰的根本原因。而且Walsh序列中，各序列的功率谱分布彼此不同，因此不能单独作为扩频系统中的扩频序列。
除了以上分析的常用扩频序列外，根据不同的应用，人们又提出了M序列， R-S序列，Kasami序列，快速截获序列等伪随机序列。
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2.5直接序列扩频通信系统
2.5.1直接序列扩频技术的基本原理
直接序列扩频系统（DS-SS系统）又称为直接序列载波调制系统或伪噪声(PN)系统，简称直扩系统，是目前应用较为广泛的一种扩展频谱通信系统。其发射机与接收机系统框图如图2.7所示。由图(a)和(b)可以组成一个完整的直接序列扩频通信系统。
信息源 信源编码 扩频 载波调制 放大 PN码 (a) 发射机系统框图
载波发生器
输出 高放 载波解调 解扩 带通滤波器 解调 载波发生器 本地PN码 (b) 接收机系统框图 图2.7 扩频系统框图
同步
直接扩频序列是在发端直接用具有高码率的扩频编码去扩展信号的频谱，而在收端用相同的扩频编码进行解扩使扩频信号还原为原始信号。在发送端，要发送的信息D，在模2相加器调制伪随机码发生器产生的扩频序列，再经载波调制器调制载波信号，调制方法常用的有BPSK、QPSK等方式，在无线网络采用的是数字方式QPSK调制方式。调制后获得宽带的扩频信号，经宽带放大器放大后发射出去。在接收端，接收到的信号经放大后，要经过射频宽带滤波器处理，以提高信噪比并提取信号以对齐相位，同步电路拾取到发送来的扩频码的准确相位，以此作为同步信号，使其PN码发生器产生的解调扩频码与发送的扩频码的相位差尽量小（小于1/10码元宽度），即可获得信息数据D。扩频通信的两个基本特点是伪随机编码调制和信号相关处理。伪随机编码调制的核心是产生符合扩频通信需要的伪随机编码（PN码），以此作为扩频编码（Spreading Code），也叫做扩频序列（Spreading Sequence）。要求它具有良好的伪随机性、长周期、复杂度大、多的编码序列、易于高速产生。在直扩方式时，扩频编码常用最大长度的线性反馈移位寄存器序列，即m序列。它可由线性反馈移位寄存器生产并具有上述所要求的特征，它产生的二值序列由其反馈系数来调节。有些反馈系数状态能产生最大长度周期的m序列，m序列的长度决定着扩频的能力。因其产生伪随机编码序列的初态可以设置而产生不同的PN码，故可用不同的初态来决定PN
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码。而不同的PN码对扩频信号进行相关处理，即可解出与之相同的PN码调制的扩频信号中的基带信号，而滤去了其余的部分。这样就可以实现多址通信，并有极好的抗干扰性。即：
(1)
直接序列扩频：选用一个伪随机序(Pseudo-random Noise)—PN序列对信
息进行直接调制，PN序列的速率
(2) (3)
Rpn大于信号速率Ri。
倍。
扩频后信号的带宽增加
N?Rpn/RiPN序列码彼此之间相互正交。
2.5.2 直接序列扩频系统的实现方案
直扩技术使用伪随机码(PN Code)对信息比特进行模2加得到扩频序列，然后将扩频序列调制载波发射到空中，此时系统占用功率谱密度也大大降低。PN码由伪随机序列发生器产生，其码速比原始信息码速高得多，每一PN码的宽度（即Tc）很小。
直扩系统的接收一般采用相关接收，它分成两步，即解扩和解调。在接收端，接收信号经过放大混频后，用与发射端相同且同步的伪随机码对中频信号进行相关解扩，把扩频信号恢复成窄带信号，然后再解调，恢复原始信息序列。对于干扰和噪音，由于与伪随机码不相关，接收机的相关解扩相当于一次扩频，对干扰和噪音进行频谱扩展，降低了进入频带内的干扰功率，同时提高了解调器的输入信噪比，也提高了系统的抗干扰能力。另外，由于采用不同的PN码不相关的接收机很难发现和解出扩频序列中的信息。
对于直扩系统最好是先解扩再解调，因为无线信号在空间传播会有很大的信号衰减。未解扩前的信噪比很低，甚至信号淹没在噪音中。一般解调器难于在很低的信噪比条件下正常解调，导致高误码率。但在室内通信条件下，由于信号强度较高，可以先解调后解扩。当信号达到一定电平，简单的解调器已经能够正常工作，可以先将信号解调为一个数据流（未解扩），然后用普通的集成电路进行数字相关信号解扩。采用直扩的无线局域网卡一般使用这种方法，射频单元的处理大为简化、体积可以缩小很多，并且成本明显下降。
在性能上，先解扩再解调明显优于先解调后解扩。先解扩可以通过解扩过程获得扩频增益（扩展的频谱带宽与原始信息带宽之比），提高接收信号信噪比。室外远程（2－3公里以上的）扩频通信必须采用这种方式，以保证通信质量和可靠性。 2.5.3 直扩系统的同步
直扩系统采用先解扩时，首先只有在完成伪随机码（PN码）的同步后才可能用同一码序列对扩频信号进行相关解扩。接收机本地PN码的速率和相位要与接收到的高速扩频序列保持一致。即当发送端和接收端的相位差大于一个码元宽度(Tc)，它们的相关性就不存在。解扩的第一步就是要在接收信号中捕获一个与本地PN码一致的
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相位状态。
扩频序列中的相位捕获一般采用匹配滤波器或相位搜索电路实现。接收机在搜索同步过程中，通过改变本地PN码的时钟速率，使接收信号中的PN码相位和本地PN码相位在相关器内相对滑动。在滑动过程中，当相关峰值超过捕获门限时，标志同步捕获完成，此时收发双方的PN码的相位误差已经小于一个码元宽度。捕获进入跟踪状态，相位差进一步缩小，相关性增大，获得高的解扩信号信噪比，以满足解调门限的要求。
直扩技术中还有一种更高级的接收技术，叫RAKE接收技术。RAKE接收技术可以实现多径分集。由于大气状况、地理位置等各种组合因素影响，信号在空间的传播与只有直射波时的情况大不相同，信号经过多条路径（直射、反射、折射、大气波导）和不同的时延到达接收端。各个信号到达的时间不同、相位不一致，造成最终信号的幅度相互抵消，产生大幅度信号衰落。
先解扩后解调的直扩系统具备了抗多径的能力，在时间上将主通道（最大峰值）上的相关峰分离出来，从而降低多径干扰。而RAKE接收技术可以将接收的各个多径信号组合起来，获得加权增益，转化为合成的信号，达到更高的抗衰落性能。但由于RAKE技术的接收加权合并实现复杂而且昂贵，目前只有美国P-COM公司在其扩频系统中实现了这一技术。
2.5.4 直接序列扩频通信的伪码同步技术
扩频系统中接收机要从接收信号中恢复所传输的数据信号，首先要做的就是解除发送时对数据的扩频调制（即解扩）。解扩的实现依靠在本地产生一个与发送端一样的扩频序列，并要求本地扩频序列与接收信号中的扩频序列同步。
由于收、发时钟的不稳定性，扩频序列的启动时差，电波传播时延等原因，在接收端不能确定接收信号中扩频序列的起始相位。扩频同步的第一步便是调整和选择接收机的本地扩频序列相位，使它与发送来的扩频序列相位一致，也就是接收机捕捉住发送来的扩频序列相位的过程，因此称为同步捕获(Acquisition)。同步过程的第二步是跟踪(Tracking)，它使两个序列的相位误差更小，并且在各种外来因素的干扰下能自动地保持这种高精度的相位对齐状态。此次系统仿真中同步捕获采用基于滑动相关器的单积分顺序搜索捕获方案，跟踪采用了延迟锁相环跟踪电路。
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第三章 直接序列扩频通信及其伪码同步技术
3.1 直接序列扩频原理
直接序列调制就是载波直接被伪随机码序列调制，其基本原理如图3.1所示。在一般情况下调制方式可以是调幅、调频、调相和其它任何形式的振幅或角度调制。但最常使用的是差分相移键控（DPSK）方式。
图3.1 直接序列扩频系统原理图
在发射端，要传送的信息先转换成二进制数据或符号，与伪随机码（PN码）进行模2和运算后形成复合码，再用该复合码去直接调制载波。通常为提高发射机的工作效率和发射功率，扩频系统中一般采用平衡调制器。抑制载波的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力也十分有利。在接收机端，用与发射机端完全同步的PN码对接收信号进行解扩后经解调器还原输出原始数据信息。
3.2 直接序列扩频通信的伪码同步技术
扩频系统中接收机要从接收信号中恢复所传输的数据信号，首先要做的就是解除发送时对数据的扩频调制（即解扩）。解扩的实现依靠在本地产生一个与发送端一样的扩频序列，并要求本地扩频序列与接收信号中的扩频序列同步。
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由于收、发时钟的不稳定性，扩频序列的启动时差，电波传播时延等原因，在接收端不能确定接收信号中扩频序列的起始相位。扩频同步的第一步便是调整和选择接收机的本地扩频序列相位，使它与发送来的扩频序列相位一致，也就是接收机捕捉住发送来的扩频序列相位的过程，因此称为同步捕获(Acquisition)。同步过程的第二步是跟踪(Tracking)，它使两个序列的相位误差更小，并且在各种外来因素的干扰下能自动地保持这种高精度的相位对齐状态。此次系统仿真中同步捕获采用基于滑动相关器的单积分顺序搜索捕获方案，跟踪采用了延迟锁相环跟踪电路。
3.2.1 同步捕获原理
根据第二章中扩频序列的自相关特性，只要检测发送扩频序列与本地扩频序列的相关函数值，便可以判断二者相位是否对齐，即是否捕获成功。
接收到扩频信号后，经宽带滤波放大，再作载波解调后，分别送往2N个扩频序列相关处理器（N是扩频序列长度）。2N个扩频序列相关处理器使用同一本地扩频序列（要接收的发送信号所使用的扩频序列），但其相位各不相同，依次相移 Tc2（Tc为扩频序列码元宽度），如图3.2所示 。
PN?t?积分TD最大值选择PN?t?Tc2?接收信号放大积分TDPN?t??2N?1?Tc2?本地载波积分TD
图3.2 同步捕获原理
如图3.2所示，2N个本地扩频序列中必有一个与发送信号中的扩频序列相位相同（相位差?Tc2），其中相关值最大的那个相关器对应的扩频序列为同步序列。图中的积分器是作相关积累的清零积分器，即从0?TD积分，输出TD时刻的值，随后清除置0，又一次做0?TD积分，TD为积分时间。这种捕获方法叫做并行捕获法，从其原理可以知道只需要一次积分后比较其输出值，其中相关函数最大值对应的扩频序列即是同步序列，因此其捕获时间为TD。
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图4.6 用4级移位寄存器构成的PN码发生器
图4.7用4级移位寄存器构成的PN码发生器仿真原理图
图4.8 用图4.7电路产生周期为15的PN码序列波形图
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从上述例子可以得到下列结论： 1、 2、 3、 4、 5、
线性移位寄存器的输出序列是一个周期序列；
当初始状态是0状态时，线性移位寄存器输出全0序列； 级数相同的线性移位寄存器的输出序列和反馈逻辑有关； 同一个线性移位寄存器的输出序列还和起始状态有关；
对于级数为r的线性移位寄存器，当周期p=2r-1时，改变移位寄存器初
始状态只改变序列的初相。这样的序列称为最大长度序列或m序列。
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结 论
扩频通信系统中的同步问题包含两方面的内容，即伪随机序列的捕获，伪随机序列的定时跟踪。其中，伪随机序列的捕获是扩频通信得以进行的基础，而定时跟踪和载波同步是保证系统性能的关键因素。
本文主要对应用于高动态、低信噪比场合的直接序列扩频接收机中的同步技术进行了有意义的研究和探讨，完成了相应的仿真，还提出了一些新的捕获及跟踪方案，使得接收机可以在恶劣的环境中获得较高的同步性能。
首先，论文详细分析了扩频通信系统特别是直扩通信系统的原理，并选择两种常用的伪随机码m序列和Gold序列，讨论了其生成原理以及相关特性等。
其次，本文结合直扩接收机的工作模型，在同步捕获阶段，特别针对滑动相关法和数字匹配滤波器法，详细讨论了他们的实现方法，优点以及不足；在同步追踪阶段，为实现载波精密跟踪，对超前一滞后型非相干数字延迟锁相环(DLL)和延时抖动法的原理进行分析，以及对两者的性能做出比较。
最后文章给出了在SystemView仿真环境下的仿真模型，并进行了相关的仿真，给出实验结果，验证了本文给出的捕获及跟踪方案具有捕获时间短，捕获概率高，可以满足高动态、低信噪比场合的扩频通信需求。
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致 谢
在此论文完成之际，向所有给予我关心和帮助的人们致以衷心的感谢。
本论文是在导师王志强老师的悉心指导下完成的。从论文的选题、资料收集到深入研究都凝聚着老师的心血。尤其在最后的论文审阅阶段，老师的孜孜不倦、极大的责任感给为我留下了深刻的印象，对我以后的工作也是一个启迪。在我的论文研究进行到最关键的时候，老师给了我很大的鼓励和帮助，在此向王老师表达我深深的敬意！在大家的共同努力下，使我的论文得到了更好的完成。
感谢四年来朝夕相处的通信工程一班的全体同学，我们有缘在一起度过人生这段美好的时光，将永远令人难忘。
感谢在完成论文的过程中关心和帮助过我的所有熟悉和不熟悉的人。
特别感谢我的父母，他们为我的成长倾注了大量的心血，他们无私的爱和深切的期望是我漫漫求学旅途中的强大精神支柱，在此向他们表示深深的谢意。
前面的路还很长，要学的东西还很多，只有不满足于今天的一切，不断的在实践中总结和改进，才能事有所成。
完
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