直接序列扩频信号的产生原理和应用

"直接序列扩频信号的产生原理和应用" 直接序列扩频信号是一种广泛应用的扩展频谱系统，美国的国际卫星通信系统和全球定位系统都是直接序列扩频系统的应用实例。直接序列扩频系统采用直接序列扩频信号体制，下面就从伪随机码序列（m 序列和 GOLD 码序列）的产生原理、调制信号的产生原理来说明直接序列扩频信号的产生原理。 1、m 序列的产生原理 m 序列是一种具有类似白噪声统计特性的编码信号，通常作为扩频系统的扩展码。m 序列可以由移位寄存器加反馈产生，如图 1 所示。Cn 是每个移位寄存器的初值，可以是 1 或 0，An 是第 n 级移位寄存器的反馈系数，An=0 时表示无反馈，反馈线断开；An=1 时表示有反馈，反馈线相连。这种结构的 A0 和 An 必须有反馈，否则 n级最长线性反馈移位寄存器将简化为 n-1 级最长线性反馈移位寄存器。采用不同的反馈逻辑，即 An 的不同取值将产生不同的移位寄存序列。N 级最长线性反馈移位寄存器的周期为 2n-1，n 为移位寄存器的级数。 2、GOLD 码序列的产生原理 由于 m 序列具有的移位寄存序列不能满足扩频系统码分多址的要求，因此实际采用的地址由 2个长度和速率相同的 m 码序列优选对模 2 相加得到 GOLD 码序列。GOLD 码序列产生的移位寄存序列为 2n+1 个。GOLD 码序列可以通过 2 个 m 码序列优选对串联产生，如图 2 所示。由 2 个 n=6 的 m 码序列优选对串联组成 1 个 n=12 的移位寄存器序列（GOLD 码序列）不是最长线性移位寄存器序列。根据 Cn 和 Dn（n+1…6）的不同取值产生的 GOLD 码序列总共为26+1=65 条。 3、直接序列扩频原理 直接序列扩频的实质是用一组编码序列调制载波，其调制过程可以简化表示为：信码和扩展码序列模 2 相加进行扩频调制，产生扩频调制信号；扩频调制信号对载波反相键控进行载波调制，产生直接序列扩频信号，如图 3 所示。 任意波形发生器的实现方法 理想的任意波形发生器既是一种信号源，又是一种调制源。例如 TEK 公司生产的任意波形发生器AWG520，既可以产生单载波和伪随机码序列（m 序列和 GOLD 码序列）信号，又可以完成调制过程，因此可以直接利用 AWG520 产生直接序列扩频信号。 1．M 码序列的实现方法 AWG520 具有最长 n=32 的移位寄存器，寄存器的输出和中间抽头可以构成反馈环路进行模 2 运算，因此 AWG520 最长可以产生 n=32 级最长线性移位寄存器序列。由 Edit 的面板键进入 Edit 的底菜单，选中 Shift Register Generator（移位寄存器发生器），进入移位寄存器对话窗框设置移位寄存器的个数、反馈位置和移位寄存器的初值，AWG520 默认的设置为最长线性移位寄存器序列。例如，设置 n=6 的最长线性移位寄存器序列，产生的伪随机码序列保存为 m.wfm，移位寄存器的初值可以任意设置为 1 或 0，移位寄存器不同的一组初值对应不同的伪随机码序列。 2．GOLD 码序列的实现方法 2 个 m 码序列优选对串联在 AWG520 的移位寄存器上可以产生 GOLD 码序列。产生的 GOLD 码序列的优选 m 码序列对需要计算，对于 n 比较小的情况，有现成的计算结果可以直接利用。 3．载波的实现方法 AWG520 可以产生单载波信号，任意波形发生器产生的单载波信号的输出频率与仪器的采样率和每个波形的采样点有关。输出频率=仪器采样率/波形采样点，其中输出频率的单位为 Hz，仪器采样率的单位为 Sa/s，波形采样点的单位为 Sa。由此可见，单载波信号的输出频率和仪器采样率与波形分辨率有关。要精确描述一个波形，必然要求每个波形的采样点要多，因此仪器的采样率就限制了任意波形发生器的输出频率。例如，AWG520的最高采样率为 1GSa/s，如果波形分辨率为 10s，则输出频率为 260MHz。由此可见，任意波形发生器产生的单载波信号属于中频范畴。也就是说，由于目前任意波形发生器采样率的限制，还无法产生微波信号，因此无法完成射频调制。 例如用编程的方法产生输出频率为 70MHz 的单载波信号，设置任意波形发生器的采样率为 840MSa/s，波形分辨率为 12s，产生的单载波信号保存为 carrier.wfm，如图 4 所示。 4．直接序列扩频信号的实现方法 直接序列扩频信号的调制分为扩频调制两部分。扩频调制为信息码和扩展码模 2 相加，这里为了简单，采用 m 序列作为扩展码调制信息码，信息码用全 0 代替进行扩频调制。当信息码为全 0 时，扩频调制信号即原来的 m 码序列。扩展码的设计码速率为 4MHz，扩频调制信号的输出频率为 2MHz。