基于m序列的直接序列擴頻CDMA通信系統的仿真研究

楊 梅，張志剛，曲仁秀

李滿華，陳 陽安徽工程大學現代教育技術中心，安徽 蕪湖 241000

基于m序列的直接序列擴頻CDMA通信系統的仿真研究

楊 梅，張志剛，曲仁秀

李滿華，陳 陽安徽工程大學現代教育技術中心，安徽 蕪湖 241000

CDMA擴頻通信的關鍵技術之一是采用擴頻序列，而擴頻碼序列的選擇就是構造不同結構的具有良好相關性的偽隨機序列來滿足DS-CDMA通信系統的要求。主要研究了直接序列擴頻CDMA通信系統的模型，并介紹了m序列的定義和相關性質，最后通過計算機仿真對該系統抑制正弦干擾的性能進行了分析。結果表明，在信噪比一定的情況下，誤碼率隨正弦干擾的振幅增加而減小。

擴頻通信；碼分多址; 直接序列擴頻; 偽隨機序列

數字擴頻通信技術最早起源和應用于軍事通信，隨著IS-95標準的頒布，擴頻通信技術逐漸廣泛地應用在移動通信和室內無線通信等各種商用應用系統，為用戶提供可靠通信[1]。而作為擴頻通信技術之一的直接序列擴頻在擴頻通信中應用最多，是技術最成熟的一種頻譜擴展方式，是目前應用最廣泛的擴頻系統[1]。下面，筆者主要研究的是直接序列擴頻CDMA通信系統。

1 直接序列擴頻CDMA通信系統

直接序列 (DS-Direct Sequence) 擴頻系統是直接用具有高碼率的擴頻碼序列在發端去擴展信號的頻譜，使信號帶寬遠大于原始信號帶寬[2]。碼分多址 (CDMA：Code-Division Multiple Access) 是采用各不相同的、相互正交的地址碼分配給不同用戶來調制信號，實現在同一信道上同時傳輸若干個信號。在接收端利用碼型的正交性，通過相關檢測從混合信號中選出相應的信號[3]。直接序列擴頻CDMA (DS-CDMA)通信系統，是用擴頻序列直接對所傳送信號作頻譜擴展構成的CDMA通信系統，其系統的基本結構如圖1所示。

圖1 直接序列擴頻CDMA通信系統的基本框圖

發送端的輸入和接收端的輸出均為二進制信息序列，其中信道編碼器和解碼器是數字通信系統的基本構成單元。在擴頻通信系統中除了這些單元外，還應用了2個相同的偽隨機序列發生器，分別作用在發送前端的擴頻調制與接收前端的擴頻解調。這2個序列發生器產生偽隨機噪聲 (PN) 二值序列，在調制端將傳送信號在頻域進行擴展，在解調端解擴該擴頻發送信號[1]。為了正確進行信號的擴頻解擴處理，接收機接收到信號后，通過碼同步電路捕捉發送來的PN碼的準確相位， 由此產生與發送來的PN碼相位完全一致的接收用PN碼，作為擴頻解調用的本地信號，以便準確恢復發送信息數據，完成接收。

在DS-CDMA通信系統中，其擴頻所采用的偽隨機碼須具有極寬且均勻的頻譜特性，這種偽隨機碼就叫做擴頻序列。其中最常用的有m序列和GOLD序列。筆者采用的是m序列，即最大長度線性反饋寄存器序列[1-2]。

2 m序列的定義及性質

m序列的序列長度為L=2m-1(bit, 比特)，由m級線性反饋移位寄存器生成，其結構如圖2所示。該序列是周期序列，其周期為L。每個周期包含2m-1個“1”和2m-1-1個“0”。

圖2 一般的m級線性反饋移位寄存器

m序列主要有偽隨機性、自相關特性和周期性等性質。隨機性表征如下：① 一個周期內“1”和“0”的位數僅相差1位；②一個周期內長度為l的游程 (連續為“0”或連續為“1”) 占1/2，長度為2的游程占1/4，長度3的游程占1/8；只有1個包含n個“1”的游程，也只有1個包含(n-1)個“0”的游程；③一個周期長的序列與其循環移位序列遠位比較，相同碼的位數與不相同碼的位數相差1位。

理想情況下，周期為L的m序列，若是具有元素 {-1，1} 的二進制序列，其周期自相關函數為：

(1)

式中，L很大，即對于較長的m序列，φ(j)的非峰值與峰值之比φ(j)/φ(0)=-1/L很小，而且從實用觀點來看，它是無關緊要的。因此，從自相關函數的角度來看，m序列的性能非常接近理想的偽隨機序列。

3 仿真研究與性能分析

筆者通過蒙特卡羅模型來觀察直接序列擴頻信號抑制正弦干擾的效果，系統模型如圖3所示。蒙特卡羅仿真次數為10000次，仿真試驗采用m=5的偽隨機序列作為擴頻序列。假設加性噪聲的方差是固定的。

首先由隨機發生器產生一系列二進制 (±1) 信息數據，每個信息比特重復Lc次，Lc對應于每個信息比特所包含的偽碼碼片數。包含每一比特Lc次重復的序列與另一個隨機發生器產生的PN序列c(n)相乘。然后在該序列上疊加方差為σ2=N0/2的正弦干擾i(n)=Asinω0n，其中0lt;ω0lt;π，且正弦干擾信號的振幅滿足條件Alt;Lc。解調器進行與PN序列的互相關運算，并且將組成各信息比特的Lc個樣本進行求和(即積分運算)。加法器的輸出送到判決器，將信號和門限值0進行比較，確定傳送的數據為+1還是-1，通過計數器來記錄判決器的錯判數目。

圖3 蒙特卡羅仿真的直接序列擴頻系統模型

圖4 DS-CDMA通信系統在不同振幅的正弦干擾下的誤碼率曲線

圖4中繪出了Lc=20時，在3個不同振幅正弦干擾下的誤碼率。從圖4中可以看出，隨著信噪比的增加，每條獨立的誤碼率曲線呈下降趨勢。而在信噪比一定的情況下，誤碼率隨著振幅的增加而減小。

4 結 語

DS-CDMA通信系統是目前應用最廣泛的擴頻系統，其擴頻碼的選擇極其重要。筆者采用m序列對不同用戶的信號進行擴頻調制和相關解調，通過仿真結果分析，可以體會到DS-CDMA通信系統具有良好的抗干擾性能，在未來的移動通信中具有決定性的應用前景。

[1] Proakis J G. 數字通信[M]. 第4版.張力軍 等譯. 北京：電子工業出版社, 2003.

[2] Masry E, Milstein L B. Performance of DS Spread Spectrum Receivers Employing Interference- suppression Filter under a Worst-Case Jamming Condition [J]. IEEE Transactions Communication, 1998,34:13-21.

[3] 孫立新. CDMA(碼分多址)移動通信技術 [M]. 北京：人民郵電出版社, 1996.

[4] Pickholtz R L, Milstein L B, Schilling D L. On Spread Spectrum for Mobile Communications [J]. IEEEE Transactions on Vehicular Technology, 1991, 40:313-322.

[編輯] 洪云飛

TN929.5

A

1673-1409(2012)05-N154-03

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.05.051

2012-02-25

安徽省高校省級自然科學研究項目(KJ2011Z030)；安徽工程大學青年科研基金資助項目(2010YQ051)。

楊梅(1983-)，女，2007年大學畢業，碩士，助理工程師，現主要從事電子技術基礎和通信信號處理方面的研究工作。