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1、扩频通信 主讲人 郑晓昆讲师 1 第一章扩频系统数学模型及理论基础 2 1 1扩频通信系统基本概念1 2扩频通信系统数学模型1 3扩频系统抗干扰性能分析1 4处理增益与干扰容限 3 1 1扩频通信系统基本概念 一 扩展频谱通信系统1 时频变换 4 2 扩频通信将待传输信息的频谱通过在编码使之扩大许多倍 送入信道中传输 在接收端解码将信息还原 由于在信道中实际传输的信号比原始信号频谱扩展了许多倍 因此称之为扩频通信 1 1扩频通信系统基本概念 5 1 1扩频通信系统基本概念 3 CDMA现代高端通信系统均采用伪随机码 PseudoNoiseCode 使频谱扩展 同时采用PN码调制又起到了多址作用
2、 因此理论上的扩频系统工程上称为CDMA码分多址 Codedivisionmultipleaccess 6 1 1扩频通信系统基本概念 4 两条准则 1 2 由此 AM FM ASK PSK FSK OOK等均不属于扩频通信系统 7 二 扩频系统原理1 结构P2图1 1 a 发送系统 b 接收系统2 时域波形图1 23 频域波形图1 3 1 1扩频通信系统基本概念 8 1 1扩频通信系统基本概念 4 数学原理A d t d t c t d t c t c t d t B Shannon定理C W log2 1 S N 9 1 1扩频通信系统基本概念 三 工作方式1 直接序列扩展频谱系统 DS
3、SS DirectSequenceSpreadSpectrum2 跳频扩频系统 FH SS FrequencyHoppingSpreadSpectrum 10 1 1扩频通信系统基本概念 3 跳时扩频系统 TH SS TimeHoppingSpreadSpectrum4 混合式FH DS DS TH 等等 11 1 2扩频系统的数学模型 本节内容涉及到许多数学表达式 较为枯燥 但它们是为后面分析系统特性及抗干扰性能服务的 特别是方便设计者理解各模块为什么这样设计 12 1 2扩频系统的数学模型 一 DS SS PSK数学模型1 射频 s t m t coswctm t d t c t PSK调
4、制 m t 高低电平2 经信道后进入接收机天线的信号为r t s1 t 1 n t si t i 13 1 2扩频系统的数学模型 3 经射频滤波器 相关 基带滤波后 u t 2 d u a 1 20式结论 u u 扩频伪码同步wd u wd u 载波频率锁定 u u 载波相位同步上述三者锁定后 经门限判决后 便可无误恢复出基带信号 an 14 1 2扩频系统的数学模型 4 对于各种干扰信号 如si t i n t 等它们与本地伪码均不相关 相关处理后干扰信号能量被扩展到整个扩频带宽内 通过基带滤波器输出很小 二 FH SS模型图1 5 15 1 3扩频系统的抗干扰性能分析 一 干扰信号 1 多
5、址干扰 同一扩频系统中其他台站的信号 2 人为敌方干扰 窄带瞄准式和宽带阻塞式 以及转发干扰 3 随机自然干扰 雷电 飞行体 汽车的火花干扰等 4 多径衰落干扰 16 1 3扩频系统的抗干扰性能分析 二 处理增益GpGp 输出信噪比 输入信噪比 So No Si Ni三 扩频系统抗干扰能力分析1 广义平稳随机及单频正弦Gp Rc Rb DS SS Gp N FH SS 17 1 3扩频系统的抗干扰性能分析 2 抗多径干扰分析 重点 扩展频谱系统具有很强的抗多径干扰能力 对多径干扰不敏感 原因有三 P23 1 2 3 18 1 4干扰容限与扩频系统主要特点 一 处理增益Gp 2Rc Rb对于2P
6、SK而言Gp N跳频工程上目前国外DS SS可达到70dBFH SS限制在40 50dB以内相当于1万 10万个频点 19 1 4干扰容限与扩频系统主要特点 二 干扰容限1 表示可以在多少信噪比情况下可以正常工作Mj Gp Lsys S N out其中Lsys为系统的损耗 S N out为输出端要求的信噪比P24例题2 干扰门限实际设计时往往比干扰容限要再严格一些留出冗余量 例如1dB 20 1 4干扰容限与扩频系统主要特点 三 扩频通信技术的主要优点 1 抗干扰性能好 2 保密性好 不易被侦破 3 易于实现多址 4 降低了通量密度 5 扩频系统本身为数字系统 易于实现 21 第二章各种扩频信
7、号及其调制技术 22 2 1直序扩频系统 DS SS 2 2DS SS中重要参数讨论2 3FH SS跳频系统2 4跳频系统的特点2 5跳时系统 TH SS 2 6各种混合扩频调制系统 23 2 1直序扩频系统 DS SS 一 直接序列扩频信号的产生PCM DSSS 2PSK PCM CDMA 2PSK图2 1 a b 详细的Block 24 2 1直序扩频系统 DS SS 二 伪随机信号的调制与混频1 2PSK调制f t coswct属于平衡调制信号信号中无直流成份 无载波能量 25 2 1直序扩频系统 DS SS 2 混频 去载波 混频差中频3 解扩 去伪码 Cr t xCb t 当Cr t
8、 和Cb t 完全同步时 混频结果为基带二进制信号 从接收电信号中恢复出基带信息信号 26 2 1直序扩频系统 DS SS 三 直序扩频信号的频谱特性1 理论理想状态图2 72 实际功率谱 示波器 频谱仪 图2 8抑制载波频谱图2 9载波不平衡频谱图2 12载波和伪码都不平衡输出功谱 27 2 1直序扩频系统 DS SS 3 不平衡对系统的影响a 使信号不隐蔽 b 浪费了发射功率 c 增加了接收系统的内部干扰 因此 在硬件实现时尽量提高平衡性 28 2 2 DS SS 中重要参数的讨论 一 射频带宽主瓣带宽 2Rc3dB带宽 1 2Rc功率分布图2 14图2 15带宽受限时 伪码相关峰变得不尖
9、锐 使得同步工作受影响较大 29 二 处理增益GpGp Rc Rb若伪码速率增加一倍 则处理增益增加3dB 若采用信源数据压缩技术 如语音压缩 图像压缩技术 则可使增益大大提高 国内器件水平可选用5 50Mb s为宜 国外伪码速率可达到5 1000Mb s 2 2 DS SS 中重要参数的讨论 30 2 2 DS SS 中重要参数的讨论 压缩 压缩包括压缩解压算法 压缩解压集成芯片 广泛应用的有语音 图像 数据等压缩技术 31 2 3 FH SS 跳频系统 一 跳频系统的物理概念和信号特点 1 跳频 FrequencyHopping 多频 选码 频移键控 用信息码与伪随机码序列模二加的组合 或
10、单独伪码 构成指令与发送载频一一对应 32 传统2FSK只有发送两个频率 0 对应f1频率 1 对应f2频率 而FH则有几百几千甚至上万个载频待选 好像发射载频跳来跳去 例如 伪码序列数字组合 0000 指令表示用f0载频发射 0001 指令表示用f1载频发射 1111 指令表示用f15载频发射 2 3 FH SS 跳频系统 33 2 3 FH SS 跳频系统 2 跳频图谱 组合指令称为跳频指令或跳频图谱 用来指挥发送频率与接受去载波 3 在接收端用同样的图谱把信息搬移到中频拼接 4 图2 16原理图Block Timing图2 17时频矩阵图 5 各频率间隔1 T或2 T 正交 34 2 3
11、 FH SS 跳频系统 6 数学模型图2 187 躲避式信号 对付转发干扰极为有效 8 跳频器是核心器件要求频点多 速度快 对伪码发生器的同步要求不是很高 35 2 3 FH SS 跳频系统 二 跳频速率和调频数的确定1 跳频速率可用DS来控制 可以等于信息速率或高于信息速率 2 最小频率转移速率由以下参量所决定 a 待传信息的类型及速率 b 冗余度的大小 c 最近潜在干扰器的距离 36 2 3 FH SS 跳频系统 3 假设信息速率给定 采用2FSK信号传输 下面讨论跳频速率或chip速率的选择和所需跳频数的确定等问题 1000个频点 1 当接收到的干扰功率大于或等于有用信号时 产生误码 误
12、码率10 3 Pe J N 2 增加冗余度可减小误码率 5中择3 3中择2 等方案 37 2 3 FH SS 跳频系统 3 采用增加冗余度时 若 3中择2 Pe 3p2q p3 3p2qp为原误码率 q 1 p两错一对若 5中择3 方案 Pe 10p3q2 5p4q p5 10p3q23错2对 38 2 3 FH SS 跳频系统 4 以三中择二为例p 10 3 Pe 3p2q 3x10 6 提高了三个量级 大大改善了抗干扰性能 但跳频速率增加了三倍 5 实际上依靠增加 冗余度 的方案还要考虑诸多折衷 在提高抗干扰性能与发送较多频率数 增加跳频速率 射频带宽等方面 39 2 3 FH SS 跳频
13、系统 6 P42实例 信码率1kb s信道允许射频带宽10MHz 干扰与信号功率比100 1 误码率要求小于10 3 A 频谱不重叠 N 10M 2k 5000Pe p J N 100 5000 2x10 2B 若 3中择2 则N 10M 6k 1666p J N 6x10 2Pe 3p2q 1 2x10 2 40 2 3 FH SS 跳频系统 C 若5中择3 为满足10 3误码率由图2 19 J N 0 047 N 2130个Brf 2130 x2kx5 21 30MHz若采用图2 20重叠 非正交 方案 Brf可达到10MHz要求 4 图2 22转发干扰示意图考虑转发干扰时的跳频速率问题
14、41 2 4跳频系统的特点 一 跳频系统的特点 1 核心 跳频器码产生器和频率合成器组成 2 关键 同步收发两端必须有相同的跳频图谱 3 信息调制方式灵活 无论模拟 还是数字 均可调制 42 2 4跳频系统的特点 二 跳频的优点及待解决的问题 1 以 躲避方式 提高抗干扰性 2 在强近电台干扰下具有通信能力 3 具有多址和高的频带利用率 4 易于和其他调制系统的扩频系统组合 5 易于与现有的常规通信体制兼容 43 2 4跳频系统的特点 6 起到了频率分集的作用 7 待解决的问题有 研究出体积小 重量轻的高跳频合成器和表面波匹配滤波器 44 2 5跳时系统 TH SS 一 TH SS与TDMA1
15、 利用伪码序列启闭发射机 将一个信码的持续时间分成若干时隙 2 TH SS常与其他方式合用 3 跳时可减少时分复用系统之间的干扰 二 TH SS系统增益不大 近似2 减小了占空比 45 2 6各种混合扩频调制系统 一 FH DS混合扩频系统1 先DS扩频再FH跳频 2 频带宽度更大 扩频增益Gp N Rc Rb3 图2 25扩展频谱图图2 26发射机方框图二 TH FH混合扩频系统1 既解决了远近问题 又有一定增益 2 图2 28远近问题通信示意图 46 2 6各种混合扩频调制系统 三 TH DS混合扩频系统1 TD CDMA的调制体制 2 实现简单 图2 29TH DS方框图3 上述综合系统
16、配合使用 充分利用各系统特点 不足之处为增加了系统复杂程度 47 第三章伪随机编码 48 3 1伪随机编码基本定理3 2伪码分类及构造原理3 3m序列3 4Gold序列 49 3 1伪随机编码基本定理 一 工程上常用二元 0 1 序列表示伪码1每一周期0和1出现的次数近似相等 2每一周期内 长度为n比特游程出现的次数比n 1比特游程次数多1倍 3序列具有双值自相关函数 50 3 1伪随机编码基本定理 二 作为扩频函数的伪随机信号 应具有下列特点 1伪随机信号必须具有尖锐的自相关函数 应接近于0 2有足够长的码周期 以确保抗侦破 抗干扰的要求 3有足够多的独立地址数 以实现码分多址要求 4工程上易于产生 复制和控制 51 3 2伪随机码分类及构造原理 一 几个基本定义1 伪码 二元域 0 1 或 1 1 有一定周期的码序列 2 相关函数 52 3 2伪随机码分类及构造原理 3 自相关函数 A是对应码元相同数目 D是对应码元不同数目 4 狭义伪随机码 53 3 2伪随机码分类及构造原理 二 伪随机码差集法构造1 差集通常用3个参数来表征 v k 整数集v 0 1 2 v 1 子集D d1
