扩频码同步
ZigBee技术概述
ZigBee技术概述1ZigBee技术简介 (1)2 ZigBee结构 (2)2.1物理层 (2)2.2 MAC层 (4)2.3 网络层 (6)2.4 应用层 (7)1ZigBee技术简介ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低成本、低传输速率的具有统一技术标准的短距离无线通信技术，符合IEEE 802.5.4标准，主要适用于工业、家庭自动控制以及远程控制领域，目的是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制。
ZigBee技术并不是完全独有、全新的标准。
它的物理层、MAC层采用了IEEE 802.15.4(无线个人区域网)协议标准，并在此基础上进行了完善和扩展。
其网络层、应用会聚层和高层应用规范由ZigBee联盟进行了制定。
根据IEEE 802.15.4协议标准，ZigBee的工作频段分为3个频段，这3个工作频段相距较大，而且在各频段上的信道数目不同，因而，在该项技术标准中，各频段上的调制方式和传输速率不同。
它们分别为868MHz、915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz频段上，分为16个信道，该频段为全球通用的工业、科学、医学(ISM)频段，且该频段为免付款、免申请的无线电频段，在该频段上，数据传输速率为250kbPs，另外两个频段为868/915MHz，其相应的信道数分别为10个信道和1个信道，传输速率分别为40kbPs和20kbPs。
在网络性能上，ZigBee设备可构造星型网络或者点对点网络，在每一个ZigBee组成的无线网络内，连续地址码分为16bit短地址或者64bit长地址，可容纳的最大网络设备个数分别为216个和264个，具有较大的网络容量。
在无线通信技术上，采用免冲突多载波信道接入(CSMA/CA)方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证数据传输的可靠性，建立了完整的应答通信协议。
ZigBee设备为低功耗设备，其发射功率为，通信距离为30-70m，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可自动调整发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。
卫星信道下低速扩频信号的快速同步
二 维搜索 … 。该 方案 不 需 要进 行 载 波频 率 扫描 ， 捕
０ 引言
直接序 列 扩频 广 泛 应用 于 军事 卫 星通 信 ， 为 作
获 时 间短 ， 在载 波频偏 较大 时 ， 关 长度只能 取得 但 相 比较短 （ 应 的 ＦＴ 相 Ｆ ｒ的点 数 就 要 求 比较 多 ） 因此 ， ＦＴ Ｆ ｒ的计 算 占用较 多 的硬件 资 源 。而且 由于一 般要
器 资 源。扩 频码 同步后 的载 波快 速恢 复是另一 个难 点 。不管 采用 哪 种码 捕 获 方 案 ， 频 码 同步 后 的载 扩
会采用 较低 的信息速 率 （ ２４ｋｐ） 如 ． ｂｓ和较 大 的扩 频 比（ １ ２） 如 ４ 。从 通信 传输安 全 的角度考 虑 ， ０ 希望 同 步 时间越短越 好 ； 另一 方面 ， 但 由于 信 息 速率 很 低 ， 而且卫 星信道 通 常又 存 在较 大 的多 普 勒频 移 ， 频 扩 信号 的快速 同步 非常 困难 。 为 了实现 大 载波频 偏情况 下低 速扩 频信号 的快 速捕获 ， 以采用 全相 关 匹配 结合 载 波 频 率 扫描 的 可
维普资讯
信 息传 输与接 入技 术
卫星信道下低速扩频信号的快速 同步
吴 果 ， 王艳 君 ， 申富 潘
（ 中国电子科技 集 团公 司第 ５ ４研 究所， 北 石 家庄 ０ ０ ８ ） 河 ５ ０ １
摘 要：提 出一种适合 于卫星信 道下低速扩频信 号的快速同步方案。在 高速 时钟的驱动 下， 用抽 头数远 小于扩 利
ｐ ａ ｅ ｌｃ —ｏ ｐ ｉ ｓｄ ｆｒｃ ｒｉｒｔ ｃ ｉｇ． Ｃａｃ ｌｔ ｎ ａ ｄ ｓｍｕａｉｎ ｒ ｓｌｓｓ ｏ ｔ ａ ｅ ｍｅｈ ｄ ｐ ｐ ｓ ｄ ｉ ｅ ｓｂｅ． ｈ ｓ —ｏ ｋ ｌｏ ｓ ｕ ｅ ａｒｅ ｒ ｋｎ ｏ ａ ｌｕ ａｉ ｉ ｌｔ ｅ ｕｔ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｔｏ ｒ ｏ ｅ ｓｆａ ｉｌ ｏ ｎ ｏ ｈ ｏ Ｋ ｅ ｒ ｓ：ａｅｌｅ ｃ ｍｍｕ ｉａｉｎ；ｓ ｒａ ｐ ｃｒｍ ； ｏ ｅ ａ ｑｕｓｔｏ ｃ ｒｉｒｒｃ ｖ ｒ ｙ ｗｏ ｄ ｓ ｔｌｉ ｏ ｔ ｎｃ ｔ ｏ ｐｅ ｄ ｓ ｅ ｔｕ ｃ ｄ ｃ ｉｉｉｎ； ａｒｅ ｅ ｏ ｅｙ
移动通信 实验 解扩实验
实验十二解扩实验一．实验目的：1、通过本实验掌握载波已调信号m序列解扩原理及方法，掌握解扩前后信号在时域及频域上的变化。
2、通过本实验掌握载波已调信号GOLD序列解扩原理及方法，掌握解扩前后信号在时域及频域上的变化。
二．实验内容：1、观察解扩时本地扩频码与扩频时扩频码的同步情况。
2、观察已调信号在解扩前后的频域变化。
三．基本原理：m序列解扩的是在接收到的RF信号上进行的，其实解扩的原理很简单，即用一个与发送端完全相同的m序列与接收到的信号直接相乘就可以完成信号的解扩，两个m序列的相位必须一致，即接收端产生的m序列必须进行捕获和跟踪，以使其速率和相位与发送端m序列保持一致。
四．实验原理：1、实验模块简介（1）CDMA发送模块：本模块的主要功能：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，可输出两条不同扩频码信号。
（2）CDMA接收模块：本模块的主要功能：完成10.7MHz射频信号的选频放大，当本地扩频码设置为与发送端扩频码相同时，可完成扩频码的捕获及跟踪，进而完成射频信号的解扩。
（3）IQ调制解调模块：本模块的主要功能：产生调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、扩频后的PSK已调信号分为三路送入CDMA接收模块中，分别与结婚搜模块中产生的m序列的超前、同相、滞后序列相乘。
在扩频码没有捕获到时，同相支路的捕获输出为低电平，扣码电路工作，每周期扣掉1/4个码元，使发送端和接收端的两个PN序列产生相对滑动，当滑动到两个序列的相位差小于一个码元时，电平，扣码电路停止工作，系统进入跟踪状态。
此时超前-滞后支路产生的复合相关特性出现，经低通滤波后控制VCO，使收发端PN序列完全同步，此后跟踪过程一直存在，维持PN序列的同步。
PN码同相支路的相乘信号经带通滤波后即为解扩后的信号。
该信号时一个基带信元的PSK调制信号，扩频码调制部分已经被去除。
扩频通信原理
扩频通信原理
扩频通信原理是一种通过将信号扩展到较宽的频带上来实现传输的通信技术。
它在信号传输过程中引入了一个称为扩频码的伪随机序列，在发送端和接收端之间进行同步和解扩，从而实现高速、抗干扰的通信。
扩频通信原理的基本思想是将待发送的数据信号与一个伪随机序列进行逐位运算，将数据信号“扩展”到一个较宽的频带上。
在发送端，通过调制将扩频信号转换为高频信号，然后经过通道传输到接收端。
在接收端，通过解调将接收到的高频信号转换回扩频信号，然后与接收到的伪随机序列进行逐位运算，得到原始的数据信号。
扩频码是扩频通信的核心技术之一。
它是一个具有良好相关性和随机性质的序列，它的周期非常长，一般比数据信号的周期长几倍甚至几十倍以上。
在发送端，通过将每个数据位与扩频码的对应位进行逻辑运算，实现数据信号的扩展。
在接收端，通过将接收到的扩频信号与扩频码进行逻辑运算，将信号恢复为原始的数据信号。
扩频通信原理具有以下几个重要特点。
首先，采用扩频码来扩展信号，增加了信号传输的抗干扰能力，有效抑制了窄带干扰。
其次，扩频信号在频谱上呈现宽带信号的特性，使得信号在传输过程中具有较好的传播性能。
再次，多用户之间可以共享同一频率资源进行通信，从而提高了频率资源的利用率。
最后，扩频通信还具有高安全性的特点，由于扩频码的随机性质，非法窃听者很难获取到有效的信息。
总之，扩频通信原理通过引入扩频码，将信号扩展到较宽的频带上，具有高速、抗干扰、多用户共享和高安全性等特点。
这种通信技术在无线通信、卫星通信、局域网和军事通信等领域得到了广泛的应用。
PN码的概念
PN码的概念：1.CDMA系统中的PN码同步原理发射机和接收机采用高精确度和高稳定度的时钟频率源，以保证频率和相位的稳定性。
但在实际应用中，存在许多事先无法估计的不确定因素，如收发时钟不稳定、发射时刻不确定、信道传输时延及干扰等，尤其在移动通信中，这些不确定因素都有随机性，不能预先补偿，只能通过同步系统消除。
因此，在CDMA 扩频通信中，同步系统必不可少。
PN码序列同步是扩频系统特有的，也是扩频技术中的难点。
CDMA系统要求接收机的本地伪随机码与接收到的PN码在结构、频率和相位上完全一致，否则就不能正常接收所发送的信息，接收到的只是一片噪声。
若实现了收发同步但不能保持同步，也无法准确可靠地获取所发送的信息数据。
因此，PN码序列的同步是CDMA扩频通信的关键技术。
CDMA系统中的PN码同步过程分为PN码捕获（精同步）和PN码跟踪（细同步）两部分。
PN码捕获是精调本地PN码的频率和相位，使本地产生的PN码与接收到的PN码间定时误差小于1个码片间隔T c，可采用基于滑动相关的串行捕获方案或基于时延估计问题的并行捕获方案。
PN 码跟踪则自动调整本地码相位，进一步缩小定时误差，使之小于码片间隔的几分之一，达到本地码与接收PN码频率和相位精确同步。
典型的PN 码跟踪环路分基于迟早门定时误差检测器的延迟锁定环及τ抖动环两种。
(学电脑)接收信号经宽带滤波器后，在乘地器中与本地PN码进行相关运算。
捕获器件调整压控时钟源，用以调整PN码发生器产生的本地PN码序列的频率和相位，捕获有用信号。
一旦捕获到有用信号，启动跟踪器件，用以调整压控钟源，使本地PN码发生器与外来信号保持精确同步。
如果由于某种原因引起失步，则重新开始新一轮捕获和跟踪。
同步过程包含捕获和跟踪两个阶段闭环的自动控制和调整。
2.PN码序列捕获PN码序列捕获指接收机在开始接收扩频信号时，选择和调整接收机的本地扩频PN序列相位，使它与发送的扩频PN序列相位基本一致，即接收机捕捉发送的扩频PN序列相位，也称为扩频PN序列的初始同步。
基于FPGA的直序扩频系统的同步设计
Ｚｈ ｎ ａ ｇＢｏａ ｔｏ，ＭａＹａ ｎ’ｅ ｉｉｎ，Ｈｕ Ｇｕ ｎ ｕ ，Ｌ Ｊａ ａｈ ａ，ＸｉｇＬ ｉ ｎ ｅ
（ｎｔｕｅ ｆ ｉ ａＣ ｐ ｒ ｇａｄＰｏｅｓ ｇＴ ｃｎ ｌｇ ， ｒ ｉ ｒｔ ｏ Ｃ ｉａ ａ ｕｎ０ ０ ５， ｉａ Ｉｓｔｔ ｏ Ｓｇ ｌ ａｔｉ ｒｃｓｎ ｅｈ ｏ ｙＮｏｔ Ｕｎｖ ｓｙ ｆ ｈｎ， ｉ ａ， ０ １ ｉ ｎ ｕ ｎ ｎ ｉ ｏ ｈ ｅ ｉ Ｔ ｙ ３ Ｃｈｎ ）
称粗 同步 ） ，主要是捕获伪码 。接收饥在一开始并不知道对
２ １８ ｏ１ ．
方是否发送 了信号 ，因此需要有一个搜捕过程 ； 其次是同
则其输 出波形为 ：
０
步跟踪 （ 又称精同步 ） ，一旦完成捕获后，则进入跟踪过程 ，
即继续保持同步 ，不因外界影响而失去同步 圈 。
（ ＝ （ （ ＝Ｉ （ Ｔ ） ＝ ｆ ｓ）言
扩频通信技术因为具有较强的抗干扰 、抗 噪声 、抗 多
能进行解调。接收机著要把伪码扩展的信号解 出，接收方
就必须能产生一个 与发方一样的伪码序 列 （ 保证最大相关
值） ，而且该本 地伪码速 率 、相 位要 与接 收到 的伪 码保持
一
径衰 落能力 、较好 的保 密性 、较 强的多址能力和高精度测 量等优 点，在军事抗干扰 和个 人通信 业务 中得到 了很大 的
发展 。在扩频 系统 中 ，对扩频码 的同步捕获又是一项关键
的技 术 ，近 年 来 受 到 了广 泛 的 关 注 和研 究 。
致 。对于约定好的收 、发方 用同一个 伪码很容易办到 ，
但 是 ，如果要 从解 扩相关器 中得到传送的信息 ，仅仅保证
一
样 的码型是远远不够的 ，因为即使相 同的伪随机码 ，当
现代无线通信原理：第四章 多址技术(2018)
带宽的比值来近似估算系统的扩频处理增益，
GP =
B F
4.1.1 扩频通信理论基础
iHale Waihona Puke 例2 有一个扩展频谱通信系统，信号扩频后带宽为20MHz， 原始基带信号带宽为20KHz，则系统的扩频处理增益为GP?
Gp＝10 lg[20 106(20 103)]=30 (dB)。
4.1.2 扩频通信方法
◼ 目前，最基本的展宽频谱的方法有三种
2
e
1.44
令x = S/(N0B)，代入上式得
lim C
B→
=
S N0
lim
B→
N0B S
log2 (1+
S )
N0 B
=
S N0
log2
e
= 1.44
S 极限值
N0
◼上式表明，保持S／N0一定，即使增加信号带宽B→ ，信 道容量C也是有限的。原因是当信号带宽B→ 时，噪声功率 N也趋于无穷大。
4.1.1 扩频通信理论基础
S )
N0 B
4.1.1 扩频通信理论基础
由香农定理可以得到如下结论：
1) 增大信号功率S可以增加信道容量，从而增加了信息传输
的极限速率Ri。若信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于无
穷大，即
lim
S→
C
=
lim
S→
B log2 (1+
S )
N0B
→
2) 减小噪声功率N（或减小噪声功率谱密度N0）可以增加信 道容量，若噪声功率趋于0（或噪声功率谱密度N0趋于0），则 信道容量趋于无穷大，即
4.1.3 跳频系统（4）
◼ 接收端必须以同样的伪码置定本地频率合成器，使 其与发端的频率作相同的改变，即收发跳频必须同 步，这样，才能保证通信的建立。解决同步及定时 是实际跳频系统的一个关键问题。
CDMA扩频通信系统实验
实验七、CDMA扩频通信系统实验一、实验目的通过本实验将扩频解扩的单元实验串起来，让学生建立起CDMA通信系统的概念，了解CDMA通信系统的组成及特性。
二、实验内容1、搭建CDMA扩频通信系统。
2、观察CDMA扩频通信系统各部分信号。
3、观察两路信号码分多址及其选址。
三、基本原理扩频通信的理论基础是香农于1948年发表的《A Mathematical Theory of Communication》一文，即著名的信息论。
香农信息论中有关信道的理论容量公式为：式（20-1）也被称为香农定理，其中为信道容量，单位为bps；为信道带宽（也被称为系统带宽）；为信噪比（dB）。
式（20-1）给出了在给定信噪比和没有误码的情况下信道的理论容量与该信道带宽的关系。
从这个公式还可以得出也重要的结论：对于给定的信息传输速率，可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输。
换言之，信噪比和信道带宽可以互换。
扩频通信系统正是利用这一理论，将信道带宽扩展许多倍以换取信噪比上的好处，增强了系统的抗干扰能力。
图20-1 典型的扩频通信系统模型一个典型的扩频通信系统框图如图20-1所示。
由图20-1可以看出，扩频通信系统主要由原始信息、信源编译码、信道编译码（差错控制）、载波调制与解调、扩频调制与解扩和信道六大部分组成。
信源编码的目的是减小信息的冗余度，提高信道的传输效率。
信道编码（差错控制）的目的是增加信息在信道传输轴格的冗余度，使其具有检错或纠错能力，提高信道传输质量。
调制部分的目的是使经过信道编码后的符号能在适当的频段传输，通常使用的数字信号调制方式为振幅键控、移频键控、移相键控，在码分多址移动通信中使用QPSK和OQPSK都是PSK的改进型。
扩频通信和解扩是为了提高系统的抗干扰能力而进行的信号频谱展宽和还原。
可见，与传统通信系统相比较，该系统模型中多了扩频和解扩两个部分，经过解扩，在信道中传输的是一个宽带的低谱密度的信号。
扩频通信系统按扩频方式的不同，分为以下四种类型：◆ 直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DS-SS）◆ 跳频扩频（Frequency Hopping Spread Spectrum，FH-SS）◆ 跳时扩频（Time Hopping Spread Spectrum，TH-SS）直接序列扩频系统采用高码速率的直接序列（Direct Sequence，DS），伪随机码在发端进行扩频，在收端用相同的码序列去进行解扩，然后将展宽的扩频信号还原成原始信息。
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8.2 PN码捕获与跟踪
基于匹配滤波器的并行PN码捕获
原理框图
x(k)
z1 z1
z1 z1
..... z1
c1
c2
c3
..... cN
y(k)
8.2 PN码捕获与跟踪
➢对扩频信号以2倍码片速率采样并将其输入 到移位寄存器。 ➢移位寄存器中信号与本地扩频序列相乘后再 相加，得到两个序列的相关值。 ➢相关值与门限值比较判决是否达到同步。 并行捕获: 每一个码片内都能得到相关值
8.2 PN码捕获与跟踪
基带延迟锁相PN码跟踪环（DLL）
原理框图
Tc / 2
输入基带信号
误差
环路
提取
滤波
本地码发生器
捕捉获得时延
时钟单元
解扩输出
8.2 PN码捕获与跟踪
鉴相器 改造PN码自相关函数 RPN ( )得到误差信号
ez RPN RPN
Tc 表示超前、滞后相关器延迟时间
8.2 PN码捕获与跟踪
PN码捕获 使本地 PN码与接收信号中的 PN码相位对齐
PN码跟踪 使两个序列的相位误差更小 且能保持高精度的相位对齐
8.2 PN码捕获与跟踪
PN码捕获
基于相关器的串行捕获
原理框图
积分清除
( )2
I路输入
c ' t
积分清除
( )2
Q路输入
门限
yt 判决
PN码发生器
8.3 全数字非相干延迟锁相环
➢二元误差值经序贯滤波1后，输出增／减 控制信号，控制增减二分频电路插/扣脉冲， 调整PN码相位，但不能使误差为0； ➢本环路再将滤波1输出的增／减控制信号 再经过滤波2，由滤波2输出的增／减控制 信号，调整NCO时钟，使其误差为0。
生器的相位与输入序列对齐。
8.3 全数字非相干延迟锁相环
结构图
采样量化
r(t) D
1 N1
N n mod N 0
1 N1
N nmodN0
PN 码产生
+ 2
ek
符号 检测
-
门限 判决
2
序贯滤波器1 序贯滤波器2
累加
DCO
初值
脉冲增减 NCO 二分频
分频
8.3 全数字非相干延迟锁相环
原理
➢ 超前、滞后鉴相得多比特误差信号，门 限判决将其转成超前／滞后二元误差值。 ➢数字序贯滤波器可增、减计数，对门限 判决后产生的超前／滞后脉冲作向上／向 下计数。当其计数值超过某数值时，输出 脉冲增／减控制信号并复位。
8.1 扩频系统同步概述
扩频通信 传输信息带宽远大于传输该信息所需 要的最小带宽
扩频通信的优点 保密性好、低截获概率、抗干扰 抗多径效应、多址能力强
8.1 扩频系统同步概述
直扩系统的同步 PN码（扩频码）同步、载波同步、帧同步
跳频系统的同步 参考时钟法 收发双方跳频图案同步跳变，各用户预先 约定好控制频率合成器的 PN码和频率表。 匹配滤波法
判决值只与接收信号中的PN码 ct
和本地产生 PN码 c' t 的相关程度有关
与载波频偏无关
8.2 PN码捕获与跟踪
➢当判决值大于门限值，认为已捕获。 ➢否则本地时钟控制扣除一个序列生成时钟 周期，使本地PN 码相位调整一个码片位移， 进行下一符号周期的关运算与判决。 串行捕获: 在一个符号内接收PN 码与本 地PN 码作相关运算，捕获时间长。
时钟控制
8.2 PN码捕获与跟踪
设 Q支路输入 btctsin t I 支路输入 btctcos t
式中 ct 为接收信号中的PN码
c' t 为本地产生的 PN码
b(t)为数据序列， 为载波频偏
8.2 PN码捕获与跟踪
判决器的输入信号
yt btctc' t 2 sin2 Δωt cos2 Δωt ctc' t 2
2
Tc 为码片周期
8.2 PN码捕获与跟踪
鉴相特性曲线
eL
RPN
(
TC 2
)
eE
RPN
(
TC 2
)
eL-eE
TC 2
0 TC 2
8.2 PN码捕获与跟踪
工作原理
➢接收序列分别移位
Tc 2
和 Tc 后与本地
2
序列经迟、早相关器得到环路误差信号
➢误差信号经环路滤波器后形成控制信号
➢控制信号控制本地时钟，使本地序列发