毕业论文：同频同相载波算法研究

毕业论文：同频同相载波算法研究

摘要
CDMA (Code Division Multiple Access) ，即码分多址移动通信，是一种先进的大容量无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。
在CDMA系统中，载波同步是最重要最根本的问题。同步过程一般包括初值估计和锁相环锁定两个部分。本文主要研究了同频同相载波的产生过程，采用差分相位算法和cross-dot算法，通过在MATLAB中搭建CDMA扩频通信系统，完成了载波同步的仿真，并对两种算法进行了比较，得出在同等条件下cross-dot算法的频偏估计性能优于差分相位算法的结论。
关键词：CDMA 扩频技术 载波同步 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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术非常类似。
1.2本论文的主要工作
本论文的主要工作是完成CDMA通信系统载波同步的初始频偏估计算法的设计，并利用matlab软件对该同步算法进行仿真，比较不同算法得到的估计频偏的精度,以确定两种算法性能的优劣。
本论文共分五章。第一章介绍本论文的研究背景和主要工作。第二章介绍CDMA系统的原理和结构。第三章介绍载波同步及其相关知识并引入两种频偏估计算法。第四章介绍仿真方法以及对仿真结果进行分析。第五章作出总结展望。

第二章CDMA通信系统的结构和原理
2.1系统原理
Shannon定理指出：在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限传输速率（或称信道容量）为
（2-1）
式中：B为信号带宽；S为信号平均功率；N为噪声功率。
若白噪声的功率谱密度为 ，噪声功率N= ，则信道容量C可表示为
（2-2）
由上式可以看出，B、 、S确定后，信道容量C就确定了。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，通过编码，信源的信息能以任意小的差错概率通过信道传输。为使信源产生的信息以尽可能高的信息速率通过信道，提高信道容量是人们所期望的。
由Shannon公式可以看出：
要增加系统的信息传输速率，则要求增加信道容量。增加信道容量的方法可以通过增加传输信号带宽B，或增加信噪比S/N来实现。由式（2-1）可知，B与C成正比，而C与S/N呈对数关系，因此，增加B比增加S/N更有效。
信道容量C为常数时，带宽B与信噪比S/N可以互换，即可以通过增加带宽B来降低系统对信噪比S/N的要求；也可以通过增加信号功率，降低信号带宽，这就为那些要求小的信号带宽的系统或对信号功率要求严格的系统找到了一个减小带宽或降低功率的有效途径。
当B增加到一定程度后，信道容量C不可能无限地增加。由式（2-1）可知，信道容量C与信号带宽成正比，增加B，势必会增加C但当B增加到一定程度后，C增加缓慢。由式（2-2）知，随着B的增加，由于噪声功率N= ，因而N也要增加，从而信噪比要下降，影响到C的增加。考虑极限情况，令B ，我们来看C的极限值。对式（2-2）两边取极限，有
（2-3）
考虑到极限
（2-4）
令 ，对式（2-3）有

故
（2-5）
由此可见，在信号功率S和噪声功率谱密度 一定时，信道容量C是有限的。
由上面的讨论，可以推导出信息速率R达到极限信息速率，即R= =C，且带宽 时，信道要求的最小信噪比 的值。 为码元能量， 由式（2-5）知

可得
（2-6）
由此可得信道要求的最小信噪比为


2.2发送端




图（2-1）发送端
图（2-1）为直扩系统的发送端框图。由信源输出的信号 是码元持续时间为 的信息流，伪随机码产生器产生的伪随机码为 ，每一伪随机码元宽度或Chip宽度为 。将信码 与伪随机码 进行模二加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样就得到已扩频调制的射频信号。
2.3接收端




(b)
图（2-2）接收端
图（2-2）为直扩系统的接收端框图。在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频后，用与发送端同步的伪随机码序列对中频的扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息序列 的频带，即为中频调制信号。然后再进行解调，恢复出所传输的信息 ，从而完成信息的传输。对于干扰信号和噪声而言，由于与伪随机序列不相关，在相关解调器作用下，相当于进行了一次扩频。干扰信号和噪声频谱被扩展后，其频谱密度降低，这样就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪比和信干比提高，从而提高了系统的抗干扰能力。

第三章系统的设计和实现
3.1码同步
根据扩频通信系统的框图，接收机在混频后要对输出的中频信号进行解扩，解扩的前提是本地PN码不仅要与发送的PN码相同，而且要同频同相，即码同步。由于收发双方的不稳定性、扩频序列的启动时差、电磁波传播时延等因素，接收机不能确定接收信号中扩频序列的起始相位，所以PN码同步的第一步是PN码的 捕获。捕获过程使本地PN码的定时误差控制在 Chip以内，所以捕获也叫“粗同步”；PN码同步的第二步是跟踪。跟踪使本地PN码的定时误差进一步缩小，一般来说可以缩小到 Chip内，因此PN码跟踪又叫“精细同步”。
由于本文研究的是载波同步中的频偏估计算法，因此我们姑且假定PN码同步已经实现，后续的研究均是基于这一假定之上。
3.2载波同步
在直扩系统中，根据系统框图，载波同步是在码同步完成之后来进行。在本系统中，码捕获之后本地扩频码与信号中的扩频码的相位差被减小到 1/4Chip之内，而码跟踪环使这种相差进一步减小在 1/32Chip之内。所以在进行载波相位估计以及频率估计时，可以认为伪码相差很小，完全对齐。
载波同步主要用于减小接收信号中残余的载波频偏和相偏，以提取输入信号中的载波，恢复出发送信息。一般说来，载波同步都是通过锁相环路闭环调整来实现，这其中可采用平方环，costas环等常用锁相环技术。对于载波的快速捕获，有很多辅助入锁方案，如频差较大的情况下可以使用扫频法、在移动的环境下如信噪比较高并且频率变化较快，自动频率控制(AFC)可以发挥较好的性能，变带宽法可以在锁相环路捕获过程中使用较宽带宽以利于频率快速入锁，而在频率入锁后将带宽变窄，减小噪声的影响，提高环路稳定性。由于全数字锁相环中存在记忆器件，我们可以用开环载波频率估值算法将频率估值直接置入该记忆器件，使锁相环从该估计的频率开始工作，以实现频率的快速捕获。具体的实现方法就是在载波同步开始工作时，先断开锁相环路，启动频率估值算法。当频率估值结束后，把估算得到的频率值置入记忆器件，此时闭合锁相环路。倘若频差估值足够精确，就可把锁相环的起始工作点置入快捕带或者是快捕带附近，从而实现载波频率的快速捕获。
3.3全数字锁相环



图（3-1）全数字锁相环框图
全数字锁相环的结构如图（3-1）所示。全数字锁相环的组成与传统环路构造方式完全一致，它仍然是由数字鉴相器、数字环路滤波器、数字压控振荡器3个部件组成的一个闭环负反馈相位控制系统，只不过它的局部或全部电路经数字化处理后，其运算和处理由连续信号模拟量变为离散信号数字量。
3.3.1奈奎斯特采样鉴相器
奈奎斯特采样鉴相器的框图如图（3-2）所示。
输入信号 误差信号

奈奎斯特采样脉冲 本振数字信号
图（3-2）奈奎斯特采样鉴相器组成框图
为了表示方便，设NCO输出的本振数字信号为 ，输入信号
其中 ，
输入信号经A/D采样后，第k个采样时刻采样量化后的数字信号为

对输入信号进行A/D变换的采样速率由带通信号奈奎斯特采样定理确定，但为防止信号频谱混叠并保证信号相位信息的有效抽取，采样速率一般选取前置带通滤波器的两倍带宽以上。
令 ， ，即 和 相乘后，经低通滤波器得到数字误差信号 ，式中
3.3.2数字环路滤波器
数字环路滤波器与模拟环路滤波器的作用一样，都是为了抑制高频分 ……（未完，全文共25802字，当前仅显示4640字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：同频同相载波算法研究》）