通信原理10.ppt

1、10 扩频通信原理,10.1概述 10.2直扩系统原理 10.3跳频通信系统原理 10.4扩频码的捕捉与跟踪,概述,FDM、FDMA以及TDM、TDMA分别从频域和时域对 信道进行分割，从而实现信道复用。通过正交码实现信 道复用可以更有效地利用信道频带且可靠性更好，这就 是码分复用（CDM）或码分多址（CDMA）技术。,概述-续,概述-续,地址码与信码相乘后扩展了信码的带宽，故常称信码与地址码的相乘器为扩频调制器（简称扩频），称含有扩频调制器的通信系统为扩频通信系统。扩频通信系统收端还需进行扩频解调（简称解扩），这一任务也是由相乘器完成任务的。 扩频通信的理论基础是香农定理，即,概述-续,扩频

2、通信有以下几类工作方式： （1）直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）方式，简称直扩（DS）方式。 （2）跳变频率（Frequency Hopping）方式，简称跳频（FH）方式。 FH系统用伪码控制发射机的载频，使之随伪码的变化而跳变，从而扩展发射信号的频率变化范围即扩展传输带宽。 （3）跳变时间（Time Hopping）方式，简称跳时（TH）方式 TH系统用伪码启闭信号的发射时间，从而扩展传输带宽。 （4）混合方式 将以上三种基本扩频方式结合起来，构成混合式扩频系统，如FH/DS、TH/DS等。,概述-续,扩频通信系统的主要特点 隐蔽性 扩频信号的

3、频谱被扩展到很宽的频带内，其功率谱密度也随之降低（可明显低于环境噪声和干扰的电平），难以检测。 保密性 扩频信号受特定伪随机序列控制，接收者若不能按此伪随机序列的规律进行解扩，就不能恢复信号中传送的信息。 抗窄带干扰及多径干扰 信道复用 用多个伪随机序列分别作为不同用户的地址码，可以共用一个频段来实现码分多址（CDMA）通信。,本章内容提要,10.1概述 10.2直扩系统原理 10.3跳频通信系统原理 10.4扩频码的捕捉与跟踪,直扩系统原理,我们以采用2PSK调制方式的直扩系统为例，说明直扩通信系统的工作原理,直扩系统原理-续,扩频与解扩,直扩系统原理-续,扩频与解扩,M序列的自相关函数,直

4、扩系统原理-续,扩频与解扩,功率谱密度为,直扩系统原理-续,扩频与解扩,m序列的自相关特性(a)及功率谱密度(b),直扩系统原理-续,扩频与解扩,直扩系统原理-续,抗随机噪声能力,1. 抗带宽为2fd的窄带白噪声能力,直扩系统原理-续,抗随机噪声能力,接收机输出噪声形成示意图之一,直扩系统原理-续,抗随机噪声能力,No=2nofd/N,直扩系统原理-续,抗随机噪声能力,当扩频接收机输入噪声与常规通信系统相同时，扩频接收机输出噪声功率是常规系统的1/N，即扩频系统抗噪能力是窄带系统的N倍。 只要扩频接收机输入噪声带宽不大于常规系统的信号带宽，此结论都是成立的。,直扩系统原理-续,抗随机噪声能力,

5、2. 抗高斯白噪声的能力,直扩系统原理-续,抗随机噪声能力,2. 抗高斯白噪声的能力,对于高斯白噪声，直扩系统输出噪声的功率为输入噪声功率的1/N，即直扩系统对高斯白噪声的处理增益为N。但直扩系统的输出噪声功率与常规通信系统的输出噪声功率基本相等，即扩频系统的抗高斯白噪声能力与窄带系统基本相同。也就是说，当信号功率相同，噪声功率谱密度相同时，扩频系统的误码率与常规系统基本相同。,直扩系统原理-续,抗人为干扰的能力,直扩系统抗单频干扰及窄带干扰（带宽不大于信码速率的2倍）的能力是常规通信系统的N倍；随着干扰带宽的增大，直扩系统的抗干扰能力逐渐接近于常规系统。 当信道存在高斯白噪声和窄带随机干扰（

6、带宽不大于常规通信的信号带宽）时，采用2PSK调制方式的直扩系统的误码率为,直扩系统原理-续,抗多径干扰的能力,第一项为有用信号，第二项为多径干扰。,直扩系统原理-续,抗多径干扰的能力,直扩系统原理-续,多址能力,直扩系统原理-续,多址能力,当采用2PSK调制时，平均误码率为,若各发射机的发射功率相等，则某一个发射机所产生的多径干扰与它与接收机的距离有关，距离越远干扰越小，距离越近干扰越大，此即为所谓“远近效应”。,减小多址干扰措施：功率控制、智能天线、多用户检测与多址干扰对消等。,直扩系统原理-续,干扰容限,G=35dB，Ls=3dB，(S/N)o=10dB，Mj=22dB。,本章内容提要,

7、10.1概述 10.2直扩系统原理 10.3跳频通信系统原理 10.4扩频码的捕捉与跟踪,跳频通信系统原理,扩频与解扩,跳频通信系统原理-续,抗噪性能,（1）若输入噪声的频带处于扩频后信号频谱中单个跳变频带之内，则对扩频信号造成干扰的概率为1/N。下变频器输出噪声平均功率为输入噪声功率的1/N。 （2）若输入噪声频谱均匀地分布在通信系统的整个频带上，则跳频系统的每个跳变频带都会受到干扰，但分配到每个跳变频带的噪声功率为输入噪声功率的1/N，故下变频器输出噪声功率为输入噪声功率的1/N。 （3）在高斯白噪声条件下，因为常规通信系统输出噪声功率与跳频系统相同，所以跳频系统的误码率与常规通信系统相同

8、。,跳频通信系统原理-续,抗噪性能,当跳频时间间隔满足 Tc（Te+TP+Tj）TD 时，转发干扰对接收机准确接收信号无影响。,（4）抗转发干扰能力,跳频通信系统原理-续,抗噪性能,在跳频CDMA系统中，只要各用户的跳频图案不重合，就无多址干扰，当然也不存在直扩通信中的远近效应。,（5）多址能力,本章内容提要,10.1概述 10.2直扩系统原理 10.3跳频通信系统原理 10.4扩频码的捕捉与跟踪,扩频码的捕捉与跟踪,扩频码的同步过程分为两个阶段： 捕获 使本地产生的伪随机序列码（PN码）与接收到的PN码之间的误差小于1/2码片的时间间隔。 跟踪 由于收发时钟的不稳定性，收发信机之间的相对运动

9、以及传播路径时延变化等因素，使得已同步的本地序列相位出现某种抖动偏差。因此扩频通信还要进行伪码跟踪，跟踪环路不断校正本地序列发生的时钟相位，使得本地序列的相位变化与接收信号的相位锁定，从而使得同步误差尽可能地小，正常地接收扩频信号。,扩频码的捕捉与跟踪-续,伪码捕获 常见的伪码捕获方法包括滑动相关法，序贯估值法和匹配滤波器同步法。,扩频码的捕捉与跟踪-续,滑动相关法 接收信号经解扩处理后，送往从0Tc的积分清除积分器，其中Tc为伪码周期，在Tc时刻输出积分值。当接收伪码信号 伪码相位j与本地伪码信号伪码相位 相位差小于1/2Tc时，根据伪码的自相关函数曲线此时积分器的输出远大于相位差大于1/2

10、Tc时的输出。,扩频码的捕捉与跟踪-续,将积分值在门限比较器作比较，低于设定的某一门限值时输出一信号给时钟电路，控制时钟电路的工作状态，以1/2Tc步进调整本地伪码序列的相位状态。改变后的本地序列相位状态再重复上述过程，当积分器输出大于给定门限时，认为此时伪码相位差小于1/2Tc，完成对伪码相位的捕获，门限比较器输出不再改变时钟电路的工作状态，而是输出信号给跟踪同步电路。,扩频码的捕捉与跟踪-续,序贯估值法,扩频码的捕捉与跟踪-续,伪码跟踪,延迟锁相环 （DLL）,扩频码的捕捉与跟踪-续,延迟锁相环工作原理 是由两个并连的相关器构成的锁相环路。输入PN码信号分别与本地产生的相差一个Tc的PN码

11、进行相关运算。这两个相差一个Tc的PN码序列可由PN码发生器的相邻的两级移位寄存器分别引出。相关器由乘法器、带通滤波器和平方律包络检测器组成。按照PN码相关特性，输入信号与本地PN码的相关特性应为三角波。但由于两个相关支路本地PN码相差一个Tc，两个三角波的峰值也相差一个Tc。两个三角波经相加器反相合成以后，则成为一S形曲线，即锁相环的鉴相特性。,扩频码的捕捉与跟踪-续,PN码序列的相关特性和鉴相特性,扩频码的捕捉与跟踪-续,S曲线表明，如果收到的信号与本地PN码相差有提前或延后，则加法器输出为正的或负的电压。此电压经环路滤波器后去控制本地压控振荡器VCO，根据它再去调整PN码时钟发生器，使PN码发生器产生的PN码的相位能够跟踪外来PN码信号的变化。在正常情况，本地振荡器被锁定在S曲线的零点。两端有相差后再进行调整。此时本地PN码与外来PN码信号相差1/2Tc。所以从移位寄存器末级取出的PN码序列经过1/2Tc延迟后可以作为解码相关器支路的本地PN码参考信号，它正好与收到的信号相位一致。第三支路经信息数据解调器输出有用信息。,扩频码的捕捉与跟踪-续,直扩系统