直接序列扩频通信系统伪码同步技术的研究

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。

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G p表示为：

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M j 必不可少，其表达式为：

式中，（S/N）0为输出端的信噪比，L s 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

图中,信号源产生的信号a（t）表达为：

PN 码产生器产生的 PN 码为c（t）,其表达为

:

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

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：

2.4 m序列

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。

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：

扩频使用的 m 序列

数据源信号