《无线通信基础与应用》课件第07章 扩频调制

第七章扩频调制概述扩频（SpreadSpectrum，SS）最初的目的是在有敌方干扰的情况下实现保密通信。军用无线通信在战场使用中有两个突出的问题：其一是容易受到敌方的恶意干扰，其二则是可能被敌方拦截窃听。扩频调制具有固有的抗窄带干扰的特性；其信号频谱可以隐藏在噪声之中或者在很大的频率范围上随机跳变，具有较好的保密性。基于上述两个特点，扩频调制在军事通信中获得了极为广泛的应用。此外扩频调制还能充分利用无线信道的多径传播效应，从而在频率选择性衰落信道条件下获得优良的性能。扩频调制有多种形式，主要包括直接序列扩频（DSSS）、跳频扩频（FHSS）以及跳时扩频（THSS）等。这些不同形式的扩频技术可以单独使用，也可以相互结合形成新的混合扩频技术，例如FHSS和DSSS结合的扩频方式等。无线通信基础与应用2为什么要扩频例7‑1对比BPSK、MSK调制以及IS95CDMA系统采用直接序列扩频调制之间的频谱效率。比较例7‑1的三种调制方式可以看出，扩频调制较非扩频调制，频谱效率大大降低。且公共移动通信系统并不需要用到扩频通信的抗干扰特性。但是在多用户扩频通信系统中，考虑所有用户的总频谱效率时，应用扩频技术并不一定会导致总频谱效率的降低，相反，通过充分发挥扩频技术的优势，总频谱效率在特定情况下还会有所增加。此外，在多用户通信系统中使用扩频调制技术，还能够获得软容量及软切换等方面的优势。无线通信基础与应用3伪随机序列

无线通信基础与应用4伪随机序列-m序列的生成

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伪随机序列-m序列的生成线性反馈移位寄存器生成m序列结构如图所示：a1~an-1通过取不同的组合，可以构成不同的m序列，但并非任意的组合都能产生m序列，只有符合本原多项式条件的反馈逻辑才能产生m序列。下表给出了n取不同值时，部分能够产生m序列的反馈系数的具体值，不同的反馈系数能够生成不同的m序列。无线通信基础与应用6伪随机序列-m序列的生成例7-2设移位寄存器级数为n=3，移位寄存器的初始状态为001，反馈逻辑由多项式x3+x+1确定，计算该移位寄存器输出的m序列。无线通信基础与应用7本例对应的m序列生成电路如下图所示，记录时钟上升沿的移位寄存器状态、反馈运算结果以及输出的序列值，结果如表7‑1所示，可以看出移位寄存器状态在第7个时钟回到了001状态，从此开始循环，因此其周期为7，对应的输出序列为1001110，3级移位寄存器生成的m序列的周期应该是23-1=7，两者正好是吻合的。伪随机序列-m序列的生成下表给出了n取不同值时，部分能够产生m序列的反馈系数的具体值，不同的反馈系数能够生成不同的m序列。无线通信基础与应用8伪随机序列-m序列的特性相关性是衡量伪随机序列性能的重要参数。两个序列的归一化周期互相关函数（也称为互相关系数）为：无线通信基础与应用9

对于伪随机序列来说，理想的自相关特性为ρxx(τ)在τ=0时取得最大值1，在τ≠0时取值为0，即具有单峰特性。AWGN就具有理想的自相关特性。如图画出了例7-2中周期为7的m序列，其自相关系数随τ不同的变化情况。伪随机序列-m序列的特性m序列优良的自相关特性能够为实现多址和利用多径创造条件。虽然m序列具有良好的自相关特性，然而由不同反馈系数生成的相同长度的m序列之间的互相关特性却不尽如人意，如图所示，长度为31的两个不同m序列之间在相互对齐的情况下互相关系数可能高达0.35。这在多址应用时是难以满足要求的。无线通信基础与应用10伪随机序列-m序列的特性下表给出不同长度m序列的最大互相关系数，可以看出m序列的最大互相关系数大都在0.3以上，在多址应用时通常希望多个伪随机序列之间相互正交或者准正交，也就说希望不同伪随机序列之间的互相关系数为0或者足够小，0.3以上的互相关系数离准正交的要求相差太远了，但是以m序列为基础可以构造出互相关特性较好的其他伪随机序列，例如Gold序列。无线通信基础与应用11伪随机序列-基于m序列构造其他序列

无线通信基础与应用12直接序列扩频直接序列扩频（DSSS），是一种应用最为广泛的扩频技术。DSSS技术的理论依据来源于香农的信息论。AWGN连续信道的信道容量为：由上式可以看出，如果信道容量C不变，则信号带宽B和信噪比S/N之间是可以互换的。也就是说，可以通过增加信号带宽在较低的信噪比情况下，以相同的信息速率来可靠地传输信息。扩频调制技术正是基于上述原理，通过扩大信号带宽来换取了信噪比上的好处。大多数直接序列扩频的基带信号都基于BPSK调制产生，因此也称为DSSS/BPSK调制，后续的分析都基于DSSS/BPSK调制。无线通信基础与应用13

直接序列扩频-扩频序列

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直接序列扩频-扩频序列

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在例7‑2生成的m序列的基础上，得到连续扩频序列信号，并基于上式自相关函数计算可以得到如图所示的自相关函数。直接序列扩频-直接序列扩频调制

无线通信基础与应用16直接序列扩频-直接序列扩频调制

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直接序列扩频-直接序列扩频调制

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直接序列扩频-直接序列扩频调制代入得为了简化问题，假设h(t)=δ(t-τ)，其中τ为信道时延，忽略噪声和干扰，且令τ=τ+Δτ，则上式可以简化为：解扩的目的是消除扩频信号对BPSK已调信号的影响，从上式中恢复出s(t)。考虑到c(t)的取值只可能为±1，故当Δτ=0时有c(t-τ-Δτ)c(t-τ)=1，代入上式可得：上式说明当Δτ=0，即准确估计信道时延的条件下，可以从接收信号中完全消除扩频序列的影响，恢复出BPSK已调信号s(t)，从而实现正确的解扩，接下来使用BPSK相干解调即可恢复发送的符号。无线通信基础与应用19

直接序列扩频-直接序列扩频调制那么如果Δτ≠0又会怎样呢？由收发原理图可以看出接收机首先使用c对接收信号进行解扩得到，进而将

与本地载波相乘完成下变频得到，最后将在一个符号周期内进行积分得到解调符号用于后续判决。依据以上过程，不失一般性，令信道时延τ=0，则可表示为：其中第二个等号忽略了二倍频的高频分量的影响，因为高频分量可以通过滤波器滤除。若扩频序列c(t)具有理想的自相关特性，即R(τ)=δ(τ)，则可知当Δτ≠0时，R(Δτ)=0，无法正确解调，解调结果为零；当Δτ=0时，R(Δτ)=1，上式即为发送符号，从而实现了正确的解扩与解调。无线通信基础与应用20

直接序列扩频-直接序列扩频调制

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直接序列扩频-直接序列扩频调制结合收发原理图，DSSS/BPSK在扩频与解扩流程中各个阶段的信号可以用右图进行简单的示意，图中假设信道响应为单位冲激响应且没有考虑噪声和干扰的影响，数据符号周期Ts为码片周期Tc的3倍，也即扩频因子M=3，发送功率为P。图中假设信道时延为Tc/2，即接收到的扩频信号y(t)相对于发送的扩频信号x(t)有Tc/2的时延，若接收端能够获得正确的同步，即,则能够实现正确解扩，恢复出发端的已调信号估计信号

s(t)，并进行后续的解调过程。无线通信基础与应用22

直接序列扩频-直接序列扩频调制与时域波形信号对应的频域情况如右图所示，其中P表示发射功率，容易证明扩频前后信号的功率是保持不变的。可以看出扩频前的BPSK已调信号带宽较窄，带宽为2/Ts；对应的归一化后的功率谱密度为1.5。扩频之后得到的DSSS/BPSK信号带宽被扩展了3倍，即2/Tc=6/Ts。相应地，扩频信号的功率谱密度也降低为原来的1/3。如果我们不断地增大扩频因子M，则随着扩频信号带宽的不断增大，其功率谱密度也会随之进一步降低，直到扩频信号的功率谱密度降低到噪声功率谱密度之下。无线通信基础与应用23直接序列扩频-扩频序列同步DSSS信号接收机需要实现三项同步任务，即扩频序列同步、载波同步以及位定时同步，其中扩频序列同步具体过程可分为捕获和跟踪两个阶段。捕获阶段主要确定是否收到有效的扩频信号并获取粗同步，粗同步捕获可以串行实现也可以并行实现。并行捕获结构如图所示：无线通信基础与应用24直接序列扩频-扩频序列同步串行捕获结构如图所示：在数字扩频通信系统中，广泛应用的是基于滑动相关的捕获方案，结构如图所示：无线通信基础与应用25直接序列扩频-扩频序列同步

无线通信基础与应用26直接序列扩频-抗干扰原理直接序列扩频在军事应用中的一个突出优势是其具有抗窄带干扰的能力。这里的窄带干扰是指干扰信号的带宽与直扩信号的带宽相比更窄，通常可以假定窄带干扰信号的带宽与扩频前的基带信号带宽在同一个量级。当扩频系统和窄带系统工作在相同频率范围时，扩频系统将主要受这种窄带干扰的影响。如图从频域角度形象的说明了扩频信号的抗干扰原理。无线通信基础与应用27直接序列扩频-抗衰落与RAKE接收若信道为多径衰落信道，DSSS使用了比符号周期小得多的码片周期，码片间干扰肯定比符号间干扰严重得多，直觉上加剧了DSSS信号经历的频率选择性衰落，但是通过扩频序列优良的自相关特性，接收机可以提取特定时延传播路径上到达的接收信号，与该路径相对时延超过码片周期的多径接收信号都得到了较大的抑制，从而有效地降低了码间干扰或者频率选择性衰落的影响，因此DSSS具有抵抗多径衰落的能力。从频域上看，相对于BPSK已调信号来说，扩频信号的带宽大大增加，相当于将BPSK已调信号带宽上携带的信息分摊到更大的带宽上，不同频率分量将可能受到不同的频率选择性衰落，也就是说在频率域上，独立衰落的多样性大大增加了，第5章已经指出，多样性就意味着分集的可能性，因此就有可能利用这种多样性来获取增益。从这个意义上看，DSSS能够提供频率分集的效果，利用这个效果来改善接收信号的技术就是RAKE接收机。无线通信基础与应用28直接序列扩频-抗衰落与RAKE接收RAKE接收机的结构如图所示，通过U个相关器，能够提取出对应多径时延处的多径信号，从而实现对多径信号的分离。分离出的U个多径信号，对应于同一个发送信号，但是经历了不同的传播路径和独立的衰落，因此可以将其看作是多个分集支路信号。进而采用第5章给出的各种合并算法进行合并，就可以提升解调性能。无线通信基础与应用29直接序列扩频-码分多址基于直接序列扩频还可以实现多址，即码分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）。CDMA利用一组特定的扩频序列分别对不同的用户信息进行扩频，并且允许不同用户的信息叠加在一起同时传输，占用相同的工作带宽，在接收端利用不同扩频序列之间较小的互相关特性对用户进行区分，从而达到多址的目的。虽然对每个用户来讲扩频信号都占用了很大的带宽，但是由于使用不同扩频序列调制的信号可以占用相同的带宽，并且仍然能够在接收端被分离出来，因此在多用户使用的情况下，CDMA技术具有较高的频谱效率。实际上，第10章指出，使用准正交扩频序列的CDMA系统可以支持较多的用户同时通信，但是用户之间会产生互相干扰，尽管可以共享信道的用户总数没有硬性限制，但是如果太多用户同时访问该信道，则所有用户的性能都会降低。无线通信基础与应用30跳频扩频-跳频原理跳频扩频（FHSS）是指发射信号的带宽不变，但发射的载波频率受伪随机序列的控制，在远大于信号带宽的频带内，按一定规律随机跳变的技术。FHSS的基本工作原理如图所示：无线通信基础与应用31跳频扩频-跳频原理在发射端首先采用某种数字调制映射得到基带信号，同时利用跳频序列控制频率合成器，在不同的时隙内产生频率跳变的载波信号，再用跳变的载波信号对基带信号进行上变频。在接收端，本地跳频序列控制频率合成器，使本振信号频率与发送方具有相同的跳变规律。利用跳变的本振信号对接收到的跳频信号进行下变频，获得解跳后的基带信号，进而经数字解调恢复发送数据。跳频技术特点：抗干扰能力强具有多址组网能力具有一定抗衰落能力易于与窄带通信系统兼容具有一定的保密能力无线通信基础与应用32跳频扩频-跳频同步在因此对跳频同步有以下一些要求：1）跳频同步建立的时间要快；2）跳频同步系统自身要有较强的抗干扰能力；3）跳频同步信号要有较强的隐蔽性和抗侦察假冒能力。实现跳频同步的方法主要有同步字头法、参考时钟法及自同步法三种：同步字头法：在建立通信前首先传送携有同步信息的数据帧，利用收到的同步信息来实现同步。若跳频序列周期很长，采用其它方法会使同步时间过长时，此方法为一种较好的解决办法。参考时钟法：这种方法用高精度的时钟实时控制收发双方的跳频图案，即实时控制收发双方频率合成器的频率跳变。若收发双方都保持时间一致，且通信距离已知，则可保证跳频图案的同步。自同步法可直接从接收到的跳频信号中自动提取同步信息，不需同步头，可节省功率，且有较强的抗干扰能力和组网灵活的优点。无线通信基础与应用33跳频扩频-跳频多址跳频扩频也可实现多址，不同的用户采用相互正交（或准正交）的跳频序列来进行跳频，这些用户可以同时工作在相同的频带内，而不会产生相互干扰，或者相互之间的干扰能够被控制在一定的程度之内。两个用户的跳频多址示意如图所示。其