第六章扩频通信导论(new).ppt

Chapter6IntroductiontoSpreadSpectrum 6 1Thebasicconceptofspreadspectrum Thesignalspectrumisspread扩频通信的信号带宽与信息带宽之比则高达100 1000 属于宽带通信 UsingPNcodetospreadthespectrum信号的频带宽度与其脉冲宽度近似成反比 如果很窄的脉冲序列被所传信息调制 则可产生很宽频带的信号 这种很窄的脉冲码序列 其码速率是很高的 可作为扩频码序列 Usingcoherentde spreadinreceiver在扩频通信中接收端用与发送端完全相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解扩 恢复所传信息 6 1 1Thebasicconceptofspreadspectrum 6 1 2Thetheoreticbasisofspreadspectrum Shannonformula 式中 C为信道容量 意指单位时间内信道中无差错传输的最大信息量 其单位为b s B为信号频带宽度 单位为Hz S为信号功率 单位为W N为噪声功率 单位为W S N为输入功率与噪声功率之比 称为信噪功率比 简称信噪比 6 2Theprincipleofspreadspectrum DSSS 6 2 1ThecomponentofDSSS 6 2Theprincipleofspreadspectrum DSSS 6 2 2ThesignalofDSSS 信号源产生的信号a t 为信息流 其码元速率为Ra 码元宽度为Ta Ta 1 Ra 则a t 为 式中 an为信息码 以概率P取 1和以概率1 P取 1 即 为门函数 伪随机序列产生器产生的伪随机序列c t 其速率为Rc 切普 chip 宽度为Tc Tc 1 Rc 则 式中 cn为伪随机码码元 取值 1或 1 gc t 为门函数 定义与式 2 3 类似 扩频过程实质上是信息流a t 与伪随机序列c t 的模2加或相乘的过程 伪随机码速率Rc比信息速率Ra大得多 一般Rc Ra的比值为整数 且Rc Ra 1 所以扩展后的序列的速率仍为伪随机码速率Rc 扩展的序列d t 为 式中 用此扩展后的序列去调制载波 将信号搬移到载频上去 用于直扩系统的调制 原则上讲 大多数数字调制方式均可 但应视具体情况 根据系统的性能要求来确定 用得较多的调制方式有BPSK MSK QPSK TFM等 此处分析采用BPSK调制 调制后得到的信号s t 为 式中 0为载波频率 接收端天线上感应的信号经高放的选择放大和混频后 得到包括以下几部分的信号 有用信号sI t 信道噪声nI t 干扰信号JI t 和其它网的扩频信号sJ t 等 即收到的信号 经混频后 为 接收端的伪随机码产生器产生的伪随机序列与发送端产生的伪随机序列相同 但起始时间或初始相位可能不同 为c t 解扩的过程与扩频过程相同 用本地的伪随机序列c t 与接收到的信号相乘 相乘后为 若本地产生的伪随机序列c t 与发端产生的伪随机序列c t 同步 有c t c t 则c t c t 1 这样 信号分量sI t 为 后面所接滤波器的频带正好能让信号通过 因此可以进入解调器进行解调 将有用信号解调出来 其中 6 2 3Spreadspectrumgain Interferencebounds Gain在扩频系统中 传输信号在扩频和解扩的处理过程中 扩频系统的抗干扰性能得到提高 这种扩频处理得到的好处 就称之为扩频系统的处理增益 其义为接收相关处理器输出与输入信噪比的比值 即输出信噪比与输入信噪比的比值 即 用分贝表示为 6 2 3Spreadspectrumgain Interferencebounds 对于直扩系统而言 其处理增益就是干扰功率减小的倍数 6 2 3Spreadspectrumgain Interferencebounds Interferencebounds所谓干扰容限 是指在保证系统正常工作的条件下 接收机能够承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数 用MJ表示 有 式中 Ls为系统内部损耗 S N o为系统正常工作时要求的最小输出信噪比 即相关器的输出信噪比或解调器的输入信噪比 GP为系统的处理增益 6 2 4Utilities featuresofDSSS 直扩系统的特点主要有以下几个方面 1 具有较强的抗干扰能力 扩频系统通过相关接收 将干扰功率扩展到很宽的频带上去 使进入信号频带内的干扰功率大大降低 提高了解调器输入端的信干比 从而提高了系统的抗干扰能力 这种能力的大小与处理增益成正比 2 具有很强的隐蔽性和抗侦察 抗窃听 抗测向的能力 扩频信号的谱密度很低 可使信号淹没在噪声之中 不易被敌方截获 侦察 测向和窃听 直扩系统可在 15 10dB乃至更低的信噪比条件下工作 6 2 4Utilities featuresofDSSS 3 具有选址能力 可实现码分多址 扩频系统本来就是一种码分多址通信系统 用不同的码可以组成不同的网 组网能力强 其频谱利用率并不因占用的频带扩展而降低 采用多址通信后 频带利用率反而比单频单波系统的频带利用率高 4 抗衰落 特别是抗频率选择性能好 直扩信号的频谱很宽 一小部分衰落对整个信号的影响不大 6 2 4Utilities featuresofDSSS 5 抗多径干扰 直扩系统有较强的抗多径干扰的能力 多径信号到达接收端 由于利用了伪随机码的相关特性 只要多径时延超过伪随机码的一个切普 chip 则通过相关处理后 可消除这种多径干扰的影响 甚至可以利用这些多径干扰的能量 提高系统的信噪比 改善系统的性能 6 可进行高分辨率的测向 定位 利用直扩系统伪随机码的相关特性 可完成精度很高的测距和定位直扩技术主要用于通信抗干扰 卫星通信 导航 保密通信 测距和定位等方面 6 3PNcode Spreadspectrumcode 6 3 1ThebasicconceptofPNcodePNcode高斯白噪声的理想特性为 式中 n0 2为白噪声的双边噪声谱密度 但是至今无法实现对白噪声的放大 调制 检测 同步及控制等 而只能用具有类似于带限白噪声统计特性的伪随机码来逼近它 并作为扩频系统的扩频码 6 3 1ThebasicconceptofPNcode Shiftregistersequence在工程中用得最多的是二进制序列 序列中的元素只有两个取值 0 或 1 对应的波形如图所示 由此可见 二进制序列中的两个取值分别对应于电信号的两个电平 正电平和负电平 而且是一一对应的关系 100000100001100010100111101000111001001011011101100110101011111 共63位 即其周期为63 CoherenceofPNcode在数学上是用自相关函数来表示信号与它的自身相移以后的相似性的 随机信号的自相关函数定义为 自相关函数只是表征一个信号与延迟 后自身信号的相似性 两不同信号波形f t 与g t 之间的相似性用互相关函数来表示为 如果上式为0 则表明f t 和g t 的互相关函数为0 称之为是正交的 否则为非正交 码序列的自相关 式中xi 是周期长度为P的某一码序列 而xi 是xi移位后的码序列 有时 将相关函数归一化 即用相关系数来表示相关性 对 3 6 式 进行归一化 则相关系数为 自相关系数值最大不超过1 对于采用二进制的码序列 其长度 周期 为P的码序列x的自相关函数Rx 为 对于二进制序列 其自相关系数也可由下式求得 式中 A是相对应码元相同的数目 D是相对应码元不同的数目 P是码序列周期长度 码序列的互相关 两个不同码序列之间的相关性 用互相关函数 或互相关系数 来表征 对于二进制码序列 周期均为P的两个码序列x和y 其相关函数称为互相关函数 记作R x y 即 其互相关系数为 6 3 2msequence m序列的含义m序列是最长线性移位寄存器序列的简称 顾名思义 m序列是由多级移位寄存器或其延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列 在二进制移位寄存器中 若n为移位寄存器的级数 n级移位寄存器共有2n个状态 除去全零状态外 还剩下2n 1种状态 因此它能产生的最大长度的码序列为2n 1位 故产生m序列的线性反馈移位寄存器称做最长线性移位寄存器 6 3 2msequence m序列的产生产生m序列的移位寄存器的电路结构 即反馈线连接不是随意的 m序列的周期P也不能取任意值 而是必须满足 P 2n 1 n是移位寄存器的级数 6 3 2msequence m序列产生原理 6 3 2msequence n 5 Ci 45 m序列发生器的电路原理图 6 3 2msequence m序列的特性m序列的随机性m序列的自相关函数 6 3 2msequence m序列的互相关函数 6 3 3哈达玛矩阵 扩频通信系统仿真 扩频通信的基本原理香农公式 C Blog 1 S N 信号频谱 发射端频谱如何扩展 将一个数据位的持续时间进行分片 一个数据位的持续时间由多个小片组成 显然从频谱的角度看 每个小片的持续时间比一个数据位的持续时间短 显然其频谱就宽其频谱的扩展倍数F Tb Tc码片速率也就变成数据速率的F倍 接收端如何解扩 恢复原来的带宽 其中的关键问题对扩频码的要求 自相关特性 良好的自相关特性 便于扩频码的同步 互相关特性 良好的互相关特性 便于区分不同的用户 扩频码的产生m序列Walsh码Gold码M序列Hadama矩阵 Hadama矩阵的产生 m序列的产生可以利用移位寄存器加上反馈来产生m序列 其中部分反馈系数如下表所示 例如n 7 序列长度 2n 1 127 反馈系数之一为 325 八进制 11010101 二进制 转换成二进制数值并与移位寄存器级数对应得到有这些反馈系数移位寄存器为C7 1 到C6 1 C5 0 C4 1 C3 0 C2 1 C1 0 C0 1 其具体的寄存器结构图如下图所示 扩频 Signal 扩频码 扩频码 注意 扩频码的速率比信息速率要高 一般来讲应是F倍 BPSK调制 扩频信号 调制之后的信号 扩频之后的信号调制与一般的数据调制完全一样 扩频通信系统发射机模型 扩频通信系统发射机设计 发射机参数设置数据速率 dataRate载波频率 fc抽样频率 fs码片速率 chipRate function dataRate fc fs chipRate transmitterPara c dataRate 1 chipRate length c dataRate fc chipRate 2 fs fc 16 end从参数中可以看出 数据速率为1 单位时间 码片速率是数据速率的扩频码的周期倍 也就是一个周期的扩频码与一个数据位所占的时间是一样的 同时 调制载波的频率是码片速率的2倍 也就是一个码片用2个周期的载波来进行调制 抽样频率是载波的16倍 即每个载波周期抽16个点 信息 1 1的数据流 functionsignal information N signal rand 1 N 0 5 signal signal 2 1 end其中参数N是指本次产生的数据个数 扩频码的产生 只产生一个周期的m序列 functionc genMseq b N length b 1 D ones 1 N A b N 1 1 c fori 1 2 N 1c1 rem sum D A 2 c c D N D c1 D 1 N 1 endc c 2 1 变为1 1的序列end 扩频functionssignal dsss signal c ssignal fori 1 length signal ssignal ssignal signal i c endend 调制functionmodusignal modu signal dataRate fc fs 采用BPSK调制方式t linspace 0 1 dataRate fs dataRate carrier cos 2 pi fc t modusignal fori 1 length signal modusignal modusignal carrier signal i endend 发射机的整体程序function modusignal dataRate fc fs chipRate data transmitter c N dataRate fc fs chipRate transmitterPara c 参数设置signal information N 生成数据data signal ssignal dsss signal c 扩频信号modusignal modu ssignal chipRate fc fs BPSK调制end 接收机原理 思考 扩频通信系统中为什么要先解扩再解调 而不是发射机端处理过程的逆过程 注意 仿真中没有考虑所有的同步问题 都假定是精确同步的 接收机设计 解扩 扩频码生成器 解调 乘以载波 LBF 抽样判决 解扩实现functiondessignal dedsss receiveSignal c chipRate fs L fs chipRate c1 fori 1 length c c1 c1 c i ones 1 L enddessignal fori 1 length c1 length receiveSignal dessignal dessignal reciveSignal i i length c1 1 c1 endend 解调实现