第三章扩频通信系统

1、通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 通信系统概论通信系统概论 授课讲师：周晓天授课讲师：周晓天 山东大学 信息科学与工程学院 2014年3月29日 第三章：扩频通信系统第三章：扩频通信系统 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 扩频通信系统扩频通信系统 扩频通信技术的概念扩频通信技术的概念 u 定义定义 u 特点特点 u 原理原理 u 分类分类 直接扩频通信系统直接扩频通信系统 跳频跳频通信系统通信系统 2 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandon

2、g University 扩频通信的概念扩频通信的概念 扩展频谱的通信方式（Spread Spectrum, SS），将信号以 远大于自身带宽的射频带宽传出。 两个带宽： 3 信息带宽 信息实际所占据的带宽 射频带宽 传递信号所使用的实际带宽 设信息带宽为 ，射频带宽为 ，则有如下情况： 1. ，即射频带宽与信号带宽可比较的情况下，称为窄带通信 2. ，即射频带宽大于信号带宽时，称为宽带通信 3. ，即射频带宽远大于信号带宽时，称为扩频通信 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 扩频通信的特征扩频通信的特征 发送信号所占带宽远大于原始信

3、号带宽 是一种数字传输的方式 扩频是由高速码元序列，通过编码、调制载波完成的，这一 过程与原始的信息数据无关 在接收端解扩，是利用与发送扩频信号同步的副本进行相关 解调完成的 4 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 扩频通信的原理扩频通信的原理-从信息论的观点从信息论的观点 5 当噪声功率谱一定时，提升容量可从提升发送功率S、或提升系统带宽 B入手 1. 2. 如果给定C，是否可以实现S、B的互换？ 每比特信息所占用时间 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 扩频通信的优势扩频

4、通信的优势 抗干扰能力强 1.可有效抵抗人为干扰：窄带干扰、宽带干扰 6 P f P f 扩频后 相关检测后 P f P f 加入干扰滤波后 用户信号 宽带干扰 窄带干扰（瞄准式） f P 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 扩频通信的优势扩频通信的优势 抗干扰能力强 2.可有效抵抗信道乘性干扰：频率选择性衰落（分集接收） 7 f g 1 2 3 4 56 窄带信号保护间隔 频率选择 性信道 扩频信号 2 2 2 2 2 f 1 g 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 扩频通

5、信的优势扩频通信的优势 可进行多址通信- CDMA u将扩频技术与（伪）正交编码方法结合，可进行多址通信 u公用信道自动选呼，同频同时使用资源 u干扰受限的系统 u移动台不需要严格的同步（由地址码的相关特性决定），可实 现软容量、小区呼吸（质量与信道数的折中） u频带利用率高（从多用户同时占用频带传输的角度） 8 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University Source: http:/www.sss- 扩频通信的优势扩频通信的优势 安全通信 u信号功率的频谱密度极低（低截获系统，LPI，Low Probability of Intercept

6、） u数字通信系统，可以采用加密 u伪随机地址码，相关检测若未知地址码规律则只能解出噪声 u有效对抗瞄准式干扰，无法完全封锁通信 9 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 扩频通信的优势扩频通信的优势 绿色通信 距离分辨率高 信息传输方便灵活 。 10 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 扩频通信系统的类型扩频通信系统的类型 11 直接序列扩频 （DS, Direct Sequencing） 信息经伪随机序列编码后直接对载波进行调 制实现频谱扩展。接收端利用相同的扩频码 通过相

7、关检测还原原始信息。 跳频（FH，Frequency Hopping） 信息受伪随机序列控制，快速在一个频段上 跳变，每次跳变占用的信道宽度为信息带宽。 接收端利用相同序列保证解调顺序一致。 跳时（TH，Time Hopping） 信息受伪随机序列控制，以突发形式随机占 用时隙传输，在时域上压缩传输时间，实现 扩频。 线性调频扩频（Chirp） 在给定脉冲持续间隔，载频线性的扫过一个 很宽的频带 混合扩频DS/FH、FH/TH、。 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 扩频通信系统扩频通信系统 扩频通信技术的概念扩频通信技术的概念 直接

8、扩频通信系统直接扩频通信系统 u 基本原理基本原理 u 发送接收设计发送接收设计 u 扩频序列扩频序列 跳频跳频通信系统通信系统 12 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 直接扩频系统直接扩频系统- -发送机发送机 13 信源编码扩频调制射频调制 伪随机序列 1. 信源产生二进制比特流 2. 经过信道编码后产生码流（Code Sequence） 3. 与伪随机码相乘进行扩频调制，获得码片序列（Chip Sequence） 4.码片序列进行数字调制，搬移到载波上，形成发送信号 扩频的过程又称作二次调制 通信系统概论通信系统概论 Xiao

9、tian Zhou, Shandong University 直接扩频直接扩频系统系统- -发送机发送机 14 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 直接扩频系统直接扩频系统- -发送机发送机 发送机的射频调制 15 1.扩频操作是通过高速率伪随机码与低速率编码信息相乘完成的 2.发送信号的射频带宽由伪随机码的速率决定 3.直接扩频系统通常采用PSK调制（基带使用双极性电平） 载波功率 基带双极 性信号 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 直接扩频序列直接扩频序列接收机接收机

10、16 BPF解调器乘法器解码&判决 伪随机序列 积分器 相关器 1. 接收信号经滤波、解调获得基带接收信号 2. 相关器由乘法器与积分器级联而成: 干扰与噪声 期望信号， 考虑AWGN 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 直接扩频序列直接扩频序列接收机接收机 17 设 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 直接扩频系统直接扩频系统- -接收机接收机 18 原始编码信号 对干扰扩频 相关器的双重作用：相关器的双重作用：1. 解扩恢复原始信号解扩恢复原始信号 2. 扩频压制干扰信号

11、扩频压制干扰信号 相关检测后 P f P f 加入干扰滤波后 f P 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 直接扩频系统直接扩频系统- -处理处理增益增益 由上面的解释，可以发现由于对干扰扩频的作用，可以压制 干扰的功率： 19 解码后的数据 频率 功率 扩频的干扰 扩频增益： 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 直接扩频系统直接扩频系统- -接收机接收机 20 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 直接扩频系统直接扩频

12、系统伪随机码伪随机码 对扩频码的要求 1.易于产生发送机设计 2.具有随机性难以破解、有利于达到容量上界 3.周期尽可能的长难以通过部分重建 4.具有双值自相关函数和良好的互相关特性多用户应用 21 从理论上说，用随机序列去扩展信号频谱是最理 想的，但会使得实际工程无法实现解码 利用伪随机序列（PN, Pseudo Noise Sequence） 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 直接扩频系统直接扩频系统伪随机码伪随机码 伪随机扩频序列：具有近似噪声的性质，又有周期性的规律 理想PN序列的三个性质： 1.平衡特性：近似于0的均值 2

13、.相关特性：自相关函数有类似于白噪声的性质 3.游程特性：长度为n的游程约占游程总数的 22 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 直接扩频系统直接扩频系统伪随机码伪随机码 M序列 （Maximum Length Sequence）：最长移位寄存器 序列，是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种 序列 由n级线性移位寄存器产生的周期为 的码子序列 CDMA系统常用的两种m序列： n=15的短PN序列、以及 n=42的长PN序列。 一个n=3的移位寄存器： 23 输出 输入 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, S

14、handong University 直接扩频系统直接扩频系统mm序列的生成序列的生成 设初始状态为“001” 24 本原多项式： 输出 输入 时钟输出 000111 110000 201010 310111 411010 511101 601101 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 直接扩频系统直接扩频系统mm序列序列的特性的特性 m序列的一个周期内“1”比“0”多出现一次（大致相等） m序列中的移位器各状态，在一个周期内除了全0外，将都 且仅出现一次 满足游程特性：长度为n的游程约占游程总数的 m序列和其移位后的序列逐位模2相加

15、，所得还是m序列， 只是相位不同 25 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 直接扩频系统直接扩频系统mm序列序列的特性的特性 m序列的自相关特性： m序列与其后移t位的另一序列模2相加，所得结果中“0”（ 即相同）的位数为A，“1”（不同）的位数为D，则序列的自 相关函数可由下式计算： 26 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 直接扩频系统直接扩频系统mm序列序列的特性的特性 m序列的自相关特性： 显然，m序列的自相关特性为： 27 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian

16、 Zhou, Shandong University 28 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 直接扩频系统的典型应用：直接扩频系统的典型应用： IS-95 GPS WLAN (IEEE 802.11b) 3G CDMA 29 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 30 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 扩频通信系统扩频通信系统 扩频通信技术的概念扩频通信技术的概念 直接扩频通信系统直接扩频通信系统 u 基本原理基本

17、原理 u 发送接收设计发送接收设计 u 扩频序列扩频序列 跳频跳频通信系统通信系统 31 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 跳频通信系统跳频通信系统 (Frequency Hopping Spread Spectrum)(Frequency Hopping Spread Spectrum) 传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式 u为一路信息的传输分配多个信道（载波频点）；每一信道的带 宽等于信息的带宽 u将整个传输过程分为多个固定间隔（interval），每间隔使用 一路频道；在不同间隔，实现频道的随机跳变（Hopp

18、ing） 32 通过这样的方式，通过这样的方式， 同样实现了频谱同样实现了频谱 的扩展，因此也的扩展，因此也 是一种扩频通信是一种扩频通信 系统系统 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 跳频通信系统跳频通信系统发送原理发送原理 如何实现频道的随机跳变？ 33 1. 根据伪随机码序列，查表获 取当前一跳的频率 2. 通过频率合成器，生成当前 一跳的载频 3. 通过调制器，将信源信号调 制到载波上，形成已调信号 利用伪随机码利用伪随机码进行进行载波的控制载波的控制 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong

19、University 跳频通信系统跳频通信系统发送原理发送原理 利用伪随机序列控制载频的例子 34 伪随机序列伪随机序列 频率分配表频率分配表 调频周期调频周期 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 跳频通信系统跳频通信系统发送发送原理原理 调频信号的数学表达 35 设信源信号为 ，所需带宽为 ，则 调频信号可表示为： 其中， 为“基准”中频； ，为当前选中的频道 序号。显然， 是由当前间隔内扩频码片通 过频率选择表映射获得的 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 跳频通信系统跳

20、频通信系统发送发送原理原理 调频信号的特点 36 1. 利用伪随机序列经过FSK调制获得 载波 2. 利用ASK/FSK将信源信号调制到相 应频道 跳频跳频信号的生成也可以看做信号的生成也可以看做 是两次调制的过程是两次调制的过程 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 跳频通信系统跳频通信系统接收接收原理原理 跳频信号的接收端框图 37 通信系统概论通信系统概论 Xiaotian Zhou, Shandong University 跳频通信系统跳频通信系统接收原理接收原理 38 接收信号： 经过同步本地伪随机码产生的本地载频为： 其中， 是接收滤波器的中频。 经过混频后，可得： 跳频跳频信号的检测也可以看做信号的检