第1章擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)

1、第1章擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)第1章擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)，曾興雯等，西安電子科技大學(xué)出版社擴(kuò)頻通信，田日才，清華大學(xué)出版社CDMAg；動(dòng)通信技術(shù)，孫立新等，人民郵電出版社CDMAT頻通信原理，維特比（Viterbi），人民郵電出版社第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線增強(qiáng)技術(shù)，王江舟，電子工業(yè)出版社輔導(dǎo)：梁紅玉，星期二下午3:00-5:00,七教四樓通信教研室第一章擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)一、基本概念由通信原理數(shù)字調(diào)制（ASK，F(xiàn)SK，PSK等）知：信號(hào)占據(jù)頻帶：是頻移間隔，調(diào)制符號(hào)速率）話首PCM編碼速率為：話首歸結(jié)窄帶調(diào)制方式而擴(kuò)展頻譜通信（spreadspectrumcommunicatio

2、n簡(jiǎn)稱擴(kuò)頻通信）其信號(hào)占據(jù)的帶寬（幾百幾萬(wàn)）（調(diào)制帶寬：幾MHz幾十MHz）寬帶調(diào)制方式目前甚至出現(xiàn)同分布的中心極限定理幾百M(fèi)hz幾GHz超寬帶調(diào)制方式相互獨(dú)立，服從同一分布，具有數(shù)學(xué)期望和方差：則對(duì)任意的，有概率分布函數(shù)）正態(tài)分布！模2加運(yùn)算在擴(kuò)頻處理中經(jīng)常用到的運(yùn)算：模二加aba.二進(jìn)制運(yùn)算一一a,b是二進(jìn)制符號(hào)b.運(yùn)算后進(jìn)行MOD2b理一一相加的結(jié)果除以2取余數(shù)例：11=0;10=1;01=1；00=0；經(jīng)常在實(shí)際信號(hào)波形幅度中用1表示“1”，用1表示“0”，可以對(duì)應(yīng)為：1x-1=+1；-1x+1=-1；+1x-1=-1；+1x+1=+1；3.噪聲)高斯白噪聲單邊功率譜密度，雙邊功率譜密

3、度帶寬B后噪聲功率為“白”一一從功率譜密度角度，在頻帶范圍內(nèi)功率譜密度是一個(gè)常數(shù)“高斯”根據(jù)中心極限定理，其電壓幅度應(yīng)服從正態(tài)分布p(v)=其中v為v的均值，b為的方差。對(duì)于白噪聲v=0,均方差就是方差b=N0B，理想“白噪聲”是指帶寬2)白噪聲的自相關(guān)函數(shù)對(duì)理想白噪聲Sn(f)=1+8N0jd3?-82n2=0B(r)21+j出Ted3單位脈沖函數(shù)其中B(p)=Rv(r)=基帶頻限帶白噪聲(白噪聲通過(guò)低通濾波器)Rv(r)=N0fLc.sin(2nfLr)2TtfLr中頻(射頻)限帶白噪聲Rv(r)=N0fLShannon公式：sin（2ttfLr）cos（2nf0p）2nfLr問(wèn)：寬帶的優(yōu)

4、勢(shì)何在？按常規(guī)的理解，在一定可用頻段內(nèi)，寬帶使傳輸容量減??？依據(jù)：Shannon定理，1948年提出，定義為對(duì)于高斯白噪聲信道，通信系統(tǒng)極限的傳輸速率（又稱為信道容量）為：與容量之間的互換關(guān)系。（bps或b/s）C信道可傳輸?shù)男畔⑺俾剩忍芈?；B傳輸帶寬，傳輸符號(hào)頻譜所占據(jù)的信道頻帶寬度；S信號(hào)的平均功率N高斯白噪聲平均功率公式確定了C與B,S/N之間互換關(guān)系a.C不變，增大B，可在任意小差錯(cuò)率下降低對(duì)S/N的要求說(shuō)明增大B提高了抗干擾能力Pb.S/N不變，增大B增大C但不是無(wú)限制的。限制C的增大c.編碼調(diào)制是增大B，解決互換的最佳方式二.數(shù)字編碼調(diào)制，提高了編碼速率一一調(diào)制信號(hào)帶寬，可得C極

5、限值從而在C一定條件下，實(shí)現(xiàn)了B與S/N間的較理想互換。而非編碼調(diào)制，如：AMFM擴(kuò)頻調(diào)制就是一種編碼調(diào)制d.擴(kuò)頻抗干擾的理論解釋是信息符號(hào)周期，是擴(kuò)頻后帶寬，是符號(hào)信噪比。在誤符號(hào)率不變條件下，擴(kuò)頻系統(tǒng)組成模型從框圖中可以看出擴(kuò)頻系統(tǒng)仍然是一個(gè)相關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)?！皵U(kuò)頻碼解擴(kuò)”和“解調(diào)”兩部分可以組成一個(gè)完成的本地相關(guān)檢測(cè)模板波形（匹配濾波器）區(qū)別：傳輸相同符號(hào)速率條件下，擴(kuò)頻信號(hào)占用的帶寬更大一致性：可以看作統(tǒng)一的匹配濾波檢測(cè)。推而廣之，在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，包括均衡算法，多用戶檢測(cè)算法等目的都是為了獲得更好的“相關(guān)”（匹配）效果。擴(kuò)頻通信特點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)：有強(qiáng)對(duì)抗人為干擾，窄帶干擾的能力抗干擾能

6、力用擴(kuò)頻增益來(lái)衡量多址復(fù)用能力：用不同擴(kuò)頻碼做地址碼一一碼分多址CDMA組網(wǎng)靈活，適用于戰(zhàn)術(shù)通信與移動(dòng)通信低功率譜，保密性強(qiáng)：寬帶譜，類似白噪聲一一難測(cè)參數(shù)擴(kuò)頻碼還有加密的功能d.抗多徑，抗衰落e.數(shù)模兼容可傳數(shù)字和模擬信號(hào)系統(tǒng)分類a.直接序列擴(kuò)頻DS（DirectSequence）b.跳頻FH（FrequencyHopping）c.跳時(shí)TH（TimeHopping）d.線性調(diào)頻Chirpe組合方式TH/DS,FH/DS,FH/TH等二直接序列擴(kuò)頻（DS）簡(jiǎn)言之：將待傳數(shù)字信息用偽隨機(jī)碼序列（PN碼）序列擴(kuò)展成寬帶信號(hào)，收端再用相同的PN序列對(duì)接收的擴(kuò)頻信號(hào)作相關(guān)解擴(kuò)，恢復(fù)成原信息。數(shù)學(xué)模型為

7、：1發(fā)送：換的數(shù)字信號(hào)：PCM，?M符號(hào)周期寬度，符號(hào)速率偽隨機(jī)碼序列：（注意這里一般用雙極性波形），設(shè)，偽碼周期為，是方波，也是門函數(shù)，偽碼速率，信息符號(hào)“方波波形相乘等效于二進(jìn)制碼的“模二加”一射頻調(diào)制：BPSKMSK，QPSK等）頻譜/功率譜擴(kuò)展情況功率譜推導(dǎo)：設(shè)功率譜關(guān)系（和相互獨(dú)立，）：周期長(zhǎng)歸一化：的PN序列，其自相關(guān)函數(shù)為BPSK調(diào)制的自相關(guān)函數(shù)：有用信號(hào)信道噪聲干擾信號(hào)用戶干擾本地偽碼序列，與發(fā)送PN序列同步，有同步時(shí)差其中有用信號(hào)：只要滿足偽碼同步（PN碼相同，時(shí)間起點(diǎn)對(duì)齊），則有再經(jīng)過(guò)相干解調(diào)：在滿足載波同步和相位同步條件下：基帶濾波此過(guò)程波形圖見(jiàn)圖2-6對(duì)于噪聲與干擾解擴(kuò)

8、與基帶濾波噪聲：解擴(kuò)中：為寬帶擴(kuò)頻信號(hào)，能量擴(kuò)散輸寬帶噪聲變?yōu)槌鰪?qiáng)度（基帶濾波）倍（基帶濾波，解擴(kuò)未帶來(lái)新噪聲）解擴(kuò)輸出，強(qiáng)度至少下降（多用戶間偽碼不相關(guān)3處理增益與干擾容限衡量系統(tǒng)抗干擾能力處理增益（或擴(kuò)頻增益）由于：定義：接收相關(guān)處理的輸出與輸入信噪功率之比。，假定：解擴(kuò)已取得偽碼同步，相關(guān)處理前后信號(hào)功率不變對(duì)于窄帶干擾輸入干擾功率帶寬為，解擴(kuò)前后干擾總功率不變，只是譜密度下降為（被“擴(kuò)頻”了）從而有：而（基帶濾波輸出的結(jié)果），有：對(duì)：解擴(kuò)無(wú)作用，不能改變?cè)肼暪β首V密度（），基帶濾波后：對(duì)用戶干擾，多徑干擾等的分析，根據(jù)擴(kuò)頻序列的互相關(guān)和自相關(guān)性能的不同，會(huì)得到不同的，但一般有從以上分析

9、可知：提高目前一般受碼發(fā)生器電路碼速率限制目前國(guó)內(nèi)100Mb/s國(guó)外幾百M(fèi)b/s,超高速代價(jià)貴，成本高,PCM話首編碼，碼速率為若采用語(yǔ)音壓縮技術(shù)（線性預(yù)測(cè)編碼，矢量量化編碼等）可達(dá),從而使大大提高通過(guò)采用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方法降低符號(hào)速率，如QPSK,16QAM等例：增大3dB增大8dB相對(duì)而言：降低花費(fèi)代價(jià)較增大要小干擾容限：保證系統(tǒng)正常工作（即滿足輸出信噪比要求），接收機(jī)輸入端許可的干擾信號(hào)比有用信號(hào)高出的分貝數(shù)，即系統(tǒng)對(duì)的要求。定義系統(tǒng)內(nèi)部損耗，設(shè)計(jì)中：要求滿足允許的例如：一擴(kuò)頻系統(tǒng)，則擴(kuò)頻對(duì)白噪聲無(wú)抑制作用對(duì)：對(duì)解擴(kuò)無(wú)作用，不能改變?cè)肼暪β首V密度（）擴(kuò)頻增加帶寬倍，從而相對(duì)與窄帶系統(tǒng)，其

10、輸入噪聲也增加了系統(tǒng)正常檢測(cè)工作（目標(biāo)誤碼率），要求的輸出信噪比以相同信息速率，相同信息BIT能量下，擴(kuò)頻系統(tǒng)解擴(kuò)后的中頻SNR與非擴(kuò)頻系統(tǒng)（窄帶）中頻SNR一樣先引入噪聲后將引入的噪聲消除！擴(kuò)頻系統(tǒng)在更低的信噪比條件下工作：相同信息速率，信號(hào)功率條件下，輸入SNR更低（引入了寬帶噪聲）信息論角度：BER與的關(guān)系沒(méi)變只和信息能量和噪聲譜有關(guān)系統(tǒng)中，高速傳送（a）頻帶更寬頻帶受限系統(tǒng)不可行（b）技術(shù)難度加大需要高速器件而軟擴(kuò)頻一一可降低擴(kuò)頻前，保證高速傳送仍滿足要求實(shí)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換后，為信碼組合中狀態(tài)對(duì)應(yīng)為PN碼序列。所以：軟擴(kuò)頻一種（N,k正交碼正交碼擴(kuò)頻N擴(kuò)頻碼的長(zhǎng)度k信碼組長(zhǎng)度，2k擴(kuò)頻

11、碼序列的個(gè)數(shù)顯然：擴(kuò)頻前符號(hào)速率降低為，而信息速率仍然為美國(guó)的JTIDS擴(kuò)頻系統(tǒng)，軟擴(kuò)頻用（32,5）編碼，意味著若采用DS系統(tǒng)，其若采用軟擴(kuò)頻（N,5）碼，則在不變條件下，提高到（5位并行碼單路32個(gè)正交碼；5路并行擴(kuò)頻5個(gè)正交碼，合并為一路時(shí)也成為32個(gè)正交碼（Gold碼）在IS-95B中實(shí)現(xiàn)無(wú)線快速數(shù)據(jù)信道是采用多路正交碼調(diào)制后合并傳送一路數(shù)據(jù)但也是利用了偽隨機(jī)碼的自相關(guān)和互相關(guān)特性，擴(kuò)頻處理增益一一自相關(guān)特性，正交碼代表不同符號(hào)（組）一一互相關(guān)特性。三、跳頻（FH）用偽碼控制信息調(diào)制的射頻或載波頻率，使之不斷地、隨機(jī)地在一定頻帶范圍內(nèi)發(fā)生跳變。跳變頻率數(shù)可在N（幾千220個(gè)）中隨機(jī)選取

12、，如圖：B1最小跳頻間隔通常設(shè)射頻帶寬組成：符號(hào)速率）一一保證相鄰頻點(diǎn)上信息調(diào)制譜互不重疊，N可跳頻點(diǎn)數(shù)在DS中，擴(kuò)頻碼一次用1bit，F(xiàn)H中，kbit對(duì)應(yīng)1個(gè)載波頻率，對(duì)應(yīng)個(gè)跳變頻率，組成跳頻圖案，如：發(fā)端：信息調(diào)制信號(hào)跳頻載波，設(shè)在時(shí)刻，時(shí)間間隔內(nèi)：在跳頻點(diǎn)上的駐留時(shí)間與本地跳頻載波相乘，去諧波項(xiàng)，可得：某跳頻點(diǎn)中心頻率，若與頻率跳變同步，滿足（固定中頻）（信息調(diào)制帶寬）解跳起著解擴(kuò)同等作用，把帶寬還原為窄帶一一抑制干擾和噪聲。跳頻增益：要指出：跳頻同步無(wú)法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致故發(fā)端同步受不能用相干解調(diào)多為非相干FSK方式解調(diào)時(shí)可以不管的BPSK方式，舉例不妥）為固定頻率干擾只可能與N個(gè)頻率中1個(gè)差為

13、中頻，造成一個(gè)頻率碰撞一一干擾概率，即：不同網(wǎng)絡(luò)用戶的跳頻圖案不可能與相同受：寬帶噪聲解跳后變?yōu)檎瓗О自肼曨l帶壓縮N倍有關(guān)進(jìn)一步內(nèi)容，如快跳、慢跳、多個(gè)窄帶干擾射中多個(gè)跳頻等內(nèi)容在下章詳細(xì)介紹。TH)將數(shù)據(jù)碼一幀持續(xù)時(shí)間分成若干時(shí)隙，由偽碼產(chǎn)生的跳時(shí)圖案控制在某個(gè)時(shí)隙，將一幀數(shù)據(jù)猝發(fā)出去如：占空比=由于發(fā)送猝發(fā)性，需緩沖存儲(chǔ)器暫存輸入信碼（一幀）顯然，干擾只有干擾某一時(shí)隙可能性，干擾概率為D（也是猝發(fā)性干擾）跳時(shí)增益：缺點(diǎn)：對(duì)定時(shí)同步太嚴(yán)格，對(duì)連續(xù)型窄帶干擾需要采用濾波等方法去除五、混合擴(kuò)頻系統(tǒng)1）FH/DS如圖為收發(fā)信機(jī)組成：一般：PN碼系統(tǒng)特點(diǎn)：抗干擾能力提高對(duì)于單純DS而言：抗單頻瞄準(zhǔn)式

14、干擾能力差有遠(yuǎn)近效應(yīng)干擾（由于干擾源距離造成的接收端干擾幅度的不同，即使發(fā)射相同干擾功率也無(wú)法解決）收1距發(fā)1遠(yuǎn)收1距發(fā)2近這樣，收1收到干擾電平（發(fā)2的）遠(yuǎn)大于有用信號(hào)電平（發(fā)1的）對(duì)于單純FH而言：抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾能力差，抗多徑能力差兩者結(jié)合：FH無(wú)遠(yuǎn)近效應(yīng)干擾（可躲避發(fā)2頻率），DS可彌補(bǔ)FH抗多徑和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的不足簡(jiǎn)化設(shè)備、降低技術(shù)難度例如：要求的DS系統(tǒng)，在下單純DS.而FH/DS.同等都降低技術(shù)難度，2）TH/DS系統(tǒng)在DS系統(tǒng)中增加一個(gè)人通短開(kāi)關(guān)來(lái)控制DS信號(hào)發(fā)射時(shí)隙即可組成（n-r）條線（n-r）條線從n級(jí)偽碼發(fā)生器選出（n-r）級(jí)的狀態(tài)并行輸至與門，當(dāng)（n-r）級(jí)狀態(tài)全為1時(shí)，與門輸出觸發(fā)脈沖控制信號(hào)發(fā)射，而（n-r）級(jí)全“1”態(tài)是隨機(jī)的，在偽碼一個(gè)周期內(nèi)共有次a.對(duì)強(qiáng)的突發(fā)性干擾有“回避”功能設(shè)發(fā)射間隔為，跳時(shí)序列平均長(zhǎng)，則在某時(shí)刻突發(fā)干擾重合信號(hào)的概率為b