第三章扩频通信系统

通信系统概论授课讲师：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：扩频通信系统扩频通信系统扩频通信技术的概念

定义

特点

原理

分类直接扩频通信系统跳频通信系统2扩频通信的概念扩展频谱的通信方式（SpreadSpectrum,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：，即射频带宽与信号带宽可比较的情况下，称为窄带通信

，即射频带宽大于信号带宽时，称为宽带通信

，即射频带宽远大于信号带宽时，称为扩频通信扩频通信的特征发送信号所占带宽远大于原始信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扩频通信的原理---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扩频通信的优势抗干扰能力强可有效抵抗人为干扰：窄带干扰、宽带干扰6PfPf扩频后相关检测后PfPf加入干扰滤波后用户信号宽带干扰窄带干扰（瞄准式）fP扩频通信的优势抗干扰能力强可有效抵抗信道乘性干扰：频率选择性衰落（分集接收）7fg123456窄带信号保护间隔频率选择性信道扩频信号22222f1g扩频通信的优势可进行多址通信----CDMA将扩频技术与（伪）正交编码方法结合，可进行多址通信公用信道自动选呼，同频同时使用资源干扰受限的系统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）频带利用率高（从多用户同时占用频带传输的角度）8Source:/primer.html扩频通信的优势安全通信

信号功率的频谱密度极低（低截获系统，LPI，LowProbabilityofIntercept）数字通信系统，可以采用加密伪随机地址码，相关检测若未知地址码规律则只能解出噪声有效对抗瞄准式干扰，无法完全封锁通信9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扩频通信系统的类型11直接序列扩频（DS,DirectSequencing）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关检测还原原始信息。跳频（FH，FrequencyHopping）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，TimeHopping）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、。。。扩频通信系统扩频通信技术的概念直接扩频通信系统

基本原理

发送接收设计

扩频序列跳频通信系统12直接扩频系统-发送机13信源编码扩频调制射频调制伪随机序列信源产生二进制比特流经过信道编码后产生码流（CodeSequence）

与伪随机码相乘进行扩频调制，获得码片序列（ChipSequence）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直接扩频系统-发送机14直接扩频系统-发送机发送机的射频调制15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发送信号的射频带宽由伪随机码的速率决定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直接扩频序列—接收机16BPF解调器乘法器解码&判决伪随机序列积分器相关器接收信号经滤波、解调获得基带接收信号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直接扩频序列—接收机17设直接扩频系统-接收机18原始编码信号对干扰扩频相关器的双重作用：1.解扩恢复原始信号

2.扩频压制干扰信号相关检测后PfPf加入干扰滤波后fP直接扩频系统-处理增益由上面的解释，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：直接扩频系统-接收机20直接扩频系统—伪随机码对扩频码的要求易于产生—发送机设计具有随机性—难以破解、有利于达到容量上界周期尽可能的长—难以通过部分重建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,PseudoNoiseSequence）直接扩频系统—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：平衡特性：近似于0的均值相关特性：自相关函数有类似于白噪声的性质游程特性：长度为n的游程约占游程总数的22直接扩频系统—伪随机码M序列（MaximumLengthSequence）：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输出输入直接扩频系统—m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000111110000201010310111411010511101601101直接扩频系统—m序列的特性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，所得还是m序列，只是相位不同25直接扩频系统—m序列的特性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直接扩频系统—m序列的特性m序列的自相关特性：显然，m序列的自相关特性为：2728直接扩频系统的典型应用：IS-95GPSWLAN(IEEE802.11b)3GCDMA2930扩频通信系统扩频通信技术的概念直接扩频通信系统

基本原理

发送接收设计

扩频序列跳频通信系统31跳频通信系统(FrequencyHoppingSpreadSpectrum)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

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（Hopping）32通过这样的方式，同样实现了频谱的扩展，因此也是一种扩频通信系统跳频通信系统—发送原理如何实现频道的随机跳变？33根据伪随机码序列，查表获取当前一跳的频率通过频率合成器，生成当前一跳的载频通过调制器，将信源信号调制到载波上，形成已调信号利用伪随机码进行载波的控制跳频通信系统—发送原理利用伪随机序列控制载频的例子34伪随机序列频率分配表调频周期跳频通信系统—发送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跳频通信系统—发送原理调频信号的特点36利用伪随机序列经过FSK调制获得载波利用ASK/FSK将信源信号调制到相应频道跳频信号的生成也可以看做是两次调制的过程跳频通信系统—接收原理跳频信号的接收端框图37跳频通信系统—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：跳频信号的检测也可以看做是两次解调的过程跳频通信系统—特点抗干扰能力强：对瞄准式干扰更有效具有多址组网能力具有抗频率选择性衰落能力易于与窄带通信系统兼容频率合成器设计是难点39第三章应该掌握的知识点扩频通信的基本原理