讲义-第一章-扩频技术

雷达技术研究所王菊[e-mail]10#70768918323第一章扩频技术扩频技术基本原理Ø扩频技术的概念Ø扩频通信的理论原理Ø扩频通信中的基本参数扩频系统的分类Ø直接序列扩频系统Ø频率跳变扩频系统Ø时间跳变扩频系统Ø混合扩频系统北京理工大学雷达技术研究所王菊1.1引言什么是扩频通信？Ø扩频通信，即扩展频谱通信(SpreadSpectrumCommunication)，是一种信息传输方式，它将待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，接收端再利用相应手段将其压缩，从而获取传输信息。北京理工大学雷达技术研究所王菊北京理工大学雷达技术研究所王菊发送端接收端频谱扩展频谱压缩1.1引言扩频通信系统的一般组成北京理工大学雷达技术研究所王菊1.1引言1.1引言什么是扩频通信？Ø在这种信息传输方式中:u扩频信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；u频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；u接收端用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息。北京理工大学雷达技术研究所王菊1.1引言为什么要扩频？传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽；为了充分利用频谱资源，通常都是尽量采用大体相当的带宽的信号来传输信息。在无线电通信中射频信号的带宽与所传信息的带宽是相比拟的。如：u用调幅信号来传送语音信息，其带宽为语音信息带宽的两倍；u电视广播射频信号带宽也只是其视频信号带宽的一倍多。北京理工大学雷达技术研究所王菊1.1引言为什么要扩频？扩展频谱通信信号带宽与信息带宽之比则高达上百~数千。为什么要用这样宽的频带的信号来传输信息呢?这样岂不太浪费宝贵的频谱资源了吗？？？？北京理工大学雷达技术研究所王菊1.1引言为什么要扩频？Ø在发端把窄带信息扩展成宽带信号，而在收端又将其解扩成窄带信息的处理过程，会带来一系列好处。Ø概括起来扩频带来的好处有：u抗干扰能力强；u信号功率谱密度低，保密性强；u可以实现多址通信；u抗频率选择性衰落和多径干扰的能力强；u易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率；u能精确地定时和测距。北京理工大学雷达技术研究所王菊1.1引言为什么要扩频？Ø抗干扰能力强u传输时所占有的带宽相对较宽，而收端又采用相关检测的办法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号（即干扰）扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。u对于各种干扰信号，因其在收端的非相关性，解扩后窄带信号中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干扰性强。北京理工大学雷达技术研究所王菊北京理工大学雷达技术研究所王菊1.1引言为什么要扩频？Ø信号功率谱密度低，保密性强u发射信号经扩频处理后，带宽被展宽，信号的功率分散到较宽的频宽内。单位频带内的功率很小，信号湮没在噪声里，一般不容易被发现，降低了有用信号被截获和被窃听的几率。u只要窃听者不知道发射端所用的码结构，则无法恢复接收信号，因此扩频通信体制的通信安全性高。北京理工大学雷达技术研究所王菊1.1引言为什么要扩频？Ø可以实现多址通信u对扩频信号，只要时间和码元稍有差异，解扩后仍然保持其宽带性，而只有时间和码元完全相同的信号才能被解扩成窄带信号。u可以充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。这样一来，在一宽频带上许多对用户可以同时工作而互不干扰。u虽然扩频通信需很宽频带，但由于允许多个用户共用相同的频带，并不会造成频谱资源浪费。北京理工大学雷达技术研究所王菊北京理工大学雷达技术研究所王菊1.1引言为什么要扩频？Ø抗频率选择性衰落和多径干扰的能力强u扩频信号所占据的带宽较宽，当衰落产生时，只是在一小部分带宽产生，并不会引起整个带宽的衰落，所以该系统具有抗频率选择性衰落的能力。u另外，也由于伪码的自相关特性，只有在多径反射信号的时延小于一个码片间隔时，才会发生衰落，当伪码的码片很窄时，发生多径衰落的可能性很小。北京理工大学雷达技术研究所王菊1.1引言为什么要扩频？Ø易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率u无线频谱十分宝贵，虽然从长波到毫米波都得到了开发利用，仍然满足不了社会的需求。在窄带通信中，主要依靠波道划分来防止信道之间发生干扰。为此，世界各国都设立了频率管理机构，用户只能使用申请获准的频率。u扩频通信发送功率极低，采用了相关接收技术，且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率,也可与现今各种窄道通信共享同一频率资源。 北京理工大学雷达技术研究所王菊1.1引言为什么要扩频？Ø能精确地定时和测距u电磁波在空间的传播速度是固定不变的光速，如果能够精确测量电磁波在两个物体之间传播的时间，也就等于测量两个物体之间的距离。u在扩频通信中如果扩展频谱很宽，则意味着所采用的扩频码速率很高，每个码片占用的时间就很短。当发射出去的扩频信号在被测物体反射回来后，在接收端解调出扩频码序列，然后比较收发两个码序列相位之差，就可以精确测出扩频信号往返的时间差，从而算出二者之间的距离。u测量的精度决定于码片的宽度，即扩展频谱的宽度。码片越窄，扩展的频谱越宽，精度越高。北京理工大学雷达技术研究所王菊1.1引言由于扩频通信技术具有上述优点，自50年代中期美国军方便开始研究，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。MIT林肯实验室开发的NOMAC(NoiseModulationandCorrelationSystem)被公认为世界上第一个成功的扩频通信系统。为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，从80年代初开始，扩频通信技术被应用于民用通信领域。例如：Ø三代移动通讯ØWLAN(IEEE802.11a,IEEE802.11b,IEE802.11g)Ø蓝牙技术北京理工大学雷达技术研究所王菊1.2扩频通信的理论原理扩频通信技术的可行性可以从Shannon的信息论中找到理论依据：Ø仙农(Shannon)公式uC为信道容量，它是在理论上可接受的误码率(BER)下所允许的最大信息传输速率；uB为需要的信道带宽或信号传输带宽；uS/N为信噪比；u为噪声功率谱密度，即单位频带内的噪声功率。北京理工大学雷达技术研究所王菊1.2扩频通信的理论原理p由仙农公式可见,信道容量受三个要素制约：Ø信号传输带宽Ø噪声功率谱密度Ø信号功率p在信道容量一定时，对噪声特性一定的信道，通过增大信号传输带宽，可以降低对信号功率的需求。信号传输带宽与信噪比可互换，即用较大的宽带信号来传输，可以提高通信抗干扰能力。p因此，采用信号频谱扩展技术，可以提高通信系统的性能。这就是扩展频谱通信的信息论理论依据。北京理工大学雷达技术研究所王菊1.3扩频通信中的基本参数频带效率(spectralefficiency)处理增益(processgain)干扰容限(interferencemargin)北京理工大学雷达技术研究所王菊1.3扩频通信中的基本参数频带效率(spectralefficiency)传输的码率（单位：bit/s）与数字信号所占的频带（单位：Hz）之比，即单位频带内的码元速率称为频带效率。例如：GSM标准规定200kHz信道传输280Kbit/s，其频带效率为1.4bit/sHz。北京理工大学雷达技术研究所王菊1.3扩频通信中的基本参数处理增益(processgain)也称为扩频增益，定义为频谱扩展后的信号带宽与频带扩展前的信号带宽之比：分别为频谱扩展前信号带宽、信息速率和信息数据位宽；分别为频谱扩展后信号带宽、扩频码时钟速率和码元宽度。北京理工大学雷达技术研究所王菊1.3扩频通信中的基本参数处理增益(processgain)处理增益表示解扩处理中相对于有用信号，信道内不想要的信号或干扰被抑制的倍数。处理增益也可表示为频谱解扩后的信噪比与解扩前的信噪比之比：为频谱解扩前的信噪比；为解扩后的信噪比。北京理工大学雷达技术研究所王菊1.3扩频通信中的基本参数处理增益(processgain)处理增益通常以dB为单位来表示：例如：如果将10kHz的信号频谱扩展到20MHz传输表示该系统接收机的射频输入端和基带滤波器的输出端之间有33dB的信噪比改善。北京理工大学雷达技术研究所王菊1.3扩频通信中的基本参数干扰容限(Interferencemargin)干扰容限指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为：为系统损耗，以dB为单位；为信息数据被正确解调要求的解扩输出最小信噪比，以dB为单位。北京理工大学雷达技术研究所王菊1.3扩频通信中的基本参数干扰容限(Interferencemargin)干扰容限考虑了一个可实现系统的输出信噪比要求；同时也考虑了接收机内部的信噪比损耗，如接收机前端预选滤波器的插损、放大器的噪声系数、下变频器的变频损耗等。干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能抵抗的极限干扰强度，即只有当干扰机的干扰功率超过干扰容限后，才能对扩频系统形成干扰。因而干扰容限往往比处理增益更确切反映系统的抗干扰能力。北京理工大学雷达技术研究所王菊1.3扩频通信中的基本参数干扰容限(Interferencemargin)一个例子：对一个处理增益为30dB的系统，要求误码率小于l0-5的信息数据解调的最小输出信噪比(S/N)out为10dB，接收过程的各种损耗为3dB，则该系统的干扰容限为30-（10+3）=17dB这表明该系统能在干扰输入功率电平比扩频信号功率电平高17dB的范围内正常工作，或者说该系统能够在接收输入信噪比大于或等于－17dB的环境下正常工作。北京理工大学雷达技术研究所王菊1.4扩频系统的分类扩展信号频谱方法根据频谱扩展的方式分为北京理工大学雷达技术研究所王菊3.4扩频系统的分类扩展信号频谱方法北京理工大学雷达技术研究所王菊1.4扩频系统的分类直接序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum)系统简称直接扩频(DSSS)系统或叫直接序列(DS)系统。所谓直接序列扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列去扩展信号的频谱。DSSS系统中用的扩频码序列通常是二相伪随机序列或叫伪噪声(PN)码，如Gold码、m序列等。在接收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。北京理工大学雷达技术研究所王菊1.4扩频系统的分类直接序列扩频发射机对数字通信系统，通常用扩频码序列去调制数据信号，实现频谱扩展，再用该复合码序列去调制载波。最常用的数字调制方式是逻辑异或，最常用的载波调制方式是BPSK。北京理工大学雷达技术研究所王菊1.4扩频系统的分类直接序列扩频信号的频谱北京理工大学雷达技术研究所王菊FrequencyAmplitudefc••以载频为中心，形如以载频为中心，形如••主瓣宽度等于扩频主瓣宽度等于扩频码速率的二倍。码速率的二倍。1.4扩频系统的分类直接序列扩频接收机北京理工大学雷达技术研究所王菊1.4扩频系统的分类直接序列扩频系统的性能直扩系统的抗干扰性u直扩系统最重要的应用就是在军事通信中作为一种具有很强抗干扰性的通信手段。u在实际中我们遇到的干扰主要有下面几种：Ø宽带噪声干扰Ø窄带噪声干扰Ø单音及多音载频干扰北京理工大学雷达技术研究所王菊1.4扩频系统的分类直接序列扩频系统的性能直扩系统的抗干扰性u对于宽带噪声干扰，经过解扩与本地PN相乘以后相关输出仍然是宽带噪声，且噪声功率谱密度不变。u经窄带滤波的作用后，输出信息的信噪比改善了处理增益的分贝数。故直扩系统有足够高的Gp时，对宽带噪声有很好的抑制作用。北京理工大学雷达技术研究所王菊1.4扩频系统的分类直接序列扩频系统的性能直扩系统的抗干扰性u对于窄带噪声干扰，经过解扩与本地PN相乘以后相关输出频带扩展，噪声功率谱密度降低，经窄带滤波的作用后，输出信息的信噪