第四章-直扩技术的应用

1、第四章 直扩技术的应用,直扩测距,直扩序列CDMA,GPS中直扩应用,直扩技术的医学应用,民用应用：,通信信息系统、武器系统、C3I （通信、指挥、控制与情报）系统； 移动通信、电力通信、矿井通信、导航、定位、信息保密、医疗、探测等。,军事应用：,4.1 直扩测距,测距的基本原理 发信机发射一个载波频率为f0的无线电波，然后收信机接受由目标发射回来的信号，测量接收信号相对于发射信号来回传输的时延 ,从而确定发信机/收信机至目标的距离d。,4.1 直扩测距,测距的基本原理 假设发射的信号是功率为P0、宽度为T、重复周期为T0的高频载波脉冲，可用下式表示： 式中：gT(t)是宽度为T、幅度为1的方

2、波脉冲。 则距离d为： 式中：c为光速，c=3*108m/s； 为接收时间t2与发射时间t1之差。,4.1 直扩测距,利用多普勒频移测速 当目标径向运动时，收信机接收到的信号载波相位为 r=0(t-d/c) 因为d是随时间变化的，所以收信机接收到的载波角频率r为 式中， 是目标相对于收/发信机的径向运动速度。,4.1 直扩测距,利用多普勒频移测速 只要目标在移动，则vr0,有frf0。 运动使频率发生了多普勒频移，频移值为 fd=f0|vr/c| 收信机用频率计测得fd后，就可以确定目标径向运动速度了。,注：收信机接收到的目标回波频率与发信机发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。,4.1 直

3、扩测距,雷达 雷达，是英文Radar的音译，源于radio detection and ranging的缩写，意思为无线电探测和测距，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。,雷达测距的基本原理,工作原理：在车辆行驶中，雷达窄波束向前发射电磁波信号，当发射信号遇到目标时，被反射回来被同一天线接收，经混频放大处理，可用其差拍信号间来表示雷达与目标的距离，再根据差频信号相差与相对速度关系，计算出目标对雷达的

4、相对速度，微处理器将上述两个物理量代入危险时间函数数字模型后，既可算出危险时间，当危险程度达到各种不同等级时，分别输出报警信号或通过车辆控制电路去控制车速或刹车。当距离过近时，有些车型警告喇叭会响起，以警告驾驶者注意前方障碍物已经接近车体，同时DTR电脑会通过车身电脑网络CAN-BAS与发动机ECU、变速器ECU及ESP(车辆稳定行驶系统) 、ABS刹车系统ECU，通过限制发动机输出转速，调节刹车作用力及变速箱挡位，控制定速巡航的车速。若前方无障碍物（100米为限）则警告灯会熄灭，车子便会加速至预设的巡航速度,原理图,4.1 直扩测距,雷达测距 无线电测距常用于雷达导航中检测敌方目标； 雷达的

5、最大测量距离取决于回波信号的强度； 雷达测距的距离分辨能力取决于脉冲宽度。,4.1 直扩测距,雷达测距 设混合在雷达调制器中的噪声是均值为0，带宽为2/T、功率谱密度为n0/2的高斯白噪声，雷达无线发射功率为P0、接受的回波功率为2P0(01为电波传播功率衰减系数），可以得出接收机的输出信噪比： 对于确定的门限输出信噪比值，最大测量距离同P0与高频载波脉冲宽度T是成正比的。,注意：由于实际中P0不能太大，因此只有通过提高T来增大雷达测距的距离。,4.1 直扩测距,雷达测距 假设 2P0 n0/T，则有接收机的输出信噪比： 如果发射功率为P，天线方向系数为D，目标的雷达等效面积为，接受无线的有效

6、面积为A，则：,接收的回波信号功率为：,收信机的输出信噪比为：,4.1 直扩测距,雷达测距 若给定回波检测门限 为,则最大测量距离 为： 最小分辨距离：,注意：最大测量距离与最小分辨距离对T的要求是矛盾的。,雷达的直扩测距,雷达直扩测距原理,雷达的直扩测距,雷达直扩测距原理 发信部分的扩频码发生器在时钟控制下，产生伪随机码元宽度为Tc、幅度为1、码周期为p的扩频序列c(t)，用于雷达测距，设雷达发射的载波脉冲宽度T正好等于pTc，故发送信号s(t): 收信端接收到回波信号后，混有周期与正交噪声的信号为,雷达的直扩测距,雷达直扩测距原理 假设T0T,本地扩频码发生器产生的扩频序列 对回波信号进行

7、相关解扩，解扩输出为： 设带通滤波器的中心频率为f0,带宽为2/T，相关解扩后只有在f0附近的频率成分能通过带通滤波器，其余频率分量谐波皆被带通滤波器滤除，而噪声通过带通滤波器后，由于2/T2/Tc，故而有,雷达的直扩测距,雷达直扩测距原理 式中，nc(t)和ns(t)是均值为0、功率谱密度为n0/2的高斯白噪声低频分量。 故带通滤波器输出为： 该输出经过平法电路，并忽略二次项，得输出为,雷达的直扩测距,雷达测距 若扩频码同步，则 ， 。 可得雷达回波接收的输出信噪比： 可见，当雷达脉冲T越大时，输出信噪比越高 ，最大测量距离越大。,雷达的直扩测距,雷达测距 雷达直扩测距的最小距离分辨能力：

8、测距的最小距离分辨能力与扩频码的码元Tc有关，而与T无关。 T=pTc，TcT，直扩测距的最小距离分辨能力大大提高，解决了常规测距中的T所带来的矛盾。,雷达的直扩测距,雷达测距 扩频码同步的相关峰只出现在 范围内，只要两个目标的回波的时间小于Tc，检测的相关峰峰值主体就不会重叠而影响检测。,一个回波由 检测确定，另一个回波由 检测确定，只要扩频码同步时延差 保持在内就可取得良好的峰值检测，测距精度约为 。,雷达的直扩测距,例题4-1：若雷达直扩测距系统所用扩频码长度p=2048，发射脉冲宽度T=0.001s，试问： （1）在什么条件下，常规雷达测距与直扩测距的最大测量距离相同？ （2）比较常规

9、测距方式与直扩测距方式的最小分辨距离d。 解：（1）按照式4-10,在雷达天线参数为D、A，发射功率为P0， 相同，且T=Tc的情况下，常规测距与直扩测距的dmax相同。 （2）在T=0.001s时，常规测距的最小分辨距离为 d1=c/2*T=1.510810-3=150103m 而由T=pTc，Tc=T/p=10-3/2048s,所以直扩测距的最小分辨距离为 d2=c/2*Tc=150103/204873.2m 显然，d2d1，所以直扩测距的距离分辨能力远高于常规方式的距离分辨能力。,4.2 直扩序列CDMA,技术特点 FDMA的特点是：每个地址独占一个频带，时间资源共享。 TDMA的特点是

10、：时隙独占，频率资源共享。,CDMA的特点是：频率与时间资源均共享。,CDMA的技术特点： （1）系统容量大； （2）软越区切换技术； （3）软容量； （4）低发射功率； （5）保密性强； （6）充分利用多径增强信号。,4.2 直扩序列CDMA,技术特点-系统容量比较 TDMA与FDMA，计算用户数的公式： m=Bt/NBc 式中，Bt为给定的总频带宽度，Bc为每个信道带宽，N为区群中小区数目。 假设给定的总频带宽度Bt=1.25MHz，FDMA中每个信道带宽Bc=30kHz，区群中小区数目N=6，可满足收信机的载干比要求，因此每小区用户量为： 对于TDMA，假设一个TDMA载波容纳3个时隙，

11、相当于Bc=10kHz，且取小区数目N=4，可满足收信机的载干比要求，因此每小区用户量为：,4.2 直扩序列CDMA,技术特点-系统容量比较 对于CDMA，共道干扰主要来自同信道的多址干扰以及相邻小区频率重复使用的多用户干扰，因为邻近小区传输距离较远，其干扰影响不及同一小区，可等效于取小区数目N=1.5，仅考虑同一小区的多址干扰的用户量计算为： 式中，Gp为直扩增益，Gp=Bt/Bc,Bt表示扩频带宽取1.25MHz，Bc由Rc决定，当Rc=8kb/s保证语音传输质量，Bc=8kb/s，所以Gp=156,Ea/N0=7dB，则K=46.8，再由N=1.5，可得,结论：TDMA与CDMA的用户容

12、量相近，FDMA用户容量较小。CDMA系统还可以增大容量。,4.2 直扩序列CDMA,技术特点-增大CDMA系统容量的方法,采用语音激活技术提高系统容量。 语音激活：通话时发送功率，不通话时不发送功率。大约增大2.5倍增益。 采用频率复用及扇区划分技术提高系统容量。 频率复用：同一频率在相邻小区可重复使用； 扇区划分：将小区分为3个120度的扇区，每个扇区使用一副单独使用的方向性波速天线，则各扇区用户之间可互不干扰，小区用户数可获得3倍增益。 增大系统的扩频增益。 在射频带宽一定的情况下，可采用语音压缩编码技术或者多维调制技术来降低Ra。,4.2 直扩序列CDMA,技术特点 软越区切换技术 软

13、容量 CDMA系统采用了直接序列扩频技术，当用户数量增大时，可以在容量与质量之间做权衡与取舍，可以降低一些用户语音通话质量来换取用户数的增大。 低发射功率 CDMA系统中，为解决远-近效应特性的多址干扰，基站对移动台采用功率控制，可使通话平均载波干比改善约为2dB，这样就可以降低系统的发射功率，省电且辐射小。CDMA手机的功率很低，低至几毫瓦至几十毫瓦。,在系统中，移动台接受基站发射的导频信号，将接收到的导频信号能量与全部接收能量之比值作为实现却去切换基准。系统中允许手机同时与两个或者两个以上基站保持联系，接收它们的寻呼信号。在新、旧基站之间切换时，按照“先建立与新基站的连接，后中断与旧基站连

14、接”的方式，因此CDMA用户越区切换时掉话率很低。,4.2 直扩序列CDMA,技术特点 保密性强 信号频谱为低功率谱分布，信号易于掩蔽，保密性强。 充分利用多径增强信号 CDMA采用直扩方式，扩频序列码片速率很高，系统带宽B很大，信道的时延扩展大于码片的时间宽度Tc,从而可以通过Rake接收机方式来合并多条路径的信号，增强取样时间的信号值。,直扩序列信号Rake 接收组成示意图,4.2 直扩序列CDMA,技术特点 充分利用多径增强信号 实际系统中，还常用最佳非相干检测方式，即先用匹配滤波器与保罗检测器检测出a(t)信号的多径分量，然后用抽头延迟组成最大合并方式的Rake接收机。,4.2 直扩序

15、列CDMA,直扩CDMA应用 IS-95标准：2G的CDMA系统标准，可向3G过渡。 工作频率区间：869MHz894MHz，824MHz849MHz用于MS到BS的反向信道，单频道带宽为1.25MHz. IS-95的基本特性： 直扩序列码片速率为1.2288Mb/s，以标准的语音数据速率9.6kb/s计算，系统扩频增益Gp=Rc/Ra=128. 扩频调制采用QPSK方式。射频带宽为1.25MHz。 使用维特比（Viterbi）译码的卷积码（码率为1/2，k=9）。 使用宽度为20ms的交织器进行时间分集。 使用RAke接收空间分集、功率控制等技术抑制干扰，提高接收机的增益。,前向链路（BS-

16、MS）信道由正交性很强的Walsh序列提供； 反向码分（MS-BS）信道由不同序列相位的长码PN序列（242-1）提供，码片速率为1.2288Mb/s。,4.2 直扩序列CDMA,直扩CDMA应用 前向链路（BS-MS）结构与功能,基站经前向信道发送信号的简化框图,4.2 直扩序列CDMA,直扩CDMA应用 反向链路（MS-BS）结构与功能,4.2 直扩序列CDMA,直扩CDMA应用 例4-2 IS-95CDMA系统中的信号形式形成多种多样，有数据比特、信道比特、Walsh码片、扩频码片与QPSK波形等，现考虑传输语音信号速率为9.6kb/s的反向业务信道，基站接收机的接收信干比为Eb/(Io

17、+No)Eb/Io=7dB,试求： （1）接收信号功率与干扰谱密度之比及信号能量与干扰谱密度之比：Pr/Io、Ec/To、E/Io、Ewch/Io、Ech/Io以及Rc、R、Rwch、Rch之值，其中下标c、wch、ch分别代表信道比特、Walsh波形、Walsh码片和扩频码片。 （2）求有多少个扩频码片对应一个Walsh码片。 解：（1）首先推导接收信号功率Pr/Io与各种信号参量之间关系。设Eb为数据比特能量，Tb为比特持续时间，R=1/Tb为数据比特速率，则有 因为 （5倍），且R=9600b/s，所以有,4.2 直扩序列CDMA,直扩CDMA应用 假定信道编码传输是实时的，不允许有信息

18、延迟，则信道比特率必然是数据比特的n/k倍，因此有 由于信道编码的卷积码码率为 ，因此 比特/秒 因为每6信道比特对应一个64维Walsh调制波形，所以 波形/秒,4.2 直扩序列CDMA,直扩CDMA应用 一个Walsh波形包含有64个码片，因此每Walsh码片 Walsh码片/秒 在IS-95中，扩频码片速率为1.228Mb/s，因此扩频码片 （2）扩频码片对Walsh码片之比为,4.3 GPS中直扩应用,全球定位系统（GPS）是美国制造的一个高精度卫星导航与定位系统，可用于确定地面上移动或固定用户的三维空间位置，用户通过测量它与地平线上4颗至6颗轨道卫星的距离而精确定位。在距地面2020

19、0km上空，有24颗GPS系统卫星在轨道上运行，这些轨道卫星精确地每12个小时运行1周。轨道卫星的运行轨道有三条，每条轨道上有8颗卫星，轨道面相对于地球赤道面的倾角为45，相互间隔的经度为120，GPS轨道卫星运行图如下图所示。,4.3 GPS中直扩应用,每个轨道卫星都向地面发射两种直接序列扩频信号L1与L2， L1与L2的载波频率分别为1575.42MHZ和1227.60MHz。 L1 面向的是一般用户；L2主要面对军事用户。,GPS中扩频信号L1的产生,4.3 GPS中直扩应用,L1信号使用I信道，扩频码使用长度为1023个Chip的Gold码，Chip速率为1.023Mb/s，码周期为1

20、ms。 每颗卫星使用不同的Gold码，地面用户接收机根据此码来区分卫星。 长度较短的扩频码称为C/A码（Clear/Acquisition码），由于码长度短，易于捕获，因此C/A码又称为捕获码。C/A码的码元较宽，用它测距的误差较大，测距精度低，故而将其又称为粗测码。 Q信道扩频码是一种时钟为10.230MHz的长度很长的非线性码，码长为2.351014位，周期长度为267天，码速为10.23Mb/s，这种长码称为P码。由于P码的码元宽度仅为C/A码的1/10，测距误差小，故P码又称为精测码。 实际的P码周期被分为38份不同的相位段，分配给不同的卫星及地面站使用，卫星数据中便包含有这样的信息。

21、 C/A码与P码都被1500比特的卫星数据所调制，1500比特包含着卫星位置及传播时间误差、时间偏置等信息，它以50波特重复传送。,4.3 GPS中直扩应用,C/A码与P码分别对载波进行BPSK调制，且Q信道功率比I信道功率低3dB，构成非平衡QPSK方式。 假设GPS用户接收L1信号，技术先进的用户接收机至少有4个分开的信道同时接收4颗卫星的L1信号，而简单的用户接收只有1个单信道依次解调4颗卫星的L1信号。 接收机首先捕获C/A码，在建立同步与跟踪后，载波恢复电路相位锁定C/A信号载波，相干解调出卫星数据，依据数据信息，可迅速完成P码同步。 注意：C/A码与P码都可以确定接收用户与卫星用户

22、的距离，测距原理相同，唯一不同的是P码测距精度较高。,4.3 GPS中直扩应用,在C/A码同步后，接收机记录来自一个卫星的码信号出现时间t2,同时从收到的卫星数据中得到发送信号的时间t1,其中t2是以接收机自身时钟为参数，而t1则是以系统时钟为参数，两者之间相差。,4.3 GPS中直扩应用,GPS接收机计算的传播时间 与真实传播时间Ti也相差，故 由 计算出的与第i颗卫星的距离 式中，B=c;c为光速。 由于所有卫星时钟都是同步的，因此它们的B=c是相同的。 故与卫星的真实距离Ri为,4.3 GPS中直扩应用,假若用来计算用户位置的坐标系是以地心为原点的直角坐标系，用x、y、z表示用户位置，Ui、Vi、Wi表示第i个卫星的位置，则可有如下方程组： 式中，i可有