无线通信技术-第六章扩频技术.pdf

无线通信技术无线通信技术 翟旭平翟旭平 zhaixp 2013 5 15 扩频技术概述 直接序列扩频与扩频码 跳频扩频 通信与信息工程学院通信与信息工程学院 扩频技术 扩频技术 6 1 扩频技术概述 扩频通信的发展史 扩频通信 即扩展频谱通信 Spread Spectrum Comunication 它与光纤通信 卫星通信 一同并誉为进 入信息时代的三大高技术通信传输方式 基本特点是其传输 信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽 扩频通信是将把传送的信息数据用伪随机编码 扩频序列 Spread Sequence 调制 实现频谱扩展后再传输 接收端则 采用相同的编码进行 解调及相关处理 恢复原始信息数据 扩频通信与 常规的窄带通信方式的区别 1 信息的频谱扩展后形成宽带传输 2 相关处理后恢复成窄带信息数据 扩频通信的发展史 扩频技术 通信与信息工程学院通信与信息工程学院 扩频通信的独特优点 1 抗干扰能力强 特别是抗窄带干扰能力 是有效的电子对 抗的手段之一 对于民用和军用移动通信都是很有利的 2 由于扩频系统使用码周期很长的扩频码 可检测性低 LPI 一Low Probability of Intercept 不容易被侦破 3 具有多址能力 易于实现码分多址 CDMA 技术 组成多 址通信网时便于采用计算机进行信息的控制和交换 4 可抗多径干扰 可抗频率选择性衰落 5 频谱利用率高 容量大 可有效利用纠错技术 正交波形 编码技术 话音激活技术等 6 具有测距与测速能力 7 扩频系统为数字系统 可以做到低功耗 小体积 扩频技术 扩频通信的发展史 通信与信息工程学院通信与信息工程学院 发展简史 正是由于扩频通信技术具有上述优点 自50年代中期美国 军方便开始研究 一直为军事通信所独占 广泛应用于军事通信 电子对抗以及导航 测量等各个领域 a 当时的MIT林肯实验室开发的F9C A Rake系统被公认为 第一个成功的扩频通信系统 其中首次提出了RAKE接收的概念 并成功应用 该系统也是第一个真正实用的宽带通信系统 b 第一个跳频扩频通信系统BLADES也在这段时期研制成 功 在该系统中第一次利用移位寄存序列实现纠错编码 c 扩频通信最初是在无绳电话中获得成功应用 而真正使 扩频通信技术成为当今通信领域研究热点的原因是CDMA的应用 扩频技术 6 1 扩频技术概述 扩频通信理论依据 扩展频谱通信系统的基本理论根据是信息论中的香农信道容 量公式 可以表示为 由香农公式看出 在高斯信道中当传输系统的信号噪声功率比 S N 下降时 可用增加系统传输带宽w的办法来保持信道容量C不 变 对于任意制定的信号噪声功率比 可以用增大传输带宽来获 得较低的信息差错率 扩展频谱技术正是利用这一原理 用高速 率的扩频码来达到扩展待传输数字信息带宽的目的 扩频技术 6 1 扩频技术概述 扩频通信工作原理 通信与信息工程学院通信与信息工程学院 扩频通信系统模型扩频通信系统模型 扩频技术扩频技术 通信与信息工程学院通信与信息工程学院 6 1 扩频技术概述 扩频通信基本参数 扩频增益 定义为接收机解扩器输出信噪功率比与接收机的输入信噪功率 比的比值 扩频增益也等于射频带宽与信息带宽之比 即 根据shannon定理 在保持信道容量不变的前提下 其中RC为伪码速率 Rb 信息速率 例如 BPSK情况下传输的射频带宽 正好是的主瓣宽度 此时系统的处理增益可用 计算 对于FHSS 系统处理增益为系统提供的跳频频率数N 干扰容限 扩频增益和干扰容限都可以描述扩频系统的抗干扰能力 B G B 射 频 信 息 c b R G R BR射频C 2 2 sin x x2 CbGR R 扩频技术 通信与信息工程学院通信与信息工程学院 6 1 扩频技术概述 扩频通信工作方式 直接序列扩频 DSSS 直接用具有高码率的扩频码序列在 发端去扩展信号的频谱 而在收端 用相同的扩频码序列去进 行解扩 把展宽的扩频信号还原成原始的信息 跳频扩频 FHSS 用扩频码序列去进行频移键控调制 使 载波频率不断地跳变 进行多频率频移键控 跳时扩频 THSS 用伪码序列来启闭信号的发射时刻和持 续时间 发射信号的 有 无 同伪码序列一样是伪随机 的 由于简单的跳时系统抗干扰能力不强 所以它一般和跳频 结合起来使用 两者 一 起构成一种 时频跳变 系统 线性调频扩频 chirp 发射脉冲的信号的载频在信息脉冲 持续时间T内作线性变化 主要用于雷达系统 短波通信也有应 用 混合扩频 扩频技术 6 2 直接序列扩频与扩频码 通信与信息工程学院通信与信息工程学院 直接序列扩频 Direct Sequence Spread Spectrum DSSS 是扩频 通信系统中用的最多 也是最典型的一种工作方式 直接序列 调制就是用高速率的伪噪声码序列 PN码 与信息码序列模二 加后 波形相乘 的复合码序列去控制载波的相位而获得直接序 列扩频信号 扩频技术 6 2 直接序列扩频与扩频码 注意 一般情况下直接序列扩频多采用PSK信号 而较少采用FSK 扩频技术 6 2 直接序列扩频与扩频码 直接扩频抗干扰原理 对于各种形式人为的 如电子对抗中 干扰或其他窄带或宽带 扩 频 系统的干扰 只要波形 时间和码元稍有差异 解扩后仍然 保持其宽 带性 而有用信号将被压缩 直扩系统抗宽带干扰能力示意图直扩系统抗宽带干扰能力示意图 扩频技术 6 2 直接序列扩频与扩频码 对于脉冲干扰 带宽将被展宽 而有用信号恢复 压缩 后 保 证高于干扰 扩频系统抗脉冲干扰能力示意图扩频系统抗脉冲干扰能力示意图 6 2 直接序列扩频与扩频码 扩频技术 通信与信息工程学院通信与信息工程学院 直接扩频抗干扰原理 直扩系统抗干扰原理图直扩系统抗干扰原理图 扩频技术 6 2 直接序列扩频与扩频码 对噪声分量ni t 干扰分量Ji t 和不同网干扰Sj t 经解扩处理后 被大大消弱 1 ni t 分量 一般是高斯带限白噪声 经解扩处理后 谱密 度基本不变 略有降低 但相对带宽改变 因而噪声功率降低 2 Ji t 分量 是人为干扰信号引起的 这些干扰由于与PN码 不相关 所以相乘过程相当于扩展频谱过程 将干扰信号功率分散到 一很宽的频带上 谱密度降低 而滤波器的频带只能让有用信号通过 这样 能够进入解调器输入端的干扰功率只能是与信号频带相同的那 一部分 解扩前后的频带相差甚大 因而解扩后干扰功率大大降低 提高了解调器输入端的信干比 从而提高了系统抗干扰能力 3 Sj t 由于不同网所用的扩频序列不同 这样对于不同网 的扩频信号而言 相当于再次扩展 从而降低了不同网信号的干扰 扩频技术 6 2 直接序列扩频与扩频码 扩频码 通信与信息工程学院通信与信息工程学院 在直接序列扩频通信系统中 实现扩频和解扩的根本技术就 是将信号与伪随机码相乘 从而得到频谱的扩展和压缩 PN码也称伪随机序列 它具有近似随机序列 噪声 的性质 而又能按一定规律 周期 产生和复制 因为随机序列是只能产生 而不能复制的 所以称其是 伪 的随机序列 作为扩频码的伪随机信号 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 而互相关函数应接 近于零 2 有足够长的伪码周期 以确保抗侦破 抗干扰的要求 3 具有足够多的独立地址数 以实现码分多址的要求 扩频技术 6 2 直接序列扩频与扩频码 扩频码 通信与信息工程学院通信与信息工程学院 常用的伪随机序列 a m序列 最大长度线性反馈移位寄存器序列 LFSK b Gold序列 码序列具有优良的互相关特性 序列数远远 多于 序列 便于扩频多址应用 c Walsh序列 具有极佳的互相关特性 而自相关特性极 差 必须保证严格的同步性 某些扩频码就是其他扩频码经平 移得到的 扩展频谱技术选用了具有上述伪随机特性的码序列与待传信 息流波形相乘或序列模二加之后的复合信号 对射频载波进行 调制 然后送入信道空间 这就可逼近高斯信道上传输的最佳信 号形式 扩频技术扩频技术 通信与信息工程学院通信与信息工程学院 6 2 直接序列扩频与扩频码 扩频码 m序列 m 序列是最长线性移位寄存器序列的简称 由于 m序列容易 产生 规律性强 有许多优良的性能 在扩频通信中最早获得广 泛的应用 顾名思义 m 序列是由多级移位寄存器或其他延迟元 件通过线性反馈产生的最长的码序列 在二进制移位寄存发生器 中 若 n 为级数 则所能产生的最大长度的码序列为2n 1位 扩频技术 通信与信息工程学院通信与信息工程学院 6 2 直接序列扩频与扩频码 扩频码 m序列的性质 1 周期性 n级m序列的周期为P 2n 1 2 均衡性 在m序列的一个周期中 1 的个数比 0 的个数 多1 3 m序列和其移位后的序列逐位模二相加 所得的序列还是m序 列 只是相移不同而已 4 尖锐的自相关特性 自相关函数是周期性的 周期是P 2n 1 5 同样长度的m序列个数不多 且序列之间的互相关值并不都好 这是m序列的最大的缺点 扩频技术 6 2 直接序列扩频与扩频码 扩频码 通信与信息工程学院通信与信息工程学院 Gold码序列 m序列虽然性能优良 但同样长度的m序列个数不多 且序列 之间的互相关值并不都好 R Gold提出了一种基于m序列的码 序 称为Gold码序列 这种序列有较优良的自相关特性和互相 关特性 构造简单 产生的序列数多 因而获得了广泛的应用 Gold码是由2个码长相等 码时钟速率相同的m序列优选对模二 加和构成 其产生方法如图所示 每改变2个m序列相对位移就 可以得到一个新的Gold序列 扩频技术 6 3 跳频扩频技术 基本思想 在一个宽广的频带内 根据扩频码的值不断改变已 调信号的载波 跳 频 扩 频 tS c 扩频技术 6 3 跳频扩频技术 慢跳频 SFH 跳变时间大于码元周期 即Tc kTs k为整数 快跳频 FFH 在一个码元周期内多次跳频 即Tc Ts k 快跳频的每个符号中都有频率分集 它能抑制窄带干扰 并能抵抗频率选择性衰落引起的频谱零点 扩频技术 6 3 跳频扩频技术 a 跳频系统的带宽近似为nB 其中n为可跳载频数 B为数据 信号的带宽 b 跳频系统一般采用某种FM调制 如CPFSK 所需载频用 一个受码片序列控制的频率合成器产生 接收端用相同的 频率合成器解调 所用码片序列与Sc t 同步 c 如同直序扩频 跳频能对抗窄带干扰和多径 但在AWGN 信道中不起作用 扩频技术 6 3 跳频扩频技术 跳频如何抗窄带干扰 假设一个窄带干扰 带宽为B 频率的跳频系统的某个频率fi上 只有当跳频序列产生的频率是fi时 FH信号才和干扰在相同频带上 如果跳频序列使用各频率的时间相同 那干扰仅在1 N的时间内存在 注 DS在所有时间上都降低了干扰功率 而FH在一部分时间内的干 扰还是满功率的 FFH系统中干扰只在码元的一部分时间内存在 所以不用编码就 能对抗干扰 SFH系统中 干扰会影响多个码元 所以一般要采用编码及交织 技术以避免一个码字中同时有多个错误 扩频技术 6 3 跳频扩频技术 多径对FH的影响 考虑多径时延为 的两径信道 接收机同步于直射径的跳 频序列 在相应的频率上 直射径被解调 而多径在时延 之 后才到达 Tc时 当第二径到达时 接收机已跳到已个新的频率 fj fi上 所以影响忽略 Tc时 多径的影响与已调数据信号的带宽B和跳变率 有关 扩频技术 6 3 跳频扩频技术 a Tc Ts的SFH系统 假设 Tc 所有多径分量到达接 收机时 信号频率还未发生变化 此时 若B1 信号经过频率选择性衰落 等效基带信道与频率有关 载频跳变时 等效基带信道也要 发生变化 因此所经历的衰落信道也在慢变化 扩频技术 6 3 跳频扩频技术 FHSS原理 FHSS系统模型 扩频技术 6 3