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1、基础知识2024/9/212024/9/211 1讲解内容2024/9/212024/9/212 22024/9/212024/9/213 3上讲内容（1）发射机发射机信源编码交织器信道编码调制器射频发射射频接收解调器解交织信道解码信源解码信道信道接收机接收机2024/9/212024/9/214 4上讲内容（2） Shannon信道容量公式其中，B = 带宽，单位：Hz；C = 信道容量，单位：bps；S = 信号功率；N = 噪声功率。2024/9/212024/9/215 5本讲内容l l扩频（直接序列扩频）原理扩频（直接序列扩频）原理l lFDMA/TDMA/CDMA原理l l主要的现
2、有系统2024/9/212024/9/216 6直接序列扩频原理l l背景l l满足的条件l l扩频系统的种类l lPN序列l l扩频增益l l扩频系统的优点2024/9/212024/9/217 7背景l l通信信号的加密、抗干扰、低截获概率l l雷达测距l l无线蜂窝系统的多址接入：CDMA2024/9/212024/9/218 8扩频系统需满足的条件l l传输信号带宽 传输信息需要的带宽l l采用了扩频信号（编码信号）l l发射端用编码信号对信息进行扩频发射端用编码信号对信息进行扩频l l接收端用编码信号副本对接收到的扩频后信号接收端用编码信号副本对接收到的扩频后信号解扩解扩l l两种实
3、现方法l l传输基准传输基准l l一路传输数据调制，一路传输未调制信号一路传输数据调制，一路传输未调制信号l l存储基准：噪声轮、存储基准：噪声轮、PNPN序列序列2024/9/212024/9/219 9扩频系统的种类l lDSl lFHl lTHl l混合Barker码2024/9/212024/9/211010lengthcode2+-,+ 3+-4+-+,+- 5+-+7+-+-11+-+-+-13+-+-+-+2024/9/212024/9/211111PN序列l lPNPN信号实质上是收发端预知的确定性周期信号，信号实质上是收发端预知的确定性周期信号，简化了存储基准（简化了存储基准
4、（SRSR）方式的实现方式的实现l lPNPN序列应具备的随机特征序列应具备的随机特征l l平衡特性：每个周期内的平衡特性：每个周期内的“0”“0”、“1”“1”数目近似相等数目近似相等l l游程分布特性游程分布特性l l相关特性相关特性l l易于实现：移位寄存器序列易于实现：移位寄存器序列l l由寄存器、模由寄存器、模2 2加法器和反馈支路组成加法器和反馈支路组成l l特性：良好的自相关特性和丰富的频率分量特性：良好的自相关特性和丰富的频率分量2024/9/212024/9/211212PN序列自相关特性2024/9/212024/9/211313扰码(Gold)发生器lGold码是Gold
5、于1967年提出的，它是用一对优选的周期和速率均相同的m序列模二加后得到的2024/9/212024/9/211414DS系统模型：实现描述扩频解扩信息信息干扰或噪声PN序列PN序列2024/9/212024/9/2115152024/9/212024/9/211616DS系统模型：理论描述fX(w)S(w)积分器实质上是一低通滤波器积分器实质上是一低通滤波器2024/9/212024/9/211717系统处理增益（Gp）定量描述了干扰抑制的程度，它是RF带宽和信息速率之比，表示为：SS系统的噪声电平由热噪声和干扰决定。对给定用户，输入和输出SNR的关系为：处理增益2024/9/212024/
6、9/211818扩频系统的优点l l降低信号能量密度（平均功率）低截获概率l l抑制干扰抗干扰l l提高时间分辨率（力）测距、多址接入2024/9/212024/9/211919噪声中的信号检测l l在热噪声背景下，在热噪声背景下，DSDS系统和非扩频系统的系统和非扩频系统的Eb/NoEb/No（差错性能）相同，不能提升系统性能差错性能）相同，不能提升系统性能l l扩频没有提高抗热噪声能力，但对性能也没有扩频没有提高抗热噪声能力，但对性能也没有损害，可用来适应损害，可用来适应FCC15FCC15的要求或用于多址接入的要求或用于多址接入系统（系统（CDMACDMA）2024/9/212024/9
7、/212020干扰中的信号检测l l所谓抗干扰，即迫使干扰方将其有限的资源分散所谓抗干扰，即迫使干扰方将其有限的资源分散到很宽的频段、很长的时间和不同的空间位置上到很宽的频段、很长的时间和不同的空间位置上l lDSSSDSSS实现频率分集，在频域上提升干扰难度实现频率分集，在频域上提升干扰难度l l在在DSSSDSSS系统中，全频带干扰要求更高的干扰功率系统中，全频带干扰要求更高的干扰功率或更宽的干扰带宽或更宽的干扰带宽l l在在DSSSDSSS系统中，部分频带干扰在解扩后成为宽带系统中，部分频带干扰在解扩后成为宽带干扰干扰l l智能干扰智能干扰l l脉冲干扰（需要知道通信接收机性能）脉冲干扰
8、（需要知道通信接收机性能）l l欺骗型干扰（需要接收到扩频序列）欺骗型干扰（需要接收到扩频序列）2024/9/212024/9/2121212024/9/212024/9/212222本讲内容l l扩频（直接序列扩频）原理l lFDMA/TDMA/CDMA原理原理l l主要的现有系统2024/9/212024/9/212323双工/多址方式l lTDD Time Division Duplexl lFDD Frequency Division Duplexl lFDMA Frequency Division Multi-Accessl lTDMA Time Division Multi-Acc
9、essl lCDMA Code Division Multi-Access2024/9/212024/9/212424TDMA优于FDMAl l设备量小l lFDMAFDMA中，基站中必须有多个信道单元（发射中，基站中必须有多个信道单元（发射- -接接收机对）收机对）l lTDMATDMA中一般采用单载波方式，可采用非线性功中一般采用单载波方式，可采用非线性功放放l lTDMA的资源分配比FDMA灵活l l占空比小，节能l l容量2024/9/212024/9/2125252024/9/212024/9/212626CDMA系统原理l l上行链路采用PN序列区分用户l l下行链路采用PN序列区
10、分不同扇区和基站l l下行链路采用Walsh码区分用户l l两两完全正交两两完全正交l l延迟相关特性不好延迟相关特性不好 l l长度为长度为8 8的的WalshWalsh函数举例函数举例0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 10 0 1 1 0 0 1 10 1 1 0 0 1 1 00 0 0 0 1 1 1 10 1 0 1 1 0 1 00 0 1 1 1 1 0 00 1 1 0 1 0 0 12024/9/212024/9/212727FDMA容量举例l lAMPSl l下行信道下行信道869869894894MHzMHz；上行信道上行信道8248248498
11、49MHzMHzl lMHzMHzl l单信道（子带）带宽单信道（子带）带宽3030kHzkHz；上下行信道间隔上下行信道间隔4545MHzMHzl l7 7小区结构，即小区结构，即1/71/7频率复用因子频率复用因子l lM/30k/759M/30k/7592024/9/212024/9/212828TDMA容量举例l lIS-54（IS-136）l l与与AMPSAMPS兼容，每条信道带宽为兼容，每条信道带宽为3030kHzkHzl l每路语音信号仅需每路语音信号仅需8 8kbpskbps（采用声码器）采用声码器）l l则每个信道子带可容纳则每个信道子带可容纳3030k/8kk/8k3 3
12、l lTDMA系统的小区容量是模拟频分系统的3倍以上2024/9/212024/9/212929CDMA容量举例(1)l l前提：干扰远大于本底噪声前提：干扰远大于本底噪声l lGpGp：处理增益处理增益l lEb/NoEb/No：达到某个误帧率所需要的信纳比达到某个误帧率所需要的信纳比l lG Gv v：话音激活而获得的增益（平均值：话音激活而获得的增益（平均值2.52.5）l lH H0 0：相邻小区干扰而引入的容量减少（实际值：相邻小区干扰而引入的容量减少（实际值1.41.41.551.55，平均值平均值1.51.5）l ll l其他因素包括功率控制的不精确（平均值其他因素包括功率控制的
13、不精确（平均值0.850.85）2024/9/212024/9/213030CDMA容量举例(2)l l取Eb/No为5（7dB，BPSK的BER为10-3）l lMHz，信息带宽10kbps，则处理增益Gp1250l lGv、H0l l非理想功控等因素取为l l小区容量为1250/5514，是TDMA的（514/(59*3)3）倍2024/9/212024/9/213131干扰限制和尺度限制系统l lFDMA、TDMA尺度（频域/时域）受限l lFDMAFDMA系统容量受到频段划分的限制系统容量受到频段划分的限制l lTDMATDMA系统为不同用户分配不同时隙进行通信系统为不同用户分配不同时
14、隙进行通信l lCDMA系统是干扰受限系统l l对对Eb/NEb/N0 0的需求极大的影响系统容量，每减小的需求极大的影响系统容量，每减小1 1dBdB，可增加约可增加约25%25%的容量的容量l lN N0 0由功率电平、同步状况、码本相关性决定由功率电平、同步状况、码本相关性决定2024/9/212024/9/213232同步：捕获与跟踪l l捕获l l并行搜索：相关器和匹配滤波器并行搜索：相关器和匹配滤波器l l串行搜索串行搜索l l序贯检测序贯检测l l跟踪l l迟早门迟早门l l匹配滤波器匹配滤波器2024/9/212024/9/213333捕获的任务l l搜索一段不确定的时间和频率
15、范围，使接收到的搜索一段不确定的时间和频率范围，使接收到的扩频信号与本地生成扩频序列同步扩频信号与本地生成扩频序列同步l l考虑的因素：考虑的因素：l l收发两端的距离不确定性收发两端的距离不确定性l l收发两端的时钟偏差引起的扩频信号相位差收发两端的时钟偏差引起的扩频信号相位差l l收发两端的相对速度引起的多普勒偏移（扩展）收发两端的相对速度引起的多普勒偏移（扩展）l l收发两端的振荡器频率差引起的扩频序列间的频率差收发两端的振荡器频率差引起的扩频序列间的频率差（低频调制）（低频调制）l l主要指标：虚警概率、检测概率、捕获时间主要指标：虚警概率、检测概率、捕获时间2024/9/212024
16、/9/213434串、并行搜索l l利用利用PNPN序列相关性特点序列相关性特点l l采用相关器或匹配滤波器实现采用相关器或匹配滤波器实现2024/9/212024/9/213535序贯检测器l l利用了利用了PNPN序列的确定性，而没有利用序列的确定性，而没有利用PNPN序列的相关序列的相关特性特性l l基于码片的硬判决解调，对噪声或干扰敏感基于码片的硬判决解调，对噪声或干扰敏感l l高信噪干比下，捕获速度快，高信噪干比下，捕获速度快，TacqTacqnTcnTc2024/9/212024/9/213636跟踪（细同步）l lDLLDLL（Delay-Locked LoopDelay-Loc
17、ked Loop，全时早迟门跟踪环路）全时早迟门跟踪环路）和和TDLTDL（Tau-Dither LoopTau-Dither Loop，共享早迟门跟踪环路）共享早迟门跟踪环路）两种方法两种方法l l可采用模拟和数字两种方法实现可采用模拟和数字两种方法实现l l主要指标：跟踪精度和跟踪速度主要指标：跟踪精度和跟踪速度2024/9/212024/9/213737跟踪方法的实现2024/9/212024/9/213838本讲内容l l扩频（直接序列扩频）原理l lFDMA/TDMA/CDMA原理l l主要的现有系统主要的现有系统2024/9/212024/9/213939现有的无线通信系统l l网
18、络化l l近距：近距：PLANPLAN（蓝牙）（蓝牙） l l中距：中距：WLANWLAN（、（、a a、g g）l l远距：蜂窝（远距：蜂窝（GSMGSM、cdma2000cdma2000、WCDMAWCDMA）l l非网络化l l通信电台通信电台l l无线广播无线广播2024/9/212024/9/214040主要CDMA系统2024/9/212024/9/2141413G系统原理l l用户数据与码片相乘，从而把用户信息扩展到宽的带宽上l l为支持高速率，采用多码传输l l为支持可变的用户数据速率，即支持带宽需求（BoD）概念。用户数据速率在帧间是可变的，从而实现无线容量的快速分配l l多
19、种不同质量要求（QoS）的业务复用到一个连接上2024/9/212024/9/2142423G系统的QoS类型l l会话类型会话类型uu语音业务：低时延（语音业务：低时延（400400msms）、）、业务量对称业务量对称uu可视电话（电路交换、分组交换）：时延要求类似、可视电话（电路交换、分组交换）：时延要求类似、BERBER要求更严要求更严格格l l流类型流类型uu流媒体：非对称、信息实体间保持一定的时间关系流媒体：非对称、信息实体间保持一定的时间关系uukbpskbps（网页广播）、网页广播）、10010073007300bpsbps局域网视频点播局域网视频点播uu用媒体播放软件（用媒体播
20、放软件（realonerealone、wmpwmp）或浏览器插件播放或浏览器插件播放l l互动类型互动类型uu网页浏览、信息检索：请求响应的往返延迟、数据的完整性网页浏览、信息检索：请求响应的往返延迟、数据的完整性uu电脑游戏：最大延迟要求高的也可归入会话类型；电脑游戏：最大延迟要求高的也可归入会话类型；J2MEJ2MEl l后台类型后台类型uuEmailEmail、短消息（短消息（SMSSMS、MMSMMS）等：数据完整性、大时延等：数据完整性、大时延2024/9/212024/9/214343工作方式l lWCDMA FDDWCDMA FDD模式下，上、下行链路分别使用两个独立的模式下，上
21、、下行链路分别使用两个独立的5 5MHzMHz带宽；带宽；cdma2000MHzcdma2000MHz带宽；带宽；TDTDSCDMASCDMA工作在工作在TDDMHzTDDMHz带带宽宽l lcdma2000cdma2000支持同步基站操作，简化了系统同步，增强了定支持同步基站操作，简化了系统同步，增强了定位功能位功能l lWCDMAWCDMA支持异步基站操作，这样不需要全局时间参考（如支持异步基站操作，这样不需要全局时间参考（如GPSGPS），），使得室内小区和微小区基站的布站变得简单使得室内小区和微小区基站的布站变得简单l lWCDMAWCDMA可与可与GSMGSM协同工作，支持两种模式间
22、的在线切换，这协同工作，支持两种模式间的在线切换，这样在引入样在引入WCDMAWCDMA后可增加后可增加GSMGSM的覆盖的覆盖2024/9/212024/9/214444主要特点下行链路下行链路下行链路下行链路上行链路上行链路上行链路上行链路双工方式双工方式双工方式双工方式接入方式接入方式接入方式接入方式小区内小区内小区内小区内干扰消除干扰消除干扰消除干扰消除cdma2000cdma2000连续导频连续导频闭环功控闭环功控连续导频连续导频闭环功控闭环功控FDDFDDDS-CDMADS-CDMA多用户多用户检测检测WCDMAWCDMA连续导频连续导频闭环功控闭环功控时隙导频时隙导频闭环功控闭环
23、功控FDDFDDDS-CDMADS-CDMA多用户多用户检测检测TD-SCDMATD-SCDMA码中码码中码闭环功控闭环功控码中码码中码开环功控开环功控TDDTDDDS-CDMADS-CDMATDMATDMA联合检测联合检测802.11b Baseband Modem:RF30022024/9/212024/9/2145452024/9/212024/9/2146462024/9/212024/9/214747参考书l lSimon Haykin，Michael Moher，现代无线通信，电子工业出版社l lRodger E.Ziemer，Roger ，数字通信基础，第二版，机械工业出版社l lB Sklar，数字通信：基础和应用，第二版，电子工业出版社
