计算机与通信工程学院
基于第三代移动通信 中的M序列的研究
专业名称 班级学号 学生姓名 指导教师 设计时间
通信工程
2012.4.20
基于第三代移动通信中的M序列的研究
摘要：本文基于第三代移动通信中的M序列的研究，通过对M序列的产生和形成的原理以及对通信系统的影响，来了解M序列在第三代移动通信中的作用。
关键字：移动通信、扩频通信、M序列
1、引言
当前移动通信的发展正处于一个关键时期，新的业务和技术正不断涌现，客户的需求也在不断增长。同时，因特网迅速发展成为真正的超级信息高速公路。无线业务也在激增，很多企业开始利用数据联网和电信为客户服务。同时，电信，视频电话，语音信箱，无线寻呼，蜂窝电话，便携式计算机使得专业人士可以随时随地进行工作。移动和个人通信是新世纪创新和发展的重要驱动力。
目前，移动通信发展已经过了两代，第一代是模拟蜂窝移动通信网，时间跨度是上世纪70年代中期至80年代中期。其主要特点是采用频分复用(FDMA)模拟制式，语音信号为模拟调制。其典型代表为美国的MAPS系统(先进移动电话系统)和改进型系统TACS(总接入通信系统)等。第二代是以GMS和IS-95为代表的数字蜂窝移动通信系统，从上世纪80年代中期开始，至今仍在高速发展中。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但其频谱利用率低，业务种类受限，通话易被窃听，难以满足移动通信的发展。到了80年代中期，欧洲推出了泛欧数字移动通信网(GSM)的体系。随后，美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。第二代移动通信系统以传输话音和低速数据业务为目的，又称为窄带数字通信系统，其典型代表是美国的DAMPS系统、IS-95和欧洲的GSM系统。
由于第二代移动通信是以传输话音和低速数据业务为目的。为解决中速数据传输问题，又出现了2.5代的移动通信系统，如GPRS和IS-95B。由于网络的发展，数据和多媒体通信发展迅猛，所以第三代移动通信的目标是宽带通信，也就是扩频通信。
目前第三代移动通信系统主要有WCDMA、CDMA200O和TD-SCDMA三种技术体制，
1
如下表所示：
表1.1第三代移动通信的三种主要技术体制
扩频通信技术从40年代末期开始发展以来，从军事领域发展到商用民用，以其独有的技术优势，一直保持着强大的生命力。尤其是第三代移动通信的三大标准均采用了扩频通信技术，所以，扩频通信技术在未来的移动通信领域必将发挥更加重要的作用。而在扩频通信技术的研究中，伪随机序列的研究又是其重要组成部分。
2、扩频通信与扩频序列 2.1 扩频通信系统
扩展频谱通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，接收时再利用相应手段将其压缩，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宽得多。扩频带宽至少是信息带宽的几十倍甚至几万倍。信息已不再是决定调制信号带宽的重要因素，其调制信号的带宽主要由扩频函数来决定。扩频通信是一种应用广泛的通信手段，它具有抗干扰能力强、安全性高、抗衰落及抗多径性能好等优点.
扩频系统的基本原理由如图1.1所示
图1.1扩频通信系统原理图
2
在发射端输入的信息，先经过信息调制形成数字信号，然后由扩频发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以扩展信号的频谱，扩展以后的信号调制到射频发射出去。在收端接收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发射端相同的扩频码序列去解扩。最后经信息解调，恢复成原始信息输出。由此可见，一般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。在发射端，第一次为信息调制，第二次为扩频调制，第三次为射频调制，在接收端相应的为信息解调，解扩和射频解调。现有的扩频通信系统可以分为:直接序列扩频通信系统(DS-SS)，跳频扩频通信系统(FH-SS)，跳时扩频通信系统(TH-SS)以及混合扩频通信系统(如FH/DS,DS/TH,FH/TH等)。
扩频序列的研究开始于20世纪50年代，早在1955年，Golomb和Zierler就发表了关于最大度线性移位寄存器序列(m序列)的结果。具有良好伪随机特性和相关特性的扩频序列对扩频通信系统的性能具有决定性的作用。序列的相关性是评价序列性能的一个重要指标，在直接扩频系统中，常用的相关函数有周期相关函数，非周期相关函数以及奇相关函数。理想的扩频序列应该具有如下特性:自相关的边峰值和互相关值均为零，还必须有尽可能大的序列复杂度、序列平衡性。然而，具有理想特性的单码扩频序列经理论证明是不存在的。近半个世纪以来，经过人们的不断努力，扩频序列的研究己经取得了很多成果，并设计出了许多具有优良特性的序列。有许多专著已经对此进行了详细介绍。
通常采用的扩频方案有两种:一种是直接序列(Directse quence扩频技术;另一种是跳频(Frequency Hopping)扩频技术。扩频通信系统是靠扩频序列来区分不同用户的，所以，扩频序列的性能就决定了系统的抗干扰性能。对扩频码通常提出下列要求:
1.易于产生； 2.具有随机性；
3.扩频码应具有尽可能长的周期，使干扰者难以从扩频码的一小段去重建整个码序列；;
4.扩频码应具有双值自相关函数和良好的互相关特性，以有利于接收时的截获和跟踪，以及多用户应用。
根据Shannon信息论理论，用纯随机序列去扩展频谱是最理想的。但是，在
3
接收机中为了解扩应当有一个同发送端扩频码同步的副本。因此，实际上，我们只能用伪随机或伪噪声(PN)序列作为扩频码。伪随机序列具有貌似噪声的性质，但它又是有规律的，它应该是既容易产生，又可以加工复制的序列。
扩频码中应用最广的是m序列，又称最大长度序列。其它的还有Gold序列(Legebdre序列)和霍尔序列(孪生素数序列)等。在实际CDMA系统中，IS-95和CDMA2000系统的前向信道中使用Walsh序列，而WCDMA系统中采用正交可变扩频因子(Orthogonal Variable Spreading Factor,OVSF)序列。
目前对扩频通信伪随机序列的研究主要集中于二元伪随机序列，在CDMA系统中所使用的m序列，Gold序列等就是一种典型的二元伪随机序列。m序列是一种狭义的伪随机序列，具有优良的自相关特性但是，m序列的局限性在于其
数量有限，如9级移位寄存器产生的m序列共有48个，而满足彼此互相关峰值较低(33)的优选对只有12个。Gold序列是在m序列的基础上实现的，其数量远远超过m序列，但Gold序列具有不平衡性，使直接序列扩频(DS)系统漏载增大，将降低扩展频谱通信系统的保密、抗干扰和抗侦破等能力;而构造平衡Gold码又有很大局限性。Walsh码的自相关特性不好，旁瓣较大，其峰有时甚至和主峰一样高，这样不但不利于系统的同步，而且容易产生假同步。其后，又相继提出了GL序列族，DBCH序列，高忠雄(Kasami)序列族等，均有一定的使用价值。 2.2直接序列扩频通信系统的伪随机序列 2.2.1 m序列
m序列是最长线性移位寄存器序列，是由移位寄存器加反馈后形成的。m序列是伪随机序列中最重要的一种，其易于实现，有优良的自相关特性，在直扩通信系统中用于扩展要传递的信号。它的产生如图2-4反馈移位寄存器结构所示:
图2.1反馈移位寄存器结构
4