1、本科毕业论文（20 届）基于匹配滤波的基带扩频信号捕捉系统的设计所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 -摘要直接序列（DS-Direct Sequence）扩频通信系统，其实是利用伪随机序列，也就是 PN 码，直接对待传输的数据信息做频谱扩展处理构成的扩频通讯系统。DS 系统具有好的抗窄带干扰，抗多径衰落和不易被破解的优点。设计研究一个基于匹配滤波的基带扩频捕捉通信系统，对理解这部分原理有着非常实际的意义。本设计在学习掌握直接序列扩频系统的生成，发送以及捕捉的基础之上，采用 VHDL 语言设计了匹配滤波基带扩频捕捉系统。本设计对高速伪随机码直接
2、扩频调制和匹配滤波捕捉等理论进行了深入研究，采用 VHDL 硬件描述语言设计了 PN 码的生成模块，扩频模块以及匹配捕捉接收模块的电路。且采用了Quartus II 对系统进行了单元模块仿真和系统仿真，并下载到实验平台，进行了系统测试，完成了由信号产生，扩频直至捕捉，解扩的过程实验的仿真和测试结果表明：该直扩通信系统的设计合理，构成简单，系统工作稳定；能够正确仿真实现了从信号产生，扩频，捕捉直至解扩的过程，并且下载测试结果基本正确。SummaryDirect Sequence (DS-Direct Sequence) spread spectrum system, is treated wit
3、h a pseudo-random sequence directly transfer data . Do spread spectrum communication system constructed. DS system with anti narrowband interference, resistance to multipath fading and good benefits confidentiality.Designing a matched filter baseband spreading capture system based on spread spectrum
4、 communication theory helps to deepen mastery.The design on the basis of learning and mastering the direct sequence spread spectrum systems generate, transmit and capture above, the use of VHDL Language design matched filtering baseband spread capture system. The design of the high-speed pseudo-rand
5、om code direct spread spectrum modulation and matched filtering .Capture theory in-depth study, using VHDL hardware description language design the PN code generation module, spreading module and receiver module matching circuit capture. Quartus II and the use of the unit module of the system simula
6、tion and system simulation, and download to the experimental platform, system testing, completed generated by the signal, until the capture spread, despreading processExperimental simulation and test results show that: the DS system reasonable system design, a simple configuration, the system is sta
7、ble;Simulation can correct the signal generated from spreading, catch up despreading process, and download test results are basically correct- 3 -目录摘要第一章 绪论1.1 扩频系统研究现状1.2 课题研究意义第二章 基于匹配滤波的基带扩频信号捕捉系统的基础理论2.1 基带扩频的基本原理2.1.1 m 序列的基本知识2.1.2 直接扩频相关原理2.2 匹配滤波的基础知识2.2.1 关于捕捉的相关知识2.2.2 关于匹配滤波的知识第三章 基于匹配滤波的
8、基带扩频信号捕捉系统的设计3.1 总体方案设计3.1.1 系统结构设计3.1.2 系统参数设计3.1.3 软件的使用方法与下载仿真3.2 扩频码发送模块设计3.3 扩频信号接收模块设计3.4 系统综合设计3.5 本章小结第四章 基于匹配滤波的基带扩频信号捕捉系统仿真与结果分析4.1 仿真测试条件，方法，环境以及参数4.2 扩频码发送模块的仿真与硬件测试4.3 信号捕捉模块的仿真与硬件测试4.4 系统性能分析4.5 本章小结结论参考文献附录 - 4 -第一章 绪论1.1 扩频系统研究现状扩频通讯是信息传送中比较不错的方式之一，它的信号占有的带宽很大，以至于与信源所需带宽相比要大得多，不过相反的扩
9、频通讯也具有很好的抗干扰性能和不错的保密性能，1970 年到 1975 年这段时间扩频通讯理论和适用领域得到飞速的拓展，经过 1980 年之后的蓬勃发展，移动通讯技术发展的非常成熟，现在世界上很多国家针对各自的发展情况，从第三代逐步向第四代发展，以及第四代的探索。美国在 20 世纪 40 年代使用的单工汽车电话为第一代的通讯系统，但是采用模拟系统。尽管在末期模拟移动通信系统技术变得很成熟，再加上大规模集成电路及微处理器的大量应用，使模拟移动通信系统呈现出应用范围广、形式丰富的多样化局面。但同时也暴露了模拟移动通信的很多不足之处，如系统容量不能满足日益增长的用户数量的需求业务种类受限制、安全保密
10、性能不足、频谱利用率低等 1。因而新一代数字蜂窝移动通信系统开始受到关注SAW 抽头延迟线（Sound Appearance Ware）声表面波匹配滤波器能够在较短时间内将表面波捕捉，但受器件限制，对现在的技术来说位数不能大于 256 位。第二代数字通信系统在经历 20 世纪 70 年代末早期的研制，从 20 世纪 80年代中期，得到了快速的发展和应用。数字移动通信凭借其频谱利用率高、系统容量大、可提供多种形式的服务、与 ISDN 兼容性强、保密性强、移动台体积小、能提供国际漫游等优点，得到了各国足够的重视和投入 2。随着 20 世纪以来多媒体技术的高速发展，在用户对业务种类和传输速率的需求逐
11、渐增强的情况下，第三代移动通信系统应运而生 2。国际电信联盟（Iternational Telecommunication Union,ITU）在 20 世纪 90年代初提出了一个全新的概念，那就是第三代移动通讯系统。当时称为未来公众陆地移动通信系统（Future Public Land Mobile Telecommunication System,FPLMTS），1996 年改称为国际移动通信 2000（International Moblie Telecommunication In the year 2000,IMT-2000）。欧洲国家对 3G 技术开发和标准指定投入了很大力量。中国
12、不甘落后，非常主动的参与第三代移动通信系统的研究和应用。中国电信技术研究院提出的 TD-SCDMA 标准是 3G 的三个主流标准之一，目前，国际电联接收的 3G 无线接口标准主要有以下 3 种：WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA声表面波抽头延迟线 （Sound Appearance Wave Tapped Delay Line） 分为两组，一组与编码序列码元的“+1”码元对应；一组与“1”码元对应，“1- 5 -”是通过 180 反相器实现，形成与某一编码序列码元结构相一致的抽头延迟线结构 3。BB 机 。国际电信联盟定义的 IMT-2000 拥有三个特别的功能 全球漫游功能：IM
13、T-2000 是一个世界范围的通讯系统，在很多的地区和大部分系统中有很好的联通性，行成了一个国际电信联盟 IMT-2000 的大家族，在对频段等技术指标进行标准规定之后，能够实现全国无缝漫游功能。 多种业务能力：可以对话音，信息，图片进行处理，对多媒体类似于广播，电视还有互联网这些业务，同时可以包容新型业务。 高质量服务:用户能够享受到 IMT-2000 系统供给的大容量，更高品质信息传输和很好的可靠性服务。3G 业务终端的变化随着技术更新变化非常快，然而，现在 3G 系统能够提供的通讯效果和数据传输速度远远不能跟上用户越来越高的要求。在广泛使用3G 技术的过程中，从应用领域、保密性、可靠性、
14、通讯质量等方面，市场和用户已经对移动通信系统提出更高的要求。为了对这些问题进行处理，移动通信技术不得不改进的更大，于是出现了 4G 的概念。4G 通讯系统其实和前三代通讯技术并没有太大的区别，还是在前三代移动通讯的基础下，使用了一些新开发的技术，来实现优化无线通讯网络和效率的功能。与前三代通讯技术比较，第四代移动通讯的长处在于话音质量及信息传输速度SAW 抽头延迟线的缺点在于当抽头固定，插入损耗不可忽视，尤其是在码元重复周期不太短的时候，插入损耗更大。正常情行，SAW 抽头延迟线是根据伪随机码序列结构做成固定的抽头，所以，它不能随着 PN 码长度变化而变化。若对延迟线设计添加控制电路，也可做成
15、可编程的 SAW 抽头延迟线 5。如此一来就可以适应更多的情况，但实现起来会有一些问题，要求对 VLSI 制作工艺有一定的了解和认识。现在正在研发的第四代移动通讯技术包含下面特点：（1）通信速度快。第四代移动通讯最大的优势就是特别快的无线通讯速度，学者预测可能会将达到 1020Mb/s，最高可以达到 100Mb/s。（2）智能性更高。新的终端可以为不同需求的市场和用户提供不同的服务，凭借利用传感器等感应装置依照周围环境实时反馈给使用者相关咨讯。（3）更高质量的多媒体通信。话音、信息、图像等这类多媒体数据能够更快的在比较宽的频带上进行传输，不管是效果还是速度上都表现的更好。（6）通信费用更加便宜
16、。第四代通讯技术不仅解决了前三代通讯系统的兼容性不足，同时也凭借引入一些尖端通讯科技，来实现显著降低运营成本的目地，而用户的通信费用也相应的降低由于全并行加法器编程较难，对硬件资源- 6 -的要求比较高，可以利用与门来取代加法器元件。2013 年 12 月 4 日，中国工信部正式向三大运营商发放第四代移动通讯牌照，这意味着中国开始全面步入 4G 时代。经过一年多的发展，不论是基站数量快速增加，还是覆盖城市全面增加，终端产品纷纷上线，都体现出了我国 4G技术的快速普及 7。扩频通讯技术之所以得到大范围使用是因为它自己拥有良好的性能指标，截止到现在，扩频通讯最主要的两个应用领域仍是军事对抗通讯和移
17、动通讯系统。直序扩频，跳频扩频和线性扩频通讯技术是几种比较主要的扩频通讯系统，在这之中直接扩频和跳频方式是使用比较多的。正常情形，跳频通讯系统主要应用于军事通信中对抗故意干扰，也在卫星通讯中用于保密通信，民用技术一般使用直接扩频通讯技术。扩频技术的发展前景现在，在军民通信两个领域扩频通讯技术都得到了很大的应用，比方说扩频通讯测距，CDMA 系统，卫星通讯，数字水印技术，电力线通信等各个领域。从扩频通讯技术的历史上不难发现，每一次技术上的大突破基本是迫于巨大的需求。放眼未来的发展趋势，军事通讯抗干扰的推动和个人通讯业务的推动，必将使扩频技术的抗干扰性能和码分多址能力得到更大限度的挖掘 8。同时，
18、扩频通讯技术渐渐的与其他相关技术相合作来实现通讯系统的整合优化，例如超宽带技术，多载波调制技术和软件无线电技术等等 8。1.2 课题研究意义要想实现比较严格的同步，在通讯系统中可能是一个难题，在扩频通讯系统中也很明显。在扩频通讯系统中，要想得到解扩的理想结果，一定要对 PN码实施同步，就是说要在接收端生成一个与发送端严格同步的 PN 码，并能够跟随 PN 码的变化而变化。PN 码同步主要有两个阶段，一个是捕捉，另一个是同步，就是粗同步和细同步。现在的研发主要集中于 PN 码的捕获，尤其是低性噪比，高动态，高速情形下实现 PN 码的快速捕捉是最近研发的一个难点 9。在这之前应用的大部分是串行捕捉
19、方式，这样的方案完成比较容易，但捕捉时间需要很多。而现在大规模集成电路的应用能够实现并行捕捉，不过系统所需的复杂程度会有很大的提高，自然硬件成本也会随之变高。所以，现在的研发目标是取得一种平衡，是捕获时间与系统复杂度的一种平衡。本设计想要弄清楚的就是对直序扩频的 PN 码捕获方案的分析。- 7 -第二章 基于匹配滤波的基带扩频信号捕捉系统的基础理论2.1 基带扩频的基本原理2.1.1 m 序列的基本知识m 序列是伪随机周期序列的简称。它主要由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。由于 PN 序列产生不难、周期性强、稳定性好性能，在扩频通讯系统中非常受欢迎。如图 1 所示，
20、二进制线性反馈移位寄存器可以生成 PN 码序列。PN 码序列大部分由 n 个串联的寄存器或者移位脉冲产生器以及乘法器构成。 图中第i 级移存器的状态 ai 表示，ai=1 或 ai=0，i 为整数。反馈线的连接状态用系数 ci表示，ci 若等于 1 表示此线接通（参加反馈），ci 若为 0 表示此线断开 10。因为反馈的存在，移存器一般输入的信息会受到一定的控制。很容易发现，若初始状态都取为“0”,则移位后得到的码元全为“0”，所以出现全“0”状态是错误的情况，又因为 n 级移位寄存器共有 2n-1 种可能的不同情形，除全“0”状态外，剩下 2n-1 种状态是正常状态。每移位一次，就出现一种不
21、一样的状态，在移位很多次之后，就会发现出现了相同的状态，可见 PN 码序列是一种周期序列。反馈线存在的位置不一样会生成不同的周期序列，我们希望找到线性反馈的位置，能使移存器产生的序列最长，即达到周期 P=2n-1。若与图中线路连接一致，可以写为： n1i12 1 i-0-2- n . ninnnn acaccacac该式称为递推方程图 1 线性反馈移位寄存器- 8 -前面已经说过，ci 的值意味着 PN 码序列的结构和序列值。现在将它用下列方程表示： niinxcxcxccxf 0210 .这一方程称为特征多项式。式中 xi 只是说明系数 ci 的值（1 或 0），x 本身的取值没有实际的意义
22、，也不需要知道 x 的值。比方说，如果特征方程是 f(x)=1+x+x3 则它仅表示 x0,x1 和 x3 的系数 c0=c1=c4=1,其余为零。经严格证明：只要知道本源多项式就可以得到 PN 码序列的全部状况。m 序列的基本性质如下：(1)周期性：PN 码序列寄存器的级数决定了它的序列长度, p=2 n-1(2)平衡特性：m 序列中 0 和 1 的个数接近相等；m 序列中并没有全 0 的状态，所以 1 码比 0 码要多。(3)游程特性：m 序列中长度为 1 的游程约占游程总数的 1/2，长度为 2 的游程约占游程总数的 1/22 ,长度为 3 的游程约占游程总数的 1/23 11(4)线性
23、叠加性：m 序列和其移位后的序列进行异或，所得到的序列还是 m序列，只是初始状态不同。(5)二值自相关特性：码元位数越长 PN 码的性能越好。2.1.2 直接扩频相关原理直接序列扩频（DSSS），（Direct seqcuence spread spectrdm）是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的 PN 码（伪噪声码）进行摸二加 12。例如说在发射端将“1“用 11000100110，而将“0“用 00110010110去代替，这个过程
24、就实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是 11000100110 就恢复成“1“ 是 00110010110 就恢复成“0“，这就是解扩。这样信源速率就被提高了 11 倍，同时也使处理增益达到 10dB 以上，从而有效地提高了整机倍噪比 12。直接序列扩频的优点：直扩系统射频带宽很宽，小部分频谱衰落不会使信号频谱严重衰落多径干扰是由于电波传播过程中遇到各种反射体（高山，建筑物）引- 9 -起，使接受端接受信号产生失真，导致码间串扰，引起噪音增加。而直扩系统可以利用这些干扰能量提高系统的性能 12。直扩系统除了一般通信系统所要求的同步以外，还必须完成伪随机码的同步，以便接受机用此同步后的伪随
25、机码去对接受信号进行相关解扩。直扩系统随着伪随机码字的加长，要求的同步精度也就高，因而同步时间就长 12。直扩和跳频系统都有很强的保密性能。对于直扩系统而言，射频带宽很宽，谱密度很低，甚至淹没在噪音中，就很难检查到信号的存在。由于直扩信号的频谱密度很低，直扩系统对其它系统的影响就很小 12。直扩系统一般采用相干解调解扩，其调制方式多采用 BPSK、DPSK、QPSK、MPSK 等调制方式 12。而跳频方式由于频率不断变化、频率的驻留时间内都要完成一次载波同步，随着跳频频率的增加，要求的同步时间就越短 12。因此跳频多采用非相干解调，采用的解调方式多为 FSK 或 ASK，从性能上看，直扩系统利
26、用了频率和相位的信息，性能优于跳频 12。直接序列（DS-Direct Sequence）扩频系统，就是利用 PN 码序列直接对等待传输的数据信息作频谱扩展构成的通讯系统。在发送端，用频率很高的 PN码序列直接对待传数据信息进行扩频通讯调制，获得扩频码，扩频码再经载波调制获得射频信号，经天线辐射出去 12。 （射频：频率为 33000MHz 的无线电波微波，在此范围内的电波可以用天线辐射出去; CDMA 1.8GHz 2.4GHz ;GSM 900MHz）在接收端，把射频信号解调得到扩频信号，然后由接收端产生与发送端严格同步的相同 PN 码序列去相关解扩，经过低通滤波码元判决后，得到发送端信源
27、码的信息。- 10 -不难发现，大部分的扩频通讯系统都要经过二次调制和对应的解调。一次调制为扩频调制，经过第二次的调制称作载波调制，以及相应的相关的解扩和载波解调。与一般通讯系统比较，扩频通信系统就是多了扩频调制和相关解扩部分。扩频系统的特征：（1）信号的频谱被展宽了系统所占的带宽相对于基带信号带宽来说要大的多。且系统占有带宽与基带信号带宽无关，仅取决于 PN 码速率。大家都清楚，信息的传递离不开带宽资源。比方说人类的话音的信息带宽为 300Hz 3400Hz，电视图像等多媒体信息带宽为 6MHz 左右。为了增加频谱的利用率和更为高效的传输，一般来说会选取尽可能合适和相当的带宽。通常的无线通信系统，传输信号的带宽都与所传信息的带宽是相比拟的，与原始信息带宽有关 13。而扩频通信系统的传输信号带宽与基带信号带宽无关，而由扩频码速率决定 13。（2）利用 PN 码序列调制的方式使信号的频谱展宽
