第3讲(扩频和DS-CDMA基本原理).ppt

讲解内容,2020/6/14,1,2020/6/14,2,上讲内容（1）,2020/6/14,3,上讲内容（2）,Shannon信道容量公式其中，B=带宽，单位：Hz；C=信道容量，单位：bps；S=信号功率；N=噪声功率。,2020/6/14,4,本讲内容,扩频（直接序列扩频）原理FDMA/TDMA/CDMA原理主要的现有系统,2020/6/14,5,直接序列扩频原理,背景满足的条件扩频系统的种类PN序列扩频增益扩频系统的优点,2020/6/14,6,背景,通信信号的加密、抗干扰、低截获概率雷达测距无线蜂窝系统的多址接入：CDMA,2020/6/14,7,扩频系统需满足的条件,传输信号带宽传输信息需要的带宽采用了扩频信号（编码信号）发射端用编码信号对信息进行扩频接收端用编码信号副本对接收到的扩频后信号解扩两种实现方法传输基准一路传输数据调制，一路传输未调制信号存储基准：噪声轮、PN序列,2020/6/14,8,扩频系统的种类,DSFHTH混合,Barker码,2020/6/14,9,2020/6/14,10,PN序列,PN信号实质上是收发端预知的确定性周期信号，简化了存储基准（SR）方式的实现PN序列应具备的随机特征平衡特性：每个周期内的“0”、“1”数目近似相等游程分布特性相关特性易于实现：移位寄存器序列由寄存器、模2加法器和反馈支路组成特性：良好的自相关特性和丰富的频率分量,2020/6/14,11,PN序列自相关特性,2020/6/14,12,扰码(Gold)发生器,Gold码是Gold于1967年提出的，它是用一对优选的周期和速率均相同的m序列模二加后得到的,2020/6/14,13,DS系统模型：实现描述,2020/6/14,14,2020/6/14,15,DS系统模型：理论描述,f,X(w),S(w),积分器实质上是一低通滤波器,2020/6/14,16,系统处理增益（Gp）定量描述了干扰抑制的程度，它是RF带宽和信息速率之比，表示为：SS系统的噪声电平由热噪声和干扰决定。对给定用户，输入和输出SNR的关系为：,处理增益,2020/6/14,17,扩频系统的优点,降低信号能量密度（平均功率）低截获概率抑制干扰抗干扰提高时间分辨率（力）测距、多址接入,2020/6/14,18,噪声中的信号检测,在热噪声背景下，DS系统和非扩频系统的Eb/No（差错性能）相同，不能提升系统性能扩频没有提高抗热噪声能力，但对性能也没有损害，可用来适应FCC15的要求或用于多址接入系统（CDMA）,2020/6/14,19,干扰中的信号检测,所谓抗干扰，即迫使干扰方将其有限的资源分散到很宽的频段、很长的时间和不同的空间位置上DSSS实现频率分集，在频域上提升干扰难度在DSSS系统中，全频带干扰要求更高的干扰功率或更宽的干扰带宽在DSSS系统中，部分频带干扰在解扩后成为宽带干扰智能干扰脉冲干扰（需要知道通信接收机性能）欺骗型干扰（需要接收到扩频序列）,2020/6/14,20,2020/6/14,21,本讲内容,扩频（直接序列扩频）原理FDMA/TDMA/CDMA原理主要的现有系统,2020/6/14,22,双工/多址方式,TDDTimeDivisionDuplexFDDFrequencyDivisionDuplexFDMAFrequencyDivisionMulti-AccessTDMATimeDivisionMulti-AccessCDMACodeDivisionMulti-Access,2020/6/14,23,TDMA优于FDMA,设备量小FDMA中，基站中必须有多个信道单元（发射-接收机对）TDMA中一般采用单载波方式，可采用非线性功放TDMA的资源分配比FDMA灵活占空比小，节能容量,2020/6/14,24,2020/6/14,25,CDMA系统原理,上行链路采用PN序列区分用户下行链路采用PN序列区分不同扇区和基站下行链路采用Walsh码区分用户两两完全正交延迟相关特性不好长度为8的Walsh函数举例,0000000001010101001100110110011000001111010110100011110001101001,2020/6/14,26,FDMA容量举例,AMPS下行信道869894MHz；上行信道824849MHz每家公司有12.5MHz下行信道总带宽和12.5上行信道总带宽单信道（子带）带宽30kHz；上下行信道间隔45MHz7小区结构，即1/7频率复用因子每小区子带数12.5M/30k/759,2020/6/14,27,TDMA容量举例,IS-54（IS-136）与AMPS兼容，每条信道带宽为30kHz每路语音信号仅需8kbps（采用声码器）则每个信道子带可容纳30k/8k3TDMA系统的小区容量是模拟频分系统的3倍以上,2020/6/14,28,CDMA容量举例(1),前提：干扰远大于本底噪声Gp：处理增益Eb/No：达到某个误帧率所需要的信纳比Gv：话音激活而获得的增益（平均值2.5）H0：相邻小区干扰而引入的容量减少（实际值1.41.55，平均值1.5）：扇区划分的干扰减小而引入的容量改善，约为1.5其他因素包括功率控制的不精确（平均值0.85）,2020/6/14,29,CDMA容量举例(2),取Eb/No为5（7dB，BPSK的BER为10-3）信号带宽12.5MHz，信息带宽10kbps，则处理增益Gp1250Gv、H0分别取为2.5、1.5、1.55非理想功控等因素取为0.85小区容量为1250/52.5/1.551.50.85514，是TDMA的（514/(59*3)3）倍,2020/6/14,30,干扰限制和尺度限制系统,FDMA、TDMA尺度（频域/时域）受限FDMA系统容量受到频段划分的限制TDMA系统为不同用户分配不同时隙进行通信CDMA系统是干扰受限系统对Eb/N0的需求极大的影响系统容量，每减小1dB，可增加约25%的容量N0由功率电平、同步状况、码本相关性决定,2020/6/14,31,同步：捕获与跟踪,捕获并行搜索：相关器和匹配滤波器串行搜索序贯检测跟踪迟早门匹配滤波器,2020/6/14,32,捕获的任务,搜索一段不确定的时间和频率范围，使接收到的扩频信号与本地生成扩频序列同步考虑的因素：收发两端的距离不确定性收发两端的时钟偏差引起的扩频信号相位差收发两端的相对速度引起的多普勒偏移（扩展）收发两端的振荡器频率差引起的扩频序列间的频率差（低频调制）主要指标：虚警概率、检测概率、捕获时间,2020/6/14,33,串、并行搜索,利用PN序列相关性特点采用相关器或匹配滤波器实现,2020/6/14,34,序贯检测器,利用了PN序列的确定性，而没有利用PN序列的相关特性基于码片的硬判决解调，对噪声或干扰敏感高信噪干比下，捕获速度快，TacqnTc,2020/6/14,35,跟踪（细同步）,DLL（Delay-LockedLoop，全时早迟门跟踪环路）和TDL（Tau-DitherLoop，共享早迟门跟踪环路）两种方法可采用模拟和数字两种方法实现主要指标：跟踪精度和跟踪速度,2020/6/14,36,跟踪方法的实现,2020/6/14,37,本讲内容,扩频（直接序列扩频）原理FDMA/TDMA/CDMA原理主要的现有系统,2020/6/14,38,现有的无线通信系统,网络化近距：PLAN（蓝牙）中距：WLAN（802.11b、a、g）远距：蜂窝（GSM、cdma2000、WCDMA）非网络化通信电台无线广播,2020/6/14,39,主要CDMA系统,2020/6/14,40,3G系统原理,用户数据与码片相乘，从而把用户信息扩展到宽的带宽上为支持高速率，采用多码传输为支持可变的用户数据速率，即支持带宽需求（BoD）概念。用户数据速率在帧间是可变的，从而实现无线容量的快速分配多种不同质量要求（QoS）的业务复用到一个连接上,2020/6/14,41,3G系统的QoS类型,会话类型语音业务：低时延（400ms）、业务量对称可视电话（电路交换、分组交换）：时延要求类似、BER要求更严格流类型流媒体：非对称、信息实体间保持一定的时间关系两种应用：28.8kbps（网页广播）、1007300bps局域网视频点播用媒体播放软件（realone、wmp）或浏览器插件播放互动类型网页浏览、信息检索：请求响应的往返延迟、数据的完整性电脑游戏：最大延迟要求高的也可归入会话类型；J2ME后台类型Email、短消息（SMS、MMS）等：数据完整性、大时延,2020/6/14,42,工作方式,WCDMAFDD模式下，上、下行链路分别使用两个独立的5MHz带宽；cdma2000上、下行链路分别使用两个独立的1.25MHz带宽；TDSCDMA工作在TDD模式下，上下行链路分时共享1.5MHz带宽cdma2000支持同步基站操作，简化了系统同步，增强了定位功能WCDMA支持异步基站操作，这样不需要全局时间参考（如GPS），使得室内小区和微小区基站的布站变得简单WCDMA可与GSM协同工作，支持两种模式间的在线切换，这样在引入WCDMA后可增加GSM的覆盖,2020/6/