通信系統(tǒng)概論授課講師：周曉天山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2014年3月29日第三章：擴(kuò)頻通信系統(tǒng)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)擴(kuò)頻通信技術(shù)的概念

定義

特點(diǎn)

原理

分類直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)跳頻通信系統(tǒng)2擴(kuò)頻通信的概念擴(kuò)展頻譜的通信方式（SpreadSpectrum,SS），將信號(hào)以遠(yuǎn)大于自身帶寬的射頻帶寬傳出。兩個(gè)帶寬：3信息帶寬信息實(shí)際所占據(jù)的帶寬射頻帶寬傳遞信號(hào)所使用的實(shí)際帶寬設(shè)信息帶寬為，射頻帶寬為，則有如下情況：，即射頻帶寬與信號(hào)帶寬可比較的情況下，稱為窄帶通信

，即射頻帶寬大于信號(hào)帶寬時(shí)，稱為寬帶通信

，即射頻帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬時(shí)，稱為擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻通信的特征發(fā)送信號(hào)所占帶寬遠(yuǎn)大于原始信號(hào)帶寬是一種數(shù)字傳輸?shù)姆绞綌U(kuò)頻是由高速碼元序列，通過(guò)編碼、調(diào)制載波完成的，這一過(guò)程與原始的信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)在接收端解擴(kuò)，是利用與發(fā)送擴(kuò)頻信號(hào)同步的副本進(jìn)行相關(guān)解調(diào)完成的4擴(kuò)頻通信的原理---從信息論的觀點(diǎn)5當(dāng)噪聲功率譜一定時(shí)，提升容量可從提升發(fā)送功率S、或提升系統(tǒng)帶寬B入手1.2.如果給定C，是否可以實(shí)現(xiàn)S、B的互換？每比特信息所占用時(shí)間擴(kuò)頻通信的優(yōu)勢(shì)抗干擾能力強(qiáng)可有效抵抗人為干擾：窄帶干擾、寬帶干擾6PfPf擴(kuò)頻后相關(guān)檢測(cè)后PfPf加入干擾濾波后用戶信號(hào)寬帶干擾窄帶干擾（瞄準(zhǔn)式）fP擴(kuò)頻通信的優(yōu)勢(shì)抗干擾能力強(qiáng)可有效抵抗信道乘性干擾：頻率選擇性衰落（分集接收）7fg123456窄帶信號(hào)保護(hù)間隔頻率選擇性信道擴(kuò)頻信號(hào)22222f1g擴(kuò)頻通信的優(yōu)勢(shì)可進(jìn)行多址通信----CDMA將擴(kuò)頻技術(shù)與（偽）正交編碼方法結(jié)合，可進(jìn)行多址通信公用信道自動(dòng)選呼，同頻同時(shí)使用資源干擾受限的系統(tǒng)移動(dòng)臺(tái)不需要嚴(yán)格的同步（由地址碼的相關(guān)特性決定），可實(shí)現(xiàn)軟容量、小區(qū)呼吸（質(zhì)量與信道數(shù)的折中）頻帶利用率高（從多用戶同時(shí)占用頻帶傳輸?shù)慕嵌龋?Source:/primer.html擴(kuò)頻通信的優(yōu)勢(shì)安全通信

信號(hào)功率的頻譜密度極低（低截獲系統(tǒng)，LPI，LowProbabilityofIntercept）數(shù)字通信系統(tǒng)，可以采用加密偽隨機(jī)地址碼，相關(guān)檢測(cè)若未知地址碼規(guī)律則只能解出噪聲有效對(duì)抗瞄準(zhǔn)式干擾，無(wú)法完全封鎖通信9擴(kuò)頻通信的優(yōu)勢(shì)綠色通信距離分辨率高信息傳輸方便靈活。。。10擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的類型11直接序列擴(kuò)頻（DS,DirectSequencing）信息經(jīng)偽隨機(jī)序列編碼后直接對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展。接收端利用相同的擴(kuò)頻碼通過(guò)相關(guān)檢測(cè)還原原始信息。跳頻（FH，F(xiàn)requencyHopping）信息受偽隨機(jī)序列控制，快速在一個(gè)頻段上跳變，每次跳變占用的信道寬度為信息帶寬。接收端利用相同序列保證解調(diào)順序一致。跳時(shí)（TH，TimeHopping）信息受偽隨機(jī)序列控制，以突發(fā)形式隨機(jī)占用時(shí)隙傳輸，在時(shí)域上壓縮傳輸時(shí)間，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。線性調(diào)頻擴(kuò)頻（Chirp）在給定脈沖持續(xù)間隔，載頻線性的掃過(guò)一個(gè)很寬的頻帶混合擴(kuò)頻DS/FH、FH/TH、。。。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)擴(kuò)頻通信技術(shù)的概念直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)

基本原理

發(fā)送接收設(shè)計(jì)

擴(kuò)頻序列跳頻通信系統(tǒng)12直接擴(kuò)頻系統(tǒng)-發(fā)送機(jī)13信源編碼擴(kuò)頻調(diào)制射頻調(diào)制偽隨機(jī)序列信源產(chǎn)生二進(jìn)制比特流經(jīng)過(guò)信道編碼后產(chǎn)生碼流（CodeSequence）

與偽隨機(jī)碼相乘進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，獲得碼片序列（ChipSequence）碼片序列進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，搬移到載波上，形成發(fā)送信號(hào)擴(kuò)頻的過(guò)程又稱作二次調(diào)制直接擴(kuò)頻系統(tǒng)-發(fā)送機(jī)14直接擴(kuò)頻系統(tǒng)-發(fā)送機(jī)發(fā)送機(jī)的射頻調(diào)制15擴(kuò)頻操作是通過(guò)高速率偽隨機(jī)碼與低速率編碼信息相乘完成的發(fā)送信號(hào)的射頻帶寬由偽隨機(jī)碼的速率決定直接擴(kuò)頻系統(tǒng)通常采用PSK調(diào)制（基帶使用雙極性電平）載波功率基帶雙極性信號(hào)直接擴(kuò)頻序列—接收機(jī)16BPF解調(diào)器乘法器解碼&判決偽隨機(jī)序列積分器相關(guān)器接收信號(hào)經(jīng)濾波、解調(diào)獲得基帶接收信號(hào)相關(guān)器由乘法器與積分器級(jí)聯(lián)而成:干擾與噪聲期望信號(hào)，考慮AWGN直接擴(kuò)頻序列—接收機(jī)17設(shè)直接擴(kuò)頻系統(tǒng)-接收機(jī)18原始編碼信號(hào)對(duì)干擾擴(kuò)頻相關(guān)器的雙重作用：1.解擴(kuò)恢復(fù)原始信號(hào)

2.擴(kuò)頻壓制干擾信號(hào)相關(guān)檢測(cè)后PfPf加入干擾濾波后fP直接擴(kuò)頻系統(tǒng)-處理增益由上面的解釋，可以發(fā)現(xiàn)由于對(duì)干擾擴(kuò)頻的作用，可以壓制干擾的功率：19解碼后的數(shù)據(jù)頻率功率擴(kuò)頻的干擾擴(kuò)頻增益：直接擴(kuò)頻系統(tǒng)-接收機(jī)20直接擴(kuò)頻系統(tǒng)—偽隨機(jī)碼對(duì)擴(kuò)頻碼的要求易于產(chǎn)生—發(fā)送機(jī)設(shè)計(jì)具有隨機(jī)性—難以破解、有利于達(dá)到容量上界周期盡可能的長(zhǎng)—難以通過(guò)部分重建具有雙值自相關(guān)函數(shù)和良好的互相關(guān)特性—多用戶應(yīng)用21從理論上說(shuō)，用隨機(jī)序列去擴(kuò)展信號(hào)頻譜是最理想的，但會(huì)使得實(shí)際工程無(wú)法實(shí)現(xiàn)解碼利用偽隨機(jī)序列（PN,PseudoNoiseSequence）直接擴(kuò)頻系統(tǒng)—偽隨機(jī)碼偽隨機(jī)擴(kuò)頻序列：具有近似噪聲的性質(zhì)，又有周期性的規(guī)律理想PN序列的三個(gè)性質(zhì)：平衡特性：近似于0的均值相關(guān)特性：自相關(guān)函數(shù)有類似于白噪聲的性質(zhì)游程特性：長(zhǎng)度為n的游程約占游程總數(shù)的22直接擴(kuò)頻系統(tǒng)—偽隨機(jī)碼M序列（MaximumLengthSequence）：最長(zhǎng)移位寄存器序列，是由帶線性反饋的移位寄存器產(chǎn)生的周期最長(zhǎng)的一種序列由n級(jí)線性移位寄存器產(chǎn)生的周期為的碼子序列CDMA系統(tǒng)常用的兩種m序列：n=15的短PN序列、以及n=42的長(zhǎng)PN序列。一個(gè)n=3的移位寄存器：23輸出輸入直接擴(kuò)頻系統(tǒng)—m序列的生成設(shè)初始狀態(tài)為“001”24本原多項(xiàng)式：輸出輸入時(shí)鐘輸出000111110000201010310111411010511101601101直接擴(kuò)頻系統(tǒng)—m序列的特性m序列的一個(gè)周期內(nèi)“1”比“0”多出現(xiàn)一次（大致相等）m序列中的移位器各狀態(tài)，在一個(gè)周期內(nèi)除了全0外，將都且僅出現(xiàn)一次滿足游程特性：長(zhǎng)度為n的游程約占游程總數(shù)的m序列和其移位后的序列逐位模2相加，所得還是m序列，只是相位不同25直接擴(kuò)頻系統(tǒng)—m序列的特性m序列的自相關(guān)特性：m序列與其后移t位的另一序列模2相加，所得結(jié)果中“0”（即相同）的位數(shù)為A，“1”（不同）的位數(shù)為D，則序列的自相關(guān)函數(shù)可由下式計(jì)算：26直接擴(kuò)頻系統(tǒng)—m序列的特性m序列的自相關(guān)特性：顯然，m序列的自相關(guān)特性為：2728直接擴(kuò)頻系統(tǒng)的典型應(yīng)用：IS-95GPSWLAN(IEEE802.11b)3GCDMA2930擴(kuò)頻通信系統(tǒng)擴(kuò)頻通信技術(shù)的概念直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)

基本原理

發(fā)送接收設(shè)計(jì)

擴(kuò)頻序列跳頻通信系統(tǒng)31跳頻通信系統(tǒng)(FrequencyHoppingSpreadSpectrum)傳輸信號(hào)的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式為一路信息的傳輸分配多個(gè)信道（載波頻點(diǎn)）；每一信道的帶寬等于信息的帶寬

將整個(gè)傳輸過(guò)程分為多個(gè)固定間隔（interval），每間隔使用一路頻道；在不同間隔，實(shí)現(xiàn)頻道的隨機(jī)跳變（Hopping）32通過(guò)這樣的方式，同樣實(shí)現(xiàn)了頻譜的擴(kuò)展，因此也是一種擴(kuò)頻通信系統(tǒng)跳頻通信系統(tǒng)—發(fā)送原理如何實(shí)現(xiàn)頻道的隨機(jī)跳變？33根據(jù)偽隨機(jī)碼序列，查表獲取當(dāng)前一跳的頻率通過(guò)頻率合成器，生成當(dāng)前一跳的載頻通過(guò)調(diào)制器，將信源信號(hào)調(diào)制到載波上，形成已調(diào)信號(hào)利用偽隨機(jī)碼進(jìn)行載波的控制跳頻通信系統(tǒng)—發(fā)送原理利用偽隨機(jī)序列控制載頻的例子34偽隨機(jī)序列頻率分配表調(diào)頻周期跳頻通信系統(tǒng)—發(fā)送原理調(diào)頻信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)35設(shè)信源信號(hào)為，所需帶寬為，則調(diào)頻信號(hào)可表示為：其中，為“基準(zhǔn)”中頻；，為當(dāng)前選中的頻道序號(hào)。顯然，是由當(dāng)前間隔內(nèi)擴(kuò)頻碼片通過(guò)頻率選擇表映射獲得的跳頻通信系統(tǒng)—發(fā)送原理調(diào)頻信號(hào)的特點(diǎn)36利用偽隨機(jī)序列經(jīng)過(guò)FSK調(diào)制獲得載波利用ASK/FSK將信源信號(hào)調(diào)制到相應(yīng)頻道跳頻信號(hào)的生成也可以看做是兩次調(diào)制的過(guò)程跳頻通信系統(tǒng)—接收原理跳頻信號(hào)的接收端框圖37跳頻通信系統(tǒng)—接收原理38接收信號(hào)：經(jīng)過(guò)同步本地偽隨機(jī)碼產(chǎn)生的本地載頻為：其中，是接收濾波器的中頻。經(jīng)過(guò)混頻后，可得：跳頻信號(hào)的檢測(cè)也可以看做是兩次解調(diào)的過(guò)程跳頻通信系統(tǒng)—特點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)：對(duì)瞄準(zhǔn)式干擾更有效具有多址組網(wǎng)能力具有抗頻率選擇性衰落能力易于與窄帶通信系統(tǒng)兼容頻率合成器設(shè)計(jì)是難點(diǎn)39第三章應(yīng)該掌握的知識(shí)點(diǎn)擴(kuò)頻通信的基本原理