二維擴頻系統同步技術研究

摘 要：二維擴頻通信系統是近年來提出的新的擴頻通信方式，由于二維擴頻系統從時域和頻域上分別對數據信號進行頻譜擴展，因此他同時具有時域擴頻和頻率擴頻通信系統的特點。對于一個實際系統而言，同步是信號正確解調和恢復的前提。針對二維擴頻特殊的時頻域擴頻矩陣結構，提出廣義二維擴頻矩陣的時間同步算法：該算法將二維擴頻矩陣等效為一個一維時間序列，采用序貫捕獲的方法捕獲此時間序列的第一徑，從而完成二維擴頻矩陣的時間捕獲。該算法不需要在數據序列中插入循環前綴，因而減少了系統開銷，提高了帶寬利用率。同時，對其在瑞利衰落環境中的同步性能進行詳細的理論分析和推導。分析結果表明：該同步方法簡單，具有良好的同步性能。

關鍵詞：二維擴頻；同步技術；一維時間序列；時間捕獲

中圖分類號：TN914.42 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)06-137-04

Synchronization Technology Research of Two-Dimensional Spread Spectrum System

WANG Xiaojuan NIU Xiaomei2

(Huanghuai University，Zhumadian，463000，China)

Abstract：Recently，two-dimensional Spread Spectrum (2D-SS) system has drawn a lot of attention because of its full utilization of spreading characteristics in the frequency domain and time domain.Compared with Multicarrier Code Division Multiplex Access (MC-CDMA)，2D-SS system can effectively mitigate Multiple Access Interference (MAI) due to spreading in the time domain.As for a communication system in practical，synchronization should be firstly done at the receiver.This thesis，a method of time synchronization of 2D-SS system in multipath fading channels has been proposed.The detection probability and 1-alarm probability are analyzed and also the numerical results on condition of different normalized thresholds are presented.Results show that the serial acquisition needs no cyclic prefix and the spectral efficiency increases.Meanwhile，the synchronization algorithm in the DS-SS system can be used in 2D-SS system，and good synchronization performance can be obtained，with its algorithm simplified.

Keywords：two-dimensional spread spectrum；synchronization technology；ID time sequence；time capture

1 引 言

二維擴頻通信是近幾年提出的一種新的擴頻通信方式，二維擴頻系統分別在時域、頻域上對數據信號進行頻譜擴展，是傳統的時域擴頻、頻域擴頻的推廣。目前，對二維擴頻系統的研究尚淺。對一個實際通信系統而言，時間同步是一項重要的關鍵技術，因此對二維擴頻系統的同步算法及系統的同步性能的分析和研究將是十分有意義的工作。

2 二維擴頻通信系統模型

對于DS-CDMA系統而言，在時域上有分集，而在頻域上沒有分集能力，故只能通過信道編碼提高抗頻率選擇性衰落的性能。對于MC-CDMA系統而言，雖然他在頻域上有分集能力，具備良好的抗衰落性能，但是由于各個子載波在信道中經歷不同的衰落會降低頻域擴頻碼的正交性，因此其在實現頻率分集的同時，降低了他的多址能力。

2.1 傳統的二維擴頻技術

文獻[1，2]簡單的將DS-CDMA和MC-CDMA串連起來，形成二維擴頻技術，這種二維擴頻技術的基本原理如圖1所示。

在發射端，需要發射的原始數據b(t)首先在時域上用時域擴頻碼αi(i=1，2，…，N)擴頻，其中N為時域擴頻碼的長度。經過時域擴頻后的信號，每個碼片被復制成M路信號，每路信號跟頻域擴頻碼βj(j=1，2，…，M)中的一個碼片相乘，完成頻域擴頻。然后將信號進行IDFT變換，加上循環前綴(Cyclic Prefix，CP)，經過變換后，就完成了時域、頻域的二維擴頻。

接收端首先將接收到的數據進行A/D采樣，采樣信號經過時域頻域同步后，去掉循環前綴，然后進行DFT變化。經過DFT變化后的數據先后在頻域和時域中進行解調，完成二維解調，從而恢復出發射的信息b′(t)。

從上面分析的時頻二維擴頻的基本原理及其工作流程可以看出，這種二維擴頻系統的矩陣為：

顯然，這種二維擴頻矩陣，其中任兩列都是相關的，這個特性使得這種通信方法的信號容易被截獲，其抗干擾性能較弱，這些決定了這種二維擴頻方法在某些領域，如保密通信中的應用有很大的局限性。

圖1 傳統的二維擴頻原理圖

2.2 廣義二維擴頻技術

針對傳統的二維擴頻技術，文獻[3]提出了一種廣義的二維擴頻的系統模型，該模型和文獻[1，2]提出的系統模型相比更具有普遍性。廣義二維擴頻系統的功能由DS擴頻、離散多載波(Discrete Multi-Carrier，DMC)擴頻、IDFT共同完成。其中，DS擴頻為直接序列擴頻模塊，IDFT，DFT為逆離散傅里葉變換及離散傅里葉變換，CP為循環前綴，也稱為保護時隙(Guard Time，GT)。

圖2 時頻二維擴頻通信系統模型

文獻[3]通過分析，給出二維擴頻系統在存在加性噪聲情況下進行理論分析的一般方法，對二維擴頻系統的性能分析有一定的指導意義。由該文及文獻[1，2]的研究可看出：二維擴頻系統采用2組擴頻碼，充分利用了2種一維擴頻的特性，使系統有更大的處理增益和較好的抗衰落性能。但就三者相比較而言，文獻[3]所給出的二維擴頻矩陣的任意兩列是非相關的，因此具有更廣泛的應用前景。

3 現有同步技術

同步技術，在一個實際通信系統中有著極為重要的作用，他是接收機正確解調信息之前必須完成的工作。同步技術包括同步序列的捕獲和跟蹤兩個階段。捕獲又稱粗同步，對偽隨機序列的相位同步精度一般小于1個或12個偽碼碼片時長。利用PN序列實現捕獲是較為成熟的技術。

由于偽隨機序列良好的互相關性和自相關性能，在CDMA系統中將之作為地址碼。不同的用戶僅根據被調制的PN碼的不同加以區分，相互間共享同一寬頻資源。

根據PN碼的自相關性，使得接收端能夠從本地序列和接收序列的相關運算中獲得不同的相關值。接收機開始接收發送來的擴頻信號時，調整和選擇接收機的本地擴頻序列相位。當本地序列和接收擴頻信號序列的相位誤差在很小范圍之類時，得到的相關值較尖銳。同時通過設定特定的相關值門限，可以初步判斷接收端是否達到相位同步。這就是PN碼捕獲的基本原理。在實際系統中，都是通過類似的方法實現PN碼的同步。同時對于PN碼的捕獲，有3個基本要求：捕獲速度快、抗干擾能力強、電路簡單，易于實現。目前的捕獲方法可以分為：滑動相關法、匹配濾波法、串并行混合法、發射參考信號法和近年來的一些新技術。

4 二維擴頻矩陣同步算法研究

對一個實際通信系統而言，時間同步是一項重要的關鍵技術，因此對二維擴頻系統的同步算法及系統的同步性能的分析和研究將是十分有意義的工作。

5 結 語

對于一個實際通信系統而言，同步技術有著極為重要的作用，他是接收機首要完成的工作，是正確解調數據信息的前提。從直接擴頻系統中現有的一些典型同步算法入手，結合二維擴頻特殊的時頻域擴頻矩陣結構的特點，提出廣義二維擴頻矩陣的時間同步算法，并進行詳細的理論分析和研究。

該二維擴頻矩陣同步算法通過將二維擴頻矩陣等效為一個一維時間序列，采用DS-CDMA中的序貫捕獲的方法捕獲該時間序列的第一徑，從而完成二維擴頻矩陣捕獲的。同時，本章還得出了該算法的同步性能：捕獲概率和虛警概率。通過計算機驗證，比較不同歸一化門限條件下，系統的捕獲概率、虛警概率。

由于該算法不需要在數據序列中插入循環前綴，因而減少了系統開銷，提高了帶寬利用率。研究結果進一步表明：經映射后的二維擴頻系統同步方法簡單，同步性能良好。

參考文獻

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IEEE Trans.Commun.，1995，43(2/3/4)：565-573.

作者簡介

王曉涓 女，1977年出生，河南駐馬店人，講師，碩士。研究方向為通信網絡。

牛小梅 女，1976年出生，河南汝南人，講師。華中科技大學在讀碩士研究生。研究方向為通信與網絡。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。