摘 要：二維擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是近年來(lái)提出的新的擴(kuò)頻通信方式，由于二維擴(kuò)頻系統(tǒng)從時(shí)域和頻域上分別對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，因此他同時(shí)具有時(shí)域擴(kuò)頻和頻率擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的特點(diǎn)。對(duì)于一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)而言，同步是信號(hào)正確解調(diào)和恢復(fù)的前提。針對(duì)二維擴(kuò)頻特殊的時(shí)頻域擴(kuò)頻矩陣結(jié)構(gòu)，提出廣義二維擴(kuò)頻矩陣的時(shí)間同步算法：該算法將二維擴(kuò)頻矩陣等效為一個(gè)一維時(shí)間序列，采用序貫捕獲的方法捕獲此時(shí)間序列的第一徑，從而完成二維擴(kuò)頻矩陣的時(shí)間捕獲。該算法不需要在數(shù)據(jù)序列中插入循環(huán)前綴，因而減少了系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，提高了帶寬利用率。同時(shí)，對(duì)其在瑞利衰落環(huán)境中的同步性能進(jìn)行詳細(xì)的理論分析和推導(dǎo)。分析結(jié)果表明：該同步方法簡(jiǎn)單，具有良好的同步性能。

關(guān)鍵詞：二維擴(kuò)頻；同步技術(shù)；一維時(shí)間序列；時(shí)間捕獲

中圖分類(lèi)號(hào)：TN914.42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2008)06-137-04

Synchronization Technology Research of Two-Dimensional Spread Spectrum System

WANG Xiaojuan NIU Xiaomei2

(Huanghuai University，Zhumadian，463000，China)

Abstract：Recently，two-dimensional Spread Spectrum (2D-SS) system has drawn a lot of attention because of its full utilization of spreading characteristics in the frequency domain and time domain.Compared with Multicarrier Code Division Multiplex Access (MC-CDMA)，2D-SS system can effectively mitigate Multiple Access Interference (MAI) due to spreading in the time domain.As for a communication system in practical，synchronization should be firstly done at the receiver.This thesis，a method of time synchronization of 2D-SS system in multipath fading channels has been proposed.The detection probability and 1-alarm probability are analyzed and also the numerical results on condition of different normalized thresholds are presented.Results show that the serial acquisition needs no cyclic prefix and the spectral efficiency increases.Meanwhile，the synchronization algorithm in the DS-SS system can be used in 2D-SS system，and good synchronization performance can be obtained，with its algorithm simplified.

Keywords：two-dimensional spread spectrum；synchronization technology；ID time sequence；time capture

1 引 言

二維擴(kuò)頻通信是近幾年提出的一種新的擴(kuò)頻通信方式，二維擴(kuò)頻系統(tǒng)分別在時(shí)域、頻域上對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，是傳統(tǒng)的時(shí)域擴(kuò)頻、頻域擴(kuò)頻的推廣。目前，對(duì)二維擴(kuò)頻系統(tǒng)的研究尚淺。對(duì)一個(gè)實(shí)際通信系統(tǒng)而言，時(shí)間同步是一項(xiàng)重要的關(guān)鍵技術(shù)，因此對(duì)二維擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步算法及系統(tǒng)的同步性能的分析和研究將是十分有意義的工作。

2 二維擴(kuò)頻通信系統(tǒng)模型

對(duì)于DS-CDMA系統(tǒng)而言，在時(shí)域上有分集，而在頻域上沒(méi)有分集能力，故只能通過(guò)信道編碼提高抗頻率選擇性衰落的性能。對(duì)于MC-CDMA系統(tǒng)而言，雖然他在頻域上有分集能力，具備良好的抗衰落性能，但是由于各個(gè)子載波在信道中經(jīng)歷不同的衰落會(huì)降低頻域擴(kuò)頻碼的正交性，因此其在實(shí)現(xiàn)頻率分集的同時(shí)，降低了他的多址能力。

2.1 傳統(tǒng)的二維擴(kuò)頻技術(shù)

文獻(xiàn)[1，2]簡(jiǎn)單的將DS-CDMA和MC-CDMA串連起來(lái)，形成二維擴(kuò)頻技術(shù)，這種二維擴(kuò)頻技術(shù)的基本原理如圖1所示。

在發(fā)射端，需要發(fā)射的原始數(shù)據(jù)b(t)首先在時(shí)域上用時(shí)域擴(kuò)頻碼αi(i=1，2，…，N)擴(kuò)頻，其中N為時(shí)域擴(kuò)頻碼的長(zhǎng)度。經(jīng)過(guò)時(shí)域擴(kuò)頻后的信號(hào)，每個(gè)碼片被復(fù)制成M路信號(hào)，每路信號(hào)跟頻域擴(kuò)頻碼βj(j=1，2，…，M)中的一個(gè)碼片相乘，完成頻域擴(kuò)頻。然后將信號(hào)進(jìn)行IDFT變換，加上循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)，經(jīng)過(guò)變換后，就完成了時(shí)域、頻域的二維擴(kuò)頻。

接收端首先將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D采樣，采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)域頻域同步后，去掉循環(huán)前綴，然后進(jìn)行DFT變化。經(jīng)過(guò)DFT變化后的數(shù)據(jù)先后在頻域和時(shí)域中進(jìn)行解調(diào)，完成二維解調(diào)，從而恢復(fù)出發(fā)射的信息b′(t)。

從上面分析的時(shí)頻二維擴(kuò)頻的基本原理及其工作流程可以看出，這種二維擴(kuò)頻系統(tǒng)的矩陣為：

顯然，這種二維擴(kuò)頻矩陣，其中任兩列都是相關(guān)的，這個(gè)特性使得這種通信方法的信號(hào)容易被截獲，其抗干擾性能較弱，這些決定了這種二維擴(kuò)頻方法在某些領(lǐng)域，如保密通信中的應(yīng)用有很大的局限性。

圖1 傳統(tǒng)的二維擴(kuò)頻原理圖

2.2 廣義二維擴(kuò)頻技術(shù)

針對(duì)傳統(tǒng)的二維擴(kuò)頻技術(shù)，文獻(xiàn)[3]提出了一種廣義的二維擴(kuò)頻的系統(tǒng)模型，該模型和文獻(xiàn)[1，2]提出的系統(tǒng)模型相比更具有普遍性。廣義二維擴(kuò)頻系統(tǒng)的功能由DS擴(kuò)頻、離散多載波(Discrete Multi-Carrier，DMC)擴(kuò)頻、IDFT共同完成。其中，DS擴(kuò)頻為直接序列擴(kuò)頻模塊，IDFT，DFT為逆離散傅里葉變換及離散傅里葉變換，CP為循環(huán)前綴，也稱(chēng)為保護(hù)時(shí)隙(Guard Time，GT)。

圖2 時(shí)頻二維擴(kuò)頻通信系統(tǒng)模型

文獻(xiàn)[3]通過(guò)分析，給出二維擴(kuò)頻系統(tǒng)在存在加性噪聲情況下進(jìn)行理論分析的一般方法，對(duì)二維擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能分析有一定的指導(dǎo)意義。由該文及文獻(xiàn)[1，2]的研究可看出：二維擴(kuò)頻系統(tǒng)采用2組擴(kuò)頻碼，充分利用了2種一維擴(kuò)頻的特性，使系統(tǒng)有更大的處理增益和較好的抗衰落性能。但就三者相比較而言，文獻(xiàn)[3]所給出的二維擴(kuò)頻矩陣的任意兩列是非相關(guān)的，因此具有更廣泛的應(yīng)用前景。

3 現(xiàn)有同步技術(shù)

同步技術(shù)，在一個(gè)實(shí)際通信系統(tǒng)中有著極為重要的作用，他是接收機(jī)正確解調(diào)信息之前必須完成的工作。同步技術(shù)包括同步序列的捕獲和跟蹤兩個(gè)階段。捕獲又稱(chēng)粗同步，對(duì)偽隨機(jī)序列的相位同步精度一般小于1個(gè)或12個(gè)偽碼碼片時(shí)長(zhǎng)。利用PN序列實(shí)現(xiàn)捕獲是較為成熟的技術(shù)。

由于偽隨機(jī)序列良好的互相關(guān)性和自相關(guān)性能，在CDMA系統(tǒng)中將之作為地址碼。不同的用戶僅根據(jù)被調(diào)制的PN碼的不同加以區(qū)分，相互間共享同一寬頻資源。

根據(jù)PN碼的自相關(guān)性，使得接收端能夠從本地序列和接收序列的相關(guān)運(yùn)算中獲得不同的相關(guān)值。接收機(jī)開(kāi)始接收發(fā)送來(lái)的擴(kuò)頻信號(hào)時(shí)，調(diào)整和選擇接收機(jī)的本地?cái)U(kuò)頻序列相位。當(dāng)本地序列和接收擴(kuò)頻信號(hào)序列的相位誤差在很小范圍之類(lèi)時(shí)，得到的相關(guān)值較尖銳。同時(shí)通過(guò)設(shè)定特定的相關(guān)值門(mén)限，可以初步判斷接收端是否達(dá)到相位同步。這就是PN碼捕獲的基本原理。在實(shí)際系統(tǒng)中，都是通過(guò)類(lèi)似的方法實(shí)現(xiàn)PN碼的同步。同時(shí)對(duì)于PN碼的捕獲，有3個(gè)基本要求：捕獲速度快、抗干擾能力強(qiáng)、電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。目前的捕獲方法可以分為：滑動(dòng)相關(guān)法、匹配濾波法、串并行混合法、發(fā)射參考信號(hào)法和近年來(lái)的一些新技術(shù)。

4 二維擴(kuò)頻矩陣同步算法研究

對(duì)一個(gè)實(shí)際通信系統(tǒng)而言，時(shí)間同步是一項(xiàng)重要的關(guān)鍵技術(shù)，因此對(duì)二維擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步算法及系統(tǒng)的同步性能的分析和研究將是十分有意義的工作。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于一個(gè)實(shí)際通信系統(tǒng)而言，同步技術(shù)有著極為重要的作用，他是接收機(jī)首要完成的工作，是正確解調(diào)數(shù)據(jù)信息的前提。從直接擴(kuò)頻系統(tǒng)中現(xiàn)有的一些典型同步算法入手，結(jié)合二維擴(kuò)頻特殊的時(shí)頻域擴(kuò)頻矩陣結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出廣義二維擴(kuò)頻矩陣的時(shí)間同步算法，并進(jìn)行詳細(xì)的理論分析和研究。

該二維擴(kuò)頻矩陣同步算法通過(guò)將二維擴(kuò)頻矩陣等效為一個(gè)一維時(shí)間序列，采用DS-CDMA中的序貫捕獲的方法捕獲該時(shí)間序列的第一徑，從而完成二維擴(kuò)頻矩陣捕獲的。同時(shí)，本章還得出了該算法的同步性能：捕獲概率和虛警概率。通過(guò)計(jì)算機(jī)驗(yàn)證，比較不同歸一化門(mén)限條件下，系統(tǒng)的捕獲概率、虛警概率。

由于該算法不需要在數(shù)據(jù)序列中插入循環(huán)前綴，因而減少了系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，提高了帶寬利用率。研究結(jié)果進(jìn)一步表明：經(jīng)映射后的二維擴(kuò)頻系統(tǒng)同步方法簡(jiǎn)單，同步性能良好。

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作者簡(jiǎn)介

王曉涓 女，1977年出生，河南駐馬店人，講師，碩士。研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)。

牛小梅 女，1976年出生，河南汝南人，講師。華中科技大學(xué)在讀碩士研究生。研究方向?yàn)橥ㄐ排c網(wǎng)絡(luò)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。