无线通信技术(3).ppt

无线通信技术 武卓zwu 2011 2 23 扩频技术概述直接序列扩频与扩频码跳频扩频均衡技术概述几种典型的均衡技术 通信与信息工程学院 抗衰落技术 扩频与均衡 扩频与均衡 4 3 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 SpreadSpectrumComunication 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 扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码 扩频序列 SpreadSequence 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 扩频与均衡 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LowProbabilityofIntercept 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 扩频与均衡 扩频通信的发展史 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 扩频与均衡 4 3 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 扩频与均衡 4 3 1扩频技术概述 扩频通信工作原理 通信与信息工程学院 扩频通信系统模型 扩频与均衡 通信与信息工程学院 4 3 1扩频技术概述 扩频通信基本参数 扩频增益表示为G 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 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 扩频与均衡 例题 假设要求用未编码的DS扩频系统达到或更低的差错率性能 可用的带宽扩展因子是W R 1000 试求干扰容限 解 未编码的二进制PSK达到比特错误概率所需要的S N为10 5dB 处理增益是10lg1000 30dB 因此 干扰与信号功率比的最大允许值 即干扰容限为MJ 30 10 5 19 5dB 扩频与均衡 通信与信息工程学院 4 3 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 扩频与均衡 4 3 2直接序列扩频与扩频码 通信与信息工程学院 直接序列扩频 DirectSequenceSpreadSpectrum 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 扩频与均衡 4 3 2直接序列扩频与扩频码 注意 一般情况下直接序列采用PSK信号 而较少采用FSK在直扩系统中 为了节省发射功率和提高发射机工作效率 常采用平衡调制器 抑制载波的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力也有利 扩频与均衡 4 3 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 扩频与均衡 4 3 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 4 3 2直接序列扩频与扩频码 扩频与均衡 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 扩频与均衡 4 3 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 扩频与均衡 4 3 2直接序列扩频与扩频码 扩频码 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 扩频与均衡 4 3 2直接序列扩频与扩频码 扩频码 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 扩频与均衡 通信与信息工程学院 4 3 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 扩频与均衡 通信与信息工程学院 4 3 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 扩频与均衡 4 3 2直接序列扩频与扩频码 扩频码 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 扩频与均衡 4 3 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 扩频与均衡 4 3 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 扩频与均衡 4 3 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 扩频与均衡 4 3 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 扩频与均衡 4 3 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 扩频与均衡 4 3 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 扩频与均衡 4 3 3跳频扩频技术 例题 某SFH系统的跳频时间为Tc 10us 码元间隔为Ts 1us 跳频信号通过多径信道传输 问 当多径时延扩展大约在什么范围时 接收端解扩的信号呈现出频率选择性衰落 解 当时延扩展 1 即要求 1us 所以时延扩展大约在1us 10us时 解扩信号将呈现出频率选择性衰落 扩频与均衡 4 3 3跳频扩频技术 FHSS原理 FHSS系统模型 扩频与均衡 4 3 3跳频扩频技术 多用户FHSS系统 给每个用户分配一个唯一的扩频码 用这个码来产生跳频模式 扩频码若正交 并且用户在时间上是同步的 则不同用户不会发生碰撞 扩频码不正交或用户不同步 可能引发碰撞 产生误码 因此多用户FHSS系统一般采用纠错编码来对抗碰撞 多用户FHSS也称为FH CDMA或FH SSMA 主要用于上行链路中 和DS CDMA相比 FH CDMA能干扰到更远距离的通信 由于其信号频谱没有被扩展 FH相对于DS的最大优点是没有远近效应 它是通过频率跳跃来躲避干扰 而不是通过处理增益来减弱干扰 扩频与均衡 4 3 4均衡技术概述 均衡概念 实际的基带传输系统不可能完全满足无码间串扰传输条件 因而码间串扰是不可避免的 当串扰严重时 必须对系统的传输函数进行校正 使其达到或接近无码间串扰要求的特性 在基带系统中插入一种可调 或不可调 滤波器就可以补偿整个系统的幅频和相频特性 从而减小码间串扰的影响 这个对系统校正的过程称为均衡 实现均衡的滤波器称为均衡器 扩频与均衡 4 3 4均衡技术概述 均衡概念 均衡分为频域均衡和时域均衡 频域均衡是从频率响应考虑 使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输条件 而时域均衡 则是直接从时间响应考虑 使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰条件 表一 扩频与均衡 4 3 5几种典型的均衡技术 时域均衡 时域均衡的基本思想 当不满足无码间干扰条件时 输出信号将存在码间串扰 为此 在之后插入一个称之为横向滤波器的可调滤波器 形成新的总传输函数 即 显然 只要满足下式 则输出y t 将不含码间串扰 扩频与均衡 4 3 5几种典型的均衡技术 时域均衡 时域均衡器可以分为两大类 一是线性均衡器 二是非线性均衡器 如果接收机中判决的结果经过反馈用于均衡器的参数调整 则为非线性均衡器 反之 则为线性均衡器 扩频与均衡 4 3 5几种典型的均衡技术 时域均衡 折叠谱和无ISI传输均衡器通常是以数字方式实现 令信息序列端到端的等效基带系统 扩频与均衡 4 3 5几种典型的均衡技术 时域均衡时域均衡 线性均衡我们假设均衡器为一个抽头的横向滤波器下面我们讨论两种线性均衡器 迫零均衡器 zero forcing ZF 和最小均方误差均衡器 minimummean squareerror MMSE 前者可以完全消除ISI 但是噪声增强比较显著 后者兼顾了降低ISI和避免噪声增强的问题 它能最小化发送符号和均衡器输出符号之间的均方误差 因此 MMSE均衡的错误率性能要好于ZF均衡 扩频与均衡 线性均衡 迫零均衡对匹配滤波器输出的抽样值进行Z变换有迫零均衡器将消除由引入的所有ISI 由上式可知能实现这一目的的均衡器为虽然ISI被消除了 但是噪声也被增强了 具体而言 均衡器输出的噪声样值的功率谱密度为 4 3 5几种典型的均衡技术 时域均衡 扩频与均衡 4 3 5几种典型的均衡技术 时域均衡 线性均衡 迫零均衡由此可见 如果信道在信号带宽范围内的任一频率处受到严重衰减 噪声功率就会显著增加 均衡器的设计必须要在消除ISI和噪声增强之间寻求一种最佳的平衡 能达到这种平衡的均衡之一就是MMSE均衡 由所定义的迫零均衡器不一定能用有限冲激响应滤波器来实现 也就是说 未必能找到有限个系数使得在这种情况下 我们需要找出一组系数 它能最佳地近似迫零均衡 注意这个近似必须对所有z值都有效 扩频与均衡 4 3 5几种典型的均衡技术 时域均衡 线性均衡 最小均方误差 MMSE 均衡MMSE均衡的目标是最小化发送符号和均衡器输出之间的均方误差 也就是要选择使最小 因为MMSE是线性均衡器 所以其输出是输入的线性组合 即 这样 求最优系数的问题就是一个标准的线性估计问题 我们将滤波器分为两部分 噪声白化部分和消除 部分如下图所示 扩频与均衡 4 3 5几种典型的均衡技术 时域均衡 带有噪声白化滤波的MMSE均衡注意 我们用匹配滤波器是为了最大化抽样的信噪比 再通过噪声白化去除匹配滤波器的影响之后 我们就可以简化MMSE滤波器的设计 线性均衡 最小均方误差 MMSE 均衡 扩频与均衡 所以滤波器长度无限时的完整 均衡器可以表示为 这个结果有三个有意思的地方值得注意 首先 这个理想的无限长MMSE均衡器抵消了噪声白化滤波器 其次 除了噪声项外 此外滤波器与迫零滤波器一致 因此无噪声时二者是等价的 最后 这个理想的均衡器设计显然达到了信道反转和噪声增强之间的平衡 4 3 5几种典型的均衡技术 时