《扩频通信》ppt课件

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1、扩频通信,主讲人：郑晓昆 讲师,第一章 扩频系统数学模型 及理论基础,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,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,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,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（Pseudo Noise Code)使频谱扩展，同时采用PN码调制又

2、起到了多址作用，因此理论上的扩频系统工程上称为CDMA码分多址（Code division multiple access),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。,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1-2 3，频域波形 图1-3,1.1扩频通信系统基本概念,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),1.1扩

3、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-SS) -Direct Sequence Spread Spectrum 2, 跳频扩频系统（FH-SS) -Frequency Hopping Spread Spectrum,1.1扩频通信系统基本概念,3, 跳时扩频系统(TH-SS) -Time Hopping Spread Spectrum 4, 混合式 FH/DS, DS/TH, 等等,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。,1.2 扩频系统的数学模型

4、,一，DS-SS-PSK数学模型 1，射频： s(t)=m(t)coswct m(t)=d(t)c(t) PSK调制：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),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)=2du,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 ,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

5、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1-5,1.3 扩频系统的抗干扰性能分析,一，干扰信号. 1, 多址干扰: 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。,1.3 扩频系统的抗干扰性能分析,二，处理增益Gp Gp=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),1.3 扩频系统的抗干扰

6、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),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2PSK而言 Gp=N 跳频 工程上目前国外DS-SS可达到70dB FH-SS限制在40-50dB以内 相当于1万10万个频点,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

7、留出冗余量，例如1dB,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。,第二章 各种扩频信号及其 调制技术,2.1 直序扩频系统(DS-SS) 2.2 DS-SS中重要参数讨论 2.3 FH-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,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

8、Block,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,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)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。,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2-7 2，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,2.1

9、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。,2.2 (DS-SS)中重要参数的讨论,一，射频带宽 主瓣带宽=2Rc 3dB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锐，使得同步工作受影响较大。,二，处理增益Gp Gp=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550Mb/s为宜； 国外伪码速率可达到51000Mb/s;,2.2 (DS

10、-SS)中重要参数的讨论,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。,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 (Frequency Hopping): “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（或单独伪码）构成指令与发送载频一一对应。,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

11、射， ,1111指令表示用f15载频发射。,2.3 (FH-SS)跳频系统,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）,2.3 (FH-SS)跳频系统,6，数学模型 图2-18 7，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。,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D

12、S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。,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,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 3p2q p为原误码率，q=1

13、-p 两错一对 若“5中择3”方案， Pe=10p3q2+5p4q+p5 10p3q2 3错2对,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。,2.3 (FH-SS)跳频系统,（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=5000 Pe=p=J/N=100/

14、5000=2x10-2 B,若“3中择2”，则N=10M/6k=1666 p=J/N=6x10-2 Pe=3p2q=1.2x10-2,2.3 (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=2130x2kx5=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,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

15、模拟，还是数字， 均可调制。,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；,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。,2.5 跳时系统(TH-SS),一，TH-SS与TDMA 1, 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

16、间的干扰； 二，TH-SS系统增益不大（近似2） 减小了占空比,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/Rb 3, 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。,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2-29 TH/DS方框图 3，上述综合系统配合使用，充分利用各 系统特点，不足之处为增加了系统复 杂程度。,第三章 伪随机编码,3.1 伪随机编码基本定理 3.2 伪码分类及构造原理 3.3 m序列 3.4 Gold序列,3.1