扩频通信原理

扩频通信主讲人：郑晓昆讲师第一章扩频系统数学模型及理论基础1.1扩频通信系统基本概念1.2扩频通信系统数学模型1.3扩频系统抗干扰性能分析1.4处理增益与干扰容限§1.1扩频通信系统基本概念一.扩展频谱通信系统1，时频变换dwewFtfdtetfFjwtjwt)()()()(2，扩频通信将待传输信息的频谱通过在编码使之扩大许多倍，送入信道中传输，在接收端解码将信息还原。由于在信道中实际传输的信号比原始信号频谱扩展了许多倍，因此称之为扩频通信。§1.1扩频通信系统基本概念§1.1扩频通信系统基本概念3，CDMA现代高端通信系统均采用伪随机码（PseudoNoiseCode)使频谱扩展，同时采用PN码调制又起到了多址作用，因此理论上的扩频系统工程上称为CDMA码分多址（Codedivisionmultipleaccess)§1.1扩频通信系统基本概念4，两条准则（1）；（2）；由此，AM,FM,ASK,PSK,FSK,OOK等均不属于扩频通信系统。二，扩频系统原理1，结构P2图1-1(a)发送系统（b)接收系统2，时域波形图1-23，频域波形图1-3§1.1扩频通信系统基本概念§1.1扩频通信系统基本概念4，数学原理A,d(t)d(t)c(t)d(t)c(t)c(t)=d(t)B,Shannon定理C=W*log2(1+S/N)§1.1扩频通信系统基本概念三，工作方式1，直接序列扩展频谱系统（DS-SS)----DirectSequenceSpreadSpectrum2,跳频扩频系统（FH-SS)---FrequencyHoppingSpreadSpectrum§1.1扩频通信系统基本概念3,跳时扩频系统(TH-SS)-----TimeHoppingSpreadSpectrum4,混合式FH/DS,DS/TH,等等§1.2扩频系统的数学模型本节内容涉及到许多数学表达式，较为枯燥，但它们是为后面分析系统特性及抗干扰性能服务的，特别是方便设计者理解各模块为什么这样设计。§1.2扩频系统的数学模型一，DS-SS-PSK数学模型1，射频：s(t)=m(t)coswctm(t)=d(t)c(t)PSK调制：m(t)高低电平2，经信道后进入接收机天线的信号为r(t)=s1(t-τ1)+n(t)+si(t-τi)§1.2扩频系统的数学模型3,经射频滤波器，相关，基带滤波后：u(t)=2∫d[u,a-……1-20式结论：τ’(u)=τ(u)扩频伪码同步wd’(u)=wd(u)载波频率锁定Φ’(u)=Φ(u)载波相位同步上述三者锁定后，经门限判决后，便可无误恢复出基带信号{an}§1.2扩频系统的数学模型4,对于各种干扰信号，如si(t-τi),n(t)等它们与本地伪码均不相关，相关处理后干扰信号能量被扩展到整个扩频带宽内，通过基带滤波器输出很小。二，FH-SS模型图1-5§1.3扩频系统的抗干扰性能分析一，干扰信号.1,多址干扰:同一扩频系统中其他台站的信号。2,人为敌方干扰:窄带瞄准式和宽带阻塞式,以及转发干扰。3,随机自然干扰：雷电,飞行体,汽车的火花干扰等。4,多径衰落干扰。§1.3扩频系统的抗干扰性能分析二，处理增益GpGp=输出信噪比/输入信噪比=So/No//Si/Ni三,扩频系统抗干扰能力分析1，广义平稳随机及单频正弦Gp=Rc/Rb(DS-SS)Gp=N(FH-SS)§1.3扩频系统的抗干扰性能分析2，抗多径干扰分析（重点）扩展频谱系统具有很强的抗多径干扰能力，对多径干扰不敏感。原因有三：P23(1),(2),(3)§1.4干扰容限与扩频系统主要特点一，处理增益Gp=2Rc/Rb对于2PSK而言Gp=N跳频工程上目前国外DS-SS可达到70dBFH-SS限制在40-50dB以内相当于1万~10万个频点§1.4干扰容限与扩频系统主要特点二，干扰容限1，表示可以在多少信噪比情况下可以正常工作Mj=Gp-Lsys-(S/N)out其中Lsys为系统的损耗(S/N)out为输出端要求的信噪比P24例题2，干扰门限实际设计时往往比干扰容限要再严格一些留出冗余量，例如1dB§1.4干扰容限与扩频系统主要特点三，扩频通信技术的主要优点（1）抗干扰性能好；（2）保密性好，不易被侦破；（3)易于实现多址；（4）降低了通量密度；（5）扩频系统本身为数字系统，易于实现。第二章各种扩频信号及其调制技术2.1直序扩频系统(DS-SS)2.2DS-SS中重要参数讨论2.3FH-SS跳频系统2.4跳频系统的特点2.5跳时系统(TH-SS)2.6各种混合扩频调制系统§2.1直序扩频系统(DS-SS)一，直接序列扩频信号的产生PCM-DSSS-2PSK————PCM-CDMA-2PSK图2-1(a),(b)详细的Block§2.1直序扩频系统(DS-SS)二，伪随机信号的调制与混频1，2PSK调制f(t)=±coswct属于平衡调制信号信号中无直流成份，无载波能量§2.1直序扩频系统(DS-SS)2，混频（去载波）混频差中频3，解扩（去伪码)Cr(t)xCb(t)当Cr(t)和Cb(t)完全同步时，混频结果为基带二进制信号，从接收电信号中恢复出基带信息信号。§2.1直序扩频系统(DS-SS)三，直序扩频信号的频谱特性1，理论理想状态图2-72，实际功率谱（示波器，频谱仪）图2-8抑制载波频谱图2-9载波不平衡频谱图2-12载波和伪码都不平衡输出功谱§2.1直序扩频系统(DS-SS)3，不平衡对系统的影响a,使信号不隐蔽；b,浪费了发射功率；c,增加了接收系统的内部干扰。因此，在硬件实现时尽量提高平衡性。§2.2(DS-SS)中重要参数的讨论一，射频带宽主瓣带宽=2Rc3dB带宽=1.2Rc功率分布图2-14图2-15带宽受限时，伪码相关峰变得不尖锐，使得同步工作受影响较大。二，处理增益GpGp=Rc/Rb若伪码速率增加一倍，则处理增益增加3dB。若采用信源数据压缩技术，如语音压缩，图像压缩技术，则可使增益大大提高。国内器件水平可选用5~50Mb/s为宜；国外伪码速率可达到5~1000Mb/s;§2.2(DS-SS)中重要参数的讨论§2.2(DS-SS)中重要参数的讨论压缩:压缩包括压缩解压算法，压缩解压集成芯片。广泛应用的有语音，图像，数据等压缩技术。§2.3(FH-SS)跳频系统一，跳频系统的物理概念和信号特点。1，跳频(FrequencyHopping):“多频，选码，频移键控”用信息码与伪随机码序列模二加的组合（或单独伪码）构成指令与发送载频一一对应。传统2FSK只有发送两个频率，“0”对应f1频率，“1”对应f2频率。而FH则有几百几千甚至上万个载频待选，好像发射载频跳来跳去。例如：伪码序列数字组合‘0000’指令表示用f0载频发射，‘0001’指令表示用f1载频发射，……,‘1111’指令表示用f15载频发射。§2.3(FH-SS)跳频系统§2.3(FH-SS)跳频系统2，跳频图谱：组合指令称为跳频指令或跳频图谱，用来指挥发送频率与接受去载波。3，在接收端用同样的图谱把信息搬移到中频拼接。4，图2-16原理图Block,Timing图2-17时频矩阵图。5，各频率间隔1/T或2/T（正交）§2.3(FH-SS)跳频系统6，数学模型图2-187，躲避式信号，对付转发干扰极为有效；8，跳频器是核心器件要求频点多，速度快；对伪码发生器的同步要求不是很高。§2.3(FH-SS)跳频系统二，跳频速率和调频数的确定1，跳频速率可用DS来控制；可以等于信息速率或高于信息速率。2，最小频率转移速率由以下参量所决定：a,待传信息的类型及速率；b,冗余度的大小；c,最近潜在干扰器的距离。§2.3(FH-SS)跳频系统3，假设信息速率给定，采用2FSK信号传输。下面讨论跳频速率或chip速率的选择和所需跳频数的确定等问题。（1000个频点）（1）当接收到的干扰功率大于或等于有用信号时，产生误码，误码率10-3；Pe=J/N（2）增加冗余度可减小误码率“5中择3”，“3中择2”等方案§2.3(FH-SS)跳频系统（3）采用增加冗余度时，若“3中择2”，Pe=3p2q+p33p2qp为原误码率，q=1-p两错一对若“5中择3”方案，Pe=10p3q2+5p4q+p510p3q23错2对§2.3(FH-SS)跳频系统（4）以三中择二为例p=10-3;Pe=3p2q=3x10-6;提高了三个量级，大大改善了抗干扰性能；但跳频速率增加了三倍。（5）实际上依靠增加‘冗余度’的方案还要考虑诸多折衷，在提高抗干扰性能与发送较多频率数，增加跳频速率，射频带宽等方面。§2.3(FH-SS)跳频系统（6）P42实例：信码率1kb/s信道允许射频带宽10MHz，干扰与信号功率比100:1，误码率要求小于10-3。A,频谱不重叠，N=10M/2k=5000Pe=p=J/N=100/5000=2x10-2B,若“3中择2”，则N=10M/6k=1666p=J/N=6x10-2Pe=3p2q=1.2x10-2§2.3(FH-SS)跳频系统C,若5中择3，为满足10-3误码率由图2-19，J/N=0.047，N=2130个Brf=2130x2kx5=21.30MHz若采用图2-20重叠（非正交）方案，Brf可达到10MHz要求。4，图2-22转发干扰示意图考虑转发干扰时的跳频速率问题§2.4跳频系统的特点一，跳频系统的特点（1）核心-----跳频器码产生器和频率合成器组成（2）关键-----同步收发两端必须有相同的跳频图谱（3）信息调制方式灵活，无论模拟，还是数字，均可调制。§2.4跳频系统的特点二，跳频的优点及待解决的问题（1）以“躲避方式”提高抗干扰性“；（2）在强近电台干扰下具有通信能力；（3）具有多址和高的频带利用率；（4）易于和其他调制系统的扩频系统组合；（5）易于与现有的常规通信体制兼容；§2.4跳频系统的特点（6）起到了频率分集的作用；（7）待解决的问题有：研究出体积小，重量轻的高跳频合成器和表面波匹配滤波器。§2.5跳时系统(TH-SS)一，TH-SS与TDMA1,利用伪码序列启闭发射机，将一个信码的持续时间分成若干时隙；2,TH-SS常与其他方式合用；3,跳时可减少时分复用系统之间的干扰；二，TH-SS系统增益不大（近似2）减小了占空比§2.6各种混合扩频调制系统一，FH/DS混合扩频系统1,先DS扩频再FH跳频；2,频带宽度更大,扩频增益Gp=N*Rc/Rb3,图2-25扩展频谱图图2-26发射机方框图二，TH/FH混合扩频系统1,既解决了远近问题，又有一定增益；2,图2-28远近问题通信示意图。§2.6各种混合扩频调制系统三，TH/DS混合扩频系统1，TD-CDMA的调制体制；2，实现简单，图2-29TH/DS方框图3，上述综合系统配合使用，充分利用各系统特点，不足之处为增加了系统复杂程度。第三章伪随机编码3.1伪随机编码基本定理3.2伪码分类及构造原理3.3m序列3.4Gold序列§3.1伪随机编码基本定理一,工程上常用二元{0,1}序列表示伪码1每一周期0和1出现的次数近似相等；2每一周期内，长度为n比特游程出现的次数比n+1比特游程次数多1倍；3序列具有双值自相关函数：1101)(ppkk当当§3.1伪随机编码基本定理二，作为扩频函数的伪随机信号，应具有下列特点：1伪随机信号必须具有尖锐的自相关函数，应接近于0；2有足够长的码周期，以确保抗侦破，抗干扰的要求；3有足够多的独立地址数，以实现码分多址要求；4工程上易于产生，复制和控制。§3.2伪随机码分类及构造原理一.几个基本定义1,伪码：二元域{0,1}或{-1,1}有一定周期的码序列；2,相关函数：正交。和则若yxjRxxpjRyxpjRxypijiixpijiixy,0)(1)(1)(11§3.2伪随机码分类及构造原理3,自相关函数,A是对应码元相同数目；D是对应码元不同数目。4,狭义伪