6第六章扩频通信

移动通信电控学院综合楼823第六章扩频通信技术移动通信电控学院综合楼823•6.1概述•6.2伪随机码和正交码•6.3扩频通信原理•6.4抗多径干扰和RAKE接收机•6.5跳频扩频通信系统•6.6伪码的同步●主要内容移动通信电控学院综合楼8236.1概述扩频通信具有频率分集和时间分集的特点，是第三代移动通信无线传输的主流技术。发展历史：移动通信电控学院综合楼8231941年，由好莱坞女演员HedyLamarr和钢琴家GeorgeAntheil提出的，基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路,不幸的是，当时该技术并没有引起美国军方科学家的重视6.1概述移动通信电控学院综合楼823Hedy的专利提出的最重要概念是“展布频谱技术”，最先指出了用频率跳变的方式扩大通讯容量并保密信息。正是这个思路带引导了移动数字通信技术的发展。1957年，一家纽约的小公司重新继续研发这个创意，将其提供给美国军方，才逐渐引起了军方的重视，战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，防止敌方对己方通讯的干扰。6.1概述80年代冷战结束，美国军方解除了对展频技术的管制，允许其应用于民用领域移动通信电控学院综合楼8231985年高通公司在加州成立，研发出了CDMA系统，基础就是“展频”和“跳频”技术6.1概述当前主要的三大3G技术标准：WCDMA、CDMA2000都源于高通公司对CDMA技术的开发。Hedy，CDMA之母：是第一个将现代3G数字移动通信技术的核心思想带到这个世界的人，直到以CDMA为基础的3G技术开始走入人们视野的1997年，科学界才想起了已经83岁高龄的Hedy，电子前沿基金会授予了她早应得到的荣誉移动通信电控学院综合楼823扩频通信的定义扩频通信用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身的带宽频带的扩展由扩频码来实现，其突出优点是抗干扰能力和通信隐蔽性。由高通公司开发已投入商业运营的IS-95系统是扩频系统商业化的光辉典范。以前调制方案的主要设计思想是最小化传输带宽，而扩频调制采用宽带调制技术，以信道带宽来换取信噪比的改善。6.1概述移动通信电控学院综合楼823扩频通信技术的理论基础是香农定理香农信息论中的香农定理：对于连续信道，信道带宽为B,且受到高斯白噪声的干扰，香农公式为sbitNSBC/)1(log2若噪声单边带功率谱密度为，则0nBnN0sbitBnSBC/)1(log026.1概述用频带换取信噪比是扩频通信的基本原理移动通信电控学院综合楼823当S和一定时，信道容量虽然随着B的增大而增大，然C不会趋于无限大。B0n022000220200log(1)/log(1)1limlog(1)log1.44limlog1.44xBnBSSSCBbitsnBnSnBxexSSCenn利用关系式:所以:这是用频带换取信噪比的极限容量6.1概述是否可以一味的牺牲带宽来换取信噪比上性能的提高？移动通信电控学院综合楼823扩频方法直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum）简称直扩（DS）；跳变频率扩频（FrequencyHopping），简称跳频FH）；跳变时间扩频（TimeHopping），简称跳时（TH）；宽带线性调频（ChirpModulation），简称Chirp。6.1概述扩频系统有以下一些特点：信号的功率谱密度低，因此信号具有隐蔽性且功率污染小；有利于数字加密、防止窃听；抗干扰性强，可在较低的信噪比条件下，保证系统传输质量；抗衰落能力强；能实现码分多址复用（CDMA）；移动通信电控学院综合楼8236.2伪随机码与正交码伪码：伪随机噪声序列(PN,Pseudo-noiseSequence),是具有类似于随机噪声统计特性的确定序列。正交Walsh码：一组二值的非正弦型的正交函数。地址码的选择直接影响CDMA系统的性能，地址码有3个要求：（1）伪码比特率应能满足扩展带宽的要求；（2）伪码应具有尖锐的自相关特性，正交编码应具有尖锐的互相关特性；（3）伪码应具有近似噪声的频谱性质移动通信电控学院综合楼823一、伪随机序列（PN序列）PN序列--具有类似随机噪声的一些统计特性，但它不是真正随机的，而是按一定的规律周期性地变化。PN序列有多种，如m序列，Gold序列1、m序列a)m序列的产生最长线性反馈移位寄存器序列（m序列），是由具有线性反馈移位寄存器产生的周期最长的一种序列。周期是21nNn是移位寄存器的级数6.2伪随机码与正交码以长度(周期)为7的m序列为例，产生电路逻辑框图如下：移动通信电控学院综合楼823在时钟脉冲作用下移存器状态不断变化，假设初始状态为a2=0,a1=0，a0=1，其状态变化图表如图所示。在第7个时钟脉冲时，移存器回到初始状态，因此序列周期为7，三级移存器产生的序列周期不会超过23-1状态变化图非全0初始状态下状态转移图全0初始状态下状态转移图6.2伪随机码与正交码移动通信电控学院综合楼823由n级具有线性反馈移位寄存器组成的码序列发生器如图反馈输出an与移存器状态an-1an-2an-3…a0关系为1122330nnnnnacacacaca6.2伪随机码与正交码PN序列输出Ck=0表示反馈断开，Ck=1表示反馈连接移动通信电控学院综合楼823反馈逻辑可由n阶移位寄存器的特征多项式f(x)描述，2012()nnfxccxcxcx通常反馈支路总是接入的，c0=1.不同特征多项式对应不同的序列。由n级寄存器组成的线性反馈电路所产生的序列周期(长度)不会超过2n-1,其中周期等于2n-1的序列即为m序列。m序列反馈系数不能是任意的，产生m序列的充分必要条件是其特征多项式是本原多项式。注意：6.2伪随机码与正交码b)m序列的性质(均衡性、游程特性、移位相加特性、自相关性、互相关性)(1)均衡性在m序列的一个完整周期2n-1内，1码和0码数大致相同，1比0只多一个移动通信电控学院综合楼823(3)移位相加特性一个m序列Mp与其移位序列Mr模二加得到的序列Ms仍然是Mp的移位序列，只是移位位数与Mr不同。(2)游程特性符号1或0连续相同的一段子序列叫一个游程。m序列游程总数为（N+1)/2,长度为1的游程占游程总数的1/2，长度为2的游程占1/4，长度为k的游程占1/2k。最长游程是n个连1，最长连0游程长度为n-16.2伪随机码与正交码(4)自相关特性若把m序列表示为一个双极性NRZ信号，用-1表示逻辑1，+1表示逻辑0，两序列a,b的互相关函数为若a=b,则为自相关函数,11()NabkklkRlabN移动通信电控学院综合楼823m序列的自相关函数是周期的二值函数。可以证明，对长度为N的m序列有,10,1,2,...()1aalkNkRllN其余l和R(l)都是取离散值6.2伪随机码与正交码双极性m序列是一个周期性脉冲信号m(t),如图0714-7TTc-1/71+1-10m(t)/TctRa,a()图m序列的自相关特性每个脉冲称作码片，当序列周期N很大时，m序列的自相关函数与白噪声类似，N越大，m序列越呈现随机信号特性。1110100移动通信电控学院综合楼823(5)互相关特性描述相同周期N=2n-1两个不同的m序列{an}、{bn}一致的程度，互相关函数可由下式计算：,11()NabkklkRlabN互相关值越小，说明两序列差别越大同一周期的m序列组，其两两m序列对的互相关特性差别很大，有的m序列对互相特性差，不能实际应用对于周期为2n-1的m序列组，其最好的m序列对的互相关函数值只取3个，分别是：6.2伪随机码与正交码()21()()ctnNRlNtnN[(2)2]()12ntn这3个值被称为理想三值，能够满足这一特性的m序列对称为m序列优选对，它们可以用于实际工程移动通信电控学院综合楼823m序列功率谱是一个离散谱，等于周期性自相关函数的傅立叶变换222011()=()sincncnNnnPfffNNTNN图(a)给出了N=7的m(t)的功率谱特性。图(b)给出了一些功率谱包络随N变化的情况6.2伪随机码与正交码c)m序列的功率谱00.040.080.120.16012Tcf-1-21/NTc1/N212sincNTfcNN=7N=7N=31N=127-40-2002040fT-80-60-40-20dB(a)(b)图m(t)的功率谱特性(a)离散谱(b)功率谱的包络移动通信电控学院综合楼82300.040.080.120.16012Tcf-1-21/NTc1/N212sincNTfcNN=7N=7N=31N=127-40-2002040fT-80-60-40-20dB(a)(b)图4.45m(t)的功率谱特性(a)离散谱(b)功率谱的包络由图可看出功率谱特点：•离散谱，谱线间隔为f=1/(NTc)=1/T•带宽近似等于1/Tc=N/T•谱线包络以规律变化•直流分量强度与N2成反比•在序列周期T保持不变的情况下，随着N的增加，m(t)的码片Tc=T/N变短，脉冲变窄，频谱变宽，m(t)频谱变宽变平且功率谱密度下降，接近高斯白噪频谱6.2伪随机码与正交码2sin(/)cnN00.040.080.120.16012Tcf-1-21/NTc1/N212sincNTfcNN=7N=7N=31N=127-40-2002040fT-80-60-40-20dB(a)(b)图m(t)的功率谱特性(a)离散谱(b)功率谱的包络移动通信电控学院综合楼823m序列反馈系数不能是任意的,产生m序列的充分必要条件是其特征多项式是本原多项式。结论：同长度不同反馈逻辑的m序列的数目等于同幂次的本原多项式的数目，可以证明n幂次本原多项式数目为(21)nsNn()x为欧拉函数，等于：小于x的并与x互质的数的个数(包括1)6.2伪随机码与正交码d)m序列的数目当m序列长度（周期）不很大时，同长度的不同m序列的数目不多。多址系统中，m序列作地址码就不够用了。移动通信电控学院综合楼8236.2伪随机码与正交码2、Gold序列•m序列尤其是m序列优选对，是特性很好的伪随机序列，但数目很少，不便于在码分多址系统中应用。•R.Gold于1967年提出了一种基于m序列优选对的码序列，Gold序列。•由优选对的两个m序列逐位模2加得到，当改变其中一个m序列的相位时，可得到一新的Gold序列。a)Gold序列的生成注意：Gold序列已不是m序列，但具有与m序列优选对类似的自相关和互相关特性，且产生序列数目多m序列发生器1m序列发生器2初始状态设置⊕Gold序列时钟脉冲Gold序列产生电路m序列发生器1的初始状态不变，调整m序列发生器2的初始状态。通过设置m序列发生器2的不同初始状态，可以得到不同的Gold序列移动通信电控学院综合楼823•相关特性具有与m序列优选对相类似的自相关和互相关特性：当τ=0时自相关函数与m序列相同，具有尖锐的自相关峰；当1≤τ≤N-1时自相关函数取三个理想的值•Gold序列的数量周期(长度)N=2n-1的m序列优选对生成的Gold序列，由于其中一个m序列每次不同移位都产生新的Gold序列，总共有N+2=2n+1个。随着n的增加，Gold序列数以2的n次幂增长,比m序列多很多b)Gold序列的特性6.2伪随机码与正交码移动通信电控学院综合楼823•平衡的Gold序列是指在一个周期内’1’码元数比‘0’码元数仅多一个，只有平衡Gold序列才可以用到码分多址通信系统中去•对于周期2n-1的m序列优选对生成的Gold序列，当n是奇数时，有2n-1+1个Gold序列是平衡的，约占50%；当n是偶数（不是4的倍数）时，有2n-1+2n-2+1个Gold序列是平衡的，约占75%•在WCDMA系统中，下行链路采用Gold码区分小区和用户，上行链路采用G