6第六章扩频通信

1、移动通信移动通信电控学院 综合楼823第六章第六章 扩频通信技术扩频通信技术移动通信移动通信电控学院 综合楼823 6.1 概述概述 6.2 伪随机码和正交码伪随机码和正交码 6.3 扩频通信原理扩频通信原理 6.4 抗多径干扰和抗多径干扰和RAKE接收机接收机 6.5 跳频扩频通信系统跳频扩频通信系统 6.6 伪码的同步伪码的同步移动通信移动通信电控学院 综合楼8236.1 概述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。无线传输的主流技术。发展历史：发展历史：移动通信移动通信电控学院 综合楼823p19

2、41年，由好莱坞女演员年，由好莱坞女演员Hedy Lamarr 和钢琴家和钢琴家George Antheil提出提出的，基于对鱼雷控制的安全无线通信的，基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路的思路,不幸的是，当时该技术并没有不幸的是，当时该技术并没有引起美国军方科学家的重视引起美国军方科学家的重视6.1 概述概述移动通信移动通信电控学院 综合楼823pHedy的专利提出的最重要概念是的专利提出的最重要概念是“展展布频谱技术布频谱技术”，最先指出了用频率跳变，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这个思路带引导了移动

3、数字通信技术的发展。发展。p1957年，一家纽约的小公司重新继续年，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，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，才逐渐引起了军方的重视， 战争期间广战争期间广泛应用于军事抗干扰通泛应用于军事抗干扰通 信，防止敌方对信，防止敌方对己方通讯的干扰。己方通讯的干扰。6.1 概述概述p80年代冷战结束，美国军方解除了对展频技术的管制，允许年代冷战结束，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其应用于民用领域移动通信移动通信电控学院 综合楼823p1985年高通公司在加州成立，研发出了年高通公司在加州成立，研发出了CDM

4、A系统，基础就是系统，基础就是 “展频展频”和和“跳频跳频”技术技术6.1 概述概述p当前主要的三大当前主要的三大3G技术标准技术标准：WCDMA、CDMA2000 都都源于高通公司对源于高通公司对CDMA技术的技术的开发。开发。pHedy，CDMA之母：是第一之母：是第一个将现代个将现代3G数字移动通信技术数字移动通信技术的核心思想带到这个世界的人的核心思想带到这个世界的人，直到以，直到以CDMA为基础的为基础的3G技技术开始走入人们视野的术开始走入人们视野的1997年年，科学界才想起了已经，科学界才想起了已经83岁高岁高龄的龄的Hedy ，电子前沿基金会授，电子前沿基金会授予了她早应得到的

5、荣誉予了她早应得到的荣誉移动通信移动通信电控学院 综合楼823扩频通信的定义扩频通信的定义p扩频通信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。隐蔽性。由高通公司开发已投入商业运营的由高通公司开发已投入商业运营的IS-95系统是扩频系统是扩频系统商业化的光辉典范。系统商业化的光辉典范。p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

6、噪比的改善。采用宽带调制技术，以信道带宽来换取信噪比的改善。6.1 概述概述移动通信移动通信电控学院 综合楼823扩频通信技术的理论基础是香农定理扩频通信技术的理论基础是香农定理p香农信息论中的香农定理：对于连续信道，信道带宽为香农信息论中的香农定理：对于连续信道，信道带宽为B,且受且受到高斯白噪声的干扰，香农公式为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若噪声单边带功率谱密度为 ，则，则0nBnN0sbitBnSBC/)1 (log026.1 概述概述用频带换取信噪比是扩频通信的基本原理用频带换取信噪比是扩频通信的基本原理移动通信移动通信电控学院

7、 综合楼823p当当 S和和 一定时，信道容量虽然一定时，信道容量虽然 随着随着B的增大而增大，的增大而增大， 然然C不会趋于无限大。不会趋于无限大。B0n022000220200log (1)/log (1)1limlog (1)log1.44limlog1.44xBn BSSSCBbit sn BnSn BxexSSCenn利用关系式:所以:这是用频带换取信噪比的这是用频带换取信噪比的极限容量极限容量6.1 6.1 概述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？移动通信移动通信电控学院 综合楼823扩频方法扩频方法p直接序列扩频（直接

8、序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）简称直）简称直扩（扩（DS）；）； p跳变频率扩频（跳变频率扩频（Frequency Hopping），简称跳频），简称跳频FH）；）； p跳变时间扩频（跳变时间扩频（Time Hopping），简称跳时（），简称跳时（TH）；）；p宽带线性调频（宽带线性调频（Chirp Modulation），简称），简称Chirp。6.1 6.1 概述概述扩频系统有以下一些特点：扩频系统有以下一些特点： p信号的功率谱密度低信号的功率谱密度低，因此信号具有隐蔽性且功率污染小；，因此信号具有隐蔽性且功率污染小； p有利于数字加密、防止

9、窃听；有利于数字加密、防止窃听； p抗干扰性强，可在较低的信噪比条件下，保证系统传输质量；抗干扰性强，可在较低的信噪比条件下，保证系统传输质量； p抗衰落能力强；抗衰落能力强；p能实现码分多址复用（能实现码分多址复用（CDMA）；）； 移动通信移动通信电控学院 综合楼8236.2 伪随机码与正交码伪随机码与正交码伪码：伪码：伪随机噪声序列伪随机噪声序列(PN,Pseudo-noise Sequence),是具有类似是具有类似于随机噪声统计特性的确定序列。于随机噪声统计特性的确定序列。正交正交Walsh码：码：一组二值的非正弦型的正交函数。一组二值的非正弦型的正交函数。地址码的选择直接影响地址码

10、的选择直接影响CDMA系统的性能，地址码有系统的性能，地址码有3个要求：个要求：（1）伪码比特率应能满足扩展带宽的要求；）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）伪码应具有尖锐的自相关特性自相关特性，正交编码应具有尖锐的，正交编码应具有尖锐的互互相关特性相关特性；（3）伪码应具有近似噪声的频谱性质）伪码应具有近似噪声的频谱性质 移动通信移动通信电控学院 综合楼823一、伪随机序列（一、伪随机序列（PNPN序列）序列） PN PN序列序列-具有类似随机噪声的一些统计特性，但它不是真正具有类似随机噪声的一些统计特性，但它不是真正随机的，而是随机的，而是按一定的规律周期性地变化按一

11、定的规律周期性地变化。PNPN序列有多种，如序列有多种，如m m序列，序列，GoldGold序列序列1 1、m m序列序列a) ma) m序列的产生序列的产生线性线性反馈反馈移位寄存器序列移位寄存器序列（m m序列），是由具有线性反馈移序列），是由具有线性反馈移位寄存器产生的位寄存器产生的的一种序列。周期是的一种序列。周期是21nN n n是移位寄存器的级数是移位寄存器的级数6.2 伪随机码与正交码伪随机码与正交码以长度以长度( (周期周期) )为为7 7的的m m序列为例，产生电路逻辑框图如下：序列为例，产生电路逻辑框图如下：移动通信移动通信电控学院 综合楼823 在时钟脉冲作用下移存器状态

12、不断变化，假设初始状态为在时钟脉冲作用下移存器状态不断变化，假设初始状态为a a2 2=0, a=0, a1 1=0=0， a a0 0=1=1，其状态变化图表如图所示。，其状态变化图表如图所示。在第在第7 7个时钟脉冲时，移存器回到初始状态，因此序列周期为个时钟脉冲时，移存器回到初始状态，因此序列周期为7 7，三级移存器产生的序列周期三级移存器产生的序列周期不会超过不会超过 2 23 3-1-1状态变化图状态变化图非全非全0 0初始状态下状态转移图初始状态下状态转移图全全0 0初始状态下状态转移图初始状态下状态转移图6.2 6.2 伪随机码与正交码伪随机码与正交码移动通信移动通信电控学院 综

13、合楼823由由n n级具有线性反馈移位寄存器组成的码序列发生器如图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反馈输出a an n与移存器状态与移存器状态a an-1n-1a an-2n-2a an-3n-3aa0 0关系为关系为1122330nnnnnac ac ac ac a6.2 6.2 伪随机码与正交码伪随机码与正交码PNPN序列输出序列输出C Ck k=0=0表示反馈断开，表示反馈断开， C Ck k=1=1表示反馈连接表示反馈连接移动通信移动通信电控学院 综合楼823反馈逻辑可由反馈逻辑可由n n阶移位寄存器的特征多项式阶移位寄存器的特征多项式f(x)f(x)描述，描述，

14、2012()nnfxcc xc xc x通常反馈支路总是接入的，通常反馈支路总是接入的，c c0 0=1.=1.p不同特征多项式对应不同的序列。由不同特征多项式对应不同的序列。由n n级寄存器组成的线性级寄存器组成的线性反馈电路所产生的序列周期反馈电路所产生的序列周期( (长度长度) )不会超过不会超过2 2n n-1,-1, 其中周期等其中周期等于于2 2n n-1-1的序列即为的序列即为m m序列。序列。p m m序列反馈系数序列反馈系数不能是任意的不能是任意的， 产生产生m m序列的充分必要条件序列的充分必要条件是其特征多项式是本原多项式。是其特征多项式是本原多项式。注意：注意：6.2

15、6.2 伪随机码与正交码伪随机码与正交码b) mb) m序列的性质序列的性质( (均衡性、游程特性、移位相加特性、自相关性、互相关性均衡性、游程特性、移位相加特性、自相关性、互相关性) )p(1)(1)均衡性均衡性在在m m序列的一个完整周期序列的一个完整周期2 2n n-1-1内，内，1 1码和码和0 0码数大致相同，码数大致相同，1 1比比0 0只多一个只多一个移动通信移动通信电控学院 综合楼823p(3)(3)移位相加特性移位相加特性一个一个m m序列序列MpMp与其移位序列与其移位序列MrMr模二加得到的序列模二加得到的序列MsMs仍然是仍然是MpMp的移位序列，只是移位位数与的移位序

16、列，只是移位位数与MrMr不同。不同。p(2)(2)游程特性游程特性符号符号1 1或或0 0连续相同的一段子序列叫一个游程。连续相同的一段子序列叫一个游程。m m序列游程总数序列游程总数为（为（N+1)/2,N+1)/2,长度为长度为1 1的游程占游程总数的的游程占游程总数的1/21/2，长度为，长度为2 2的游的游程占程占1/41/4，长度为，长度为k k的游程占的游程占1/21/2k k。最长游程是。最长游程是n n个连个连1 1，最长，最长连连0 0游程长度为游程长度为n-1n-16.2 6.2 伪随机码与正交码伪随机码与正交码p(4)(4)自相关特性自相关特性若把若把m m序列表示为一

17、个双极性序列表示为一个双极性NRZNRZ信号，用信号，用-1-1表示逻辑表示逻辑1 1，+1+1表表示逻辑示逻辑0 0，两序列，两序列a,ba,b的互相关函数为的互相关函数为若若a=b,a=b,则为自相关函数则为自相关函数,11( )Na bkklkRla bN移动通信移动通信电控学院 综合楼823m序列的序列的自相关函数自相关函数是周期的二值函数。可以证明，对长度为是周期的二值函数。可以证明，对长度为N的的m序列有序列有 ,10,1,2, .( )1a alk NkRllN其余l和和R(l)都是取离散值都是取离散值6.2 伪随机码与正交码伪随机码与正交码双极性双极性m序列是一个周期性脉冲信号

18、序列是一个周期性脉冲信号m(t),如图如图每个脉冲称作码每个脉冲称作码片，当序列周期片，当序列周期N很大时，很大时，m序列的序列的自相关函数与白自相关函数与白噪声类似，噪声类似，N越大，越大，m序列越呈现随机序列越呈现随机信号特性信号特性。11101001110100移动通信移动通信电控学院 综合楼823p(5)(5)互相关特性互相关特性描述相同周期描述相同周期N=2N=2n n -1-1两个不同的两个不同的m m序列序列anan、bnbn一致的程度，一致的程度，互相关函数可由下式计算：互相关函数可由下式计算：,11( )Na bkk lkRla bN互相关值越小，说明两序列差别越大互相关值越

19、小，说明两序列差别越大同一周期的同一周期的m m序列组，其两两序列组，其两两m m序列对的互相关特性差别很大，序列对的互相关特性差别很大，有的有的m m序列对互相特性差，不能实际应用序列对互相特性差，不能实际应用对于周期为对于周期为2 2n n -1 -1的的m m序列组，其最好的序列组，其最好的m m序列对的互相关函数序列对的互相关函数值只取值只取3 3个，分别是：个，分别是：6.2 6.2 伪随机码与正交码伪随机码与正交码( )21( )( )ct nNR lNt nN(2) 2( )12nt n 这这3 3个值被称为理想三值，个值被称为理想三值，能够满足这一特性的能够满足这一特性的m m

20、序序列对称为列对称为m m序列优选对序列优选对，它们可以用于实际工程它们可以用于实际工程移动通信移动通信电控学院 综合楼823m m序列功率谱是一个离散谱，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等于周期性自相关函数的傅立叶变换换222011( )=( )sincncnNnnP fffNNTNN图图( (a a) )给出了给出了N N=7=7的的m m( (t t) )的功率谱特性。图的功率谱特性。图( (b b) )给出了一些功率谱给出了一些功率谱包络随包络随N N变化的情况变化的情况6.2 6.2 伪随机码与正交码伪随机码与正交码c) mc) m序列的功率谱序列的功率谱移动

21、通信移动通信电控学院 综合楼823由图可看出功率谱特点：由图可看出功率谱特点：离散谱，谱线间隔为离散谱，谱线间隔为f=1/(NTc)=1/Tf=1/(NTc)=1/T带宽近似等于带宽近似等于1/Tc=N/T1/Tc=N/T谱线包络以谱线包络以 规律变化规律变化直流分量强度与直流分量强度与N N2 2成反比成反比在序列周期在序列周期T T保持不变的情况下，保持不变的情况下，随着随着N N的增加的增加，m(t)m(t)的码片的码片Tc=T/NTc=T/N变短，脉冲变窄，频谱变宽，变短，脉冲变窄，频谱变宽，m(t)m(t)频谱变宽变平且功率频谱变宽变平且功率谱密度下降，接近高斯白噪频谱谱密度下降，接

22、近高斯白噪频谱6.2 6.2 伪随机码与正交码伪随机码与正交码2sin( /)cn N移动通信移动通信电控学院 综合楼823 m m序列反馈系数不能是任意的序列反馈系数不能是任意的, ,产生产生m m序列的充分必要条件是序列的充分必要条件是其特征多项式是本原多项式。其特征多项式是本原多项式。结论：结论：同长度不同反馈逻辑的同长度不同反馈逻辑的m m序列的数目等于同幂次的本原多序列的数目等于同幂次的本原多项式的数目，可以证明项式的数目，可以证明n n幂次本原多项式数目为幂次本原多项式数目为(21)nsNn( )x 为欧拉函数，等于：小于为欧拉函数，等于：小于x x的并与的并与x x互质的数的个数

23、互质的数的个数( (包括包括1)1)6.2 6.2 伪随机码与正交码伪随机码与正交码d) md) m序列的数目序列的数目当当m m序列长度（周期）序列长度（周期）不很大时，同长度的不很大时，同长度的不同不同m m序列的数目不多。序列的数目不多。多址系统中，多址系统中，m m序列作序列作地址码就不够用了。地址码就不够用了。移动通信移动通信电控学院 综合楼8236.2 6.2 伪随机码与正交码伪随机码与正交码2 2、GoldGold序列序列 m m序列尤其是序列尤其是m m序列优选对，是特性很好的伪随机序列，但数序列优选对，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。目很少，不

24、便于在码分多址系统中应用。 R.GoldR.Gold于于19671967年提出了一种基于年提出了一种基于m m序列优选对序列优选对的码序列，的码序列，GoldGold序列。序列。 由由优选对的两个优选对的两个m m序列逐位模序列逐位模2 2加得到加得到，当改变其中一个当改变其中一个m m序列序列的相位时，可得到一新的的相位时，可得到一新的GoldGold序列序列。 a) Golda) Gold序列的生成序列的生成注意：注意：GoldGold序列已不是序列已不是m m序列，但具有与序列，但具有与m m序列优选对类似的自相关和互相关特性，且产生序列数目多序列优选对类似的自相关和互相关特性，且产生序

25、列数目多 GoldGold序列产生电路序列产生电路m m序列发生器序列发生器1 1的初始状态不变，的初始状态不变，调整调整m m序列发生器序列发生器2 2的初始状态。的初始状态。通过设置通过设置m m序列发生器序列发生器2 2的不同的不同初始状态，可以得到不同的初始状态，可以得到不同的GoldGold序列序列移动通信移动通信电控学院 综合楼823 相关特性相关特性具有与具有与m m序列优选对相类似的自相关和互相关特序列优选对相类似的自相关和互相关特 性性 ：当当=0=0时自相关函数与时自相关函数与m m序列相同，具有尖锐的自相关峰；当序列相同，具有尖锐的自相关峰；当1N-1 1N-1 时自相关

26、函数取三个理想的值时自相关函数取三个理想的值周期周期( (长度长度)N=2)N=2n n -1 -1的的m m序列优选对生成的序列优选对生成的GoldGold序列，由于其中序列，由于其中一个一个m m序列每次不同移位都产生新的序列每次不同移位都产生新的GoldGold序列，总共有序列，总共有N+2=2N+2=2n n +1+1个。个。随着随着n n的增加，的增加，GoldGold序列数以序列数以2 2的的n n次幂增长次幂增长 , ,比比m m序列多很多序列多很多b) Goldb) Gold序列的特性序列的特性6.2 6.2 伪随机码与正交码伪随机码与正交码移动通信移动通信电控学院 综合楼82

27、3 平衡的平衡的GoldGold序列是指在一个周期内序列是指在一个周期内11码元数比码元数比00码元码元数仅多一个，数仅多一个，只有平衡只有平衡GoldGold序列才可以用到码分多址通信系序列才可以用到码分多址通信系统中去统中去 对于周期对于周期2 2n n-1-1的的m m序列优选对生成的序列优选对生成的GoldGold序列，当序列，当n n是奇数时，是奇数时，有有2 2n-1n-1+1+1个个GoldGold序列是平衡的，约占序列是平衡的，约占50%50%；当；当n n是偶数（不是是偶数（不是4 4的倍数）时，有的倍数）时，有2 2n-1n-1+ 2+ 2n-2n-2+ 1+ 1个个Gol

28、dGold序列是平衡的，约占序列是平衡的，约占75%75% 在在WCDMAWCDMA系统中，下行链路采用系统中，下行链路采用GoldGold码区分小区和用户，上行码区分小区和用户，上行链路采用链路采用GoldGold码区分用户码区分用户 b) b) 平衡的平衡的GoldGold序列序列6.2 6.2 伪随机码与正交码伪随机码与正交码移动通信移动通信3 3、WalshWalsh码码a) Walsha) Walsh函数波形函数波形WalshWalsh函数集是完备的非正弦型正交函数集，相应的离散函数集是完备的非正弦型正交函数集，相应的离散WalshWalsh函数就是函数就是WalshWalsh码码(

29、 (序列序列) ) N N阶阶WalshWalsh函数集可定义为函数集可定义为N N个子函数的集合，记为个子函数的集合，记为Wal(j,t),Wal(j,t),j=0,1,2,.,N-1, Wal(j,t)j=0,1,2,.,N-1, Wal(j,t)在在-1,+1-1,+1中取值，中取值，j j表示每个子函表示每个子函数符号改变次数，任意两个子函数具有正交性数符号改变次数，任意两个子函数具有正交性8阶Walsh函数波形0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1

30、1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 6.2 6.2 伪随机码与正交码伪随机码与正交码对对WalshWalsh函数波形在函数波形在8 8个等间隔上取样，并个等间隔上取样，并用用0 0、1 1表示，可得到表示，可得到WalshWalsh序列序列, ,可用可用8 88 8的的WalshWalsh矩阵表示矩

31、阵表示0 00 00 00 00 00 01 11 10 01 11 10 00 01 10 01 10 11 00 11 00 11 01 00 10 10 11 01 00 10 10 10 1移动通信移动通信电控学院 综合楼823b) Walshb) Walsh函数矩阵的递推关系函数矩阵的递推关系WalshWalsh序列可由哈达玛矩阵产生。哈达玛矩阵是一方阵，各行序列可由哈达玛矩阵产生。哈达玛矩阵是一方阵，各行（列）之间是正交的，最低阶哈达玛矩阵为二阶（列）之间是正交的，最低阶哈达玛矩阵为二阶20001H 递推公式：递推公式：2NNNNNHHHHH其中其中N N取取2 2的幂，的幂， 是

32、的是的 补补NHNH6.2 6.2 伪随机码与正交码伪随机码与正交码2242 2220000010100110110HHHHHH如：如：4482 44400 00 00 0001 01 01 0100 11 00 1101 1001 1000 00 11 1101 01 10 1000 11 11 0001 10 1001HHHHHHQualcomm-CDMAQualcomm-CDMA数字系统中数字系统中采用采用6464阶阶walshwalsh码作为前向码作为前向码分信道，可支持码分信道，可支持6464个信个信道，并采用道，并采用6 46 4 位 的 正 交位 的 正 交WalshWalsh函

33、数来用作反向信道函数来用作反向信道的编码调制的编码调制移动通信移动通信电控学院 综合楼823c) Walshc) Walsh函数的频域特性和相关特性函数的频域特性和相关特性同长度不同编号的同长度不同编号的WalshWalsh函数频带宽度是函数频带宽度是不同的不同的，频带宽度取，频带宽度取决于其最短游程的宽度决于其最短游程的宽度周期性互相关函数周期性互相关函数0( )( , )( ,)TijRW i t W j tdt分析表明分析表明 ，而，而 (0)0ijR( )0,0ijR在同步状态下，互相关为在同步状态下，互相关为0 0，而在不同步状态下，其自相关和互，而在不同步状态下，其自相关和互相关旁

34、瓣值都比较大，相关旁瓣值都比较大，不利于在异步码分多址系统中应用不利于在异步码分多址系统中应用6.2 6.2 伪随机码与正交码伪随机码与正交码移动通信移动通信电控学院 综合楼8236.3 6.3 扩频通信原理扩频通信原理扩频和解扩扩频和解扩直扩系统抗窄带干扰的能力直扩系统抗窄带干扰的能力 移动通信移动通信电控学院 综合楼823 直扩系统扩展信号带宽方法是，用一个直扩系统扩展信号带宽方法是，用一个PNPN序列和数据相乘，序列和数据相乘，以以2PSK2PSK为例，直接扩频系统如图，信道理想，不考虑噪声为例，直接扩频系统如图，信道理想，不考虑噪声 b(t)和和c(t)为双极性为双极性NRZ码，通常，

35、码，通常，b(t)一个比特长度一个比特长度Tb=NTc， b(t)带宽为带宽为Bb=1/Tb,c(t)带宽为带宽为Bc=1/Tc6.3 6.3 扩频通信原理扩频通信原理1 1、扩频与解扩、扩频与解扩a) a) 扩频扩频( )( ) ( )x tb t c t移动通信移动通信电控学院 综合楼823直接序列扩频系统波形直接序列扩频系统波形b(t)和和c(t)相乘的结果使携带信息的相乘的结果使携带信息的基带信号的带宽被扩展到近似为基带信号的带宽被扩展到近似为c(t)的带宽的带宽Bc，扩展的倍数就等于扩展的倍数就等于PN序列一周期的码片数序列一周期的码片数： cbbcBTNBT6.3 6.3 扩频通信

36、原理扩频通信原理扩频后的基带信号进行扩频后的基带信号进行2PSK调制，得到信号调制，得到信号s(t)：( )( )cos( ) ( )cosccs tx ttb t c tt调制后信号调制后信号s(t)带宽为带宽为2Bc而信号的功率谱密而信号的功率谱密度下降到原来的度下降到原来的1/N移动通信移动通信电控学院 综合楼823 不考虑信道噪声及各种干扰信号，接收机接收到的信号不考虑信道噪声及各种干扰信号，接收机接收到的信号r(t)=s(t)，接收到的信号首先和本地产生的，接收到的信号首先和本地产生的PN码码c(t)相乘。由于相乘。由于 c2(t)=（1）2=1,所以所以 ( ) ( )( ) (

37、)( ) ( )cos( )( )cosccr t c ts t c tb t c tt c tb tt相乘所得信号是带宽为相乘所得信号是带宽为2/Tb的窄带的窄带2PSK信号，这一操作过程就信号，这一操作过程就是解扩。是解扩。a) 解扩解扩6.3 扩频通信原理扩频通信原理要正确解扩要正确解扩, ,要求本地要求本地的的PNPN码序列和发射机的码序列和发射机的PNPN码序列严格同步码序列严格同步解扩和相关解调波形如图解扩和相关解调波形如图移动通信移动通信电控学院 综合楼823结论：结论：DS系统在发送端直接用系统在发送端直接用高码率的扩频码去展宽数据信号频谱，高码率的扩频码去展宽数据信号频谱，而

38、在接收端用相同的扩频码进行解扩，还原成原始的窄带信号；而在接收端用相同的扩频码进行解扩，还原成原始的窄带信号；扩频后带宽扩展了扩频后带宽扩展了N倍，功率谱下降到倍，功率谱下降到1/N；扩频码与传输信息无关，仅是起扩展信号频谱带宽作用；扩频码与传输信息无关，仅是起扩展信号频谱带宽作用；6.3 扩频通信原理扩频通信原理移动通信移动通信电控学院 综合楼823设设i(t)为一窄带干扰信号为一窄带干扰信号,其频率接近信号的载波频率。接收机输其频率接近信号的载波频率。接收机输入信号入信号与一般窄带传输相比，扩频系统的特点：与一般窄带传输相比，扩频系统的特点： 抗窄带干扰的能力，抗窄带干扰的能力，分析抗窄带

39、干扰的接收模型如图分析抗窄带干扰的接收模型如图( )( )( )r ts ti t6.3 扩频通信原理扩频通信原理2、直扩系统抗窄带干扰的能力、直扩系统抗窄带干扰的能力它和本地它和本地PNPN序列相乘后：序列相乘后：2( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )cos( ) ( )( )cos( ) ( )ccr t c ts t c ti t c tc t b tw ti t c tb tw ti t c t移动通信移动通信电控学院 综合楼823窄带干扰信号窄带干扰信号i(t)和和c(t)相乘后，其带宽被扩展到相乘后，其带宽被扩展到2Bc,设输入干扰设输入干扰信号功率为信号功率为

40、Pi，i(t)c(t)是功率谱密度为是功率谱密度为Pi/2Bc=PiTc/2的干扰信的干扰信号，落入信号带宽的干扰功率为号，落入信号带宽的干扰功率为6.3 扩频通信原理扩频通信原理ibpocPTGNPT22ciiobT PPPTN解扩后扩频系统的输出干扰功率是输入干扰功率的解扩后扩频系统的输出干扰功率是输入干扰功率的1/N ，即扩，即扩频系统的处理增益为频系统的处理增益为Gp扩频处理增益等于扩频系统带宽的扩展因子扩频处理增益等于扩频系统带宽的扩展因子移动通信移动通信电控学院 综合楼823 扩频信号对窄带干扰的抑制作用在于：扩频信号对窄带干扰的抑制作用在于：接收机对信号解扩的接收机对信号解扩的同

41、时对干扰信号的扩频，降低了干扰信号的功率谱密度同时对干扰信号的扩频，降低了干扰信号的功率谱密度系统处理增益越大，抵抗各种干扰能力就越强，但对频谱无限系统处理增益越大，抵抗各种干扰能力就越强，但对频谱无限宽噪声，扩频不起作用宽噪声，扩频不起作用6.3 扩频通信原理扩频通信原理移动通信移动通信电控学院 综合楼8236.4 抗多径干扰和抗多径干扰和RAKE接收机接收机1、抗多径干扰、抗多径干扰利用利用PN序列的尖锐的自相关特性和很高的码片速率，可以抵抗序列的尖锐的自相关特性和很高的码片速率，可以抵抗多径干扰，以第一个到达接收机的信号时间为参考，其后信号多径干扰，以第一个到达接收机的信号时间为参考，其

42、后信号到达时间为到达时间为Td(i),i=1,2,讨论两径讨论两径扩频后信号扩频后信号( )( ) ( )x tb t c t经载波调制后经载波调制后( )( )coscs tx tw t接收信号接收信号01( )( )()dr ta s ta s tT设二径衰减设二径衰减a a0 0=1,a=1,a1 11,1,于是于是1( )( )cos()cos()cdcdr tx tw ta x tTw tT和本地相干载波相乘得和本地相干载波相乘得1()()2cos()(1 cos2)()cos(2) cosccdcc dc df tr twtxtwtaxt Twt wTwT移动通信移动通信电控学院

43、综合楼823设本地扩频码和第一径信号同步对齐，设本地扩频码和第一径信号同步对齐，f(t)c(t)得得1( )( ) ( )( ) ( )(1 cos2)() ( )cos(2)coscdccdcde tf t c tx t c tw ta x tT c tw tw Tw T积分器相当于积分器相当于低通滤波器低通滤波器，在，在t=Tb时刻，积分器输出时刻，积分器输出10020011()( ) ( )cos() ( )11( )( )() () ( )bbbbTTbcbdbbTTdddbby Tx t c t dt aw Tx tT c t dtTTb t c t dt kb tT c tT c

44、t dtTT1cos1dcdkaw T式中式中6.4 抗多径干扰和抗多径干扰和RAKE接收机接收机移动通信移动通信电控学院 综合楼823设发送的二进制码元为设发送的二进制码元为b-1b0b1,时序图时序图在在t=Tb时刻，抽样输出时刻，抽样输出2100101010111( )( )() () ( )11() ( )() ( )()()bbdbdTTbdddbbTTddddTbbdcddcbdy Tbc t dt kb tT c tT c t dtTTbkb c tT c t dtkbc tT c t dtTTbk b RTk bR TT第二径对第一径的干扰第二径对第一径的干扰Rc是是c(t)局

45、部自相关函数局部自相关函数01( )( ) ()cbRc t c tdtT6.4 抗多径干扰和抗多径干扰和RAKE接收机接收机移动通信移动通信电控学院 综合楼823对一个对一个m序列来说，当序列来说，当 时，其局部自相关系数幅度比较小，时，其局部自相关系数幅度比较小，正是正是PN序列这种好的自相关特性，抑制了与它不同步的其他多序列这种好的自相关特性，抑制了与它不同步的其他多径分量。径分量。cT结论：结论：只有与本地相关器扩频码同步的这一多径信号分量可以被解调，只有与本地相关器扩频码同步的这一多径信号分量可以被解调，而抑制了其它的不同步多径分量的干扰，即而抑制了其它的不同步多径分量的干扰，即在混

46、叠的多径信号在混叠的多径信号中，单独分离出与本地扩频码同步的多径分量。中，单独分离出与本地扩频码同步的多径分量。6.4 抗多径干扰和抗多径干扰和RAKE接收机接收机移动通信移动通信电控学院 综合楼823 利用扩频码良好的自相关特性，可以很好的抑制多径干扰，利用扩频码良好的自相关特性，可以很好的抑制多径干扰，特别是多径时延大于码片时。特别是多径时延大于码片时。多径分离接收机多径分离接收机(Rake)思想：思想：每个多径分量都携带相同信息，每个多径分量都携带相同信息，具有能量，利用这些能量就可变害为利。具有能量，利用这些能量就可变害为利。RAKE接收机的原理图如下接收机的原理图如下2、多径分离接收

47、机、多径分离接收机(RAKE receiver)6.4 抗多径干扰和抗多径干扰和RAKE接收机接收机每个相关器和多径信号中的每个相关器和多径信号中的一个不同时延的分量同步，一个不同时延的分量同步，输出是携带相同信息但时延输出是携带相同信息但时延不同的信号，把这些输出延不同的信号，把这些输出延时对齐，然后合并，可增加时对齐，然后合并，可增加信号能量，改善信噪比信号能量，改善信噪比移动通信移动通信电控学院 综合楼823v 利用各多径信号分量的能量，改善接收信号的质量利用各多径信号分量的能量，改善接收信号的质量v 信号的频谱扩展使信号获得了频率分集的好处信号的频谱扩展使信号获得了频率分集的好处 v

48、多径信号的分离接收把先后到达接收机携带同一信息的衰落多径信号的分离接收把先后到达接收机携带同一信息的衰落独立的多个信号能量加以利用，是一种时间分集独立的多个信号能量加以利用，是一种时间分集Rake接收具有搜集多径信号能量的能力接收具有搜集多径信号能量的能力6.4 抗多径干扰和抗多径干扰和RAKE接收机接收机移动通信移动通信电控学院 综合楼8236.5 跳频扩频通信跳频扩频通信FHSS1、基本概念、基本概念 定义：定义：使使窄带数字已调信号的载波频率在一个很宽的窄带数字已调信号的载波频率在一个很宽的 频率范频率范围内随时间跳变，跳变的规律称作跳频图案，受围内随时间跳变，跳变的规律称作跳频图案，受

49、PN序列控制。序列控制。只要接收端按相同频率跳变调谐只要接收端按相同频率跳变调谐移动通信移动通信瞬时带宽瞬时带宽：跳频信号在每一个瞬间都是窄带已调信号，带宽为：跳频信号在每一个瞬间都是窄带已调信号，带宽为B跳频带宽跳频带宽：快速的频率跳变形成了宏观的宽带信号，所覆盖的：快速的频率跳变形成了宏观的宽带信号，所覆盖的整个频谱范围，整个频谱范围，W跳频处理增益：跳频处理增益：hWGB跳频系统具有码分多址和频带共享的组网能力。跳频系统具有码分多址和频带共享的组网能力。 6.5 跳频扩频通信跳频扩频通信FHSS PN码发生器按指码发生器按指定节拍不断更新定节拍不断更新输出输出m位比特，形位比特，形成一个

50、成一个2m进制的进制的跳频指令序列，跳频指令序列，混频器按指令把混频器按指令把MFSK信号搬移到信号搬移到各跳频载波频率各跳频载波频率点上，实现扩频。点上，实现扩频。跳频同步跳频同步是跳频系统核心技术是跳频系统核心技术移动通信移动通信电控学院 综合楼823跳频分为慢跳频和快跳频跳频分为慢跳频和快跳频跳频周期：每一跳持续时间跳频周期：每一跳持续时间Th,，Rh=1/Th跳频速率跳频速率根据调制符号速率根据调制符号速率Rs和跳频速率和跳频速率Rh分为：分为：慢跳频：在每个载波频率点上发送多个符号慢跳频：在每个载波频率点上发送多个符号Rs=KRh快跳频：在一个符号时间内，载波频率发生多次跳变快跳频：

51、在一个符号时间内，载波频率发生多次跳变Rh=KRs,抗干扰性和隐蔽性较好，但实现频率合成器比较抗干扰性和隐蔽性较好，但实现频率合成器比较困难困难码片速率：码片速率：Rc=max(Rs,Rh)6.5 跳频扩频通信跳频扩频通信FHSS码片时间：码片时间：Tc=min(Ts,Th)信号频率保持不变的最短持续时间信号频率保持不变的最短持续时间移动通信移动通信电控学院 综合楼8232、跳频系统抗干扰性、跳频系统抗干扰性抗窄带干扰：抗窄带干扰：通过通过躲避干扰躲避干扰来获得抗干扰能力来获得抗干扰能力跳频系统的抗干扰性能用跳频系统的抗干扰性能用跳频处理增益跳频处理增益表示。表示。GSM系统在业务量大干扰大的

52、情况下常常采用跳频系统在业务量大干扰大的情况下常常采用跳频, 允许采允许采用用64种不同跳频序列种不同跳频序列 跳频起着频率分集的作用跳频起着频率分集的作用减小瑞利衰落减小瑞利衰落 可以分散来自其它小区的强干扰可以分散来自其它小区的强干扰抗同频干扰抗同频干扰 6.5 跳频扩频通信跳频扩频通信FHSS移动通信移动通信所谓两个扩频码同步，就是保持其时差（相位差）为所谓两个扩频码同步，就是保持其时差（相位差）为0状态。状态。 令令 、 为两个长度相等的伪码，保持其同步就是为两个长度相等的伪码，保持其同步就是使使 ，也就是，也就是 。电控学院 综合楼823在码分系统中相关接收要求本地地址码（伪码）与收到的发送在码分系统中相关接收要求本地地址码（伪码）与收到的发送来的）地址码同步。来的）地址码同步。11()a t22()a t122106.6 扩频码同步扩频码同步通常在码分多址系统中，所采用的地址码都是周期性重复的序通常在码分多址系统中，所采用的地址码都是周期性重复的序列，即为：列，即为：其中其中T是是 长度。扩频码的同步主要是指长度。扩频码的同步主要是指 的同步。的同步。( )() ()iinc ta tnTt ( )ia t( )ic t令令 为接收到的伪码，为接收到的伪码， 为本地伪码其周期为为本地伪码其周期为T=NTc，N为码位数（码长），为码位数（