第六章 擴頻通信導(dǎo)論(new)

1、1CQUC2CQUC6.1 The basic concept of spread spectrumThe signal spectrum is spread擴頻通信的信號帶寬與信息帶寬之比則高達1001000，屬于寬帶通信。Using PN code to spread the spectrum信號的頻帶寬度與其脈沖寬度近似成反比;如果很窄的脈沖序列被所傳信息調(diào)制，則可產(chǎn)生很寬頻帶的信號，這種很窄的脈沖碼序列(其碼速率是很高的)可作為擴頻碼序列。3CQUCUsing coherent de-spread in receiver在擴頻通信中接收端用與發(fā)送端完全相同的擴頻碼序列與收到的擴頻信號進

2、行，恢復(fù)所傳信息。6.1.1 The basic concept of spread spectrum4CQUC6.1.2 The theoretic basis of spread spectrumShannon formula:lb 1+SCBN式中，C為信道容量，意指單位時間內(nèi)信道中無差錯傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?，其單位為b/s；B為信號頻帶寬度，單位為Hz；S為信號功率，單位為W；N為噪聲功率，單位為W；S/N為輸入功率與噪聲功率之比，稱為信噪功率比，簡稱信噪比。 5CQUC6.2 The principle of spread spectrum (DSSS)6.2.1 The compone

3、nt of DSSS6CQUC6.2 The principle of spread spectrum (DSSS)6.2.2 The signal of DSSS信號源產(chǎn)生的信號信號源產(chǎn)生的信號a(t)為信息流，其碼元速率為信息流，其碼元速率為為Ra，碼元寬度為，碼元寬度為Ta ，Ta 1/Ra，則，則a(t)為為式中，an為信息碼，以概率P取+1和以概率1-P取-1，即 為門函數(shù)。 7CQUC偽隨機序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機序列偽隨機序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機序列c(t)，其速率為，其速率為Rc ，切普切普(chip)寬度為寬度為Tc，Tc 1/Rc，則，則 式中，cn為偽隨機碼碼元，取值+1或-

4、1；gc(t)為門函數(shù)，定義與式(2-3)類似。擴頻過程實質(zhì)上是信息流a(t)與偽隨機序列c(t)的模2加或相乘的過程。偽隨機碼速率Rc比信息速率Ra大得多，一般Rc/Ra的比值為整數(shù)，且Rc/Ra1，所以擴展后的序列的速率仍為偽隨機碼速率Rc，擴展的序列d(t)為 8CQUC式中式中 用此擴展后的序列去調(diào)制載波，將信號搬移到載頻上去。用于直擴系統(tǒng)的調(diào)制，原則上講，大多數(shù)數(shù)字調(diào)制方式均可，但應(yīng)視具體情況，根據(jù)系統(tǒng)的性能要求來確定，用得較多的調(diào)制方式有BPSK、MSK、QPSK、TFM等。此處分析采用BPSK調(diào)制。調(diào)制后得到的信號s(t)為 式中，0為載波頻率。 9CQUC接收端天線上感應(yīng)的信號

5、經(jīng)高放的選擇放大和混頻后，接收端天線上感應(yīng)的信號經(jīng)高放的選擇放大和混頻后，得到包括以下幾部分的信號：有用信號得到包括以下幾部分的信號：有用信號sI (t)、信道噪聲、信道噪聲nI (t)、干擾信號干擾信號JI (t)和其它網(wǎng)的擴頻信號和其它網(wǎng)的擴頻信號sJ (t)等，即收到的信號等，即收到的信號(經(jīng)混頻后經(jīng)混頻后)為為 接收端的偽隨機碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機序列與發(fā)送端產(chǎn)生的偽隨機序列相同，但起始時間或初始相位可能不同，為c(t)。解擴的過程與擴頻過程相同，用本地的偽隨機序列c(t)與接收到的信號相乘，相乘后為: 10CQUC 若本地產(chǎn)生的偽隨機序列c(t)與發(fā)端產(chǎn)生的偽隨機序列c(t)同步，有c

6、(t)=c(t)，則c(t)c(t)=1，這樣，信號分量sI (t)為 后面所接濾波器的頻帶正好能讓信號通過，因此可以進入解調(diào)器進行解調(diào)，將有用信號解調(diào)出來。 其中:11CQUC12CQUC13CQUC6.2.3 Spread spectrum gain & Interference boundsGain在擴頻系統(tǒng)中，傳輸信號在擴頻和解擴的處理過程中，擴頻系統(tǒng)的抗干擾性能得到提高，這種擴頻處理得到的好處，就稱之為擴頻系統(tǒng)的處理增益。其義為接收相關(guān)處理器輸出與輸入信噪比的比值，即輸出信噪比與輸入信噪比的比值，即:用分貝表示為:14CQUC6.2.3 Spread spectrum gai

7、n & Interference bounds對于直擴系統(tǒng)而言，其處理增益就是干擾功率減小的倍數(shù)。15CQUC6.2.3 Spread spectrum gain & Interference boundsInterference bounds所謂干擾容限，是指在保證系統(tǒng)正常工作的條件下，接收機能夠承受的干擾信號比有用信號高出的分貝數(shù)，用MJ表示，有:式中，Ls為系統(tǒng)內(nèi)部損耗；(S/N)o為系統(tǒng)正常工作時要求的最小輸出信噪比，即相關(guān)器的輸出信噪比或解調(diào)器的輸入信噪比；GP為系統(tǒng)的處理增益。16CQUC6.2.4 Utilities & features of DSSS直

8、擴系統(tǒng)的特點主要有以下幾個方面：(1) 具有較強的抗干擾能力。擴頻系統(tǒng)通過相關(guān)接收，將干擾功率擴展到很寬的頻帶上去，使進入信號頻帶內(nèi)的干擾功率大大降低，提高了解調(diào)器輸入端的信干比，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，這種能力的大小與處理增益成正比。(2) 具有很強的隱蔽性和抗偵察、抗竊聽、抗測向的能力。擴頻信號的譜密度很低，可使信號淹沒在噪聲之中，不易被敵方截獲、偵察、測向和竊聽。直擴系統(tǒng)可在 -15-10dB乃至更低的信噪比條件下工作。17CQUC6.2.4 Utilities & features of DSSS(3)具有選址能力，可實現(xiàn)碼分多址。擴頻系統(tǒng)本來就是一種碼分多址通信系統(tǒng)。用不

9、同的碼可以組成不同的網(wǎng)，組網(wǎng)能力強，其頻譜利用率并不因占用的頻帶擴展而降低。采用多址通信后，頻帶利用率反而比單頻單波系統(tǒng)的頻帶利用率高。(4) 抗衰落，特別是抗頻率選擇性能好。直擴信號的頻譜很寬，一小部分衰落對整個信號的影響不大。18CQUC6.2.4 Utilities & features of DSSS5.抗多徑干擾。直擴系統(tǒng)有較強的抗多徑干擾的能力，多徑信號到達接收端，由于利用了偽隨機碼的相關(guān)特性，只要多徑時延超過偽隨機碼的一個切普(chip)，則通過相關(guān)處理后，可消除這種多徑干擾的影響，甚至可以利用這些多徑干擾的能量，提高系統(tǒng)的信噪比，改善系統(tǒng)的性能。6.可進行高分辨率的測向

10、、定位。利用直擴系統(tǒng)偽隨機碼的相關(guān)特性，可完成精度很高的測距和定位直擴技術(shù)主要用于通信抗干擾、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、保密通信、測距和定位等方面。19CQUC6.3 PN code (Spread spectrum code)6.3.1 The basic concept of PN codePN code高斯白噪聲的理想特性為:式中，n0/2為白噪聲的雙邊噪聲譜密度。但是至今無法實現(xiàn)對白噪聲的放大、調(diào)制、檢測、同步及控制等，而只能用具有類似于帶限白噪聲統(tǒng)計特性的偽隨機碼來逼近它，并作為擴頻系統(tǒng)的擴頻碼。20CQUC6.3.1 The basic concept of PN codeShift reg

11、ister sequence在工程中用得最多的是二進制序列，序列中的元素只有兩個取值“0”或“1”。對應(yīng)的波形如圖所示。由此可見，二進制序列中的兩個取值分別對應(yīng)于電信號的兩個電平：正電平和負電平，而且是一一對應(yīng)的關(guān)系。21CQUC10 00 00 10 00 01 10 00 10 10 01 11 10 10 00 11 10 01 00 10 11 01 11 01 10 01 10 10 10 11 11 1 共63位，即其周期為63。22CQUCCoherence of PN code在數(shù)學(xué)上是用自相關(guān)函數(shù)來表示信號與它的自身相移以后的相似性的。隨機信號的自相關(guān)函數(shù)定義為:自相關(guān)函數(shù)只

12、是表征一個信號與延遲后自身信號的相似性。兩不同信號波形f(t)與g(t)之間的相似性用互相關(guān)函數(shù)來表示為:如果上式為0，則表明f(t)和g(t-)的互相關(guān)函數(shù)為0，稱之為是正交的，否則為非正交。23CQUC碼序列的自相關(guān)式中xi，是周期長度為P的某一碼序列，而xi是xi移位后的碼序列。 有時，將相關(guān)函數(shù)歸一化，即用相關(guān)系數(shù)來表示相關(guān)性，對(3-6)式，進行歸一化，則相關(guān)系數(shù)為:自相關(guān)系數(shù)值最大不超過1。 對于采用二進制的碼序列，其長度(周期)為P的碼序列x的自相關(guān)函數(shù)Rx()為:24CQUC25CQUC對于二進制序列，其自相關(guān)系數(shù)也可由下式求得：式中，A是相對應(yīng)碼元相同的數(shù)目；D是相對應(yīng)碼元不

13、同的數(shù)目；P是碼序列周期長度。26CQUC碼序列的互相關(guān) 兩個不同碼序列之間的相關(guān)性，用互相關(guān)兩個不同碼序列之間的相關(guān)性，用互相關(guān)函數(shù)函數(shù)(或互相關(guān)系數(shù)或互相關(guān)系數(shù))來表征。來表征。對于二進制碼序列，周期均為對于二進制碼序列，周期均為P的兩個碼的兩個碼序列序列x和和y，其相關(guān)函數(shù)稱為互相關(guān)函數(shù)，記，其相關(guān)函數(shù)稱為互相關(guān)函數(shù)，記作作R(x，y)，即，即 其互相關(guān)系數(shù)為 27CQUC28CQUC6.3.2 m sequencem序列的含義序列的含義m序列是最長線性移位寄存器序列的簡稱。顧名思義，m序列是由多級移位寄存器或其延遲元件通過線性反饋產(chǎn)生的最長的碼序列。在二進制移位寄存器中，若n為移位寄存

14、器的級數(shù)，n級移位寄存器共有2n個狀態(tài)，除去全零狀態(tài)外，還剩下2n-1種狀態(tài)，因此它能產(chǎn)生的最大長度的碼序列為2n-1位。故產(chǎn)生m序列的線性反饋移位寄存器稱做最長線性移位寄存器。 29CQUC6.3.2 m sequencem序列的產(chǎn)生產(chǎn)生m序列的移位寄存器的電路結(jié)構(gòu)，即反饋線連接不是隨意的，m序列的周期P也不能取任意值，而是必須滿足:P2n1 n是移位寄存器的級數(shù)30CQUC6.3.2 m sequencem序列產(chǎn)生原理序列產(chǎn)生原理31CQUC6.3.2 m sequencen5，Ci45，m序列發(fā)生器的電路原理圖 32CQUC6.3.2 m sequencem序列的特性序列的特性m序列的隨

15、機性序列的隨機性m序列的自相關(guān)函數(shù)序列的自相關(guān)函數(shù)33CQUC6.3.2 m sequencem序列的互相關(guān)函數(shù)序列的互相關(guān)函數(shù)34CQUC6.3.3 哈達瑪矩陣1111000010 1 nnnnnHHHHHHHHHHH35CQUC擴頻通信系統(tǒng)仿真擴頻通信系統(tǒng)仿真擴頻通信的基本原理香農(nóng)公式：C=Blog(1+S/N)信號頻譜：36CQUC 發(fā)射端頻譜如何擴展？將一個數(shù)據(jù)位的持續(xù)時間進行分片？！一個數(shù)據(jù)位的持續(xù)時間由多個小片組成，顯然從頻譜的角度看，每個小片的持續(xù)時間比一個數(shù)據(jù)位的持續(xù)時間短，顯然其頻譜就寬其頻譜的擴展倍數(shù) F=Tb/Tc碼片速率也就變成數(shù)據(jù)速率的F倍。37CQUC接收端如何解擴

16、？恢復(fù)原來的帶寬38CQUC其中的關(guān)鍵問題對擴頻碼的要求：自相關(guān)特性(良好的自相關(guān)特性，便于擴頻碼的同步)互相關(guān)特性(良好的互相關(guān)特性，便于區(qū)分不同的用戶)39CQUC05001000150020002500-0.200.20.40.60.811.21023位 m序 列 圖 1023位 的 m序 列 自 相 關(guān) 性1023位 的 m序 列 互 相 關(guān) 性1023位 的 m序 列 互 相 關(guān) 性05001000150020002500-0.200.20.40.60.811.2哈 達 瑪 矩 陣 產(chǎn) 生 1024位 序 列 圖 哈 達 瑪 矩 陣 產(chǎn) 生 1024位 序 列 自 相 關(guān) 性哈 達

17、瑪 矩 陣 產(chǎn) 生 1024位 序 列 互 相 關(guān) 性哈 達 瑪 矩 陣 產(chǎn) 生 1024位 序 列 互 相 關(guān) 性40CQUC擴頻碼的產(chǎn)生m序列Walsh碼Gold碼M序列Hadama矩陣41CQUCHadama矩陣的產(chǎn)生11110000101nnnnnHHHHHHHHHHH42CQUCm序列的產(chǎn)生可以利用移位寄存器加上反饋來產(chǎn)生m序列，其中部分反饋系數(shù)如下表所示：43CQUC44CQUC例如n=7，序列長度=2n-1=127，反饋系數(shù)之一為(325)八進制=(11010101)二進制，轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)值并與移位寄存器級數(shù)對應(yīng)得到有這些反饋系數(shù)移位寄存器為C7=1,到C6=1, C5=0, C

18、4=1, C3=0, C2=1, C1=0, C0=1, 其具體的寄存器結(jié)構(gòu)圖如下圖所示 45CQUC擴頻Signal擴頻碼擴頻碼注意：擴頻碼的速率比信息速率要高，一般來講應(yīng)是F倍46CQUCBPSK調(diào)制擴頻信號t0cos調(diào)制之后的信號擴頻之后的信號調(diào)制與一般的數(shù)據(jù)調(diào)制完全一樣47CQUC擴頻通信系統(tǒng)發(fā)射機模型Signal擴頻碼擴頻信號t0cos調(diào)制之后的信號48CQUC擴頻通信系統(tǒng)發(fā)射機設(shè)計49CQUC發(fā)射機參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)速率：dataRate載波頻率：fc抽樣頻率：fs碼片速率：chipRate50CQUCfunction dataRate,fc,fs,chipRate=transmitte

19、rPara(c) dataRate=1; chipRate=length(c)*dataRate; fc=chipRate*2; fs=fc*16;end從參數(shù)中可以看出：數(shù)據(jù)速率為1/單位時間，碼片速率是數(shù)據(jù)速率的擴頻碼的周期倍，也就是一個周期的擴頻碼與一個數(shù)據(jù)位所占的時間是一樣的。同時，調(diào)制載波的頻率是碼片速率的2倍，也就是一個碼片用2個周期的載波來進行調(diào)制，抽樣頻率是載波的16倍，即每個載波周期抽16個點。51CQUC信息（1，-1的數(shù)據(jù)流） function signal=information(N)signal=rand(1,N)=0.5; signal=signal*2-1; en

20、d其中參數(shù)N是指本次產(chǎn)生的數(shù)據(jù)個數(shù)。52CQUC擴頻碼的產(chǎn)生（只產(chǎn)生一個周期的m序列） function c=genMseq(b)N=length(b)-1; D=ones(1,N); A=b(N:-1:1); c=; for i=1:2N-1 c1=rem(sum(D.*A),2); c=c,D(N); D=c1,D(1:N-1); end c=c*2-1; %變?yōu)?，-1的序列 end53CQUC擴頻function ssignal=dsss(signal,c)ssignal=;for i=1:length(signal) ssignal=ssignal,signal(i)*c;enden

21、d54CQUC調(diào)制function modusignal=modu(signal, dataRate,fc, fs)%采用BPSK調(diào)制方式t=linspace(0,1/dataRate,fs/dataRate); carrier=cos(2*pi*fc*t); modusignal=; for i=1:length(signal) modusignal=modusignal,carrier*signal(i); endend55CQUC發(fā)射機的整體程序function modusignal,dataRate,fc,fs,chipRate,data=transmitter(c,N) dataRa

22、te,fc,fs,chipRate=transmitterPara(c);%參數(shù)設(shè)置 signal=information(N);%生成數(shù)據(jù) data=signal; ssignal=dsss(signal,c);%擴頻信號 modusignal=modu(ssignal,chipRate,fc, fs)%BPSK調(diào)制end56CQUC接收機原理接收信號擴頻碼解擴信號t0cos解調(diào)信號LBF思考：擴頻通信系統(tǒng)中為什么要先解擴再解調(diào)，而不是發(fā)射機端處理過程的逆過程？注意：仿真中沒有考慮所有的同步問題，都假定是精確同步的57CQUC接收機設(shè)計解擴擴頻碼生成器解調(diào)乘以載波LBF抽樣判決58CQUC解擴實現(xiàn)function dessignal=dedsss(receiveSignal,c,chipRate,fs) L=fs/chipRate; c1=; for i=1:length(c) c1=c1,c(i)*ones(1,L); end dessignal=; for i=1:length(c1):length(receiveSignal) dessignal=dessignal,reciveSignal(i:i+length(c1)-1)