《扩频通信》5-6讲(2.1.1-2.1.3)

1、上讲内容回顾 第第1 1章章 扩频通信技术原理扩频通信技术原理 1.2编码系统与扩频系统编码系统与扩频系统 1.3 数字信号的波形与频谱数字信号的波形与频谱 1.4 扩频系统的特点扩频系统的特点 本讲内容提要 2.1直接序列直接序列(DS)扩频系统扩频系统 2.1.1直接序列扩频系统的组成直接序列扩频系统的组成 2.1.2 直扩系统的信号分析直扩系统的信号分析 2.1.3 处理增益与干扰容限处理增益与干扰容限 第第2 2章章 扩频通信系统的工作原理扩频通信系统的工作原理 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 右图为直扩系统发送端的组成 原理框图。 由信源输出的信号a(t) 是码元持续时间为

2、Ta的信息流， 伪 随机码产生器产生的伪随机码为c(t)， 每一伪随机码码元宽度或切普 (chip)宽度为Tc。 将信码a(t)与伪随机码c(t)进行模2加， 产生一速率与 伪随机码速率相同的扩频序列， 然后再用扩频序列去调制载波， 这 样就得到已扩频调制的射频信号。 2.1.1 直接序列扩频系统的组成直接序列扩频系统的组成 发送端发送端 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 将信号的频带恢复为信息序列a(t)的频带 ， 即为中频调制信号。 然后再进行解调， 恢复出所传输的信息a(t) ， 从而完成信息的传输。 对于干扰信号和噪声而言， 由于与伪随机 序列不相关， 在相关解扩器的作用下，

3、相当于进行了一次扩频。 2.1.1 直接序列扩频系统的组成直接序列扩频系统的组成 在接收端，接收到的扩频 信号经高放和混频后， 用与发 端同步的伪随机序列对中频的 扩频调制信号进行相关解扩， 接收端接收端 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 1、信号分析、信号分析:信号流、伪随机序列的表达式信号流、伪随机序列的表达式 信号源产生的信号a(t)为信息流，码元速率Ra，码元宽度Ta, Ta1Ra 0 )()( n aan nTtgata 式中：an为信息码，以概率P取1和以概率1P取1 ，ga(t)为门函数 其它, 0 0, 1 )( a a Tt tg 伪随机序列产生器产生的伪随机序列c(

4、t),速率为RC,切谱宽度 为TC,TC1RC 1 0 )()( N n ccn nTtgctc cn为伪随机码码元，取值1或1，gc(t)为门函数，定义与ga(t)类似 (2-1) (2-3) (2-4) 2.1.2 直扩系统的信号分析直扩系统的信号分析 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 扩频过程实质上是信息流a(t)与伪随机序列c(t)的模2加或相乘的 过程。 伪随机码速率Rc比信息速率Ra大得多， 一般Rc/Ra的比值为整 数， 且Rc/Ra1， 所以扩展后的序列的速率仍为伪随机码速率Rc， 扩展的序列d(t)为 式中 1、信号分析：、信号分析：扩展后序列的表达式扩展后序列的表达

5、式 0 ( )( ) ( )() ncc n d ta t c td g tnT (2-5) 1 1 nn n nn ac d ac (n1)TctnTc(2-6) 2.1.2 直扩系统的信号分析直扩系统的信号分析 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 采用PSK调制， 调制后得到的信号s(t)为 s(t)=d(t)cos0t=a(t)c(t)cos0t(2-7) 式中， 0为载波频率。 接收端天线上感应的信号经高放的选择放大和混频后， 得到包 括以下几部分的信号： 有用信号sI(t)、 信道噪声nI(t)、 干扰信号JI(t) 和其他网的扩频信号sJ(t)等， 即收到的中频信号(经混频后

6、)为 rI(t)=sI(t)+nI(t)+JI(t)+sJ(t) (2-8) 1、信号分析：、信号分析：调制后信号、接收端信号的表达式调制后信号、接收端信号的表达式 2.1.2 直扩系统的信号分析直扩系统的信号分析 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 接收端的伪随机码产生器产生的伪随机序列与发端产生的伪随 机序列相同， 但起始时间或初始相位可能不同，为c(t)。 解扩的过程 与扩频过程相同， 用本地的伪随机序列c(t)与接收到的信号相乘， 相 乘后为 1、信号分析：、信号分析：接收端解扩信号的分析接收端解扩信号的分析 (2-9) 2.1.2 直扩系统的信号分析直扩系统的信号分析 2.1

7、直接序列扩频系统直接序列扩频系统 下面分别对上面四个分量进行分析。首先看信号分量sI (t) 若本地产生的伪随机序列c(t)与发端产生的伪随机序列c(t)同步， 即c(t)=c(t)，则c(t) c(t)=1, 这样信号分量sI (t)为 sI (t)=a(t)cosIt (2-11) 后面所接的滤波器的频带正好能让信号通过， 因此可以进入解 调器进行解调， 将有用信号解调出来。 1、信号分析：、信号分析：有用信号的提取有用信号的提取 (2-10) 2.1.2 直扩系统的信号分析直扩系统的信号分析 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 噪声分量nI(t)、 干扰分量JI(t)和不同网干扰s

8、J(t)经解扩处理后， 被大大削弱。 nI(t)分量一般为高斯带限白噪声， 因而用c(t)处理后， 谱密度基本不变(略有降低)， 但相对带宽改变， 因而噪声功率降低 。 JI(t)分量是人为干扰引起的。 由于它们与伪随机码不相关， 因此 ， 相乘过程相当于频谱扩展过程， 即将干扰信号功率分散到了一个 很宽的频带上， 谱密度降低， 相乘器后接的滤波器的频带只能让有 用信号通过。 1、信号分析：、信号分析：噪声分量和干扰分量的削弱噪声分量和干扰分量的削弱 2.1.2 直扩系统的信号分析直扩系统的信号分析 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 这样， 能够进入到解调器输入端的干扰功率只能是与信号

9、频带 相同的那一部分。 解扩前后的频带相差甚大， 因而解扩后干扰功率 大大降低， 提高了解调器输入端的信干比， 从而提高了系统抗干扰 的能力。 至于不同网的信号sJ(t)， 由于不同网所用的扩频序列也不同 ， 这样对于不同网的扩频信号而言， 相当于再次扩展， 从而降低了 不同网信号的干扰。 1、信号分析：、信号分析：不同网信号的削弱不同网信号的削弱 2.1.2 直扩系统的信号分析直扩系统的信号分析 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 1、信号分析：、信号分析：不同信号波形展示不同信号波形展示 图3-2 扩频系统的波形示意图 2.1.2 直扩系统的信号分析直扩系统的信号分析 2.1 直接序

10、列扩频系统直接序列扩频系统 下面我们来分析直扩信号的功率谱。 发送端发送的信号s(t)为 s(t)=d(t)cos0t=a(t)c(t)cos0t 式中， a(t) 、c(t)、和d(t)分别由式(2-1)、式(2-4)和式(2-5)确定。 分析的方法是先求出s(t)的自相关函数Rs()， 再进行傅立叶变换 ， 就可得到s(t)的功率谱密度Gs(f)。 2、发送信号功率谱分析、发送信号功率谱分析 分析方法分析方法 2.1.2 直扩系统的信号分析直扩系统的信号分析 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 对s(t)求自相关函数， 有 由于a(t)与c(t)是由两个不同的信号源产生的， 因而是相

11、互独立 的， 则有 Rd()=Ra()Rc() 式中, Ra()和Rc()分别为a(t)与c(t)的自相关函数。c(t)是长度为N 的周期性伪随机序列， 故其自相关函数也是周期为 N的周期性函数 ，如下表达式。 Rc()波形图如右图所示。 2、发送信号功率谱分析：、发送信号功率谱分析：自相关函数的表达式自相关函数的表达式 2 0 2 11 ( )( ) ()d( )cos 2 T Tsd Rs t s ttR T 1 ( ) 1 c R N 0 0 2.1.2 直扩系统的信号分析直扩系统的信号分析 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 对Rc()进行傅立叶变换， 得到c(t)的功率谱密度为

12、 它是以1=2/NTc为间隔的离散谱，其幅度由Sa2（Tc/2）确定。 N越大，Gc()谱线越密，TC越小，功率谱的带宽越宽，谱密度越低， c(t)越接近白噪声。 2、发送信号功率谱分析：、发送信号功率谱分析：c(t)的功率谱密度的功率谱密度 2 22 0 sin 112 2 ( )( )() 2 c cn c n T Nn P T NNNT (2-13) 2.1.2 直扩系统的信号分析直扩系统的信号分析 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 由傅立叶变换的性质可求出扩频信号s(t)的功率谱密度为 将式(2-13)代入上式， 并且考虑单边谱， 则s(t)的功率谱密度为 由图可见，N越大，G

13、s()谱线越 密，Tc越小，功率谱的带宽越宽， 谱密度越低，c(t)越接近白噪声。 2、发送信号功率谱分析：、发送信号功率谱分析：s(t)的功率谱密度的功率谱密度 00 2 00 1 ( )( )( ) ()() 8 1 ( ) ()() 8 sac acc GGG GGG 2 00 22 0 112 ( )()Sa ()() 44 aa n c n Nnn PGG NNNNT 2.1.2 直扩系统的信号分析直扩系统的信号分析 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 在扩频系统中，传输信号在扩频和解扩的处理过程中，扩频系统 的抗干扰性能得到提高，这种扩频处理得到的好处，就称之为扩频系 统的处

14、理增益。其定义为接收相关处理器输出与输入信噪比的比值，定义为接收相关处理器输出与输入信噪比的比值， 即输出信噪比与输入信噪比的比值即输出信噪比与输入信噪比的比值， 即 一般用分贝表示，为 2.1.3 处理增益与干扰容限处理增益与干扰容限 1.处理增益处理增益 (2-16) (2-17) 处理增益的定义处理增益的定义 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 对于直扩系统，解扩器的输出信号功率不变，但对于干扰信号而 言，由于解扩过程相当于干扰信号的扩展过程，干扰功率被分散到很 宽的频带上，进入解调器输入端的干扰功率相对解扩器输入端下降很 大，即干扰功率在解扩前后发生了变化。因此，对于直扩系统而言

15、，对于直扩系统而言， 其处理增益就是干扰功率减小的倍数其处理增益就是干扰功率减小的倍数。 2.1.3 处理增益与干扰容限处理增益与干扰容限 1.处理增益处理增益直扩系统中处理增益的含义直扩系统中处理增益的含义 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 设一个干扰信号与信号的频率关系相同，干扰谱密度为A，功率 为PJ，经接收机c(t)扩展到f0-fcf0+fc的频带上，带宽B=2fc，干扰功率 谱密度为A，降低为原来的1/N，如图2-6所示。 2.1.3 处理增益与干扰容限处理增益与干扰容限 1.处理增益处理增益 图2-6干扰功率谱变化 (a)扩展前；(b)扩展后 扩展前后的干扰功率不变，即有

16、(2-18) 可得 (2-19) 进入信号频带(f0-fcf0+fc)内的干扰功率为 (2-20) 则系统的处理增益为 或 直扩系统中处理增益的计算直扩系统中处理增益的计算 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 一般情况下，发送信息的带宽是不变的，要提高扩频系统的抗干 扰能力，就应提高扩频系统的处理增益，也就是要提高扩频用的伪随 机码的速率。当码速率增加到一定程度后，会受到许多客观因素的影 响。例如，一直扩系统，信息码元速率Ra为16kb/s，伪随机码速率Rc 为50Mc/s，则带宽为100MHz，系统的处理增益为 如果带宽加大到200MHz，则伪随机码速率为100Mc/s，此时的系 统处

17、理增益为 2.1.3 处理增益与干扰容限处理增益与干扰容限 1.处理增益处理增益提高扩频码速率来直扩系统的处理增益提高扩频码速率来直扩系统的处理增益 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 由此可见，伪随机码速率提高伪随机码速率提高1倍时，系统的处理增益只约增加倍时，系统的处理增益只约增加 3dB。如果把3dB的处理增益和当前的条件相比，技术上的难点会更 高，也就是说，在系统处理增益达到某一水平后，还要以提高伪随机 码速率的方法来提高系统处理增益，这将大大增加系统的复杂程度和大大增加系统的复杂程度和 成本，付出的代价是昂贵的成本，付出的代价是昂贵的。如上例中的伪随机码速率由50Mc/s增加

18、到100Mc/s，伪随机码产生器的速率要提高1倍，对器件的要求更加苛 刻，同步精度相应地要提高1倍，要完成这些技术指标是非常困难的 。因此，当处理增益提高到一定程度时，不能再靠提高伪随机码速率当处理增益提高到一定程度时，不能再靠提高伪随机码速率 的方法来提高系统的处理增益，而应考虑用别的方法来提高系统的处的方法来提高系统的处理增益，而应考虑用别的方法来提高系统的处 理增益理增益，如可以降低信息速率，而且这种方法可能更为有效。 2.1.3 处理增益与干扰容限处理增益与干扰容限 1.处理增益处理增益提高扩频码速率来直扩系统的处理增益提高扩频码速率来直扩系统的处理增益 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 目前采用的话音调制多采用16kb/s或32kb/s的增量调制，如果采 用语音压缩技术、线性预测编码、矢量量化编码等技术，可降低信息 速率。如国外研制出的2.4kb/s的线性预测编码(LPC)器，600b/s的矢量 量化编码器等，都会使系统的处理增益大大提高。在JTIDS（美国三 军联合信息分发系统）中，采用线性预测编码，Ra2.4kb/s，有 2.1.3 处理增益与干扰容限处理增益与干扰容限 1.处理增益处理增益降低信息速率来直扩系统的处理增益降低信息速率来直扩系统的处理增益 2.1 直接序列扩频系统直接序列扩频系统 所谓干扰容限，是指在保证系统正