楊 梅，張志剛，曲仁秀

李滿華，陳 陽(yáng)安徽工程大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，安徽 蕪湖 241000

基于m序列的直接序列擴(kuò)頻CDMA通信系統(tǒng)的仿真研究

楊 梅，張志剛，曲仁秀

李滿華，陳 陽(yáng)安徽工程大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，安徽 蕪湖 241000

CDMA擴(kuò)頻通信的關(guān)鍵技術(shù)之一是采用擴(kuò)頻序列，而擴(kuò)頻碼序列的選擇就是構(gòu)造不同結(jié)構(gòu)的具有良好相關(guān)性的偽隨機(jī)序列來(lái)滿足DS-CDMA通信系統(tǒng)的要求。主要研究了直接序列擴(kuò)頻CDMA通信系統(tǒng)的模型，并介紹了m序列的定義和相關(guān)性質(zhì)，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真對(duì)該系統(tǒng)抑制正弦干擾的性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在信噪比一定的情況下，誤碼率隨正弦干擾的振幅增加而減小。

擴(kuò)頻通信；碼分多址; 直接序列擴(kuò)頻; 偽隨機(jī)序列

數(shù)字?jǐn)U頻通信技術(shù)最早起源和應(yīng)用于軍事通信，隨著IS-95標(biāo)準(zhǔn)的頒布，擴(kuò)頻通信技術(shù)逐漸廣泛地應(yīng)用在移動(dòng)通信和室內(nèi)無(wú)線通信等各種商用應(yīng)用系統(tǒng)，為用戶提供可靠通信[1]。而作為擴(kuò)頻通信技術(shù)之一的直接序列擴(kuò)頻在擴(kuò)頻通信中應(yīng)用最多，是技術(shù)最成熟的一種頻譜擴(kuò)展方式，是目前應(yīng)用最廣泛的擴(kuò)頻系統(tǒng)[1]。下面，筆者主要研究的是直接序列擴(kuò)頻CDMA通信系統(tǒng)。

1 直接序列擴(kuò)頻CDMA通信系統(tǒng)

直接序列 (DS-Direct Sequence) 擴(kuò)頻系統(tǒng)是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，使信號(hào)帶寬遠(yuǎn)大于原始信號(hào)帶寬[2]。碼分多址 (CDMA：Code-Division Multiple Access) 是采用各不相同的、相互正交的地址碼分配給不同用戶來(lái)調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)在同一信道上同時(shí)傳輸若干個(gè)信號(hào)。在接收端利用碼型的正交性，通過(guò)相關(guān)檢測(cè)從混合信號(hào)中選出相應(yīng)的信號(hào)[3]。直接序列擴(kuò)頻CDMA (DS-CDMA)通信系統(tǒng)，是用擴(kuò)頻序列直接對(duì)所傳送信號(hào)作頻譜擴(kuò)展構(gòu)成的CDMA通信系統(tǒng)，其系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直接序列擴(kuò)頻CDMA通信系統(tǒng)的基本框圖

發(fā)送端的輸入和接收端的輸出均為二進(jìn)制信息序列，其中信道編碼器和解碼器是數(shù)字通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成單元。在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中除了這些單元外，還應(yīng)用了2個(gè)相同的偽隨機(jī)序列發(fā)生器，分別作用在發(fā)送前端的擴(kuò)頻調(diào)制與接收前端的擴(kuò)頻解調(diào)。這2個(gè)序列發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)噪聲 (PN) 二值序列，在調(diào)制端將傳送信號(hào)在頻域進(jìn)行擴(kuò)展，在解調(diào)端解擴(kuò)該擴(kuò)頻發(fā)送信號(hào)[1]。為了正確進(jìn)行信號(hào)的擴(kuò)頻解擴(kuò)處理，接收機(jī)接收到信號(hào)后，通過(guò)碼同步電路捕捉發(fā)送來(lái)的PN碼的準(zhǔn)確相位， 由此產(chǎn)生與發(fā)送來(lái)的PN碼相位完全一致的接收用PN碼，作為擴(kuò)頻解調(diào)用的本地信號(hào)，以便準(zhǔn)確恢復(fù)發(fā)送信息數(shù)據(jù)，完成接收。

在DS-CDMA通信系統(tǒng)中，其擴(kuò)頻所采用的偽隨機(jī)碼須具有極寬且均勻的頻譜特性，這種偽隨機(jī)碼就叫做擴(kuò)頻序列。其中最常用的有m序列和GOLD序列。筆者采用的是m序列，即最大長(zhǎng)度線性反饋寄存器序列[1-2]。

2 m序列的定義及性質(zhì)

m序列的序列長(zhǎng)度為L(zhǎng)=2m-1(bit, 比特)，由m級(jí)線性反饋移位寄存器生成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該序列是周期序列，其周期為L(zhǎng)。每個(gè)周期包含2m-1個(gè)“1”和2m-1-1個(gè)“0”。

圖2 一般的m級(jí)線性反饋移位寄存器

m序列主要有偽隨機(jī)性、自相關(guān)特性和周期性等性質(zhì)。隨機(jī)性表征如下：① 一個(gè)周期內(nèi)“1”和“0”的位數(shù)僅相差1位；②一個(gè)周期內(nèi)長(zhǎng)度為l的游程 (連續(xù)為“0”或連續(xù)為“1”) 占1/2，長(zhǎng)度為2的游程占1/4，長(zhǎng)度3的游程占1/8；只有1個(gè)包含n個(gè)“1”的游程，也只有1個(gè)包含(n-1)個(gè)“0”的游程；③一個(gè)周期長(zhǎng)的序列與其循環(huán)移位序列遠(yuǎn)位比較，相同碼的位數(shù)與不相同碼的位數(shù)相差1位。

理想情況下，周期為L(zhǎng)的m序列，若是具有元素 {-1，1} 的二進(jìn)制序列，其周期自相關(guān)函數(shù)為：

(1)

式中，L很大，即對(duì)于較長(zhǎng)的m序列，φ(j)的非峰值與峰值之比φ(j)/φ(0)=-1/L很小，而且從實(shí)用觀點(diǎn)來(lái)看，它是無(wú)關(guān)緊要的。因此，從自相關(guān)函數(shù)的角度來(lái)看，m序列的性能非常接近理想的偽隨機(jī)序列。

3 仿真研究與性能分析

筆者通過(guò)蒙特卡羅模型來(lái)觀察直接序列擴(kuò)頻信號(hào)抑制正弦干擾的效果，系統(tǒng)模型如圖3所示。蒙特卡羅仿真次數(shù)為10000次，仿真試驗(yàn)采用m=5的偽隨機(jī)序列作為擴(kuò)頻序列。假設(shè)加性噪聲的方差是固定的。

首先由隨機(jī)發(fā)生器產(chǎn)生一系列二進(jìn)制 (±1) 信息數(shù)據(jù)，每個(gè)信息比特重復(fù)Lc次，Lc對(duì)應(yīng)于每個(gè)信息比特所包含的偽碼碼片數(shù)。包含每一比特Lc次重復(fù)的序列與另一個(gè)隨機(jī)發(fā)生器產(chǎn)生的PN序列c(n)相乘。然后在該序列上疊加方差為σ2=N0/2的正弦干擾i(n)=Asinω0n，其中0lt;ω0lt;π，且正弦干擾信號(hào)的振幅滿足條件Alt;Lc。解調(diào)器進(jìn)行與PN序列的互相關(guān)運(yùn)算，并且將組成各信息比特的Lc個(gè)樣本進(jìn)行求和(即積分運(yùn)算)。加法器的輸出送到判決器，將信號(hào)和門(mén)限值0進(jìn)行比較，確定傳送的數(shù)據(jù)為+1還是-1，通過(guò)計(jì)數(shù)器來(lái)記錄判決器的錯(cuò)判數(shù)目。

圖3 蒙特卡羅仿真的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)模型

圖4 DS-CDMA通信系統(tǒng)在不同振幅的正弦干擾下的誤碼率曲線

圖4中繪出了Lc=20時(shí)，在3個(gè)不同振幅正弦干擾下的誤碼率。從圖4中可以看出，隨著信噪比的增加，每條獨(dú)立的誤碼率曲線呈下降趨勢(shì)。而在信噪比一定的情況下，誤碼率隨著振幅的增加而減小。

4 結(jié) 語(yǔ)

DS-CDMA通信系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的擴(kuò)頻系統(tǒng)，其擴(kuò)頻碼的選擇極其重要。筆者采用m序列對(duì)不同用戶的信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制和相關(guān)解調(diào)，通過(guò)仿真結(jié)果分析，可以體會(huì)到DS-CDMA通信系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能，在未來(lái)的移動(dòng)通信中具有決定性的應(yīng)用前景。

[1] Proakis J G. 數(shù)字通信[M]. 第4版.張力軍 等譯. 北京：電子工業(yè)出版社, 2003.

[2] Masry E, Milstein L B. Performance of DS Spread Spectrum Receivers Employing Interference- suppression Filter under a Worst-Case Jamming Condition [J]. IEEE Transactions Communication, 1998,34:13-21.

[3] 孫立新. CDMA(碼分多址)移動(dòng)通信技術(shù) [M]. 北京：人民郵電出版社, 1996.

[4] Pickholtz R L, Milstein L B, Schilling D L. On Spread Spectrum for Mobile Communications [J]. IEEEE Transactions on Vehicular Technology, 1991, 40:313-322.

[編輯] 洪云飛

TN929.5

A

1673-1409(2012)05-N154-03

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.05.051

2012-02-25

安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2011Z030)；安徽工程大學(xué)青年科研基金資助項(xiàng)目(2010YQ051)。

楊梅(1983-)，女，2007年大學(xué)畢業(yè)，碩士，助理工程師，現(xiàn)主要從事電子技術(shù)基礎(chǔ)和通信信號(hào)處理方面的研究工作。