第1章扩频通信的理论基础

1、第1章扩频通信的理论基础第1章扩频通信的理论基础扩展频谱通信及其多址技术，曾兴雯等，西安电子科技大学出版社扩频通信，田日才，清华大学出版社CDMAg；动通信技术，孙立新等，人民邮电出版社CDMAT频通信原理，维特比（Viterbi），人民邮电出版社第三代移动通信系统无线增强技术，王江舟，电子工业出版社辅导：梁红玉，星期二下午3:00-5:00,七教四楼通信教研室第一章扩频通信的理论基础一、基本概念由通信原理数字调制（ASK，FSK，PSK等）知：信号占据频带：是频移间隔，调制符号速率）话首PCM编码速率为：话首归结窄带调制方式而扩展频谱通信（spreadspectrumcommunicatio

2、n简称扩频通信）其信号占据的带宽（几百几万）（调制带宽：几MHz几十MHz）宽带调制方式目前甚至出现同分布的中心极限定理几百Mhz几GHz超宽带调制方式相互独立，服从同一分布，具有数学期望和方差：则对任意的，有概率分布函数）正态分布！模2加运算在扩频处理中经常用到的运算：模二加aba.二进制运算一一a,b是二进制符号b.运算后进行MOD2b理一一相加的结果除以2取余数例：11=0;10=1;01=1；00=0；经常在实际信号波形幅度中用1表示“1”，用1表示“0”，可以对应为：1x-1=+1；-1x+1=-1；+1x-1=-1；+1x+1=+1；3.噪声)高斯白噪声单边功率谱密度，双边功率谱密

3、度带宽B后噪声功率为“白”一一从功率谱密度角度，在频带范围内功率谱密度是一个常数“高斯”根据中心极限定理，其电压幅度应服从正态分布p(v)=其中v为v的均值，b为的方差。对于白噪声v=0,均方差就是方差b=N0B，理想“白噪声”是指带宽2)白噪声的自相关函数对理想白噪声Sn(f)=1+8N0jd3?-82n2=0B(r)21+j出Ted3单位脉冲函数其中B(p)=Rv(r)=基带频限带白噪声(白噪声通过低通滤波器)Rv(r)=N0fLc.sin(2nfLr)2TtfLr中频(射频)限带白噪声Rv(r)=N0fLShannon公式：sin（2ttfLr）cos（2nf0p）2nfLr问：宽带的优

4、势何在？按常规的理解，在一定可用频段内，宽带使传输容量减小？依据：Shannon定理，1948年提出，定义为对于高斯白噪声信道，通信系统极限的传输速率（又称为信道容量）为：与容量之间的互换关系。（bps或b/s）C信道可传输的信息速率，比特率；B传输带宽，传输符号频谱所占据的信道频带宽度；S信号的平均功率N高斯白噪声平均功率公式确定了C与B,S/N之间互换关系a.C不变，增大B，可在任意小差错率下降低对S/N的要求说明增大B提高了抗干扰能力Pb.S/N不变，增大B增大C但不是无限制的。限制C的增大c.编码调制是增大B，解决互换的最佳方式二.数字编码调制，提高了编码速率一一调制信号带宽，可得C极

5、限值从而在C一定条件下，实现了B与S/N间的较理想互换。而非编码调制，如：AMFM扩频调制就是一种编码调制d.扩频抗干扰的理论解释是信息符号周期，是扩频后带宽，是符号信噪比。在误符号率不变条件下，扩频系统组成模型从框图中可以看出扩频系统仍然是一个相关检测系统。“扩频码解扩”和“解调”两部分可以组成一个完成的本地相关检测模板波形（匹配滤波器）区别：传输相同符号速率条件下，扩频信号占用的带宽更大一致性：可以看作统一的匹配滤波检测。推而广之，在数字信号处理领域，包括均衡算法，多用户检测算法等目的都是为了获得更好的“相关”（匹配）效果。扩频通信特点抗干扰能力强：有强对抗人为干扰，窄带干扰的能力抗干扰能

6、力用扩频增益来衡量多址复用能力：用不同扩频码做地址码一一码分多址CDMA组网灵活，适用于战术通信与移动通信低功率谱，保密性强：宽带谱，类似白噪声一一难测参数扩频码还有加密的功能d.抗多径，抗衰落e.数模兼容可传数字和模拟信号系统分类a.直接序列扩频DS（DirectSequence）b.跳频FH（FrequencyHopping）c.跳时TH（TimeHopping）d.线性调频Chirpe组合方式TH/DS,FH/DS,FH/TH等二直接序列扩频（DS）简言之：将待传数字信息用伪随机码序列（PN码）序列扩展成宽带信号，收端再用相同的PN序列对接收的扩频信号作相关解扩，恢复成原信息。数学模型为

7、：1发送：换的数字信号：PCM，?M符号周期宽度，符号速率伪随机码序列：（注意这里一般用双极性波形），设，伪码周期为，是方波，也是门函数，伪码速率，信息符号“方波波形相乘等效于二进制码的“模二加”一射频调制：BPSKMSK，QPSK等）频谱/功率谱扩展情况功率谱推导：设功率谱关系（和相互独立，）：周期长归一化：的PN序列，其自相关函数为BPSK调制的自相关函数：有用信号信道噪声干扰信号用户干扰本地伪码序列，与发送PN序列同步，有同步时差其中有用信号：只要满足伪码同步（PN码相同，时间起点对齐），则有再经过相干解调：在满足载波同步和相位同步条件下：基带滤波此过程波形图见图2-6对于噪声与干扰解扩

8、与基带滤波噪声：解扩中：为宽带扩频信号，能量扩散输宽带噪声变为出强度（基带滤波）倍（基带滤波，解扩未带来新噪声）解扩输出，强度至少下降（多用户间伪码不相关3处理增益与干扰容限衡量系统抗干扰能力处理增益（或扩频增益）由于：定义：接收相关处理的输出与输入信噪功率之比。，假定：解扩已取得伪码同步，相关处理前后信号功率不变对于窄带干扰输入干扰功率带宽为，解扩前后干扰总功率不变，只是谱密度下降为（被“扩频”了）从而有：而（基带滤波输出的结果），有：对：解扩无作用，不能改变噪声功率谱密度（），基带滤波后：对用户干扰，多径干扰等的分析，根据扩频序列的互相关和自相关性能的不同，会得到不同的，但一般有从以上分析

9、可知：提高目前一般受码发生器电路码速率限制目前国内100Mb/s国外几百Mb/s,超高速代价贵，成本高,PCM话首编码，码速率为若采用语音压缩技术（线性预测编码，矢量量化编码等）可达,从而使大大提高通过采用多进制数字调制方法降低符号速率，如QPSK,16QAM等例：增大3dB增大8dB相对而言：降低花费代价较增大要小干扰容限：保证系统正常工作（即满足输出信噪比要求），接收机输入端许可的干扰信号比有用信号高出的分贝数，即系统对的要求。定义系统内部损耗，设计中：要求满足允许的例如：一扩频系统，则扩频对白噪声无抑制作用对：对解扩无作用，不能改变噪声功率谱密度（）扩频增加带宽倍，从而相对与窄带系统，其

10、输入噪声也增加了系统正常检测工作（目标误码率），要求的输出信噪比以相同信息速率，相同信息BIT能量下，扩频系统解扩后的中频SNR与非扩频系统（窄带）中频SNR一样先引入噪声后将引入的噪声消除！扩频系统在更低的信噪比条件下工作：相同信息速率，信号功率条件下，输入SNR更低（引入了宽带噪声）信息论角度：BER与的关系没变只和信息能量和噪声谱有关系统中，高速传送（a）频带更宽频带受限系统不可行（b）技术难度加大需要高速器件而软扩频一一可降低扩频前，保证高速传送仍满足要求实现：经过串并转换后，为信码组合中状态对应为PN码序列。所以：软扩频一种（N,k正交码正交码扩频N扩频码的长度k信码组长度，2k扩频

11、码序列的个数显然：扩频前符号速率降低为，而信息速率仍然为美国的JTIDS扩频系统，软扩频用（32,5）编码，意味着若采用DS系统，其若采用软扩频（N,5）码，则在不变条件下，提高到（5位并行码单路32个正交码；5路并行扩频5个正交码，合并为一路时也成为32个正交码（Gold码）在IS-95B中实现无线快速数据信道是采用多路正交码调制后合并传送一路数据但也是利用了伪随机码的自相关和互相关特性，扩频处理增益一一自相关特性，正交码代表不同符号（组）一一互相关特性。三、跳频（FH）用伪码控制信息调制的射频或载波频率，使之不断地、随机地在一定频带范围内发生跳变。跳变频率数可在N（几千220个）中随机选取

12、，如图：B1最小跳频间隔通常设射频带宽组成：符号速率）一一保证相邻频点上信息调制谱互不重叠，N可跳频点数在DS中，扩频码一次用1bit，FH中，kbit对应1个载波频率，对应个跳变频率，组成跳频图案，如：发端：信息调制信号跳频载波，设在时刻，时间间隔内：在跳频点上的驻留时间与本地跳频载波相乘，去谐波项，可得：某跳频点中心频率，若与频率跳变同步，满足（固定中频）（信息调制带宽）解跳起着解扩同等作用，把带宽还原为窄带一一抑制干扰和噪声。跳频增益：要指出：跳频同步无法实现导致故发端同步受不能用相干解调多为非相干FSK方式解调时可以不管的BPSK方式，举例不妥）为固定频率干扰只可能与N个频率中1个差为

13、中频，造成一个频率碰撞一一干扰概率，即：不同网络用户的跳频图案不可能与相同受：宽带噪声解跳后变为窄带白噪声频带压缩N倍有关进一步内容，如快跳、慢跳、多个窄带干扰射中多个跳频等内容在下章详细介绍。TH)将数据码一帧持续时间分成若干时隙，由伪码产生的跳时图案控制在某个时隙，将一帧数据猝发出去如：占空比=由于发送猝发性，需缓冲存储器暂存输入信码（一帧）显然，干扰只有干扰某一时隙可能性，干扰概率为D（也是猝发性干扰）跳时增益：缺点：对定时同步太严格，对连续型窄带干扰需要采用滤波等方法去除五、混合扩频系统1）FH/DS如图为收发信机组成：一般：PN码系统特点：抗干扰能力提高对于单纯DS而言：抗单频瞄准式

14、干扰能力差有远近效应干扰（由于干扰源距离造成的接收端干扰幅度的不同，即使发射相同干扰功率也无法解决）收1距发1远收1距发2近这样，收1收到干扰电平（发2的）远大于有用信号电平（发1的）对于单纯FH而言：抗转发式干扰能力差，抗多径能力差两者结合：FH无远近效应干扰（可躲避发2频率），DS可弥补FH抗多径和转发式干扰的不足简化设备、降低技术难度例如：要求的DS系统，在下单纯DS.而FH/DS.同等都降低技术难度，2）TH/DS系统在DS系统中增加一个人通短开关来控制DS信号发射时隙即可组成（n-r）条线（n-r）条线从n级伪码发生器选出（n-r）级的状态并行输至与门，当（n-r）级状态全为1时，与门输出触发脉冲控制信号发射，而（n-r）级全“1”态是随机的，在伪码一个周期内共有次a.对强的突发性干扰有“回避”功能设发射间隔为，跳时序列平均长，则在某时刻突发干扰重合信号的概率为b