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(dòng)通信，是一種先進(jìn)的大容量無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。CDMA技術(shù)的原理是基于擴(kuò)頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號(hào)帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)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(jī)碼，與接收的帶寬信號(hào)作相關(guān)處理，把寬帶信號(hào)換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號(hào)即解擴(kuò)，以實(shí)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(wèn)題。同步過(guò)程一般包括初值估計(jì)和鎖相環(huán)鎖定兩個(gè)部分。本文主要研究了同頻同相載波的產(chǎn)生過(guò)程，采用差分相位算法和cross-dot算法，通過(guò)在MATLAB中搭建CDMA擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，完成了載波同步的仿真，并對(duì)兩種算法進(jìn)行了比較，得出在同等條件下cross-dot算法的頻偏估計(jì)性能優(yōu)于差分相位算法的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：CDMA 擴(kuò)頻技術(shù) 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,
……（新文秘網(wǎng)http://www.120pk.cn省略1653字，正式會(huì)員可完整閱讀）……　
術(shù)非常類(lèi)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(jì)算法的設(shè)計(jì)，并利用matlab軟件對(duì)該同步算法進(jìn)行仿真，比較不同算法得到的估計(jì)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(guān)知識(shí)并引入兩種頻偏估計(jì)算法。第四章介紹仿真方法以及對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)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(chēng)信道容量）為
（2-1）
式中：B為信號(hào)帶寬；S為信號(hào)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(guò)編碼，信源的信息能以任意小的差錯(cuò)概率通過(guò)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(guò)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(guò)增加傳輸信號(hào)帶寬B，或增加信噪比S/N來(lái)實(shí)現(xiàn)。由式（2-1）可知，B與C成正比，而C與S/N呈對(duì)數(shù)關(guān)系，因此，增加B比增加S/N更有效。
信道容量C為常數(shù)時(shí)，帶寬B與信噪比S/N可以互換，即可以通過(guò)增加帶寬B來(lái)降低系統(tǒng)對(duì)信噪比S/N的要求；也可以通過(guò)增加信號(hào)功率，降低信號(hào)帶寬，這就為那些要求小的信號(hào)帶寬的系統(tǒng)或?qū)π盘?hào)功率要求嚴(yán)格的系統(tǒng)找到了一個(gè)減小帶寬或降低功率的有效途徑。
當(dāng)B增加到一定程度后，信道容量C不可能無(wú)限地增加。由式（2-1）可知，信道容量C與信號(hào)帶寬成正比，增加B，勢(shì)必會(huì)增加C但當(dāng)B增加到一定程度后，C增加緩慢。由式（2-2）知，隨著B(niǎo)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(lái)看C的極限值。對(duì)式（2-2）兩邊取極限，有
（2-3）
考慮到極限
（2-4）
令 ，對(duì)式（2-3）有

故
（2-5）
由此可見(jiàn)，在信號(hào)功率S和噪聲功率譜密度 一定時(shí)，信道容量C是有限的。
由上面的討論，可以推導(dǎo)出信息速率R達(dá)到極限信息速率，即R= =C，且?guī)?時(shí)，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(kuò)系統(tǒng)的發(fā)送端框圖。由信源輸出的信號(hào) 是碼元持續(xù)時(shí)間為 的信息流，偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼為 ，每一偽隨機(jī)碼元寬度或Chip寬度為 。將信碼 與偽隨機(jī)碼 進(jìn)行模二加，產(chǎn)生一速率與偽隨機(jī)碼速率相同的擴(kuò)頻序列，然后再用擴(kuò)頻序列去調(diào)制載波，這樣就得到已擴(kuò)頻調(diào)制的射頻信號(hào)。
2.3接收端




(b)
圖（2-2）接收端
圖（2-2）為直擴(kuò)系統(tǒng)的接收端框圖。在接收端，接收到的擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)高放和混頻后，用與發(fā)送端同步的偽隨機(jī)碼序列對(duì)中頻的擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，將信號(hào)的頻帶恢復(fù)為信息序列 的頻帶，即為中頻調(diào)制信號(hào)。然后再進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出所傳輸?shù)男畔? ，從而完成信息的傳輸。對(duì)于干擾信號(hào)和噪聲而言，由于與偽隨機(jī)序列不相關(guān)，在相關(guān)解調(diào)器作用下，相當(dāng)于進(jìn)行了一次擴(kuò)頻。干擾信號(hào)和噪聲頻譜被擴(kuò)展后，其頻譜密度降低，這樣就大大降低了進(jìn)入信號(hào)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(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
3.1碼同步
根據(jù)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的框圖，接收機(jī)在混頻后要對(duì)輸出的中頻信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)，解擴(kuò)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(kuò)頻序列的啟動(dòng)時(shí)差、電磁波傳播時(shí)延等因素，接收機(jī)不能確定接收信號(hào)中擴(kuò)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(guò)程使本地PN碼的定時(shí)誤差控制在 Chip以?xún)?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(shí)誤差進(jìn)一步縮小，一般來(lái)說(shuō)可以縮小到 Chip內(nèi)，因此PN碼跟蹤又叫“精細(xì)同步”。
由于本文研究的是載波同步中的頻偏估計(jì)算法，因此我們姑且假定PN碼同步已經(jīng)實(shí)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(kuò)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(lái)進(jìn)行。在本系統(tǒng)中，碼捕獲之后本地?cái)U(kuò)頻碼與信號(hào)中的擴(kuò)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(jìn)一步減小在 1/32Chip之內(nèi)。所以在進(jìn)行載波相位估計(jì)以及頻率估計(jì)時(shí)，可以認(rèn)為偽碼相差很小，完全對(duì)齊。
載波同步主要用于減小接收信號(hào)中殘余的載波頻偏和相偏，以提取輸入信號(hào)中的載波，恢復(fù)出發(fā)送信息。一般說(shuō)來(lái)，載波同步都是通過(guò)鎖相環(huán)路閉環(huán)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)，這其中可采用平方環(huán)，costas環(huán)等常用鎖相環(huán)技術(shù)。對(duì)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(dòng)的環(huán)境下如信噪比較高并且頻率變化較快，自動(dòng)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(guò)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(kāi)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(jì)的頻率開(kāi)始工作，以實(shí)現(xiàn)頻率的快速捕獲。具體的實(shí)現(xiàn)方法就是在載波同步開(kāi)始工作時(shí)，先斷開(kāi)鎖相環(huán)路，啟動(dòng)頻率估值算法。當(dāng)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(shí)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(diǎn)置入快捕帶或者是快捕帶附近，從而實(shí)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(gè)部件組成的一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋相位控制系統(tǒng)，只不過(guò)它的局部或全部電路經(jīng)數(shù)字化處理后，其運(yùn)算和處理由連續(xù)信號(hào)模擬量變?yōu)殡x散信號(hào)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(hào) 誤差信號(hào)

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

對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行A/D變換的采樣速率由帶通信號(hào)奈奎斯特采樣定理確定，但為防止信號(hào)頻譜混疊并保證信號(hào)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(hào) ，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(dāng)前僅顯示4640字，請(qǐng)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》）