第三章擴頻通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)概論授課講師：周曉天山東大學信息科學與工程學院2014年3月29日第三章：擴頻通信系統(tǒng)擴頻通信系統(tǒng)擴頻通信技術的概念

定義

特點

原理

分類直接擴頻通信系統(tǒng)跳頻通信系統(tǒng)2擴頻通信的概念擴展頻譜的通信方式（SpreadSpectrum,SS），將信號以遠大于自身帶寬的射頻帶寬傳出。兩個帶寬：3信息帶寬信息實際所占據(jù)的帶寬射頻帶寬傳遞信號所使用的實際帶寬設信息帶寬為，射頻帶寬為，則有如下情況：，即射頻帶寬與信號帶寬可比較的情況下，稱為窄帶通信

，即射頻帶寬大于信號帶寬時，稱為寬帶通信

，即射頻帶寬遠大于信號帶寬時，稱為擴頻通信擴頻通信的特征發(fā)送信號所占帶寬遠大于原始信號帶寬是一種數(shù)字傳輸?shù)姆绞綌U頻是由高速碼元序列，通過編碼、調(diào)制載波完成的，這一過程與原始的信息數(shù)據(jù)無關在接收端解擴，是利用與發(fā)送擴頻信號同步的副本進行相關解調(diào)完成的4擴頻通信的原理---從信息論的觀點5當噪聲功率譜一定時，提升容量可從提升發(fā)送功率S、或提升系統(tǒng)帶寬B入手1.2.如果給定C，是否可以實現(xiàn)S、B的互換？每比特信息所占用時間擴頻通信的優(yōu)勢抗干擾能力強可有效抵抗人為干擾：窄帶干擾、寬帶干擾6PfPf擴頻后相關檢測后PfPf加入干擾濾波后用戶信號寬帶干擾窄帶干擾（瞄準式）fP擴頻通信的優(yōu)勢抗干擾能力強可有效抵抗信道乘性干擾：頻率選擇性衰落（分集接收）7fg123456窄帶信號保護間隔頻率選擇性信道擴頻信號22222f1g擴頻通信的優(yōu)勢可進行多址通信----CDMA將擴頻技術與（偽）正交編碼方法結合，可進行多址通信公用信道自動選呼，同頻同時使用資源干擾受限的系統(tǒng)移動臺不需要嚴格的同步（由地址碼的相關特性決定），可實現(xiàn)軟容量、小區(qū)呼吸（質(zhì)量與信道數(shù)的折中）頻帶利用率高（從多用戶同時占用頻帶傳輸?shù)慕嵌龋?Source:/primer.html擴頻通信的優(yōu)勢安全通信

信號功率的頻譜密度極低（低截獲系統(tǒng)，LPI，LowProbabilityofIntercept）數(shù)字通信系統(tǒng)，可以采用加密偽隨機地址碼，相關檢測若未知地址碼規(guī)律則只能解出噪聲有效對抗瞄準式干擾，無法完全封鎖通信9擴頻通信的優(yōu)勢綠色通信距離分辨率高信息傳輸方便靈活。。。10擴頻通信系統(tǒng)的類型11直接序列擴頻（DS,DirectSequencing）信息經(jīng)偽隨機序列編碼后直接對載波進行調(diào)制實現(xiàn)頻譜擴展。接收端利用相同的擴頻碼通過相關檢測還原原始信息。跳頻（FH，F(xiàn)requencyHopping）信息受偽隨機序列控制，快速在一個頻段上跳變，每次跳變占用的信道寬度為信息帶寬。接收端利用相同序列保證解調(diào)順序一致。跳時（TH，TimeHopping）信息受偽隨機序列控制，以突發(fā)形式隨機占用時隙傳輸，在時域上壓縮傳輸時間，實現(xiàn)擴頻。線性調(diào)頻擴頻（Chirp）在給定脈沖持續(xù)間隔，載頻線性的掃過一個很寬的頻帶混合擴頻DS/FH、FH/TH、。。。擴頻通信系統(tǒng)擴頻通信技術的概念直接擴頻通信系統(tǒng)

基本原理

發(fā)送接收設計

擴頻序列跳頻通信系統(tǒng)12直接擴頻系統(tǒng)-發(fā)送機13信源編碼擴頻調(diào)制射頻調(diào)制偽隨機序列信源產(chǎn)生二進制比特流經(jīng)過信道編碼后產(chǎn)生碼流（CodeSequence）

與偽隨機碼相乘進行擴頻調(diào)制，獲得碼片序列（ChipSequence）碼片序列進行數(shù)字調(diào)制，搬移到載波上，形成發(fā)送信號擴頻的過程又稱作二次調(diào)制直接擴頻系統(tǒng)-發(fā)送機14直接擴頻系統(tǒng)-發(fā)送機發(fā)送機的射頻調(diào)制15擴頻操作是通過高速率偽隨機碼與低速率編碼信息相乘完成的發(fā)送信號的射頻帶寬由偽隨機碼的速率決定直接擴頻系統(tǒng)通常采用PSK調(diào)制（基帶使用雙極性電平）載波功率基帶雙極性信號直接擴頻序列—接收機16BPF解調(diào)器乘法器解碼&判決偽隨機序列積分器相關器接收信號經(jīng)濾波、解調(diào)獲得基帶接收信號相關器由乘法器與積分器級聯(lián)而成:干擾與噪聲期望信號，考慮AWGN直接擴頻序列—接收機17設直接擴頻系統(tǒng)-接收機18原始編碼信號對干擾擴頻相關器的雙重作用：1.解擴恢復原始信號

2.擴頻壓制干擾信號相關檢測后PfPf加入干擾濾波后fP直接擴頻系統(tǒng)-處理增益由上面的解釋，可以發(fā)現(xiàn)由于對干擾擴頻的作用，可以壓制干擾的功率：19解碼后的數(shù)據(jù)頻率功率擴頻的干擾擴頻增益：直接擴頻系統(tǒng)-接收機20直接擴頻系統(tǒng)—偽隨機碼對擴頻碼的要求易于產(chǎn)生—發(fā)送機設計具有隨機性—難以破解、有利于達到容量上界周期盡可能的長—難以通過部分重建具有雙值自相關函數(shù)和良好的互相關特性—多用戶應用21從理論上說，用隨機序列去擴展信號頻譜是最理想的，但會使得實際工程無法實現(xiàn)解碼利用偽隨機序列（PN,PseudoNoiseSequence）直接擴頻系統(tǒng)—偽隨機碼偽隨機擴頻序列：具有近似噪聲的性質(zhì)，又有周期性的規(guī)律理想PN序列的三個性質(zhì)：平衡特性：近似于0的均值相關特性：自相關函數(shù)有類似于白噪聲的性質(zhì)游程特性：長度為n的游程約占游程總數(shù)的22直接擴頻系統(tǒng)—偽隨機碼M序列（MaximumLengthSequence）：最長移位寄存器序列，是由帶線性反饋的移位寄存器產(chǎn)生的周期最長的一種序列由n級線性移位寄存器產(chǎn)生的周期為的碼子序列CDMA系統(tǒng)常用的兩種m序列：n=15的短PN序列、以及n=42的長PN序列。一個n=3的移位寄存器：23輸出輸入直接擴頻系統(tǒng)—m序列的生成設初始狀態(tài)為“001”24本原多項式：輸出輸入時鐘輸出000111110000201010310111411010511101601101直接擴頻系統(tǒng)—m序列的特性m序列的一個周期內(nèi)“1”比“0”多出現(xiàn)一次（大致相等）m序列中的移位器各狀態(tài)，在一個周期內(nèi)除了全0外，將都且僅出現(xiàn)一次滿足游程特性：長度為n的游程約占游程總數(shù)的m序列和其移位后的序列逐位模2相加，所得還是m序列，只是相位不同25直接擴頻系統(tǒng)—m序列的特性m序列的自相關特性：m序列與其后移t位的另一序列模2相加，所得結果中“0”（即相同）的位數(shù)為A，“1”（不同）的位數(shù)為D，則序列的自相關函數(shù)可由下式計算：26直接擴頻系統(tǒng)—m序列的特性m序列的自相關特性：顯然，m序列的自相關特性為：2728直接擴頻系統(tǒng)的典型應用：IS-95GPSWLAN(IEEE802.11b)3GCDMA2930擴頻通信系統(tǒng)擴頻通信技術的概念直接擴頻通信系統(tǒng)

基本原理

發(fā)送接收設計

擴頻序列跳頻通信系統(tǒng)31跳頻通信系統(tǒng)(FrequencyHoppingSpreadSpectrum)傳輸信號的載波頻率按照預定規(guī)律進行離散變化的通信方式為一路信息的傳輸分配多個信道（載波頻點）；每一信道的帶寬等于信息的帶寬

將整個傳輸過程分為多個固定間隔（interval），每間隔使用一路頻道；在不同間隔，實現(xiàn)頻道的隨機跳變（Hopping）32通過這樣的方式，同樣實現(xiàn)了頻譜的擴展，因此也是一種擴頻通信系統(tǒng)跳頻通信系統(tǒng)—發(fā)送原理如何實現(xiàn)頻道的隨機跳變？33根據(jù)偽隨機碼序列，查表獲取當前一跳的頻率通過頻率合成器，生成當前一跳的載頻通過調(diào)制器，將信源信號調(diào)制到載波上，形成已調(diào)信號利用偽隨機碼進行載波的控制跳頻通信系統(tǒng)—發(fā)送原理利用偽隨機序列控制載頻的例子34偽隨機序列頻率分配表調(diào)頻周期跳頻通信系統(tǒng)—發(fā)送原理調(diào)頻信號的數(shù)學表達35設信源信號為，所需帶寬為，則調(diào)頻信號可表示為：其中，為“基準”中頻；，為當前選中的頻道序號。顯然，是由當前間隔內(nèi)擴頻碼片通過頻率選擇表映射獲得的跳頻通信系統(tǒng)—發(fā)送原理調(diào)頻信號的特點36利用偽隨機序列經(jīng)過FSK調(diào)制獲得載波利用ASK/FSK將信源信號調(diào)制到相應頻道跳頻信號的生成也可以看做是兩次調(diào)制的過程跳頻通信系統(tǒng)—接收原理跳頻信號的接收端框圖37跳頻通信系統(tǒng)—接收原理38接收信號：經(jīng)過同步本地偽隨機碼產(chǎn)生的本地載頻為：其中，是接收濾波器的中頻。經(jīng)過混頻后，可得：跳頻信號的檢測也可以看做是兩次解調(diào)的過程跳頻通信系統(tǒng)—特點抗干擾能力強：對瞄準式干擾更有效具有多址組網(wǎng)能力具有抗頻率選擇性衰落能力易于與窄帶通信系統(tǒng)兼容頻率合成器設計是難點39第三章應該掌握的知識點擴頻通信的基本原理