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1、实验十一 直接序列扩频实验11一、 实验目的1、通过本实验掌握基带信号 m 序列扩频原理及方法，掌握扩频前后信号在时域及频域上的变化。2、通过本实验掌握基带信号 Gold 序列扩频原理及方法，掌握扩频前后信号在时域及频域上的变化。二、 实验内容1、观察扩频前后信息码的时域变化。2、观察扩频前后信息码的频域变化。3、观察已调信号在扩频前后的频域变化。三、 基本原理扩展频谱通信系统是指将待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展成为宽频带信号后送入信道中传输，在接收端利用相应手段将信号解压缩，从而获取传输信息的通信系统。也就是说在传输同样信息时所需的射频带宽，远比我们已熟知的各种调制方式要求的带宽要
2、宽得多。扩频带宽至少是信息带宽的几十倍甚至几万倍。这一定义包括以下三方面的意思：（1）信号频谱被展宽了。在常规通信中，为了提高频率利用率，通常都是采用大体相当带宽的信号来传输信息，即在无线电通信中射频信号的带宽和所传信息的带宽是属于同一个数量级的，但扩频通信的信号带宽与信息带宽之比则高达1001000，属于宽带通信，原因是为了提高通信的抗干扰能力，这是扩频通信的基本思想和理论依据。扩频通信系统扩展的频谱越宽，处理增益越高，抗干扰能力就越强。（2）采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。由信号理论知道，脉冲信号宽度越窄，其频谱就越宽，信号的频带宽度和脉冲宽度近似成反比，因此，所传信息被越窄的脉冲
3、序列调制，则可产生很宽频带的信号。扩频码序列就是很窄的脉冲序列。（3）在接收端用与发送端完全相同的扩频码序列来进行解扩。扩频技术的理论依据定性的讨论有以下几点：首先，扩频技术的理论基础可用香农信道容量公式来描述： )/1(log2NSWC式中：C 为信道容量；W 为系统传输带宽；S/N 为传输系统的信噪比。该公式表明，在高斯信道中当传输系统的信噪比 S/N 下降时，可用增加系统传输带宽W 的办法来保持信道容量 C 不变。对于任意给定的信噪比可以用增大传输带宽来获得较低的信息差错率。扩频技术正是利用这一原理，用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目的。故在相同的信噪比条件下，具有较强的
4、抗噪声干扰的能力。常用的扩展频谱方式可分为：a、直接序列扩频 CDMA（DS-CDMA）：用待传信息信号与高速率的伪随机码序列相乘后，去控制射频信号的某个参量而扩展频谱。b、跳频扩频 CDMA（FH-CDMA）：数字信息与二进制伪随机码序列模二相加后，去离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变。c、跳时扩频 CDMA（TH-CDMA）：跳时是用伪随机码序列来启闭信号的发射时刻和持续时间。发射信号的“有” 、 “无”同伪随机序列一样是伪随机的。d、混合式：由以上三种基本扩频方式中的两种或多种结合起来，便构成了一些混合扩频体制，如 FH/DS，DS/TH ，FH/
5、TH 等。1、m 序列扩频实验按照伪随机 m 序列的定义有： m2 31=7，即它可以由最简单的 3 节移位寄存器产生。其生成多项式为 。7 位 m 序列产生器如图 11-1 所示，其周期 m=7。21fx001x2x1 1 0 1 01图 11-1 7 位 m 序列产生器将图中 0、1 序列转换成实值序列： ，即有下列对应关系1 0()Zi， 若 为， 若 为10101-1-1-1-1不考虑多径传输的影响，则 7 位码每移一位可供一个用户做地址码，这样可提供 7 个用户，分别为：C 0=（1 1 1 1 1 1 1） ，C 1=（1 1 1 1 1 1 1） ，C 2=（1 1 1 1 1
6、1 1） ，C 3=（1 1 1 1 1 1 1） ，C 4=（1 1 1 1 1 1 1） ，C5=（1 1 1 1 1 1 1） ，C 6=（1 1 1 1 1 1 1） ，C 7=（1 1 1 1 1 1 1）= C0。若用上述 7 位码进行扩频，其扩频前后的波形图如图 11-2 所示。m=2 31=7 序列的自相关函数波形如图 11-3 所示-1-1-1-11-1-11 0信信 信信信 信图 11-2 7 位码扩频前后的波形图2031456789101213415- -17()R 图 11-3 m=231=7 序列的自相关函数图形扩频后性能分析有效性性能：扩频后频带扩展 7 倍，直接有
7、效性下降 7 倍，但是若不考虑实际多径影响，7 位扩频码每错开一位可供一个新用户，共可供 7 个用户，这正好抵消了扩展频带的7 倍下降位。但实际上必须要考虑多径影响，这时有效性能会下降可靠性性能：根据伪码自相关特性，当码位对齐时可以将 7 位伪码信号能量累加起来增加 7 倍，码位不对齐时均下降至1。若采用自相关接收，其接收门限可定在 3.5V 上（假设信号电平均归一化为 1V） ，然而若不扩频，接收信号的门限值只能定在 0.5V 上，两者相比，扩频后抗干扰能力增加 倍。实际在扩频系统中，抗干扰的改善是与扩频成3.570正比的。图 11-4 和 11-5 分别是扩频前后 PSK 信号的频谱。图1
8、1-4 扩频前PSK 信号的频谱图11-5 扩频后PSK 信号的频谱信 道相 乘 解 调调 制 相 乘本 振PN码 PN码 相 干载 波信 息 码 元 信 息 码 元图11-6 直接序列扩频直接序列扩频通信的过程是将待传送的信息码元与伪随机序列相乘，在频域上将二者的频谱卷积，将信号的频谱展宽，展宽后的频谱呈窄带高斯特性，经载波调制之后发送出去。在接收端，一般首先恢复同步的伪随机码，将伪随机码与调制信号相乘，这样就得到经过信息码元调制的载波信号，再作载波同步，解调后得到信息码元。我们采用“扩频增益”G P 的概念来描述扩频系统抗干扰能力的优劣，其定义为解扩接收机输出信噪比与其输入信噪比的比值，即
9、： 输 入 信 噪 比输 出 信 噪 比PG它表示经扩频接收处理之后，使信号增强的同时抑制输入到接收机的干扰信号能力的大小，越大，则抗干扰能力愈强。在直接序列扩频通信系统中，扩频增益 GP 为：信 息 码 速 率扩 频 码 速 率lg10P2、Gold序列扩频实验应该说Gold序列扩频与m序列扩频的本质区别仅仅在于扩频码的不同，在前面我们已经提到过，虽然m序列有优良的自相关特性，但是使用 m序列作CDMA （码分多址）通信的地址码时，其主要问题是由m 序列组成的互相关特性好的互为优选的序列集很少，对于多址应用来说，可用的地址数太少了。而Gold序列具有良好的自、互相关特性，且地址数远远大于m序
10、列的地址数，结构简单，易于实现，在工程上特别是第三代移动通信系统中得到了广泛的应用。Gold序列是m序列的复合码，它是由两个码长相等、码时钟速率相同的m 序列优选对模二和构成的。其中m序列优选对是指在 m序列集中，其互相关函数最大值的绝对值最接近或达到互相关值下限（最小值）的一对m 序列。这里我们定义优选对为：设A是对应于n级本原多项式f（x）所产生的 m序列，B是对应于n级本原多项式g（x）所产生的m 序列，当他们的互相关函数满足：（11-1 ）12,()n4nabRk为 奇 数为 偶 数 ， 不 是 的 整 数 倍 数则f（x）和g（x）产生的m序列A 和B构成一对优选对。在Gold序列的
11、构造中，每改变两个m 序列相对位移就可得到一个新的Gold序列。当相对位移2 n1比特时，就可得到一族（2 n1）个Gold序列。再加上两个m序列，共有（2 n1）个Gold序列。由优选对模二和产生的Gold族2 n1个序列已不再是m序列，也不具有m序列的游程特性。但Gold 码族中任意两序列之间互相关函数都满足（11-1）式。四、 实验原理1、实验模块简介（1）CDMA 发送模块：本模块主要功能：产生 PN31 伪随机序列，将伪随机序列或外部输入的其它数字序列扩频，扩频增益为 32，扩频后输出码速率为 512kbps，可输出两路不同扩频码信号。（2）IQ 调制解调模块：本模块主要功能：产生调
12、制及解调用的正交载波；完成射频正交调制及小功率线性放大；完成射频信号正交解调。2、实验框图及电路说明乘法器二分频2 1 . 4 M晶振功放D A T A 1 I ND S 1 O U TC O S输出I - I N数字信源P N 3 1B P FD S 1差分编码P N 序列产生模 2 加CDMA 发送模块上产生的 PN 码（由 PN31 端输出） ，速率为 16K，作为信源输入进模块中（由 NRZ IN 端输入） 。模块内部产生 PN 序列（m 序列或 Gold 序列） ，速率为512K，作为扩频码，与输入信源模 2 加，完成扩频操作后输出，扩频增益为 32。五、 实验步骤（一）m 序列扩频
13、实验1、 在实验箱上正确安装 CDMA 发送模块（以下简称发送模块）及 IQ 调制解调模块（以下简称 IQ 模块） 。2、 关闭实验箱电源，用台阶插座线完成如下连接：源端口 目的端口 连线说明发送模块：PN31 发送模块：DATA1 IN 提供 PN31 伪随机序列发送模块：PN31 IQ 模块： I-IN 进行 PSK 调制3、 将发送模块上“GOLD1 SET ”拨码开关第一位置“1 ”，其他位置“0” （拨向下） 。4、 对比观察 m 序列扩频前后的信号波形、频谱a、示波器探头分别接发送模块上“DATA1 IN”测试点及该模块上“DS1”测试点，观察扩频前后信息码及扩频码的变化。 （示波
14、器释抑为 491.8ms492.0ms ）b、如果具备条件，可观察“DATA1 IN”测试点及“DS1 ”测试点的频谱及其变化情况。c、为避免扩频后信号带宽过大，在发送模块中将扩频后信号进行了限带滤波，测试点为“DS1 OUT” ，观察该点信号并与“DS1”测试点信号进行比较。5、 对比观察扩频前后的已调信号波形、频谱a、示波器探头接 IQ 模块调制单元上的“输出”测试点，观察未经扩频的 PSK 调制信号，如果条件具备，可观察此时的谱状况。b断开发送模块上“PN31”端与 IQ 模块上“I-IN”端连线，将发送模块上“DS1 OUT”端连到 IQ 模块上“I-IN”端。c、示波器探头接 IQ 模块调制单元上的“输出”测试点，观察扩频后的已调信号，如果条件具备，可观察此时的谱状况，并与扩频前的信号谱进行比较（二）GOLD 序列扩频实验a、保持上面实验步骤 2 的连线不变，将发送模块上“GOLD1 SET”拨码开关 2-8 位拨为任意非全 0 二进制数， （向上拨为 1，向下拨为 0） 。b、重复 m 序列扩频实验步骤的 4、5 的实验内容。六、参考实验连线及测试曲线5.a 未经扩频的 PSK 调制信号：IQ 调 制CDMA 发 送5.c 扩频后的已调信号：DS1out：扩频前：扩频后：重复 4a重复 4c重复 5a 未经扩频的 PSK 调制信号：重复 5c 扩频后的已调信号：
