《扩频通信》PPT课件.ppt

扩频通信,主讲人：郑晓昆 讲师,第一章 扩频系统数学模型 及理论基础,1.1 扩频通信系统基本概念 1.2 扩频通信系统数学模型 1.3 扩频系统抗干扰性能分析 1.4 处理增益与干扰容限,1.1扩频通信系统基本概念,一.扩展频谱通信系统 1，时频变换,2，扩频通信 将待传输信息的频谱通过在编码使之扩大许多倍，送入信道中传输，在接收端解码将信息还原。 由于在信道中实际传输的信号比原始信号频谱扩展了许多倍，因此称之为扩频通信。,1.1扩频通信系统基本概念,1.1扩频通信系统基本概念,3，CDMA 现代高端通信系统均采用伪随机码（Pseudo Noise Code)使频谱扩展，同时采用PN码调制又起到了多址作用，因此理论上的扩频系统工程上称为CDMA码分多址（Code division multiple access),1.1扩频通信系统基本概念,4，两条准则 （1）；（2）； 由此，AM,FM,ASK,PSK,FSK,OOK等均不属于扩频通信系统。,1.1扩频通信系统基本概念,1.1扩频通信系统基本概念,4，数学原理 A, d(t) d(t)c(t) d(t)c(t) c(t)=d(t) B, Shannon 定理 C=W*log2(1+S/N),1.1扩频通信系统基本概念,三，工作方式 1，直接序列扩展频谱系统（DS-SS) -Direct Sequence Spread Spectrum 2, 跳频扩频系统（FH-SS) -Frequency Hopping Spread Spectrum,1.1扩频通信系统基本概念,3, 跳时扩频系统(TH-SS) -Time Hopping Spread Spectrum 4, 混合式 FH/DS, DS/TH, 等等,1.2 扩频系统的数学模型,本节内容涉及到许多数学表达式， 较为枯燥，但它们是为后面分析系统特性及抗干扰性能服务的，特别是方便设计者理解各模块为什么这样设计。,1.2 扩频系统的数学模型,一，DS-SS-PSK数学模型 1，射频： s(t)=m(t)coswct m(t)=d(t)c(t) PSK调制：m(t)高低电平 2，经信道后进入接收机天线的信号为 r(t)=s1(t-1)+n(t)+si(t- i),1.2 扩频系统的数学模型,3, 经射频滤波器，相关，基带滤波后： u(t)=2du,a- 1-20式 结论：(u)=(u) 扩频伪码同步 wd (u)=wd(u) 载波频率锁定 (u) =(u) 载波相位同步 上述三者锁定后，经门限判决后，便可无误恢复出基带信号 an ,1.2 扩频系统的数学模型,4, 对于各种干扰信号，如si(t- i), n(t)等 它们与本地伪码均不相关，相关处理后干扰信号能量被扩展到整个扩频带宽内，通过基带滤波器输出很小。 二，FH-SS模型 图1-5,1.3 扩频系统的抗干扰性能分析,一，干扰信号. 1, 多址干扰: 同一扩频系统中其他台站的信号。 2, 人为敌方干扰: 窄带瞄准式和宽带阻塞式, 以及转发干扰。 3, 随机自然干扰：雷电,飞行体,汽车的火花干扰等。 4, 多径衰落干扰。,1.3 扩频系统的抗干扰性能分析,二，处理增益Gp Gp=输出信噪比/输入信噪比=So/No/Si/Ni 三, 扩频系统抗干扰能力分析 1，广义平稳随机及单频正弦 Gp=Rc/Rb (DS-SS) Gp=N (FH-SS),1.3 扩频系统的抗干扰性能分析,2，抗多径干扰分析（重点） 扩展频谱系统具有很强的抗多径干扰能力，对多径干扰不敏感。原因有三： P23 (1),(2),(3),1.4干扰容限与扩频系统主要特点,一，处理增益 Gp=2Rc/Rb 对于2PSK而言 Gp=N 跳频 工程上目前国外DS-SS可达到70dB FH-SS限制在40-50dB以内 相当于1万10万个频点,1.4干扰容限与扩频系统主要特点,二，干扰容限 1，表示可以在多少信噪比情况下可以正常 工作 Mj=Gp-Lsys-(S/N)out 其中Lsys为系统的损耗 (S/N)out为输出端要求的信噪比 P24例题 2，干扰门限 实际设计时往往比干扰容限要再严格一些留出冗余量，例如1dB,1.4干扰容限与扩频系统主要特点,三，扩频通信技术的主要优点 （1）抗干扰性能好； （2）保密性好，不易被侦破； （3) 易于实现多址； （4）降低了通量密度； （5）扩频系统本身为数字系统，易于实 现。,第二章 各种扩频信号及其 调制技术,2.1 直序扩频系统(DS-SS) 2.2 DS-SS中重要参数讨论 2.3 FH-SS跳频系统 2.4 跳频系统的特点 2.5 跳时系统(TH-SS) 2.6 各种混合扩频调制系统,2.1 直序扩频系统(DS-SS),一，直接序列扩频信号的产生 PCM-DSSS-2PSK PCM-CDMA-2PSK 图2-1 (a),(b)详细的Block,2.1 直序扩频系统(DS-SS),二，伪随机信号的调制与混频 1，2PSK调制 f(t)=coswct 属于平衡调制信号 信号中无直流成份，无载波能量,2.1 直序扩频系统(DS-SS),2，混频（去载波） 混频差中频 3，解扩（去伪码) Cr(t)xCb(t) 当Cr(t)和Cb(t)完全同步时，混频结果为基带二进制信号，从接收电信号中恢复出基带信息信号。,2.1 直序扩频系统(DS-SS),三，直序扩频信号的频谱特性 1，理论理想状态 图2-7 2，实际功率谱（示波器，频谱仪） 图2-8 抑制载波频谱 图2-9 载波不平衡频谱 图2-12 载波和伪码都不平衡输出功谱,2.1 直序扩频系统(DS-SS),3，不平衡对系统的影响 a, 使信号不隐蔽； b, 浪费了发射功率； c, 增加了接收系统的内部干扰。 因此，在硬件实现时尽量提高平衡性。,2.2 (DS-SS)中重要参数的讨论,一，射频带宽 主瓣带宽=2Rc 3dB带宽=1.2Rc 功率分布图2-14 图2-15 带宽受限时，伪码相关峰变得不尖锐，使得同步工作受影响较大。,二，处理增益Gp Gp=Rc/Rb 若伪码速率增加一倍，则处理增益增加3dB。若采用信源数据压缩技术，如语音压缩，图像压缩技术，则可使增益大大提高。 国内器件水平可选用550Mb/s为宜； 国外伪码速率可达到51000Mb/s;,2.2 (DS-SS)中重要参数的讨论,2.2 (DS-SS)中重要参数的讨论,压缩: 压缩包括压缩解压算法，压缩解压集成芯片。 广泛应用的有语音，图像，数据等压缩技术。,2.3 (FH-SS)跳频系统,一，跳频系统的物理概念和信号特点。 1，跳频 (Frequency Hopping): “多频，选码，频移键控” 用信息码与伪随机码序列模二加的组合（或单独伪码）构成指令与发送载频一一对应。,传统2FSK只有发送两个频率，“0”对应f1频率， “1”对应f2频率。 而FH则有几百几千甚至上万个载频待选，好像发射载频跳来跳去。 例如：伪码序列数字组合0000指令表示用f0载频发射，0001指令表示用f1载频发射， ,1111指令表示用f15载频发射。,2.3 (FH-SS)跳频系统,2.3 (FH-SS)跳频系统,2，跳频图谱：组合指令称为跳频指令或跳 频图谱，用来指挥发送频率与接受去载波。 3，在接收端用同样的图谱把信息搬移到中频拼接。 4，图2-16原理图Block,Timing 图2-17时频矩阵图。 5，各频率间隔1/T或2/T（正交）,2.3 (FH-SS)跳频系统,6，数学模型 图2-18 7，躲避式信号，对付转发干扰极为有效； 8，跳频器是核心器件 要求频点多，速度 快； 对伪码发生器的同步要求不是很高。,2.3 (FH-SS)跳频系统,二，跳频速率和调频数的确定 1，跳频速率可用DS来控制； 可以等于信息速率或高于信息速率。 2，最小频率转移速率由以下参量所决定： a,待传信息的类型及速率； b,冗余度的大小； c,最近潜在干扰器的距离。,2.3 (FH-SS)跳频系统,3，假设信息速率给定，采用2FSK信号传输。下面讨论跳频速率或chip速率的选择和所需跳频数的确定等问题。 （1000个频点） （1）当接收到的干扰功率大于或等于有用信号时，产生误码，误码率10-3； Pe=J/N （2）增加冗余度可减小误码率 “5中择3”，“3中择2”等方案,2.3 (FH-SS)跳频系统,（3）采用增加冗余度时， 若“3中择2”，Pe=3p2q+p3 3p2q p为原误码率，q=1-p 两错一对 若“5中择3”方案， Pe=10p3q2+5p4q+p5 10p3q2 3错2对,2.3 (FH-SS)跳频系统,（4）以三中择二为例 p=10-3; Pe=3p2q=3x10-6; 提高了三个量级，大大改善了抗干扰性能；但跳频速率增加了三倍。 （5）实际上依靠增加冗余度的方案还要考虑诸多折衷，在提高抗干扰性能与发送较多频率数，增加跳频速率，射频带宽等方面。,2.3 (FH-SS)跳频系统,（6）P42实例：信码率1kb/s 信道允许射频带宽10MHz，干扰与信号功率比100:1，误码率要求小于10-3。 A, 频谱不重叠，N=10M/2k=5000 Pe=p=J/N=100/5000=2x10-2 B,若“3中择2”，则N=10M/6k=1666 p=J/N=6x10-2 Pe=3p2q=1.2x10-2,2.3 (FH-SS)跳频系统,C, 若5中择3，为满足10-3误码率 由图2-19，J/N=0.047 ，N=2130个 Brf=2130x2kx5=21.30MHz 若采用图2-20重叠（非正交）方案， Brf可达到10MHz要求。 4， 图2-22转发干扰示意图 考虑转发干扰时的跳频速率问题,2.4 跳频系统的特点,一，跳频系统的特点 （1）核心-跳频器 码产生器和频率合成器组成 （2）关键-同步 收发两端必须有相同的跳频图谱 （3）信息调制方式灵活，无论模拟，还是数字， 均可调制。,2.4 跳频系统的特点,二，跳频的优点及待解决的问题 （1）以“躲避方式”提高抗干扰性“； （2）在强近电台干扰下具有通信能力； （3）具有多址和高的频带利用率； （4）易于和其他调制系统的扩频系统组合； （5）易于与现有的常规通信体制兼容；,2.4 跳频系统的特点,（6）起到了频率分集的作用； （7）待解决的问题有： 研究出体积小，重量轻的高跳频合 成器和表面波匹配滤波器。,2.5 跳时系统(TH-SS),一，TH-SS与TDMA 1, 利用伪码序列启闭发射机，将一个信码的持续时间分成若干时隙； 2, TH-SS常与其他方式合用； 3, 跳时可减少时分复用系统之间的干扰； 二，TH-SS系统增益不大（近似2） 减小了占空比,2.6 各种混合扩频调制系统,一，FH/DS混合扩频系统 1, 先DS扩频再FH跳频； 2, 频带宽度更大,扩频增益Gp=N*Rc/Rb 3, 图2-25 扩展频谱图 图2-26 发射机方框图 二，TH/FH混合扩频系统 1, 既解决了远近问题，又有一定增益； 2, 图2-28 远近问题通信示意图。,2.6 各种混合扩频调制系统,三，TH/DS混合扩频系统 1，TD-CDMA的调制体制； 2，实现简单，图2-29 TH/DS方框图 3，上述综合系统配合使用，充分利用各 系统特点，不足之处为增加了系统复 杂程度。,第三章 伪随机编码,3.1 伪随机编码基本定理 3.2 伪码分类及构造原理 3.3 m序列 3.4 Gold序列,3.1 伪随机编码基本定理,一, 工程上常用二元0,1序列表示伪码 1 每一周期0和1出现的次数近似相等； 2 每一周期内，长度为n比特游程出 现的次数比n+1比特游程次数多1倍； 3 序列具有双值自相关函数：,3.1 伪随机编码基本定理,二，作为扩频函数的伪随机信号，应具有 下列特点： 1 伪随机信号必须具有尖锐的自相关 函数，应接近于0； 2 有足够长的码周期，以确保抗侦破， 抗干扰的要求； 3 有足够多的独立地址数，以实现码分多址 要求； 4 工程上易于产生，复制和控制。,3.2 伪随机码分类及构造原理,一.几个基本定义 1, 伪码：二元域0,1或-1,1 有一定周期的码序列； 2, 相关函数：,3.2 伪随机码分类及构造原理,3, 自相关函数,A是对应码元相同数目； D是对应码元不同数目。 4, 狭义伪随机码,3.2 伪随机码分类及构造原理,二，伪随机码差集法构造 1, 差集通常用3个参数来表征：v,k, 整数集v=0,1,2,v-1 子集 D=d1,d2,d3,dk 若di-dj 恰好取遍0,1,v-1各次(mod v) 则v的子集D，称为差集。 例如：v=0,1,2,3,4,5,6 D=1,2,4和D=0,2,3都是差集 对应v=7,k=3, =1,3.2 伪随机码分类及构造原理,2, 由差集生成的伪码： 具有相关函数： 当v-4(k-)=-1时，可得到狭义伪码,3.2 伪随机码分类及构造原理,例1：v=7,k=3, =1对应v-4(k-)=-1 有两个差集D1=1,2,4和D2=0,2,3 构造伪码过程： v1=0,1*,2*,3,4*,5,6 x1=-1,1,1, -1,1,-1,-1 v2=0*,1,2*,3*,4,5,6 x2=1,-1,1,1,-1,-1,-1 通过验证，可知x1,x2均为狭义伪码,3.2 伪随机码分类及构造原理,例2：v=23,k=11, =5对应v-4(k-)=-1 有差集D=1,2,3,4,6,8,9,12,13,16,18 依照上述方法: x=-1,1,1,1,1,-1,1,-1,1,1,-1,-1, 1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,-1 可验证其自相关函数为：,3.2 伪随机码分类及构造原理,三，平方余数码，L码，又称为勒让德码 当p=4t-1为一素数时，模p的平方余数构成差集。 例3：t=3,p=4t-1=11,模11平方余数 a=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 i=0,1,4,9,5,3,3,5,9,4,1 差集 D=1,3,4,5,9 对应伪码-1,1,-1,1,1,1,-1,-1,-1,1,-1,例4：t=5,p=19 平方余数为1,4,5,6,7,9,11,16,17 对应L码-1,1,-1,-1,1,1,1,1,-1,1,-1,1 -1,-1,-1,-1,1,1,-1 例3，例4均可验证为狭义伪码 四，孪生素数码，巴克码,3.2 伪随机码分类及构造原理,an,3.3 m序列,一，m序列的定义 1, f(x)=c0+c1x +c2x2 + +cnxn 和n级线性反馈移位寄存器的关系,Dn-1,Dn-2,D0,+,c0,c1,c2,Cn-1,Cn,3.3 m序列,2, m序列：n级最大周期线性移位寄存器 序列，an的周期为2n-1 3, m序列必须对应不可约多项式 但不可约多项式不一定产生m序列 4, 产生m序列的连接多项式必须是本原多 项式。,3.3 m序列,二，m序列的性质 1，在每一周期p=2n-1内，0出现2n-1-1次， 1出现2n-1次； 2，对n2,kn-2,长为k的游程占游程总数 的1/2k； 3，m序列ak与其他位移序列ak-t的模2 和仍是m序列的另一位以序列ak-t ak+ak-t=ak-t,3.3 m序列,二，m序列的自相关函数 图3-2 m序列相关峰示意图,3.3 m序列,三，m序列的产生 1，根据不可约多项式表，p196,附录三， 查找本原多项式，E,F,G,H表示该数码 对应的多项式为本元多项式。每一位 代表三位2进数。 2，根据本原多项式构造出m序列移位寄 存器（逻辑图）。,3.3 m序列,例5，n=5,p=25-1=31 (1) 45E,对应二进数100，101 f(x)=x5+x2+1 (2) 75G,对应二进数111，101 f(x)= x5+x4+x3+x2+1 其逻辑图见图3-4所示,X1,X2,X3,X4,X5,+,+,+,3.3 m序列,例6 n=9 p=29-1=511 码 （1）1021E 1000010001 x9+x4+1 逻辑图见图3-5所示 （2）1131E 1001011001 x9+x6+x4+x3+1 ,X2,X4,X5,X6,X8,X9,X1,X3,X7,+,+,+,3-4 Gold序列族,一，Gold(格尔德码)特性 1, Gold序列具有良好的自,互相 关特性，特别是互相关特性。 2, 地址数远远大于m序列地址数。 (2n+1个) 3, 结构简单，易于实现。,3-4 Gold序列族,二，m序列优选对 1, m序列优选对，是指在m序列中,其互相 关函数的最大值Rmax最接近或达到互相 关值下限的一对m序列。 2, 则f(x)和g(x)产生m序列a和b构成优选对。,3-4 Gold序列族,3, 例如 n=6的本原多项式103F和147H经计 算Ra,b(k)=17,满足上式。 故103F和147H构成优选对。 4, 表3-2列出了部分优选对码表，供使用时 查找。,3-4 Gold序列族,三，Gold序列族 1，Gold序列：由两个码长相同，时钟 速率相同的m序列优选对模2和构成。 每改变两个m序列相对应位移，就可 得到一个新的Gold序列。 2，Gold序列族：当相对位移2n-1-1比特 时，就可得到一族(2n-1)个Gold序列， 再加上两个m序列，共有2n+1个Gold序列， 称为Gold序列族。,3-4 Gold序列族,四，Gold序列产生电路图 1, 串联形式，图3-7 f(x)=x6+x+1 g(x)=x6+ x5+ x2+x+1 f(x)g(x)= x12+ x11+ x8+ x6+ x5+ x3+1 对应图3-7形式。 2, 并联形式 图3-8 f(x),g(x)结果异或出的序列即为并联形式。 实际系统中多采用并联形式,3-4 Gold序列族,3, 相对位移产生方法 A, B,f(x),g(x),延时,+,set,Gold,f(x),g(x),+,+,Gold,相位选择逻辑,3-4 Gold序列族,五，Gold码互相关特性 1, 三值互相关特性。表3-3 n为奇数时，50%有很低的互相关函数 值-1/p，n为偶数时，75%有很低的互 相关函数值； 2, 不同Gold族之间尚无理论结果。 用计算机搜索发现，不同族序列间互相关函 数已不是三值而是多值。,3-4 Gold序列族,六，平衡Gold码 1, 平衡码：序列中1和0之差为1 非平衡码：0和1差多于1。 表3-4 非平衡码数量表 2, 平衡性对载波抑制度影响很大。 因此在DS系统中选用平衡Gold码族,3-4 Gold序列族,七，平衡码产生方法 1, 特征相位法 (1)置a序列于全0初始相位， 置b序列于特征相位，则产生的Gold码 为平衡Gold 码。 (2)当序列处于特征相位时，序列每隔一位 抽样与原序列一样。 (3)p79-p81介绍了特征相位寻找方法,3-4 Gold序列族,2，相位抽头选择法 对应于相位位移产生方法B。 目前工程上多采用此方法。有相应成熟 结果列成表格。如GPS定位卫星作为扩 频码与多址码所采用的伪码产生方法。,第四章 扩展频谱信号 解扩和解调,4.0 前言 4.1 扩展频谱信号的相关解扩 4.2 基带解调与载波同步,4-0 前言,一, (1)到达接收端的信号功率通常只有 10-1310-15w左右。 (2)大气噪声10-13w左右。 (3) 一般要在输入信噪比0-30dB条件下才能进行正常接收解调。 (4)一个设计良好的相关器，允许输入信噪比达-20-50dB。 (5)一般使用相干检测。（相关）,4-0 前言,二，两步解调: 解扩（或解跳） 再解调（去载波） 根据不同的调制方法，进行相应的解调（如FSK,PSK,ASK等）。,4-1 扩展频谱信号的相关解扩,一，相干通信的基本概念 1, 相干信号：在时序上有规定的时间关系。 如普通光源非相关，激光相关。 2, 互相关去随机成分。 图4-1 相干检测原理图 3, PLL锁相环路：产生本地参考信号； 图4-2 相干参考信号,4-1 扩展频谱信号的相关解扩,4, (1) 对于扩频信号，首先要完成解扩或解跳， 才能进行基带解调。 (2) 因而要复制一个与发射端码型相同，码元 同步的本地伪码信号。 (3) 使用特殊的锁相环，如平方环，COSTAS 环等，同步问题第五章有所介绍，另外更 有相关专业书籍，课程。,4-1 扩展频谱信号的相关解扩,二, 直接式相关和外差式相关 1,直接式相关：直接伪码异或解扩。f0f0 直接式相关解扩的抗干扰能力较低。 2, 外差式相关：一律解扩至固定中频fI,避免 了直接泄漏可能性。后续电路较为固定， 工作在较低频率下，性能较为稳定。,4-1 扩展频谱信号的相关解扩,三, 码定时偏移对相关处理的影响 1, 部分有用信号x本地码调制，被扩展成为伪噪声输出； 2, 扩展频谱相关处理过程，对于码位同步提出十分严格要求。,4-2 基带解调与载波同步,解扩后，从已被解扩了的中频信号中，检测出基带数字信号，去载波。下面介绍三种解调结构。 一，锁相环解调器(PLLphase lock loop) 图4-15 锁相环解调器原理图及各点波形,相检,带通,符号检测器,信息输出,VCO,ABcos(t),取样脉冲,4-2 基带解调与载波同步,二，平方环,带通,( )2,带通,x,U,U,F(t),VCO,2,分辨信号,90o,至相关器,4-2 基带解调与载波同步,三，科斯塔斯环解调器 Costas Costas环用来解调双边带抑制载波信号(f(t)cos(wt+), 特别是2PSK或4PSK相移键控信号的专用环路。,低通,低通,数字滤波器,x,数据输出,输出信号,VCO,低通滤波器,x,x,90o,4-2 基带解调与载波同步,四，其他 PLL近年来随着大规模数字电路发展，逐渐发展为数字锁相电路，是一门新的专业课。 P202 锁相技术 西电出版社,第七章 扩展频谱技术应用,7.1 引言 7.2 测距 7.3 同时测距与测速 7.4 做频率标准与矿井通信 7.5 其他,7-1 引言,一，扩频信号优点 1, 用于通信中，抗干扰能力强； 2, 发射功率谱密度低； 3, 具有低截获率，不易被发现； 4, 能实现码分多址和任意选址的功能； 5, 在测距中,应用伪随机编码可大大提高测距精度； 6, 应用伪码序列和晶体振荡器作为时钟源