CDMA通信技術(shù)-3解析.ppt

1 第三章CDMA通信系統(tǒng) 2 第三章CDMA通信系統(tǒng) 以典型的CDMA直接序列擴頻通信系統(tǒng)為例 討論 一個用戶對另一個用戶 即點對點的方式 的CDMA通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方法和具體技術(shù) 3 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 4 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 一 直擴系統(tǒng)概述 發(fā)射機 信息數(shù)據(jù)d t 通過模2相加器調(diào)制偽隨機序列發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻序列PN t 形成高速數(shù)字序列 經(jīng)過載波調(diào)制器去調(diào)制載波信號 最常見的是采用BPSK調(diào)制方式 獲得相當寬頻譜的擴頻信號 經(jīng)寬帶放大后發(fā)射 這里我們一般指BPSK方式 接收機 從天線進來的擴頻信號經(jīng)前置放大后送給三個電路 擴頻序列同步捕捉電路擴頻序列同步跟蹤電路載波同步跟蹤及數(shù)據(jù)解調(diào)電路 幾個基本概念 擴頻 發(fā)射端偽隨機序列對信息數(shù)據(jù)的調(diào)制 稱為擴頻調(diào)制調(diào)制 載波調(diào)制簡稱調(diào)制解擴 接收端使用偽隨機序列的解調(diào)處理解調(diào) 載波跟蹤環(huán)的數(shù)據(jù)解調(diào) 5 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 1 擴頻d t 與PN t 模2相加 可由最簡單的異或門實現(xiàn) d t 寬度T 速度Rd 帶寬fd的 1 l 二值信號PN t 碼元寬度TC 序列長N 帶寬為fC的高速 l l 二值信號 一般情況 T NTC fC Nfd N 2n 1d t PN t 按照信息數(shù)據(jù)寬度和正負值對偽隨機序列作周期性極性變換后的序列 具有與偽隨機序列同樣的對稱 sinx x 2型功率譜密度 其中 P是載波信號功率 0是載波頻率 是初始相位 2 調(diào)制載波調(diào)制器 采用模擬乘法器 sinx x 2對稱型的被調(diào)擴頻序列d t PN t 與載波相乘 得到發(fā)射信號 6 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 平衡調(diào)制器 DS系統(tǒng)通常采用平衡調(diào)制器作載波調(diào)制器 載波平衡對稱輸入可以抑制載波 對載波作平衡調(diào)制 獲得載波抑制信號發(fā)射 平衡器不平衡 b 載波抑制不好 在載波頻率點有明顯的譜尖峰 形成窄帶干擾 不僅浪費發(fā)射功率 還會失去擴頻信號的隱蔽性 序列不平衡 c 如果PN t 一周期中的 1 碼院數(shù)和 1 碼元數(shù)不一致即序列不平衡 也會造成載波抑制不好 與平衡調(diào)制器不平衡一樣 會形成明顯頻譜尖峰 出現(xiàn)窄帶干擾 不僅浪費發(fā)射功率 也會失去擴頻信號的隱蔽性 7 擴頻序列時鐘的泄漏 也會在擴頻信號頻譜上出現(xiàn)寄生調(diào)幅 形成窄帶干擾 造成發(fā)射功率浪費和失去擴頻信號隱蔽性 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 載波抑制度選擇 最好與擴頻增益大體相當 一般以20dB 60dB為宜 使載波頻率譜線完全淹沒在寬帶信號的頻譜中 8 3 擴頻處理增益G 接收輸出信噪比 接收機輸入信噪比 接收機解擴解調(diào)處理后的信噪比 接收機解擴解調(diào)處理前的信噪比 偽隨機序列信號帶寬 信息數(shù)據(jù)信號帶寬 即 G B2 B1 fC fd一般直擴系統(tǒng)的擴頻處理增益在15dB 36dB左右 深空通信用的直擴系統(tǒng)都有較高的擴頻處理增益 有的高達70dB以上 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 正確選擇直擴系統(tǒng)的擴頻處理增益擴頻處理增益G決定于信息數(shù)據(jù)速率Rd 1 T 即信息數(shù)據(jù)帶寬fd 和擴頻序列碼速率RC 1 TC Rd 考慮到相位噪聲和信道不穩(wěn)定性可能帶來的影響 信息數(shù)據(jù)速率Rd不能無限制降低 通常不能低于100bit s 9 RC RC越高 擴頻處理增益G越大 擴頻序列碼速率的提高 不僅受到傳輸帶寬的限制 還受到器件的限制 例 100Mbit s的擴頻序列發(fā)生器 連續(xù)工作1小時不出錯 則器件工作無差錯的概率必須小于3 6x1011 h 所以RC不可能無限制提高 雖然目前可實現(xiàn)到1000Mbit s 通常在信息數(shù)據(jù)速率Rd確定后 根據(jù)直擴系統(tǒng)要求決定擴頻處理增益G 不要任意提高 因為擴頻處理增益G提高3dB 擴頻序列碼速率RC就得提高2倍 例 Rd 16kbit s RC 50Mbit s 則G 34 95dB 若G 37 95dB 則RC 100Mbit s 顯然后者比前者的實現(xiàn)難度大大增加 10 4 干擾容限MjCDMA系統(tǒng)能在多大干擾環(huán)境下正常工作的能力 根據(jù)擴頻處理增益 可決定直擴系統(tǒng)的干擾容限 定義為 Mj G S N out Ls 3 4 式中 G 擴頻處理增益 S N out 信息數(shù)據(jù)被正確解調(diào) 嚴格地說 是信息數(shù)據(jù)被正確判斷的概率不小于某一希望值 所要求的最小輸出信噪比 Ls 接收系統(tǒng)的工作損耗 射頻濾波的損耗 相關(guān)處理的損耗 放大的的信噪比損耗等 11 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 例 一個擴頻系統(tǒng)的處理增益G 35dB 要求誤碼率小于10 5時 解擴解調(diào)器輸出的最小信噪比 S N out 10dB 系統(tǒng)損耗Ls 3dB 則干擾容限Mj 35 10 3 22dB含義 該系統(tǒng)能在干擾輸入功率電平比擴頻信號功率高22dB的情況下正常工作該系統(tǒng)能在接收輸入信噪比大于或等于 22dB的環(huán)境下正常工作 12 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 5 射頻濾波器a 理想帶通濾波器 濾波器的傳輸特性HB HBB 0 HBB 0 具有如下低通特性 HB 為帶寬B2 2fC的理想帶通濾波器 中心頻率為 0 3 5 13 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 若接收信號U t 不含噪聲 忽略噪聲 則為如下形式 對接收機來說 射頻寬帶濾波器及隨后的解擴相關(guān)處理器可等效成圖3 3的電路形式 射頻濾波器輸出為 其中 AT 是擴頻序列PN t t T 長為2T的付氏變換 為接收機的解擴本地信號 可把它寫成如下信號 14 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 它同接收信號作解擴相關(guān)處理后 其結(jié)果為 3 9 式中 SPN 是擴頻序列PN t 的功率譜密度函數(shù) HB 是如式 3 5 所示的理想濾波器 當接收機載波角速度 0和相位 與發(fā)送來的信號同步時 0 若擴頻序列也實現(xiàn)了同步跟蹤 那么 式 3 9 則給出的相關(guān)輸出為 3 10 15 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 圖3 4為不同B2帶寬的理想射頻濾波器情況下的解擴相關(guān)輸出R 0 B2Tc 16 若射頻濾波器帶寬B2與擴頻信號的主瓣寬度具相同 即B2 2fc 則能通過90 的擴頻信號能量 損失10 接收機的解擴相關(guān)處理的相關(guān)輸出比理論值損失 20log R R 0 20log10 0 9 0 92dB 若射頻濾波器帶寬為兩倍擴頻信號的主瓣寬度 主瓣 兩個旁瓣 即4fC 則通過95 的擴頻信號能量 相關(guān)處理輸出損失為0 89dB 若濾波器帶寬為三倍的擴頻信號主瓣寬度6fC 能通過97 的擴頻信號能量 相關(guān)處理輸出損失為0 54dB 17 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) b 射頻濾波器為一階正弦幅度失真特性的濾波器假定射頻濾波是一階正弦幅度失真特性的濾波器 即 3 11 式中 a 是一階正弦特性濾波器的參數(shù) 18 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 則能得到的解擴相關(guān)輸出 P l時 為 3 12 其中 R 0 是沒有失真和受濾波器影響的相關(guān)輸出 圖3 6 TC 受一階正弦幅度失真特性的寬帶射頻濾波器的影響 其解擴相關(guān)輸出信號 圖 a 式 3 12 的各相關(guān)分量圖 b 相關(guān)輸出 19 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) c 寬帶射頻濾波器有一階正弦相位失真特性 3 13 擴頻信號通過該濾波器后解擴相關(guān)處理的輸出信號為 3 14 濾波器的相位特性可利用貝塞爾函數(shù)寫為 3 15 則解擴相關(guān)輸出為 3 16 20 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 當 很小時 一般情況如此 解擴相關(guān)輸出可近似為 3 17 圖3 7 TC 0 4rad時 其解擴相關(guān)輸出信號 21 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 6 相關(guān)器問題 接收機收到的擴頻信號經(jīng)過寬帶射頻濾波器后 與本地參考的擴頻序列作相關(guān)解擴處理 本地擴頻序列先經(jīng)過同樣特性的濾波后作相關(guān)處理好呢 還是不經(jīng)過濾波去作相關(guān)處理好呢 圖3 8 a b 分析 設(shè)接收信號經(jīng)濾波后到相關(guān)器的信號為加噪聲n t 本地擴頻序列信號經(jīng)過同樣濾波處理后也是 假定信號功率P l 噪聲n t 是0均值 N0 2雙邊功率譜密度的高斯白噪聲 則解擴相關(guān)處理后的輸出信噪比 2 4節(jié) 為 3 18 22 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 利用Schwartz不等式 得到 3 20 可見 使用經(jīng)過同樣濾波特性處理的本地擴頻序列信號去解擴 能得到更好的相關(guān)輸出信噪比 設(shè)本地擴頻序列信號不經(jīng)濾波處理為d t 那么 解擴相關(guān)處理后的輸出信噪比為 3 19 23 在圖3 1中 發(fā)射信號是用平衡調(diào)制器產(chǎn)生的抑制載波的擴頻信號 接收機要接收這個信號并實現(xiàn)對抑制載波的跟蹤 如圖3 l b 的上部電路所示 24 采用平方環(huán)提取載波解調(diào)方式 則如圖3 10 設(shè)實現(xiàn)解擴后的信號 即進入載波解調(diào)的信號 為 3 28 8 平方環(huán)提取載波解調(diào) 25 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 其中 d t 1 1 是信息數(shù)據(jù)序列 出現(xiàn) 1 和 1 的概率相等 各為1 2 且數(shù)據(jù)碼寬為T n t 為帶限高斯白噪聲 3 29 經(jīng)過帶通濾波器BPF1后 信號x t 為 3 30 設(shè)實現(xiàn)解擴后的信號 即進入載波解調(diào)的信號 為 26 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 式中 表示d t n1 t n2 t 信號通過BPF1濾波器后的信號 式 3 31 中平方器輸出有兩部分信號 一部分是2 0 載波二倍頻 信號 式 3 31 前六項 一部分是數(shù)據(jù)基帶信號 這里討論載波解調(diào) 只研究與載波有關(guān)的2 0信號 經(jīng)平方器后 輸出信號y t 為 十數(shù)據(jù)基帶信號 3 31 27 BPF2為中心頻率2 0的帶通濾波器 則上式中y t 信號的2 0頻率項z t 為 3 32 式中 0 圖3 10中載波鎖相環(huán)的壓控振蕩器輸出為 3 33 式中 是對發(fā)送來的擴頻信號載波的估值 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 28 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 這樣 載波跟蹤環(huán)的誤差信號E t 為 3 34 其中 為跟蹤環(huán)的相位跟蹤誤差 km是載波同步跟蹤環(huán)的鑒相增益 a 帶通濾波器是n極點Butterworth濾波器利用鎖相環(huán)的分析方法 假定濾波器帶寬為W 載波跟蹤環(huán)環(huán)路帶寬BL W 則載波同步跟蹤環(huán)相位跟蹤誤差的方差是 rad2 3 35 式中 P是輸入信號功率 N0 2是噪聲功率譜密度 29 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 3 36 3 37 其中 Sd 是信息數(shù)據(jù)序列的功率譜 HB 是帶通濾波器的等效低通傳輸特性 30 9 載波同步跟蹤對抑制載波進行載波同步跟蹤 實現(xiàn)載波解調(diào)的主要方法是使用costas同步跟蹤環(huán) 使用兩個彼此正交的信號通道的信號差獲得相位誤差信號 實現(xiàn)同步跟蹤 31 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 在圖3 11中 輸入信號Y t 是從帶通濾波器送來的信號為 3 38 送往兩個信號支路 分別與互相正交的本地載波相乘 噪聲n t 是帶限噪聲 具有N0 2的功率譜密度的高斯白噪聲 相乘信號經(jīng)低通濾波器后輸出為 3 39 3 40 這里 是本地載波信號的相位估值 因此 e是同步跟蹤相位差 兩個信號相乘輸出為 3 41 32 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 因此本地載波信號的相位估值是 3 42 其中 kv是壓控振蕩器VCO的壓控增益 P表示微分運算的Heaviside算子 由上可得到載波同步跟蹤環(huán)的環(huán)路隨機微分方程為 式中 e 2 e P A2 d t 2 1 3 43 由此 載波同步跟蹤環(huán)的相位跟蹤誤差的方差為 n極點濾波器 3 44 或 單極點濾波器 3 45 其中 如式 3 36 3 37 所示B是低通濾波器帶寬 BL是跟蹤環(huán)路帶寬 33 3 1直接序列擴頻的CDMA通信系統(tǒng) 在載波同步跟蹤的Costas環(huán)已達到同步跟蹤狀態(tài)的情況下 e 0 從Costas環(huán)的一路輸出信號為 3 46 可得到所需要的信息數(shù)據(jù)d t 注意 以上的載波解調(diào)和數(shù)據(jù)解調(diào)是在實現(xiàn)了擴頻解擴基礎(chǔ)上進行的 解擴中擴頻序列的同步跟蹤 即圖3 1的接收機的中 下部分 將在后面章節(jié)中討論 34 一個用戶對另一個用戶 即點對點的方式 的CDMA通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方法和具體技術(shù)