畢業(yè)論文：同頻同相載波算法研究

畢業(yè)論文：同頻同相載波算法研究

摘要
CDMA (Code Division Multiple Access) ，即碼分多址移動通信，是一種先進的大容量無線通信技術。CDMA技術的原理是基于擴頻技術，即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關處理，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴，以實現(xiàn)信息通信。
在CDMA系統(tǒng)中，載波同步是最重要最根本的問題。同步過程一般包括初值估計和鎖相環(huán)鎖定兩個部分。本文主要研究了同頻同相載波的產(chǎn)生過程，采用差分相位算法和cross-dot算法，通過在MATLAB中搭建CDMA擴頻通信系統(tǒng)，完成了載波同步的仿真，并對兩種算法進行了比較，得出在同等條件下cross-dot算法的頻偏估計性能優(yōu)于差分相位算法的結(jié)論。
關鍵詞：CDMA 擴頻技術 載波同步 MATLAB

Abstract
CDMA,known as Code Division Multiple Access Mobile Communications,is one of advanced large capacity wireless communication technology.It is based on spread-spectrum technology.Thats to say,using a high-speed pseudo-random code of much larger bandwidth to modulate information data with a certain bandwidth makes the original data bandwidth e*panded.then it is sent out via carrier modulation.Receiver uses the same pseudo-random code to do correlation processing with the received signal,turning the broadband signal into the original information data of narrowband signal .Thats so-called despreading,
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術非常類似。
1.2本論文的主要工作
本論文的主要工作是完成CDMA通信系統(tǒng)載波同步的初始頻偏估計算法的設計，并利用matlab軟件對該同步算法進行仿真，比較不同算法得到的估計頻偏的精度,以確定兩種算法性能的優(yōu)劣。
本論文共分五章。第一章介紹本論文的研究背景和主要工作。第二章介紹CDMA系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)。第三章介紹載波同步及其相關知識并引入兩種頻偏估計算法。第四章介紹仿真方法以及對仿真結(jié)果進行分析。第五章作出總結(jié)展望。

第二章CDMA通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理
2.1系統(tǒng)原理
Shannon定理指出：在高斯白噪聲干擾條件下，通信系統(tǒng)的極限傳輸速率（或稱信道容量）為
（2-1）
式中：B為信號帶寬；S為信號平均功率；N為噪聲功率。
若白噪聲的功率譜密度為 ，噪聲功率N= ，則信道容量C可表示為
（2-2）
由上式可以看出，B、 、S確定后，信道容量C就確定了。由Shannon第二定理知，若信源的信息速率R小于或等于信道容量C，通過編碼，信源的信息能以任意小的差錯概率通過信道傳輸。為使信源產(chǎn)生的信息以盡可能高的信息速率通過信道，提高信道容量是人們所期望的。
由Shannon公式可以看出：
要增加系統(tǒng)的信息傳輸速率，則要求增加信道容量。增加信道容量的方法可以通過增加傳輸信號帶寬B，或增加信噪比S/N來實現(xiàn)。由式（2-1）可知，B與C成正比，而C與S/N呈對數(shù)關系，因此，增加B比增加S/N更有效。
信道容量C為常數(shù)時，帶寬B與信噪比S/N可以互換，即可以通過增加帶寬B來降低系統(tǒng)對信噪比S/N的要求；也可以通過增加信號功率，降低信號帶寬，這就為那些要求小的信號帶寬的系統(tǒng)或?qū)π盘柟β室髧栏竦南到y(tǒng)找到了一個減小帶寬或降低功率的有效途徑。
當B增加到一定程度后，信道容量C不可能無限地增加。由式（2-1）可知，信道容量C與信號帶寬成正比，增加B，勢必會增加C但當B增加到一定程度后，C增加緩慢。由式（2-2）知，隨著B的增加，由于噪聲功率N= ，因而N也要增加，從而信噪比要下降，影響到C的增加�？紤]極限情況，令B ，我們來看C的極限值。對式（2-2）兩邊取極限，有
（2-3）
考慮到極限
（2-4）
令 ，對式（2-3）有

故
（2-5）
由此可見，在信號功率S和噪聲功率譜密度 一定時，信道容量C是有限的。
由上面的討論，可以推導出信息速率R達到極限信息速率，即R= =C，且?guī)?時，信道要求的最小信噪比 的值。 為碼元能量， 由式（2-5）知

可得
（2-6）
由此可得信道要求的最小信噪比為


2.2發(fā)送端




圖（2-1）發(fā)送端
圖（2-1）為直擴系統(tǒng)的發(fā)送端框圖。由信源輸出的信號 是碼元持續(xù)時間為 的信息流，偽隨機碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機碼為 ，每一偽隨機碼元寬度或Chip寬度為 。將信碼 與偽隨機碼 進行模二加，產(chǎn)生一速率與偽隨機碼速率相同的擴頻序列，然后再用擴頻序列去調(diào)制載波，這樣就得到已擴頻調(diào)制的射頻信號。
2.3接收端




(b)
圖（2-2）接收端
圖（2-2）為直擴系統(tǒng)的接收端框圖。在接收端，接收到的擴頻信號經(jīng)高放和混頻后，用與發(fā)送端同步的偽隨機碼序列對中頻的擴頻調(diào)制信號進行相關解擴，將信號的頻帶恢復為信息序列 的頻帶，即為中頻調(diào)制信號。然后再進行解調(diào)，恢復出所傳輸?shù)男畔? ，從而完成信息的傳輸。對于干擾信號和噪聲而言，由于與偽隨機序列不相關，在相關解調(diào)器作用下，相當于進行了一次擴頻。干擾信號和噪聲頻譜被擴展后，其頻譜密度降低，這樣就大大降低了進入信號通頻帶內(nèi)的干擾功率，使解調(diào)器的輸入信噪比和信干比提高，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

第三章系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)
3.1碼同步
根據(jù)擴頻通信系統(tǒng)的框圖，接收機在混頻后要對輸出的中頻信號進行解擴，解擴的前提是本地PN碼不僅要與發(fā)送的PN碼相同，而且要同頻同相，即碼同步。由于收發(fā)雙方的不穩(wěn)定性、擴頻序列的啟動時差、電磁波傳播時延等因素，接收機不能確定接收信號中擴頻序列的起始相位，所以PN碼同步的第一步是PN碼的 捕獲。捕獲過程使本地PN碼的定時誤差控制在 Chip以內(nèi)，所以捕獲也叫“粗同步”；PN碼同步的第二步是跟蹤。跟蹤使本地PN碼的定時誤差進一步縮小，一般來說可以縮小到 Chip內(nèi)，因此PN碼跟蹤又叫“精細同步”。
由于本文研究的是載波同步中的頻偏估計算法，因此我們姑且假定PN碼同步已經(jīng)實現(xiàn)，后續(xù)的研究均是基于這一假定之上。
3.2載波同步
在直擴系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)框圖，載波同步是在碼同步完成之后來進行。在本系統(tǒng)中，碼捕獲之后本地擴頻碼與信號中的擴頻碼的相位差被減小到 1/4Chip之內(nèi)，而碼跟蹤環(huán)使這種相差進一步減小在 1/32Chip之內(nèi)。所以在進行載波相位估計以及頻率估計時，可以認為偽碼相差很小，完全對齊。
載波同步主要用于減小接收信號中殘余的載波頻偏和相偏，以提取輸入信號中的載波，恢復出發(fā)送信息。一般說來，載波同步都是通過鎖相環(huán)路閉環(huán)調(diào)整來實現(xiàn)，這其中可采用平方環(huán)，costas環(huán)等常用鎖相環(huán)技術。對于載波的快速捕獲，有很多輔助入鎖方案，如頻差較大的情況下可以使用掃頻法、在移動的環(huán)境下如信噪比較高并且頻率變化較快，自動頻率控制(AFC)可以發(fā)揮較好的性能，變帶寬法可以在鎖相環(huán)路捕獲過程中使用較寬帶寬以利于頻率快速入鎖，而在頻率入鎖后將帶寬變窄，減小噪聲的影響，提高環(huán)路穩(wěn)定性。由于全數(shù)字鎖相環(huán)中存在記憶器件，我們可以用開環(huán)載波頻率估值算法將頻率估值直接置入該記憶器件，使鎖相環(huán)從該估計的頻率開始工作，以實現(xiàn)頻率的快速捕獲。具體的實現(xiàn)方法就是在載波同步開始工作時，先斷開鎖相環(huán)路，啟動頻率估值算法。當頻率估值結(jié)束后，把估算得到的頻率值置入記憶器件，此時閉合鎖相環(huán)路。倘若頻差估值足夠精確，就可把鎖相環(huán)的起始工作點置入快捕帶或者是快捕帶附近，從而實現(xiàn)載波頻率的快速捕獲。
3.3全數(shù)字鎖相環(huán)



圖（3-1）全數(shù)字鎖相環(huán)框圖
全數(shù)字鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖（3-1）所示。全數(shù)字鎖相環(huán)的組成與傳統(tǒng)環(huán)路構(gòu)造方式完全一致，它仍然是由數(shù)字鑒相器、數(shù)字環(huán)路濾波器、數(shù)字壓控振蕩器3個部件組成的一個閉環(huán)負反饋相位控制系統(tǒng)，只不過它的局部或全部電路經(jīng)數(shù)字化處理后，其運算和處理由連續(xù)信號模擬量變?yōu)殡x散信號數(shù)字量。
3.3.1奈奎斯特采樣鑒相器
奈奎斯特采樣鑒相器的框圖如圖（3-2）所示。
輸入信號 誤差信號

奈奎斯特采樣脈沖 本振數(shù)字信號
圖（3-2）奈奎斯特采樣鑒相器組成框圖
為了表示方便，設NCO輸出的本振數(shù)字信號為 ，輸入信號
其中 ，
輸入信號經(jīng)A/D采樣后，第k個采樣時刻采樣量化后的數(shù)字信號為

對輸入信號進行A/D變換的采樣速率由帶通信號奈奎斯特采樣定理確定，但為防止信號頻譜混疊并保證信號相位信息的有效抽取，采樣速率一般選取前置帶通濾波器的兩倍帶寬以上。
令 ， ，即 和 相乘后，經(jīng)低通濾波器得到數(shù)字誤差信號 ，式中
3.3.2數(shù)字環(huán)路濾波器
數(shù)字環(huán)路濾波器與模擬環(huán)路濾波器的作用一樣，都是為了抑制高頻分 ……（未完，全文共25802字，當前僅顯示4640字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：同頻同相載波算法研究》）