扩频通信及CDMA

1,扩频通信及CDMA,2,扩频通信,扩频技术具有抗干扰能力强、保密性好、易于实现多址通信等优点，越来越受到人们的重视。近年来，随着超大规模集成电路技术、微处理器技术的飞速发展，以及一些新型元器件的应用，扩频通信在技术上已迈上了一个新的台阶，不仅在军事通信中占有重要地位，而且正迅速地渗透到了个人通信和计算机通信等民用领域，成为新世纪最有潜力的通信技术之一,3,扩频技术一般是指用比信号带宽宽得多的频带宽度来传输信息的技术。为了扩展发射信号的频谱，可能使用不同技术对所传的信息进行处理，从而产生了不同的扩频调制类型。常见的扩频类型有：直接序列（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）和线性调频脉冲（Chirp）等，另外，这些技术也常常组合起来使用，形成组合或混合类型的扩频技术。以下重点讲述直接扩频系统。,4,扩频技术的理论基础,为了将发射信号扩展到一个很宽的频带上，扩频系统需要在频带和技术复杂性方面付出昂贵的代价，这样做能得到什么好处呢?香农定理指出：在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限传输速率（信道容量）为：,C信道容量（比特/秒）W信号带宽（赫兹）N噪声功率S信号平均功率,5,扩频技术的理论基础,当S/N很小时（0.1）：,上式说明：1）要增加信道容量，可以通过增加传输信号的带宽(W)或增加信噪比(S/N)来实现。2）当信道容量C为常数时，可以通过增加带宽(W)来降低系统对信噪比(S/N)的要求。3）当带宽(W)增加到一定程度后，信道容量C不可能无限制地增加。因此在无差错传输的信息速率C不变时，如信噪比很低(N/S很大)，则可以用足够宽的带宽来传输信号。,6,直接序列扩频原理,直接序列调制就是载波直接被伪随机码序列调制，其基本原理图如图所示。在一般情况下调制方式可以是调幅、调频、调相和其它任何形式的振幅或角度调制。最常使用的是差分相移键控（DPSK）方式。,7,直接序列扩频系统电原理图,8,在发射机端，要传送的信息先转换成二进制数据或符号，与伪随机码（PN码）进行模2和运算后形成复合码，再用该复合码去直接调制载波。通常为提高发射机的工作效率和发射功率，扩频系统中一般采用平衡调制器。在接收机端，用与发射机端完全同步的PN码对接收信号进行解扩后经解调器还原输出原始数据信息。,9,扩频信号的传输图解,10,扩频通信的主要特点,扩频通信技术在发端以扩频编码进行扩频调制，在收端以相关解调技术收信，这一过程使其具有诸多优良特性：,11,(1)抗干扰性强,扩频通信的一个重要参数是扩频增益G(SpreadingGain),为扩频前的信号带宽B1与扩频后的信号带宽B2之比。G=B2/B1接收端对接收到的信号做扩频解调，只提取扩频编码相关处理后带宽为B1的信号成份，而排除了扩展到宽带B2中的干扰、噪声和其他用户通信的影响，相当于把接收信噪比提高了G倍。,12,扩频通信对于对抗敌方人为干扰时效果更是突出。比如信号扩频宽度为1000倍，则窄带干扰不起作用，而宽带干扰则其强度降低了1000倍。欲要保持原干扰强度，则需加大1000倍总功率，这实质上是难以实现的。因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰，在不知道信号的扩频码的情况下，由于不同扩频编码之间的相关性，干扰也不起作用。,13,(2)隐蔽性强、干扰小,信号被扩展，则单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低。信号淹没在白噪声之中，别人难于发现信号的存在，再加之不知扩频编码，就更难拾取有用信号。极低的功率谱密度，也很少对其他电讯设备构成干扰。,14,(3)易于实现码分多址,扩频通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，是否浪费了频段？其实正相反，是提高了频带的利用率。扩频通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码进行相关解扩才能得到，这就给频率复用和多址通信提供了基础。,15,利用不同码型的扩频编码之间的相关特性，分配给不同用户不同的扩频编码，就可以区别不同的用户的信号，众多用户，只要配对使用自己的扩频编码，就可以互不干扰地同时使用同一频率通信，使拥挤的频谱得到充分利用。,16,常规的无线通信是在频率上分配(称为频分)或从时间上分配(称为时分)给通信用户，使之在频段上或时间上互不相同，以使彼此互不干扰共用频谱资源。扩频通信是以各用户使用不同的扩频编码来共用同一频率。美国国家航空和航天管理局(NASA)的技术报告指出：采用扩频通信多址方式的频谱利用率高于采用频分多址方式的频谱利用率。而且扩频码分多址还易于解决增加新用户的问题。,17,(4)抗多径干扰,在无线通信中，抗多径干扰问题一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性；在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。,18,扩频码的特性,扩频系统的性能同扩频码性能有很大关系,对扩频码通常提出下列要求：1、易于产生；2、具有随机性；3、扩频码应具有尽可能长的周期，使干扰者难以通过扩频码的一小段去重建整个码序列；4、扩频码应具有双值自相关函数和良好的互相关特性，以有利于接收时的截获和跟踪，以及多用户应用。,19,从理论上说，用纯随机序列去扩展信号频谱是最理想的。但在接收机中为了解扩应当有一个同发送端扩谱码同步的副本(这一点不易产生)。实际工程中，只能用伪随机或伪噪声（PN）序列作为扩频码。伪随机序列具有貌似噪声的性质，但它又是周期性的有规律的，既容易产生，又可以加工和复制的序列。,20,伪随机序列具有类似于随机序列的性质：1、平衡特性：随机序列中0和1的个数接近相等；2、游程特性：连续的0或1的个数称为游程长度。随机序列中长度为1的游程约占游程总数的12，长度为2的游程约占游程总数的122，长度为3的游程约占游程总数的123，3、相关特性：随机序列的自相关函数具有类似于白噪声自相关函数的性质。,21,伪随机序列具有类似于随机序列的性质，但它的结构或形式是预先可以确定的，并且可以重复地产生和复制。扩频码中应用最广的是m序列，又称最大长度序列，其它还有L序列和霍尔序列等。由于m序列在扩频码中占据特别重要的地位，下边主要对m序列的性质及m序列的产生进行讨论。,22,伪随机序列的产生,要产生m=2n-1长度的伪随机序列,可由n位线性移位寄存器网络产生,其反馈结构服从n次本原多项式下图所示为用4级移位寄存器构成的PN序列发生器。根据本原多项式x4+x+1构成反馈回路，初始状态是0001，产生的序列是100010011010111，周期为15，是最长线性移位序列。,23,24,伪随机序列的产生,25,若改变反馈方式,按照另一个多项式x4+x2+1(非本原多项式）来确定反馈，运算如下表，产生的序列为1000101000101000，周期为6，不是最长移位序列。,26,27,伪随机序列的自相关,根据最佳接收的原理，如果要实现最佳（匹配）接收，接收数字滤波器的单位冲击响应应选为为发送序列的镜像序列。发送序列到达接收端后，通过匹配滤波器的过程是发送序列与自身镜像序列的卷积，所以信号通过匹配滤波器后的输出实际上是信号序列的自相关序列。,28,离散序列的自相关通常由横向滤波器来完成，如图所示。,29,伪随机序列的自相关,30,伪随机序列的自相关,31,巴克码的自相关,32,巴克码的自相关,33,互补码的自相关,在前边谈到的码型中,m序列码在截断使用时,自相关曲线中存在一定幅度的副瓣，产生了副瓣噪声，大面积目标的的噪声往往会干扰对小面积目标的侦察。巴克码常用来帧同步，但由于数量有限，不能用于码分复用和码捷变。为了有效地抵消副瓣，提高主副瓣比，电子对抗中也采用互补码序列。选择两个自相关曲线互补的序列，即A码和B码。分别调制到不同的两个频率上（相差不大），双通道接收后分别进行自相关，再将自相关的结果求和。如下例所示。,34,35,36,PN序列发生器的仿真原理图,37,an=100110101111000100110101111000，这是一个周期为15的周期序列。改变反馈逻辑的位置及数量还可以得到更多不同的序列输出。,38,m序列产生器的结构,7级线性移位寄存器，能产生的序列的最大周期是p271。这样的序列叫最大长度序列或m序列。它具有如下性质：1）平衡性：最大长度序列中1的数目比0始终多1个，且1的个数为2r，0的个数为2r1。2）移位可加性：某个m序列与相移为任意值的同一m序列的模2和是另一相移的m序列。,39,m序列产生器的结构,在实际工程中，m序列既可以用硬件产生，也可以用软件产生，然后存在ROM中通过相应的时钟同步输出。在硬件中可使用移位寄存器，也可用声表面滤波器件等延迟线来产生。用移位寄存器产生m序列，从结构上又有两种方式。（1）简单线性码序列发生器(SSRG)，其反馈信号的抽头通常用a，b，c，ns的形式表示；（2）模块式码序列发生器(MSRG)，其反馈信号的抽头通常用a，b，c，nm的形式表示。,40,简单线性码序列发生器(SSRG),参加反馈的各级输出经多次模2和后把最后结果送入第一级。,41,模块式码序列发生器(MSRG),多级的输出都可能与反馈信号模2和后送入下一级，因为n级码产生器是由n个相同模块构成，因而称为模块式结构，每个模块中包括一级触发器和一级模2和加法器构成。,42,这两种结构是等价的，前一种因多个模2和是串联的，所以延时大，工作速度较低；后一种模2和在各级触发器之间，模2和的动作是同时并行的，所以延时小，工作速度高。摩托罗拉（Motolora）公司把四个模块集成在一起，型号为MC8504。需要注意的是，不管哪种结构都需有全“0”启动电路，否则由于某种原因（如启动）发生器可能死在全“0”状态。,43,m序列产生器的结构,m序列都存在一个与之对应的反商（或反码），有时也称为镜像序列。两者输出的0、1序列在周期内输出次序正好是镜像的。本原多项式的反商也是本原多项式。反商定义为：,44,45,M序列及其反商的波形比较图,一个本原多项式产生的m序列与其反商本原多项式生成的m序列正好是镜像关系。,46,戈尔德(Gold)码,当选用伪随机序列作为码分多址通信的地址码时，m序列有很大的局限性。这是因为由m序列组成的互相关特性好的互为优选的序列集很少。例如，9级移位寄存器产生的m序列有48个，取出一个序列，只能找到12个m序列与其相关的互相关值最大值小于33。但找不到多于3个序列的组，其中任意两序列之间的互相关最大值小于33。如果要求的地址数多，只有降低对互相关的要求。例如，当互相关值不超过65时，可以从48个序列中挑选出几组由6个m序列组成的集。,47,戈尔德(Gold)码,Gold码是Gold于1967年提出的。产生Gold码的方法有两种，它是用一对优选的周期和速率均相同的m序列的移位寄存器串连或并联后得到的。通常多使用并联结构，即将两个m序列进行模2和后输出。其构成原理如图所示。,48,49,Gold码具有良好的自、互相关特性，而且可以用作地址码的数量比m序列要多得多。因此，Gold码在码分多址通信，组网工作的雷达及报警系统等许多工程领域得到了广泛的应用。设本原多项式如下,仿真电路电路和产生的波形如下图,50,Gold码产生的仿真原理图,51,GOLD码输出的码序列波形,52,JPL码,虽然m序列具有很好的自相关特征，其鉴别指数很大，为2n。但是，不管对于码分多址通信还是测距，在一些情况下要求码捕获快时，m序列还是不够理想。对于测距，常要求码周期很长，既减小了距离模糊，测距精度又高，即要求码速率高（Tc很小），但同时又要求同步快。对于m序列，周期很长时，其同步时间也很长，不能满足使用要求。另一种组合码称为JPL测距码，其构造特征非常适合与远距测距，码周期很长，但是同步很快。,53,如果将两个或两个以上的周期长度是互质的m序列模2和，则可产生JPL测距码（JetPropulsionLaboratory喷气推进实验室)。假定有三个长度分别为2n1、2m1、2p1且三个互质，则产生的JPL码周期长达(2n1)*(2m1)*(2p1)，如图所示。,54,JPL码捕获时间很短，JPL码的用途之一就是用于扩频码的快捕。另外，由于JPL码的码长很长，如把很长的JPL码（码产生器并不长）用于测距则可以消除距离模糊。JPL码的捕获过程如下：以包含两个分码为例。先用一个分码与组合码互相关，一旦一个分码与嵌在组合码中的它的对应的分码实现同步时，就会使互相关值超过一定的门限，然后开始第二个分码的捕获。需要注意的是，这里对JPL码实现快捕是在信噪比较高时才能可靠的实现。,55,JPL码发生器的仿真原理图,56,JPL码输出序列的波形,57,发射参考信号的码同步方式,在所有扩频通信系统中码同步是必不可少的。与接收码同步的本地参考PN码是对期望信号实现去扩谱和对非期望信号（噪声、干扰）扩谱的关键。系统的同步性能直接影响系统的接收性能。通常我们在分析扩频系统性能时都是假定发射机和接收机之间是同步良好的（就码同步而言），即假定到达接收机的编码信号在码的波形相位和它的比特速率两个方面相对于接收机的PN参考码在时间上都是准确一致的。,58,发射参考信号的码同步方式,（1）为保证收发二者PN码的精确同步，必须在发射机和接收机中都使用精度较高的振荡器和码同步电路，因而成本和技术复杂程度也随即增加。（2）采用了稳定度极高的频率源依然不可能完全消除所有的不稳定因素。例如对有相对运动的发射机和接收机，多普勒频移和多径衰落将对系统的同步产生不良影响。（3）即使对于固定位置的收发系统，也会由于传输信道的变化而引起码相位和载波频率的变化。,59,发射参考信号的码同步方式,因此在实际系统中要作到准确同步是相当困难的。迄今为止，人们花费在发展和改进码同步技术上的时间、精力和金钱远比在扩频系统其它方面要多得多。因此，在某些应用场合（如无线网卡、无线遥控、遥测接收机）要求接收机体积小、成本低时，可以使用传输参考信号法来简化扩频系统的同步问题，从而进一步降低系统成本。,60,发射参考信号法直接序列扩频系统,发射参考信号法是指在传输扩频信号的同时在另一路载波或副载波上再传输一路PN码，在接收端使用收到的PN对扩频信号进行解扩的方法。当接收系统必须尽可能简单时，发射参考信号法（以下简称参考法）可以用于起始同步捕获、跟踪。参考法接收机既不用码序列发生器也不用其它的本地参考振荡器，扩频编码参考信号（PN码）由发射机产生，并同载有实际信息的信号同时发射。跳频和直序扩频两种系统都可以使用发射参考信号法,61,发射参考信号法直接序列扩频系统原理图,其中fc1和fc2采用同一扩频码调制，fc1用于传送信息，fc2不携带信息，它同fc1相差一中频fIF。在接收机端将两信号混频后自然成为去扩频中频信号，再经解调器输出信号。,62,发射参考信号法直接序列扩频系统,参考法的本地PN码是在发射机中产生，并与要解调的信号一起发送到接收机。这两个载波频率之间偏离的大小等于接收机的第一级中放频率，当混频时就产生相关中频信号。在接收机必须限制成本、重量或尺寸时，参考法有明显的优越性，因为它不需要PN码序列发生器、码捕获、同步和跟踪电路，以及任何与码相关的电路。同时参考法接收机对多普勒频移的影响不敏感，非常适合运动速度较快的目标使用。,63,发射参考信号法直接序列扩频系统,参考法也有其缺点：(1)抗干扰性能降低。当系统噪声加大或外界干扰存在两个信号的频差为中频时，这些能进入接收机高频系统的干扰信号都能对系统造成干扰，而不受扩谱处理增益的抑制；(2)接收机参考信号不是本地产生，而是经传输产生，因而引进了噪声，使接收系统的性能降低，从而使实际的扩频增益小于理论值。,64,发射参考信号法实际系统,下图所示是一个参考法直接序列扩频通信系统信道部分的实验电路，包括一个发射机和一个接收机，系统工作在350MHz的UHF频段，稍加改进即可工作在IEEE802.11协议规定的2.4G频段。在发射机和接收机中除中频使用了声表面波（SAW）带通滤波器外，其余的滤波器均为RC或LC滤波器，同时在本振、混频器和射频输入输出放大器等部位使用了多片MAXIM公司的RF集成电路组件以减小系统的体积和功耗，同时可以使用2.7V至5.5V的电源供电。为了简明起见，框图中有少数放大器和滤波器未能详细画，但在下一小节的系统仿真实验中给出了较为详尽的分析。,65,66,1、数据与扩频码的预处理,电路中数据率设为1MHz（根据实际需要可作适当修改），扩频码为11MHz，在发射机的输入端有两路输入，一路是扩频码，另一路是扩频码与信号模2和后的波形，它们分别与一次中频本振信号的正弦和余弦信号混频调制。如果直接将扩频码和数据信号异或后进行中频调制，则中频信号的频谱是典型的SinX/X图形，如图10.21（a），它的旁瓣仅比主瓣小13dB，而IEEE802.11协议规定旁瓣比主瓣至少要小30dB。因此，在信号源和混频器之间加入了一个截止频率为7.7MHz的Butterworth低通滤波器，使中频信号频谱的旁瓣比主瓣小36dB，如图10.21（b）。,67,图10.21（a）和图10.21（b）。,68,2、系统的天线和传输损耗,由于使用了11MHz的扩频码，调制后的信号将占用22MHz的带宽，扩频以后的信号带宽如图10.22所示，包含信号和参考信号的两个主瓣分别在350MHz和320MHz中心频率的带宽为22MHz，发射机和接收机天线的带宽覆盖范围至少应满足33527MHz。显然，传统的UHF窄带鞭状天线无法满足上述要求，可以考虑使用其它类型的的宽带天线，如飞机上使用的翼形天线。另外，设发射机的输出功率为18dBm，假设接收机可以在0100dB传输损耗的环境下工作，则接收机的灵敏度设计为-87dBm左右。,69,图10.22,70,3、发射机,发射机的数据中频调制器为两个特性一致的MAX2660，使用了两个频率较高的一次中频（130MHz和100MHz）作为本振输入，分别调制扩频数据和扩频参考信号，两者之间的差频为实际的中频（30MHz），因此在接收机端解扩后的中频为30MHz。使用两个频率较高的一次中频的目的在于使用声表面滤波器（SAW）作中频滤波