扩频通信原理chapter

1序言一．扩展频谱技术概述展信道编信道编码信道译码信源编码信源译码载波调制符号解调源信息输出扩频解扩频信道它主要由原始信息，信源编译码，信道编译码〔过失控制〕，载波调制与解调，扩频调制与解扩频与它具有一些独特的优点。1)抗干扰能力强，特别是抗窄带干扰能力。t4)可抗多径干扰。5)可抗频率选择性衰落。7)具有测距能力。8)技术复杂。1)卫星通信〔多址，抗干扰，便于保密，降低平均功率谱密度〕2)移动通信〔多址，抗干扰，便于保密，抗多径，提高频谱利用率〕3)无线本地环路GPS〕5)测试仪，干扰仪测时延，无码测试仪`````主要缺点：技术复杂，但是随着数字处理技术的开展，集成工艺进步，使扩频系统的实现变的简单，只需对扩展技术有一般的了解就可以从事扩频系统的设计工作。因此，扩频技术2在这些年开展非常迅速，由军用到民用，商用，范围很广。的理论根底是信息论中的香农定理[1]2NN-----噪声功率S信号功率---------N就是用比信息速率高很多倍的伪随机噪声码(PN)与信号相乘来到达扩展信号的带宽。跳频是使原信号随机的用不同载波传输发送，跳时是使用伪随机码序列来开通或关断发射机，即信号的发射时刻和持续时间是随机的。历史：世界上第一个直接序列扩频系统是在美国的联邦通信实验室(FTL)于1949年由Derosa和的二十几年扩频技术得到越来越广泛的使用。比方美国的全球定位系统(GPS)设备简单，定位精度高，。二．课程内容开这门课程的主要目的是使同学掌握扩频技术的原理和一些专门的知识。考虑到同学关于数字通信方面的知识比拟少，在讲扩频技术之前，有必要先讲一下关于数字通信的根底知识。在讲完扩频技术之第一章：通信系统概述：主要讲通信系统构成，通信系统的噪声和信道。第二章：数字信号的基带传输：主要讲基带数字信号传输的无失真条件和传输的过失率。第三章：信号处理技术：主要讲随机过程通过线性系统，宽带高斯噪声，信号的非线性处理，信号第四章：数字信号的射频传输：主要讲相干解调技术，及抑制载波信号的环路同步技术。编码：主要讲m序列和复合序列。第七章：扩展频谱系统：简要介绍直扩系统和跳频系统。第十一章：跳频系统简介。S三．目的1．使同学熟悉和掌握数字通信系统的根本原理和扩展频谱技术的根底极其应用。五．参考书目根底概论第一章数字通信系统的构成1.1通信系统的构成一般数字通信系统的构成如图1.1所示。它主要由发信端，信道和收信端三局部组成。4信端信端信源编码道信息恢复信源译码信道编码信道译码解调信源信发信端通常有信息源，信源编码，信道编码，调制等四个单元组成，收信端由解调，信道译码，信息恢复，信息输出等局部组成。常见的信源有声音，图象，数据等。用适当的传感器，如话筒，摄象机等把原始的声音，图象等信息变成电信号送入信源编码器，信源编码器对输入信号进行A/D变换，压缩编码后形成数据信号，送入信道编码器，在这里可对数字信号进行适当编码〔如卷积编码等〕，增加信号要求把信道编码后的符号以适当的方式〔相移键控，频移键控等〕调制在一定频率的载波上。这里的信道通常是指传输射频信号的多种多样的信道。如微波信道，卫星信道，光纤信道，电台短波信道等。收信源和信源编码信源编码的压缩技术对扩频系统是非常重要的。1)扩频系统带宽宽要求信源速率不能太高。2)高压缩信源码要求可靠传输率低。带信号，如地区内的网，基带数传机等。但基带传输系统一般通信距离较近，远距离通信传送载波在数字通信系统中传输的必须是数字信号，，电传和计算机数据等都是数字信息，可直接在数字信道总传输。把象声音，图象等模拟信息变成数字信号必须先通过抽样，量化。这就是通常所说的A/D的数据率为64Kb/s。具体编码方式常用A律或M律。称这样的话音编码方式为PCML(PulseCodeKbs的话音编码器的效果很好，估计一两年内将有集成电路投放市场。以上这些编码方式测声码器(LPC)等，一般来说，声码器的话音质量差些，因为比特率较低，听起来不自然，设备较贵，。5在图象编码方面，由于数字信号处理技术和大规模集成电路技术的开展，数字图象通信正在走向实用。送电视图象，在帧见，帧内采用自适应预测编码技术，把编码速率压到32Mb/s，图象这里优于一般的SI效，即编码后的数据很低，那么传输该信源的信息所占用的带宽就窄，因而使通信变得经济，更加实用。特新频段，另外就是进行信息的压缩编码研究。噪声一般情况下是通信的大敌，但又逃避不了。但凡对于正确区分各种可能信息的能力起限制作用的信号都可以称作噪声。在信道传输中出现的除了所需要的信号以外的都称为信道噪声。它包括外部噪声和运动引起〕以及散粒噪声，闪烁噪声，非线性处理引入的干扰等，主要是热噪声。噪声的来源和形式是可用概率密度函数(PDF)来描述噪声信号强度的分布特性。根据概率论知识，如知道p(v)，就可求出随机信号v落在任一区间(v1---v2)内的概率以及它的均值E(v)和均方值E(v2)。为方便以后把随机变量与其取值用同一符号来表示。12v对于一个通信系统，如何具体分析噪声〔干扰〕对系统性能的影响？p(v)只是描述噪声的概率特性，不付6nnn-wn-w-w121212其中n=n(t),n=n(t-T),p(n,n)为nn联合概率密度121212下面具体分析几种典型的噪声。1．正弦波噪声---随机相位正弦波0其瞬时电压的概率密度为1A2-v21A2-v2-A<v<A几==0且其均值，均方值，自相关函数和平均功率谱密度分别为rms2且其均值，均方值，自相关函数和平均功率谱密度分别为rms2v02几20v4001)白噪声----从功率谱分布上N=KT单边功率谱密度0n2N0=S(f)=KTWn2KTn270n (2)R (2)Rn0l2)高斯噪声---从幅度的概率分布上热噪声的概率密度如何？由于电热噪声是由许多电子产生，而每个电子的奉献又非常小，根据中心极限定理，其电压应服从正态分布，即vp(v)=e_2装2其中v为v的均值，装2为的方差。对于热噪声v=0，因此均方差就是方差装2，即v为路动态范围不可能为+∞，是取有限值，而近似认为电压幅度分布在有限区间内的，这个区间范围srmssrms3)白噪声的自相关函数a.对理想白噪声S(f)=N0n224Rv4R(4R)v4R(4R)b.基带频限带白噪声〔白噪声通过低通滤波器〕v0L2"fTv0L2"fTLc.中频〔射频〕限带白噪声v0L2"fT0v0L2"fT0L3．散粒噪声和闪烁噪声(ShotnoiseandFlickernoise)在有源器件中〔如晶体管〕，由于载流子是离散的，因而在器件的输出端就出现了噪声。这种噪声的不规那么性与电流有关。这种噪声类似于热噪声，但是有重要区别。热噪声的幅度取决于绝对温度，而散粒噪声与温度无关。散粒噪声幅度正比于电流的开平方根，也就是说与信号大小有关，而热噪声不是这样。闪烁噪声也称为噪声，因为这种噪声的功率谱正比于。这种噪声是由于介质〔媒质〕的导电性能的起伏引起的，如半导体阴极等的接触介质面不规那么，闪烁噪声大小不同。近来由于先进的生产工艺已把这种噪声大大的降低，在1Khz以上可以忽略掉，甚至把它控制在1Hz内。这种噪声的PDF脉冲噪声脉冲噪声是由宽度很窄的实发脉冲形成的，它的频谱很宽，这种噪声类似开关的瞬态过程，电晕放电(corona)，弧光放电(arc)等。脉冲干扰在很短的时间内放出很大能量，就可能破坏这时刻数字信号的正确识别，以至出错，如开日光灯，电，就出误码。如果这种脉冲随机发生，并且相互独立，k9其中r为单位时间内到达的平均脉冲个数。实际中发现，干扰脉冲通常服从对数正态分布，而且的信号电平服从正态分布，而不是Poisson分布。在具体处理系统不同时，分析方法不同。宽带接收机可以把脉冲噪声作为单个事件处理。对窄带频率，把脉冲平滑，使其均匀化，但是脉冲噪声的在通信系统中还常有其他一些很重要的噪声源。比方背景噪声，产生于现象。如太阳和银河系的辐射〔SolarandGulactic〕，地球大气噪声和地面辐射噪声等。对这些噪声大小的表示常用等效噪声温度，含义是，把它的噪声功率等效成等功率的热噪声以后，再算出温度T。在工程上，当信噪比拟小时，不管对热噪声还是其他噪声，但凡从天线进来的，一般都用噪声温度个非常重要的性能指数就是G/T值〔G—天线增益，T—等效噪声温度〕。如国际卫星通信组织规定ISHzdB4要由馈线损耗及环境温度、分置放大器的噪声等构成〕。当噪声比拟大时，常用噪声系数表示。在噪声加性和乘性。加性噪声是指在接收的信号中为有用信号与噪声相加s(t)+n(t)。相乘对于一个元器件的噪声特性经常用噪声系数来表示。它是定义在一个频率点或是一个频带上的值。F=Na0N=GkTB??kTB输入噪声。GkTBa000n0n其中N是系统可供输出的噪声功率，G是系统的功率增益，k是Boltzmam常数，T环境温度〔常温a0kB等效噪声带宽。如果与一个放大器连接的噪声源温度T，接收机也是这温度，那么噪声系n0数为：F=io(SNR)=PsP信号功率，kTB=P输入噪声功率。ikTBs0nn0nSNRSNRsP'折合到输入端。TBGPn0nnP+kTBs000大G(P+kTB+P')s0nnG(kTB+P')PP'F=0nn.s=1+nGPkTBkTBs0n0n由此也可得到P'(在系统的输入端)=(F1)kTB。n0n如果用T表示由系统内部产生的噪声功率的等效噪声温度〔effective〕，即eP'=kTB=(F1)kTBnen0neTe0通常取T=290。k。如T=400。k，那么F=1+=2.4。e290F=F+2+3+......2TTT=T+e2+e3+......eeGGG112由上式可见，如第一级增益G很大，那么噪声根本上由第一级决定，其他级的奉献忽略不记。1如果在级联网络中有电阻性衰减，使有用信号变小，但产生同样大小的热噪声，假定衰减系数为L(L>1),衰减器件处在室温下，那么衰减器的噪声系数和等效噪声温度为：(F=Na00n0n知道衰减系数后，那么系统的输出的信噪比就为：0F1F=6dB1前置放大G=90dB22后置放大L1F1F=F++2=7.21GGL例2．如下图高性能卫星接收系统，高增益定向天线的背景噪声的等效温度为T=15k，然后经低损计算系统的等效噪声温度。导4233前置放大器4混频、放大3前置放大器4混频、放大TTTT=T+e2+e3+e4ee1GGGGGG112123先把噪声系数变成相应输入端的等效噪声温度：波导损失系数Te1=(L-1)T0扩频技术在卫星通信和移动通信中的应用主要是在这两种信道：自由空间和多径。自由空间信道——卫星通信通信信号被发射后，通过各种各样信道，如有线：同轴电缆、光纤；无线：自由空间信道、系统t aa辐射源如发射天线在某方向的增益为G，那么在该方向的功率密度增加G倍，距离为R的点上为：11 twmeP=t1ew根据电磁场理论，接收天线的增益G与有效面积A和工作的电磁波长入有关，eG=eA=2PGG入2PGGPGG∴P=t12=t12(w)=t12(w)fs假定由大气带来的损耗为L，那么接收天线接收功率为：arLLafsPLLL=t=afsPGGr12雨开始时为5—6dB。大气层对电磁曲折射也引起衰减。③电离层的影响：电波通过电离层的衰减随入射角改变。垂直入射时为[50/f(MHz)]2dB。电波沿地外表传播：播送、移动通信等当发射和接收天线离地外表很近时，信号由发射天线辐射到接收天线可能多条路径，如图：对流层散射大致有六种不同类型的路径。具体特性与频率关系很大。20——100KHz特性：地波衰减小，反射的空间波衰减小。远距离时，地波被吸收，只如下图，直接信号和地面反射信号到达接收天线的路径分别为r如下图，直接信号和地面反射信号到达接收天线的路径分别为r、r，高度h、h，二者距离d，地12trrr用途：导航，时间信号，远距离军用通信。100——500KHz特性：类似超导波信号，地波衰减快，白天长距离通信不可能。500——2000KHz特性：在距离内，白天和夜间地波都很强，来自E层的空间波夜里很强。特性：无地波，只有直接波或空间波。可能发生跳动，在中距离无信号。特性：视星通信，对流层散射通信。VHFPJLSCXK0QVW11ψd2面反射波面的入射切角。的通常感兴趣的频率范围内，典型的地外表，反射强度如下图：0∠Г0∠Г1ψld2(hh)2d2(hh)2trtr1(hh)21(hh)21(hh)21(hh)22d22d2trtrdsr2l2rd反射信号与直射信号幅度相等E=E=E，那么接收信号幅度为：23sr接收场强为E0sintr接收场强为E0sintrtrErddd20电动势=Erll为接收天线长度。接收天线收到直射波，还收到来自各物体或地面的反射波、散射波。此外，还由于移动台的快速移台接收到的信号的振幅和相位随时间〔ms级〕发生急剧变化，称此现象为快衰落，或短期衰落。S(t)aexp[j(t)]000ii1Naexp[j(tkvtcos)]i00iii1iiiii