通信概论第五章课件)

1、第5章 扩频抗干扰通信系统 第5章扩频抗干扰通信系统 5.1扩频通信概述扩频通信概述 5.2直接序列扩频系统直接序列扩频系统 5.3跳频扩频通信系统跳频扩频通信系统 5.4跳时系统跳时系统 5.5混合扩展频谱系统混合扩展频谱系统 第5章 扩频抗干扰通信系统 5.15.1扩频通信概述扩频通信概述 扩频通信扩频通信是当今国际上高新科技的热点之一，它与是当今国际上高新科技的热点之一，它与光纤通信光纤通信、卫星通信卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。高技术通信传输方式。 几十年来，通信技术不断发展和演变，从几十年来，通信技术不断发展和演变，从有线有线

2、（电（电缆、光纤）到缆、光纤）到无线无线（短波、（短波、VHF/UHF、微波、卫星）、微波、卫星）基本上是基本上是媒质和信道媒质和信道的变化，而突破性的进展并不多。的变化，而突破性的进展并不多。扩频通信系统的出现，是通信技术的一次重大突破。扩频通信系统的出现，是通信技术的一次重大突破。第5章 扩频抗干扰通信系统 n有关扩频通信技术的观点最早是在有关扩频通信技术的观点最早是在1941年由好莱坞女年由好莱坞女演员海蒂演员海蒂.拉玛拉玛(Hedy Lamarr)和钢琴家和钢琴家George Antheil提出的，并申请了美国专利提出的，并申请了美国专利#2.292.387。不过，当时该。不过，当时该

3、技术并没有引起美国军方的重视。技术并没有引起美国军方的重视。第5章 扩频抗干扰通信系统 n高通（高通（Qualcomm）是一家美国的无线电通信技术研是一家美国的无线电通信技术研发公司，成立于发公司，成立于1985年年7月，在以技术创新推动无线通月，在以技术创新推动无线通讯向前发展方面扮演着重要的角色，以在讯向前发展方面扮演着重要的角色，以在CDMA技术技术方面处于领先地位而闻名，而方面处于领先地位而闻名，而CDMA技术已成为世界技术已成为世界上发展最快的无线技术。上发展最快的无线技术。第5章 扩频抗干扰通信系统 5.1.15.1.1扩频通信的概念扩频通信的概念扩频通信就是扩展频谱扩展频谱(SS

4、， Spread Spectrum)通信通信所谓扩频通信，是指系统所传输的信号被扩展至一个是指系统所传输的信号被扩展至一个很宽的频带。很宽的频带。 扩频通信所传递信息的信号带宽远远大扩频通信所传递信息的信号带宽远远大于原始信息本身的带宽。于原始信息本身的带宽。第5章 扩频抗干扰通信系统 通常规定：如果信息带宽信息带宽为B，扩频信号带宽扩频信号带宽设为fSS，则扩频信号带宽与信息带宽之比fSS/B称为扩频因子扩频因子。当fSS/B=12，即射频信号带宽略大于信息带宽时，称为窄带通信；当fSS/B40，即射频信号带宽大于信息带宽时，称为宽带通信；当fSS/B100，即射频信号带宽远大于信息带宽时，

5、称为扩频通信扩频通信。 Bfsslg10扩频增益第5章 扩频抗干扰通信系统 例子： 一个扩频系统的处理增益为35dB，要求误码率小于一定值的情况下信息数据解调的最小输出信噪比小于10dB，系统损耗Ls等于3dB，则干扰容限Mj=35-(10+3)=22dB 这说明，该系统能在干扰输入功率电平比扩频信号功率电平高22dB的范围内正常工作，也就是该系统能够在接收输入信噪比大于或等于22dB的环境下正常工作。第5章 扩频抗干扰通信系统 本章研究的扩展频谱是指占用的传输带宽远大于传输同样信息所需的最小带宽的情形。通常所说的扩频系统需要满足以下几个条件：(1）信号占用的带宽远远超出发送信息所需的最小带宽

6、）信号占用的带宽远远超出发送信息所需的最小带宽;(2）扩频是由扩频信号实现的，扩频信号通常称为编码信号，）扩频是由扩频信号实现的，扩频信号通常称为编码信号，与数据无关与数据无关; (3）接收端解扩是将接收到的扩频信号与扩频信号的同）接收端解扩是将接收到的扩频信号与扩频信号的同步副本通过相关处理完成的。步副本通过相关处理完成的。第5章 扩频抗干扰通信系统 扩频通信是用高速码元序列信号调制载波，把信号频谱扩展到更宽的频带，使被传输的信号幅度低于噪声电平，这就大大提高了通信的隐蔽性和抗干扰能力。例如，高速码元序列的时钟为4MHz，fSS=10MHz，而信息基带为B=10kHz，则fSS/B1000。

7、第5章 扩频抗干扰通信系统 由于扩频系统利用了扩展频谱技术，在接收端对干扰频谱能量加以扩散，对信号频谱能量压缩集中，因此，在输出端就得到了信噪比的增益，这样的扩频通信机制，可以在很小的信噪比情况下进行通信，甚至可在信号比干扰信号低得多的条件下实现可靠地通信。这种“去掉干扰”能力的功能，是扩频通信的主要优点之一。 1.抗干扰能力强抗干扰能力强5.1.2扩频通信的特点扩频通信的特点第5章 扩频抗干扰通信系统 图51扩频效果示意图 (a)白噪声环境；(b)人为干扰环境 白噪声和人为干扰噪声下的扩频效果白噪声和人为干扰噪声下的扩频效果第5章 扩频抗干扰通信系统 3.安全通信安全通信4.距离分辨率高距离

8、分辨率高5.信息传输方便灵活信息传输方便灵活2.可随机接入、任意选址可随机接入、任意选址将扩展频谱技术与正交编码方法结合起来，可以构成码将扩展频谱技术与正交编码方法结合起来，可以构成码分选址通信。分选址通信。1)信号功率密度低信号功率密度低 2)数字信息易加密数字信息易加密3)通信信息不易被窃取通信信息不易被窃取 4)通信不易被破坏通信不易被破坏抵抗频率选择性衰落抵抗频率选择性衰落第5章 扩频抗干扰通信系统 5.1.35.1.3扩频通信基本理论扩频通信基本理论扩频技术的基本理论根据是信息论中的香农香农(Shannon)公式公式。香农公式在前面已做过论述，它可用于实际的有扰连续信道。当信道受到加

9、性高斯噪声的干扰，且信道传输信号的功率和信道的带宽受限时，无差错传输的最大信息速率C为 )b/s()1 (lb)1lb(0NSBBnSBC(52) 香农公式表明了一个信道无误差地传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。 第5章 扩频抗干扰通信系统 对于干扰环境中的典型情况，SN1时， NSBC44. 1(53) 例如，我们希望一个系统工作于干扰比信号大100倍的环境中，即SN=1/100。要求传信率是3000bs，由式(53)可知，系统应有的带宽为 Hz1008. 244. 110310043B第5章 扩频抗干扰通信系统 5.1.45.1.4扩频通信系统的类型

10、扩频通信系统的类型 1.1.直接序列扩频（直接序列扩频（DSDS，DirectSequencingDirectSequencing）要传送的信息经伪随机序列(或称伪噪声码)编码后对载波进行调制。在发信端直接用扩频序列去扩展信号的频谱，在收信端，用相同的扩频码序列进行解扩，将展宽的频谱扩展信号还原成原始信息。因为伪随机序列的速率远大于要传送信息的速率，所以受调信号的频谱宽度将远大于要传送信息的频谱宽度，故称之为扩频。 第5章 扩频抗干扰通信系统 2.2.跳频跳频(FH(FH，FrequencyHopping)FrequencyHopping)荷载信息的信号频率受伪随机序列的控制，快速地在一个频段

11、中跳变，此跳变的频段范围远大于要传送信息所占的频谱宽度，故跳频也属于扩频技术。只要收、发信双方保证时频域上的调频顺序一致，就能确保双方的可靠通信。在每一个跳频时间的瞬时，用户所占用的信道带宽是窄带频谱，随着时间的变换，一系列的瞬时窄带频谱在一个很宽的频带内跳变，形成一个很宽的跳频带宽。 第5章 扩频抗干扰通信系统 3.3.跳时跳时(TH(TH，TimeHopping)TimeHopping)把每个信息码元划分成若干个时隙，此信息受伪随机序列的控制，以突发的方式随机地占用其中一个时隙进行传输。因为信号在时域中压缩其传输时间(占空比为1/n)，相应地在频域中要扩展其频谱宽度，故跳时也属于扩频技术。

12、 第5章 扩频抗干扰通信系统 4.4.线性调频扩频线性调频扩频(Chirp)(Chirp)线性调频扩频(Chirp)是指在给定脉冲持续间隔内，系统的载频线性地扫过一个很宽的频带。因为频率在较宽的频带内变化，故信号的带宽被展宽。5.5.混合扩频混合扩频几种不同的扩频方式混合应用，如直扩和跳频的结合(DS/FH)，跳频与跳时的结合(FH/TH)，以及直扩、跳频与跳时的结合(DS/FH/TH)等。在扩频系统中，直扩(DS)、跳频(FH)是两种最重要的形式，应用得较普遍的是DS和FH以及二者的结合(DS/FH)。 第5章 扩频抗干扰通信系统 5.2.15.2.1扩频通信的基本原理扩频通信的基本原理5.

13、2直接序列扩频系统直接序列扩频系统 直接序列扩频系统：直接用编码序列对载波调制的系统。要传送的信息经数字化后变成二元数字序列，它和伪随机序列模2相加后成为复合码去调制载波，通常对载波进行相移键控调制。第5章 扩频抗干扰通信系统 图5-2 扩频通信系统模型（a）发射系统；（b）接收系统 第5章 扩频抗干扰通信系统 图53理想扩展频谱系统波形 第5章 扩频抗干扰通信系统 图54扩频接收机的基带滤波器输出频谱(a)接收机输入；(b)混频器输出；(c)窄带滤波器输出 第5章 扩频抗干扰通信系统 从扩展频谱信号中恢复基带信号d(u，t)，是利用了下列两个基本关系式，即 d(u，t)c(u，t)c*(u，

14、t)d(u，t) (54) 其中：d(u，t)c(u，t)是接收到的扩频信号，c*(u，t)是本地扩频码信号，它与c(u，t)共轭。若用序列逻辑运算，可表示为 d(u) c (u) c*(u)=d(u) (55) 第5章 扩频抗干扰通信系统 图55直接序列扩频系统 (a)BPSK直接序列调制发送端；(b)简化的BPSK直接序列发送端；(c)BPSK直接序列扩频接收端 5.2.2直接序列扩频信号直接序列扩频信号第5章 扩频抗干扰通信系统 图56直接序列扩频信号传输图 第5章 扩频抗干扰通信系统 5.2.35.2.3直接序列扩频信号的相关解扩直接序列扩频信号的相关解扩图57直接序列扩频信号的相关接

15、收与解扩 第5章 扩频抗干扰通信系统 图58数据与扩频信号的功率谱 第5章 扩频抗干扰通信系统 在CDMA系统中的某个小区中，系统为用户1分配的扩频码为-1 1 -1 1，用户1的话音信号数据为1 -1 -1 1 -1 -1，速率为13kbps,则在发射机端，该话音数据经过扩频后为（每个语音信号比特与扩频码进行相乘）速率为52kChip/s的扩频信号： -1 1 -1 1，1 -1 1 -1，1 -1 1 -1，-1 1 -1 1，1 -1 1 -1，1 -1 1 -1 在接收端，用同样的扩频码-1 1 -1 1进行解扩（对扩频信号做逐码片相乘，然后每4个码片进行求和）：4 -4 -4 4 -

16、4 -4 如果我们用系统分配给用户2的扩频码-1 -1 1 1对用户1的接收信号进行解扩处理，得到的是0 0 0 0 0 0例子第5章 扩频抗干扰通信系统 5.3跳频扩频通信系统跳频扩频通信系统 5.3.1跳频通信的基本原理跳频通信的基本原理跳频通信是指传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变跳频通信是指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。化的通信方式。通信使用的载波频率被一组高速变化的码控制而随机跳变。这种控制载波变化的规律，通常又叫做“跳频图案跳频图案”。第5章 扩频抗干扰通信系统 图512跳频系统简单原理图 第5章 扩频抗干扰通信系统 图513跳频时频矩阵图 (a)跳频

17、图案；(b)跳频时频矩阵；(c)跳频频率间隔 第5章 扩频抗干扰通信系统 s1(t)=m(t)cos(0+nT)t+n 发送的跳频信号：kjjitJtntststs21)()()()()(接收的信号：)cos( )()()()()(21rTrkjjptntJtntststssp(t)=(1/2) m(t) cos(I t+i) + cos(0+r +2nT)t+n+r )cos()()()(2rTrkjjtntJtnts跳频通信的数学模型跳频通信的数学模型第5章 扩频抗干扰通信系统 从上述跳频系统的物理概念可以看出，跳频系统也占用了比信息带宽要宽得多的频带。从每一瞬间来看，它只是在单一射频载波

18、上通信。但从总体上看，它所占用带宽B BRFRF= =N N(1/(1/T T) )，提供了抗干扰能力。)cos()(21)(12iIttmts(522) 第5章 扩频抗干扰通信系统 快跳频图案快跳频图案101第5章 扩频抗干扰通信系统 慢跳频图案慢跳频图案1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1第5章 扩频抗干扰通信系统 5.3.5跳频通信系统的技术特点跳频通信系统的技术特点(1)抗干扰能力强。(2)具有多址组网能力和高的频带利用率。(3)具有抗衰落能力。(4)易于与窄带通信系统兼容。(5)具有一定的保密能力。第5章 扩频抗干扰通信系统 跳时即将一个信码的持续时间分成若干时隙，由伪随机编跳时即将一个信码的持续时间分成若干时隙，由伪随机编码序列控制信码在不同的时隙中发射。码序列控制信码在不同的时隙中发射。5.4跳时系统跳时系统跳时系统跳时系统(TH)也是一种扩展频谱技术，主要用于时分多址(TDMA)通信。第5章 扩频抗干扰通信系统 跳时示意图跳时系统的扩频增益跳时系统的扩频增益=时隙数目或占空比的倒数时隙数目或占空比的倒数第5章 扩频抗干扰通信系