實(shí)驗(yàn)十一直接序列擴(kuò)頻實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)十一 直接序列擴(kuò)頻實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過(guò)本實(shí)驗(yàn)掌握基帶信號(hào)m序列擴(kuò)頻原理及方法，掌握擴(kuò)頻前后信號(hào)在時(shí)域及頻域上的變化。2、通過(guò)本實(shí)驗(yàn)掌握基帶信號(hào)Gold序列擴(kuò)頻原理及方法，掌握擴(kuò)頻前后信號(hào)在時(shí)域及頻域上的變化。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀察擴(kuò)頻前后信息碼的時(shí)域變化。2、觀察擴(kuò)頻前后信息碼的頻域變化。3、觀察已調(diào)信號(hào)在擴(kuò)頻前后的頻域變化。三、 基本原理擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)是指將待傳輸信息的頻譜用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)擴(kuò)展成為寬頻帶信號(hào)后送入信道中傳輸，在接收端利用相應(yīng)手段將信號(hào)解壓縮，從而獲取傳輸信息的通信系統(tǒng)。也就是說(shuō)在傳輸同樣信息時(shí)所需的射頻帶寬，遠(yuǎn)比我們已熟知的各種調(diào)制方式要求的帶寬要寬得多。擴(kuò)頻

2、帶寬至少是信息帶寬的幾十倍甚至幾萬(wàn)倍。這一定義包括以下三方面的意思：（1）信號(hào)頻譜被展寬了。在常規(guī)通信中，為了提高頻率利用率，通常都是采用大體相當(dāng)帶寬的信號(hào)來(lái)傳輸信息，即在無(wú)線電通信中射頻信號(hào)的帶寬和所傳信息的帶寬是屬于同一個(gè)數(shù)量級(jí)的，但擴(kuò)頻通信的信號(hào)帶寬與信息帶寬之比則高達(dá)1001000，屬于寬帶通信，原因是為了提高通信的抗干擾能力，這是擴(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù)。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)擴(kuò)展的頻譜越寬，處理增益越高，抗干擾能力就越強(qiáng)。（2）采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制的方式來(lái)展寬信號(hào)頻譜。由信號(hào)理論知道，脈沖信號(hào)寬度越窄，其頻譜就越寬，信號(hào)的頻帶寬度和脈沖寬度近似成反比，因此，所傳信息被越窄的脈沖序列調(diào)制，則

3、可產(chǎn)生很寬頻帶的信號(hào)。擴(kuò)頻碼序列就是很窄的脈沖序列。（3）在接收端用與發(fā)送端完全相同的擴(kuò)頻碼序列來(lái)進(jìn)行解擴(kuò)。 擴(kuò)頻技術(shù)的理論依據(jù)定性的討論有以下幾點(diǎn)：首先，擴(kuò)頻技術(shù)的理論基礎(chǔ)可用香農(nóng)信道容量公式來(lái)描述：式中：C為信道容量； W為系統(tǒng)傳輸帶寬； S/N為傳輸系統(tǒng)的信噪比。該公式表明，在高斯信道中當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信噪比S/N下降時(shí)，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬W的辦法來(lái)保持信道容量C不變。對(duì)于任意給定的信噪比可以用增大傳輸帶寬來(lái)獲得較低的信息差錯(cuò)率。擴(kuò)頻技術(shù)正是利用這一原理，用高速率的擴(kuò)頻碼來(lái)達(dá)到擴(kuò)展待傳輸?shù)臄?shù)字信息帶寬的目的。故在相同的信噪比條件下，具有較強(qiáng)的抗噪聲干擾的能力。常用的擴(kuò)展頻譜方式可分為：a、

4、直接序列擴(kuò)頻CDMA（DS-CDMA）：用待傳信息信號(hào)與高速率的偽隨機(jī)碼序列相乘后，去控制射頻信號(hào)的某個(gè)參量而擴(kuò)展頻譜。b、跳頻擴(kuò)頻CDMA（FH-CDMA）：數(shù)字信息與二進(jìn)制偽隨機(jī)碼序列模二相加后，去離散地控制射頻載波振蕩器的輸出頻率，使發(fā)射信號(hào)的頻率隨偽隨機(jī)碼的變化而跳變。c、跳時(shí)擴(kuò)頻CDMA（TH-CDMA）：跳時(shí)是用偽隨機(jī)碼序列來(lái)啟閉信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間。發(fā)射信號(hào)的“有”、“無(wú)”同偽隨機(jī)序列一樣是偽隨機(jī)的。d、混合式：由以上三種基本擴(kuò)頻方式中的兩種或多種結(jié)合起來(lái)，便構(gòu)成了一些混合擴(kuò)頻體制，如FH/DS，DS/TH，F(xiàn)H/TH等。1、m序列擴(kuò)頻實(shí)驗(yàn)按照偽隨機(jī)m序列的定義有：m231=

5、7，即它可以由最簡(jiǎn)單的3節(jié)移位寄存器產(chǎn)生。其生成多項(xiàng)式為。7位m序列產(chǎn)生器如圖11-1所示，其周期m=7。圖11-1 7位m序列產(chǎn)生器將圖中0、1序列轉(zhuǎn)換成實(shí)值序列：，即有下列對(duì)應(yīng)關(guān)系不考慮多徑傳輸?shù)挠绊?，則7位碼每移一位可供一個(gè)用戶做地址碼，這樣可提供7個(gè)用戶，分別為：C0=（1 1 1 1 1 1 1），C1=（1 1 1 1 1 1 1），C2=（1 1 1 1 1 1 1），C3=（1 1 1 1 1 1 1），C4=（1 1 1 1 1 1 1），C5=（1 1 1 1 1 1 1），C6=（1 1 1 1 1 1 1），C7=（1 1 1 1 1 1 1）= C0。若用上述7位碼進(jìn)

6、行擴(kuò)頻，其擴(kuò)頻前后的波形圖如圖11-2所示。m=231=7序列的自相關(guān)函數(shù)波形如圖11-3所示圖11-2 7位碼擴(kuò)頻前后的波形圖 圖11-3 m=231=7序列的自相關(guān)函數(shù)圖形擴(kuò)頻后性能分析有效性性能：擴(kuò)頻后頻帶擴(kuò)展7倍，直接有效性下降7倍，但是若不考慮實(shí)際多徑影響，7位擴(kuò)頻碼每錯(cuò)開(kāi)一位可供一個(gè)新用戶，共可供7個(gè)用戶，這正好抵消了擴(kuò)展頻帶的7倍下降位。但實(shí)際上必須要考慮多徑影響，這時(shí)有效性能會(huì)下降可靠性性能：根據(jù)偽碼自相關(guān)特性，當(dāng)碼位對(duì)齊時(shí)可以將7位偽碼信號(hào)能量累加起來(lái)增加7倍，碼位不對(duì)齊時(shí)均下降至1。若采用自相關(guān)接收，其接收門限可定在3.5V上（假設(shè)信號(hào)電平均歸一化為1V），然而若不擴(kuò)頻，接

7、收信號(hào)的門限值只能定在0.5V上，兩者相比，擴(kuò)頻后抗干擾能力增加倍。實(shí)際在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，抗干擾的改善是與擴(kuò)頻成正比的。圖11-4和11-5分別是擴(kuò)頻前后PSK信號(hào)的頻譜。圖11-4 擴(kuò)頻前PSK信號(hào)的頻譜圖11-5 擴(kuò)頻后PSK信號(hào)的頻譜 圖11-6 直接序列擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻通信的過(guò)程是將待傳送的信息碼元與偽隨機(jī)序列相乘，在頻域上將二者的頻譜卷積，將信號(hào)的頻譜展寬，展寬后的頻譜呈窄帶高斯特性，經(jīng)載波調(diào)制之后發(fā)送出去。在接收端，一般首先恢復(fù)同步的偽隨機(jī)碼，將偽隨機(jī)碼與調(diào)制信號(hào)相乘，這樣就得到經(jīng)過(guò)信息碼元調(diào)制的載波信號(hào)，再作載波同步，解調(diào)后得到信息碼元。我們采用“擴(kuò)頻增益”GP的概念來(lái)描述擴(kuò)頻系統(tǒng)抗

8、干擾能力的優(yōu)劣，其定義為解擴(kuò)接收機(jī)輸出信噪比與其輸入信噪比的比值，即：它表示經(jīng)擴(kuò)頻接收處理之后，使信號(hào)增強(qiáng)的同時(shí)抑制輸入到接收機(jī)的干擾信號(hào)能力的大小，越大，則抗干擾能力愈強(qiáng)。在直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，擴(kuò)頻增益GP為：2、Gold序列擴(kuò)頻實(shí)驗(yàn)應(yīng)該說(shuō)Gold序列擴(kuò)頻與m序列擴(kuò)頻的本質(zhì)區(qū)別僅僅在于擴(kuò)頻碼的不同，在前面我們已經(jīng)提到過(guò)，雖然m序列有優(yōu)良的自相關(guān)特性，但是使用m序列作CDMA（碼分多址）通信的地址碼時(shí)，其主要問(wèn)題是由m序列組成的互相關(guān)特性好的互為優(yōu)選的序列集很少，對(duì)于多址應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可用的地址數(shù)太少了。而Gold序列具有良好的自、互相關(guān)特性，且地址數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于m序列的地址數(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)

9、，在工程上特別是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。Gold序列是m序列的復(fù)合碼，它是由兩個(gè)碼長(zhǎng)相等、碼時(shí)鐘速率相同的m序列優(yōu)選對(duì)模二和構(gòu)成的。其中m序列優(yōu)選對(duì)是指在m序列集中，其互相關(guān)函數(shù)最大值的絕對(duì)值最接近或達(dá)到互相關(guān)值下限（最小值）的一對(duì)m序列。這里我們定義優(yōu)選對(duì)為：設(shè)A是對(duì)應(yīng)于n級(jí)本原多項(xiàng)式f（x）所產(chǎn)生的m序列，B是對(duì)應(yīng)于n級(jí)本原多項(xiàng)式g（x）所產(chǎn)生的m序列，當(dāng)他們的互相關(guān)函數(shù)滿足： （11-1）則f（x）和g（x）產(chǎn)生的m序列A和B構(gòu)成一對(duì)優(yōu)選對(duì)。在Gold序列的構(gòu)造中，每改變兩個(gè)m序列相對(duì)位移就可得到一個(gè)新的Gold序列。當(dāng)相對(duì)位移2n1比特時(shí)，就可得到一族（2n1）個(gè)Gold

10、序列。再加上兩個(gè)m序列，共有（2n1）個(gè)Gold序列。由優(yōu)選對(duì)模二和產(chǎn)生的Gold族2n1個(gè)序列已不再是m序列，也不具有m序列的游程特性。但Gold碼族中任意兩序列之間互相關(guān)函數(shù)都滿足（11-1）式。四、 實(shí)驗(yàn)原理 1、實(shí)驗(yàn)?zāi)K簡(jiǎn)介（1）CDMA發(fā)送模塊：本模塊主要功能：產(chǎn)生PN31偽隨機(jī)序列，將偽隨機(jī)序列或外部輸入的其它數(shù)字序列擴(kuò)頻，擴(kuò)頻增益為32，擴(kuò)頻后輸出碼速率為512kbps，可輸出兩路不同擴(kuò)頻碼信號(hào)。（2）IQ調(diào)制解調(diào)模塊：本模塊主要功能：產(chǎn)生調(diào)制及解調(diào)用的正交載波；完成射頻正交調(diào)制及小功率線性放大；完成射頻信號(hào)正交解調(diào)。 2、實(shí)驗(yàn)框圖及電路說(shuō)明IQ調(diào)制CDMA發(fā)送CDMA發(fā)送模塊上

11、產(chǎn)生的PN碼（由PN31端輸出），速率為16K，作為信源輸入進(jìn)模塊中（由NRZ IN端輸入）。模塊內(nèi)部產(chǎn)生PN序列（m序列或Gold序列），速率為512K，作為擴(kuò)頻碼，與輸入信源模2加，完成擴(kuò)頻操作后輸出，擴(kuò)頻增益為32。五、 實(shí)驗(yàn)步驟（一）m序列擴(kuò)頻實(shí)驗(yàn)1、 在實(shí)驗(yàn)箱上正確安裝CDMA發(fā)送模塊（以下簡(jiǎn)稱發(fā)送模塊）及IQ調(diào)制解調(diào)模塊（以下簡(jiǎn)稱IQ模塊）。2、 關(guān)閉實(shí)驗(yàn)箱電源，用臺(tái)階插座線完成如下連接：源端口目的端口連線說(shuō)明發(fā)送模塊：PN31發(fā)送模塊：DATA1 IN提供PN31偽隨機(jī)序列發(fā)送模塊：PN31IQ模塊：I-IN進(jìn)行PSK調(diào)制3、 將發(fā)送模塊上“GOLD1 SET”撥碼開(kāi)關(guān)第一位置“

12、1”，其他位置“0”（撥向下）。4、 對(duì)比觀察m序列擴(kuò)頻前后的信號(hào)波形、頻譜a、示波器探頭分別接發(fā)送模塊上“DATA1 IN”測(cè)試點(diǎn)及該模塊上“DS1”測(cè)試點(diǎn)，觀察擴(kuò)頻前后信息碼及擴(kuò)頻碼的變化。（示波器釋抑為491.8ms492.0ms）b、如果具備條件，可觀察“DATA1 IN”測(cè)試點(diǎn)及“DS1”測(cè)試點(diǎn)的頻譜及其變化情況。c、為避免擴(kuò)頻后信號(hào)帶寬過(guò)大，在發(fā)送模塊中將擴(kuò)頻后信號(hào)進(jìn)行了限帶濾波，測(cè)試點(diǎn)為“DS1 OUT”，觀察該點(diǎn)信號(hào)并與“DS1”測(cè)試點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行比較。5、 對(duì)比觀察擴(kuò)頻前后的已調(diào)信號(hào)波形、頻譜a、示波器探頭接IQ模塊調(diào)制單元上的“輸出”測(cè)試點(diǎn)，觀察未經(jīng)擴(kuò)頻的PSK調(diào)制信號(hào)，如果條件具備，可觀察此時(shí)的譜狀況。b斷開(kāi)發(fā)送模塊上“PN31”端與IQ模塊上“I-IN”端連線，將發(fā)送模塊上“DS1 OUT”端連到IQ模塊上“I-IN”端。c、示波器探頭接IQ模塊調(diào)制單元上的“輸出”測(cè)試點(diǎn)，觀察擴(kuò)頻后的已調(diào)信號(hào)，如果條件具備，可觀察此時(shí)的譜狀況，并與擴(kuò)頻前的信號(hào)譜進(jìn)行比較（二）GO