现代通信和导航系统的主要代码序列类型。参考数据

现代通信和导航系统的主要代码序列类型。参考数据

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本文介绍了现代通信和导航系统中使用的主要代码序列类型。给出的参数是从科学和实践的角度考虑的，并参考了该领域的现代研究。

在无线电工程信息传输系统中，伪随机码序列的选择非常重要，因为系统处理的增益、抗噪性和灵敏度取决于其参数。相同长度的码序列，系统参数可能不同。

使用复杂的类噪声信号的系统已经使用了 50 多年。类噪声信号的众所周知的优点，例如对大功率窄带干扰的高抗噪性、通过代码分离用户的可能性、传输的保密性、对多径传播的高抵抗力，甚至高分辨率雷达和导航测量，预先确定它们在各种通信系统中的用途。以及位置确定。

由于类噪声信号的哪些参数，它们的应用具有许多奇妙的特性，并且可以改进吗？

类噪声信号的特征

使用类噪声信号的系统的一个重要参数是处理增益。处理增益(BO)表示将接收机接收到的类噪声信号转换为所需信息信号时信噪比提高的程度。此过程称为压缩或解扩展。

根据经典定义，VO 等于：

VO \u10d XNUMX Lg [C_к /和_и]哪里

С_к- 伪随机序列码片的频率，码片/秒。

С_и- 信息传输速率，比特/秒。

根据这个定义，一个信息速率为 1 Mbps 和码片速率为 11 Mchips/sec 的系统（意味着每一位信息都用 11 位的伪随机序列编码）将具有 10,41 dB 的 RR。这一结果意味着，如果输入端的有用信号降低 10,41 dB，则信息传输系统的可操作性将保持相同的 BER。

在诸如 Arlan、Wavelan 等传统的商用类噪声无线电调制解调器中，最高优先级通常是信息传输速度，而不是隐身或抗噪性。由于美国联邦通信委员会 (FCC) 对此类设备的指令规定了 10 dB 的最小 VO 值，并且还分配了一个通道的最小允许带宽（这对芯片 C 的最大重复率施加了限制）_к)，则伪随机码序列的长度必须至少为每比特 11 个码片。如果我们将代码序列的长度增加到每比特 64 个码片（这是 Zilog 著名的 NPS Z87200 处理器的最大可能长度），那么在 11 Mchip/sec 的相同码片重复率下，处理增益将为 10Lg (64) = 18,06 dB ，信息传输率将下降 64/11 = 5,8 倍。

要在 NPS 系统中使用，代码序列必须具有一定的数学和其他属性，其中主要是非常好的自相关和互相关属性。此外，代码序列必须平衡良好，即其中的 XNUMX 和 XNUMX 的数量必须相差不超过一个字符。最后一个要求对于排除信息信号的恒定分量很重要。

DSSS 接收器将接收到的代码序列与其存储在内存中的精确副本进行比较。当它检测到它们之间的相关性时，它切换到信息接收模式，建立同步，并开始解码有用信息的操作。任何部分相关都可能导致误报和接收器中断，这就是代码序列必须具有良好相关特性的原因。更详细地考虑相关性的概念。

自相关和互相关函数

NPS 系统中使用的代码序列的相关属性取决于代码序列的类型、长度、符号的重复率以及逐个符号的结构。(1)。

通常，自相关函数 (ACF) 由积分确定：

Y (t ) = ∫f(t)f(t-t )dt

并显示信号与其自身副本的连接，时间偏移 τ。就建立错误同步的最低概率而言，ACF 的研究在选择代码序列方面起着重要作用。

另一方面，互相关函数（CCF）对于CDMA等码分系统非常重要，与CCF的区别仅在于积分符号下的函数不同，而不是相同的函数：

Y (t ) = ∫f(t)g(t-t )dt

因此，PCF 显示了一个代码序列与另一个代码序列的对应程度。为了简化 ACF 和 VKF 的概念，可以将特定函数的值表示为代码序列符号在逐个字符比较时匹配 A 和不匹配 B 的数量之差。为了说明这个例子，考虑一个 11 码片长的巴克码序列的自相关函数，它具有以下形式：

1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0

该序列与其自己的副本的逐个字符比较总结在一个表中。

移位值	序列	匹配数 A	错配数 B	差值
1	01110001001	5	6	-1
2	10111000100	5	6	-1
3	01011100010	5	6	-1
4	00101110001	5	6	-1
5	10010111000	5	6	-1
6	01001011100	5	6	-1
7	00100101110	5	6	-1
8	00010010111	5	6	-1
9	10001001011	5	6	-1
10	11000100101	5	6	-1
0	11100010010	11	0	11

此 Barker 序列的 ACF 的图形表示如图所示：

现代通信和导航系统的主要代码序列类型。 11-chip Barker 序列的 ACF

这种 ACF 可以称为理想的，因为它没有可能导致错误信号检测的侧峰。

作为一个反例，考虑任意代码序列，例如：

1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0

进行与上例对应的计算后，我们得到如下自相关函数的图形表示，如图所示：

现代通信和导航系统的主要代码序列类型。 ACF 序列 11100011100

如果使用这样的序列进行信号分配，7 和 3 单位的侧峰可能会导致系统误报。

对于用于信息传输但不用于用户代码分离的高速NPS系统，通常使用具有良好自相关特性的巴克码。在计算机模拟的帮助下，发现了所谓的 Willard 码 (2)，它与 Barker 码的长度相同，有时具有更好的相关性。长度超过 13 个符号的巴克码序列是未知的，因此，为了获得更大的 VO、更高的抗噪性以及用户的码分离，使用了更大长度的序列，其中很大一部分形成 M -序列。

M-序列

最著名的相移键控信号之一是其代码序列为最大长度序列或 M 序列的信号。为了构建 M 序列，通常使用给定长度的移位寄存器或延迟元件。 M序列的长度为2^N-1，其中 N 是移位寄存器位数。将放电输出连接到反馈电路的各种选项给出了一组特定的序列。

对于所有延迟值，M 序列的 ACF 均为 -1，但区域 0±1 除外，该区域的值从 -1 变化到值 2^N-一。此外，M 序列还有一个有趣的特性：每个序列的 1 比 XNUMX 多一个。 M序列的形成方法和特征有很多文献，这里不再赘述。

探索新 PRISM 芯片组的功能^TM Harris Semiconductor 对短 M 序列和 Barker 码进行了实际研究，以便从自相关函数 (3) 的角度找到最佳的。

作为本研究的一部分，分析了长度为 15 的 M 序列，其形式为：

111 1000 1001 1010

事实证明，它的自相关属性比以下形式的 13 个字符的 Barker 序列更差：

1 1111 0011 0101

M序列的ACF实战图如图：

现代通信和导航系统的主要代码序列类型。 15片M序列的ACF

为了比较，长度为 13 的巴克码序列的 ACF：

现代通信和导航系统的主要代码序列类型。长度为 13 的巴克码序列的 ACF

示波器时钟显示在照片的顶部。从照片中可以看出，M序列有几个大的侧峰，这会显着降低NPS系统的接收质量，有时会导致错误的信号检测。

进一步研究发现，如果将两个零添加到 13 个字符的巴克码序列中，则结果序列的 ACF

001 1111 0011 0101

将比描述的 M 序列的 ACF 好得多，后者也由 15 个符号组成。新获得序列的ACF：

现代通信和导航系统的主要代码序列类型。加 13 个零后的 2 个字符的巴克码序列的 ACF

因此，尽管零和一的平衡更好，但短 M 序列在自相关特性方面明显不如巴克序列。

在使用 M 序列的最著名的系统中，我们可以将移动通信系统命名为具有订户码分的 CDMA 和全球导航系统 GPS。 CDMA系统使用三个代码序列。其中第一个，用于同步所有设备的操作，具有可变长度 N ≈ (32÷131)10³ 人物。第二个M序列的最大长度N=2⁴²-1，用于从基站一侧识别用户站。第三个序列用于在基站和用户站之间传输有用的信息，是沃尔什序列之一。

Walsh 序列（Hadamard 矩阵的行或列作为它们）具有相互正交的特性。从数学的角度来看，正交性意味着在沃尔什序列之间没有时间偏移的情况下，它们的点积为零。从无线电工程的角度来看，这可以消除从基站到多个用户站的信息传输中的相互干扰，从而显着提高通信系统的吞吐量 (5)。正交性的这种优势仅在准确同步向所有用户的序列传输的情况下才会出现。 CDMA基站和用户站的精确同步主要在全球导航系统GPS的帮助下进行。除了 Walsh 序列，在通信系统中还使用了其他正交序列：Digilok 和 Stiffler 序列。

除了这样的M-序列之外，复合码序列已经在通信系统中得到应用，它是M-序列的组合并且具有一些特定的属性。其中最著名和最常用的是古尔德序列。 Gould 码序列是使用基于两个相同容量的移位寄存器的简单序列发生器形成的，并且相对于 M 序列具有两个优点。

首先，代码序列的生成器，建立在两个长度为 N 的移位寄存器的基础上，除了两个原始的 M 序列之外，还可以生成 N 多个长度为 2 的序列^N-1，即生成的码序列数显着扩大。

其次，可以选择古尔德码，使得从一个生成器接收到的所有码序列的 CCF 相同，并且其侧峰的值是有限的。

对于M序列，不能保证CCF的侧峰不会超过某个预定值。古尔德码序列用于全球导航系统，例如 GPS。所谓的“粗略”代码（C/A - 清除/获取）使用 1023 个符号的 Gould 序列，以 1,023 MHz 的时钟频率传输。军事和特种部队可以使用的精确码（P - precision）使用超长复合序列，重复周期为267天，时钟频率为10,23 MHz。除了古尔德的复合序列外，最常用的是卡萨米序列。

新技术

本文中提到的M-sequences、Gould's、Kasami's 序列是指具有线性形成算法的序列。这种序列的主要缺点是它们的可预测性以及与之相关的传输保密性的缺乏。非线性序列更不可预测。

最近，出现了许多关于利用动态混沌现象生成类噪声信号的出版物 (4)。动态混沌现象是指确定性动态系统在一定条件下的运动具有宽带混沌过程的所有性质。同时，描述这种现象的算法的基本特征是其非线性，而生成的时间过程的特征是其非周期性。这为寻找用于各种目的的无线电工程系统中使用的新型随机序列提供了可能性：宽带混沌SHCS信号，其在更大程度上满足伪随机序列的要求。

结论

第三代移动系统已经在国际欧洲计划的框架内开发，将使用由伪随机序列生成的宽带信号。特别是，由爱立信开发的WCDMA或宽带CDMA被选为UMTS（通用移动电信系统）的基本标准。已知有二十多个项目在某种程度上联合了世界上所有发达电信公司和领先大学，试图从不同角度解决未来全球通信问题 (6)。

显然，在遥远的未来，我们星球上的每个居民都将拥有自己的终端，该终端体积很小，并为其所有者提供所有可用类型的通信 - 从视频电话到访问全球信息系统。

并且很有可能在这样的系统中使用伪随机序列对用户进行代码分离。

文学

R.K.Dikson，宽带系统：每。来自英语/编。 VI. Zhuravleva.- M., Svyaz, 1979 .-304 p.
John Fakatselis, Madjid A.Belkerdid，直接序列扩频通信系统和 PRISM 的处理增益^TM. 应用笔记 9633，Harris Semiconductor，1996 年 XNUMX 月。
Carl Andren，直接序列扩频无线电的短 PN 序列。佛罗里达州棕榈湾的哈里斯半导体公司。 4 年 11 月 97 日。
V.Ya.Kislov 等人，动态混沌系统产生的类噪声信号的相关特性。 Fg 无线电工程和电子学，1997 年，第 42 卷，第 11 期，第 1341-1349 页。
N.I.Smirnov，S.F.Gorgadze，用户站的同步码分：有前途的一代个人通信系统。通信技术和手段。 4 年第 1998 号。
尤·M·戈尔诺斯塔耶夫。第三代移动系统。莫斯科，ICSTI。 3 年。

作者：Malygin Ivan Vladimirovich；出版物：library.espec.ws

查看其他文章 部分参考资料.

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