通信技术基础第9章

1 第二部分数据通信 第九章扩频 宋娟软件学院 2 扩频 一种不同于传统编码调制的非常重要的编码方式 可以对模拟数据或数字数据进行调制编码 将携带信息的信号扩散到较宽的带宽中 用以增加抗干扰性能或防止别人窃听 最初是针对军事情报部门的需求 现在被广泛的应用于无线通讯标准中 比如手机通讯等 3 要点 扩频的概念跳频扩频直接序列扩频码分多址 CDMA 4 扩频的概念 扩频技术的发明海蒂 拉玛 5 扩频的概念 扩频的理论基础来自于香农容量定理对于某个给定容量的信道 可以通过增加带宽来换取对信噪比的要求 在低信噪比的条件下 可以用增大带宽的办法无误的传输给定的信息 达到抗干扰的目的 扩频的基本思想是对信号进行调制 使得传输信号的带宽显著增加 6 扩频的概念 第一次调制 生成一个模拟信号 具有围绕某个中心频率 相对较窄的带宽第二次调制 伪随机数发生器产生一个扩频码 利用该扩频码对模拟信号进行第二次调制 使得传输信号的带宽显著增加 7 扩频的概念 扩频的好处 可以获得对各种噪声和多路失真的抗干扰能力 可用于信号的隐蔽和加密 只有知道相应扩频码的接收器才能恢复加密的信息 利用码分多址技术可以使多个用户做到彼此之间很少干扰的独立使用相同的带宽 被用于蜂窝移动通信系统中 8 伪随机序列 伪随机序列具有类似于随机噪声的统计特性 又便于重复产生和处理 伪随机序列是使用一些称为种子的初始值通过某种算法得到 只有知道使用的算法和种子才可以推测出使用的伪随机序列只有与发送器共享信息的接收器才能成功解码信号 9 跳频扩频 FHSS 信号用看似随机的无线电频率序列进行广播在固定的时间间隔 从一个频率跳到另一个频率进行调制接收器也和发送器同步的从一个频率跳到另一个频率进行解调恢复信号对于不知道无线电频率序列的人来说 收到的信号就是一个噪声 无法窃听信息即使在某个频率上有干扰信号 干扰的也是信号中很少的比特 10 跳频扩频 11 跳频扩频 12 跳频扩频 第一次调制 若使用FSK输入二进制0 频率为f0 输入二进制1 频率为f0 f第二次调制通过带通滤波器 滤掉差频 通过和频输入二进制0 频率为f0 fi 输入二进制1 频率为f0 f fi 13 跳频扩频 14 跳频扩频 第一次相干解调 乘以完全相同的扩频信号通过带通滤波器 过滤和频 通过差频 得到FSK信号再进行FSK相干解调 恢复出原始数据 15 用MFSK调制的FHSS MFSK利用扩频信号调制MFSK信号 每隔Tcs转换一次频率 若原始数据的数据率为R 对应的信号持续时间为Ts 分两种情况 慢速跳频扩频 Tc Ts 一个信号周期频率跳转不到一次 快速跳频扩频 Tc Ts 一个信号周期频率跳转多次 16 例子 M 4的MFSK 带宽为Wdk 2的扩频码 带宽为Ws 2kWd 4Wd慢速跳频 每两个信号周期换一次信道 17 M 4的MFSK 带宽为Wdk 2的扩频码 带宽为Ws 2kWd 4Wd快速跳频 每半个信号周期换一次信道 抗干扰能力更强 18 FHSS性能分析 FHSS使用大量的频率 使得扩频后带宽Ws远大于调制后的带宽Wd 带宽越大 抗干扰能力越强 干扰信号功率为Sj带宽为Wd的MFSK发送器 Eb Nj EbWd Sj 使用k 2 带宽为Ws的扩频器 Eb Nj EbWs Sj 信噪比增益为 19 直接序列扩频 DSSS 原始信号的一个比特通过扩频码在传输信号中变为多个比特进行传输 将信号扩展到较宽的频带范围 扩展的范围和扩频码的比特数成正比直接序列扩频方法将数字信息比特和扩频码异或 再通过数字调制技术传输 先进行BPSK调制 再和扩频码相乘 20 直接序列扩频 21 使用BPSK的DSSS BPSKfc为载频 d t 为发送数据DSSSc t 为取值为 1或 1的PN扩频码接收端 22 发送器 接收器 23 24 DSSS性能分析 带宽数字基带信号的带宽大约为2 T 扩频码的带宽大约为2 Tc 25 DSSS性能分析 抗干扰能力干扰信号接收器接收到的信号为解扩频后 关于干扰信号的信号成分为干扰信号的频谱被扩展值2 Tc 通过BPSK的带通滤波器 大多数干扰能量被滤掉干扰信号的功率减少了Tc T倍 26 27 码分多址 CDMA CDMA是一种与扩频技术一起使用的复用技术多个用户同时采用不同的扩频码进行直接序列扩频调制信息 通过一条数据链路发送信息 而不会发生干扰每个用户对应一个唯一的扩频码 也称为用户码用户码将每个比特拆解为和用户码对应的k个码片 当比特为1时传输用户码 为0时传输用户码的补码原数据信号速率为D 新信道的码片数据率为kD 28 29 CDMA 接收器若接收器收到的码片模式为 且接收器试图与用户u通信 知道用户u的用户码接收器利用u的用户码执行以下函数对收到的码片d进行解码假设A与基站通信 发送比特 1 码片为 基站利用A的用户码解码 得到SA d 6发送比特 0 码片为 基站利用A的用户码解码 得到SA d 6 30 CDMA 若用户B发送数据 用A的用户码解码B发送比特1 d SA d 0 B发送比特0 d SA d 0 对于A的接收器来说 不需要的信号B根本不会显现解码的线性SA cA cB SA cA SA cB SA cA 即使用户A和B同时发送数据 A的接收器也能自动略掉B的信号 不会出现干扰 31 CDMA 正交码 两个码字之间的内积为0SA cB SB cA 0 A和B是正交码采用正