通信概論第五章課件

1、第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 第5章擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 5.1擴頻通信概述擴頻通信概述 5.2直接序列擴頻系統(tǒng)直接序列擴頻系統(tǒng) 5.3跳頻擴頻通信系統(tǒng)跳頻擴頻通信系統(tǒng) 5.4跳時系統(tǒng)跳時系統(tǒng) 5.5混合擴展頻譜系統(tǒng)混合擴展頻譜系統(tǒng) 第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 5.15.1擴頻通信概述擴頻通信概述 擴頻通信擴頻通信是當(dāng)今國際上高新科技的熱點之一，它與是當(dāng)今國際上高新科技的熱點之一，它與光纖通信光纖通信、衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信，一同被譽為進入信息時代的三大，一同被譽為進入信息時代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。高技術(shù)通信傳輸方式。 幾十年來，通信技術(shù)不斷發(fā)展和演變，從幾十年來，通信技術(shù)不斷發(fā)展和演變，從有線有線

2、（電（電纜、光纖）到纜、光纖）到無線無線（短波、（短波、VHF/UHF、微波、衛(wèi)星）、微波、衛(wèi)星）基本上是基本上是媒質(zhì)和信道媒質(zhì)和信道的變化，而突破性的進展并不多。的變化，而突破性的進展并不多。擴頻通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，是通信技術(shù)的一次重大突破。擴頻通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，是通信技術(shù)的一次重大突破。第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) n有關(guān)擴頻通信技術(shù)的觀點最早是在有關(guān)擴頻通信技術(shù)的觀點最早是在1941年由好萊塢女年由好萊塢女演員海蒂演員海蒂.拉瑪拉瑪(Hedy Lamarr)和鋼琴家和鋼琴家George Antheil提出的，并申請了美國專利提出的，并申請了美國專利#2.292.387。不過，當(dāng)時該。不過，當(dāng)時該

3、技術(shù)并沒有引起美國軍方的重視。技術(shù)并沒有引起美國軍方的重視。第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) n高通（高通（Qualcomm）是一家美國的無線電通信技術(shù)研是一家美國的無線電通信技術(shù)研發(fā)公司，成立于發(fā)公司，成立于1985年年7月，在以技術(shù)創(chuàng)新推動無線通月，在以技術(shù)創(chuàng)新推動無線通訊向前發(fā)展方面扮演著重要的角色，以在訊向前發(fā)展方面扮演著重要的角色，以在CDMA技術(shù)技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位而聞名，而方面處于領(lǐng)先地位而聞名，而CDMA技術(shù)已成為世界技術(shù)已成為世界上發(fā)展最快的無線技術(shù)。上發(fā)展最快的無線技術(shù)。第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 5.1.15.1.1擴頻通信的概念擴頻通信的概念擴頻通信就是擴展頻譜擴展頻譜(SS

4、， Spread Spectrum)通信通信所謂擴頻通信，是指系統(tǒng)所傳輸?shù)男盘柋粩U展至一個是指系統(tǒng)所傳輸?shù)男盘柋粩U展至一個很寬的頻帶。很寬的頻帶。 擴頻通信所傳遞信息的信號帶寬遠遠大擴頻通信所傳遞信息的信號帶寬遠遠大于原始信息本身的帶寬。于原始信息本身的帶寬。第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 通常規(guī)定：如果信息帶寬信息帶寬為B，擴頻信號帶寬擴頻信號帶寬設(shè)為fSS，則擴頻信號帶寬與信息帶寬之比fSS/B稱為擴頻因子擴頻因子。當(dāng)fSS/B=12，即射頻信號帶寬略大于信息帶寬時，稱為窄帶通信；當(dāng)fSS/B40，即射頻信號帶寬大于信息帶寬時，稱為寬帶通信；當(dāng)fSS/B100，即射頻信號帶寬遠大于信息帶寬時，

5、稱為擴頻通信擴頻通信。 Bfsslg10擴頻增益第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 例子： 一個擴頻系統(tǒng)的處理增益為35dB，要求誤碼率小于一定值的情況下信息數(shù)據(jù)解調(diào)的最小輸出信噪比小于10dB，系統(tǒng)損耗Ls等于3dB，則干擾容限Mj=35-(10+3)=22dB 這說明，該系統(tǒng)能在干擾輸入功率電平比擴頻信號功率電平高22dB的范圍內(nèi)正常工作，也就是該系統(tǒng)能夠在接收輸入信噪比大于或等于22dB的環(huán)境下正常工作。第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 本章研究的擴展頻譜是指占用的傳輸帶寬遠大于傳輸同樣信息所需的最小帶寬的情形。通常所說的擴頻系統(tǒng)需要滿足以下幾個條件：(1）信號占用的帶寬遠遠超出發(fā)送信息所需的最小帶寬

6、）信號占用的帶寬遠遠超出發(fā)送信息所需的最小帶寬;(2）擴頻是由擴頻信號實現(xiàn)的，擴頻信號通常稱為編碼信號，）擴頻是由擴頻信號實現(xiàn)的，擴頻信號通常稱為編碼信號，與數(shù)據(jù)無關(guān)與數(shù)據(jù)無關(guān); (3）接收端解擴是將接收到的擴頻信號與擴頻信號的同）接收端解擴是將接收到的擴頻信號與擴頻信號的同步副本通過相關(guān)處理完成的。步副本通過相關(guān)處理完成的。第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 擴頻通信是用高速碼元序列信號調(diào)制載波，把信號頻譜擴展到更寬的頻帶，使被傳輸?shù)男盘柗鹊陀谠肼曤娖剑@就大大提高了通信的隱蔽性和抗干擾能力。例如，高速碼元序列的時鐘為4MHz，fSS=10MHz，而信息基帶為B=10kHz，則fSS/B1000。

7、第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 由于擴頻系統(tǒng)利用了擴展頻譜技術(shù)，在接收端對干擾頻譜能量加以擴散，對信號頻譜能量壓縮集中，因此，在輸出端就得到了信噪比的增益，這樣的擴頻通信機制，可以在很小的信噪比情況下進行通信，甚至可在信號比干擾信號低得多的條件下實現(xiàn)可靠地通信。這種“去掉干擾”能力的功能，是擴頻通信的主要優(yōu)點之一。 1.抗干擾能力強抗干擾能力強5.1.2擴頻通信的特點擴頻通信的特點第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 圖51擴頻效果示意圖 (a)白噪聲環(huán)境；(b)人為干擾環(huán)境 白噪聲和人為干擾噪聲下的擴頻效果白噪聲和人為干擾噪聲下的擴頻效果第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 3.安全通信安全通信4.距離分辨率高距離

8、分辨率高5.信息傳輸方便靈活信息傳輸方便靈活2.可隨機接入、任意選址可隨機接入、任意選址將擴展頻譜技術(shù)與正交編碼方法結(jié)合起來，可以構(gòu)成碼將擴展頻譜技術(shù)與正交編碼方法結(jié)合起來，可以構(gòu)成碼分選址通信。分選址通信。1)信號功率密度低信號功率密度低 2)數(shù)字信息易加密數(shù)字信息易加密3)通信信息不易被竊取通信信息不易被竊取 4)通信不易被破壞通信不易被破壞抵抗頻率選擇性衰落抵抗頻率選擇性衰落第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 5.1.35.1.3擴頻通信基本理論擴頻通信基本理論擴頻技術(shù)的基本理論根據(jù)是信息論中的香農(nóng)香農(nóng)(Shannon)公式公式。香農(nóng)公式在前面已做過論述，它可用于實際的有擾連續(xù)信道。當(dāng)信道受到加

9、性高斯噪聲的干擾，且信道傳輸信號的功率和信道的帶寬受限時，無差錯傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾蔆為 )b/s()1 (lb)1lb(0NSBBnSBC(52) 香農(nóng)公式表明了一個信道無誤差地傳輸信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于傳輸信息的信道帶寬之間的關(guān)系。 第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 對于干擾環(huán)境中的典型情況，SN1時， NSBC44. 1(53) 例如，我們希望一個系統(tǒng)工作于干擾比信號大100倍的環(huán)境中，即SN=1/100。要求傳信率是3000bs，由式(53)可知，系統(tǒng)應(yīng)有的帶寬為 Hz1008. 244. 110310043B第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 5.1.45.1.4擴頻通信系統(tǒng)的類型

10、擴頻通信系統(tǒng)的類型 1.1.直接序列擴頻（直接序列擴頻（DSDS，DirectSequencingDirectSequencing）要傳送的信息經(jīng)偽隨機序列(或稱偽噪聲碼)編碼后對載波進行調(diào)制。在發(fā)信端直接用擴頻序列去擴展信號的頻譜，在收信端，用相同的擴頻碼序列進行解擴，將展寬的頻譜擴展信號還原成原始信息。因為偽隨機序列的速率遠大于要傳送信息的速率，所以受調(diào)信號的頻譜寬度將遠大于要傳送信息的頻譜寬度，故稱之為擴頻。 第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 2.2.跳頻跳頻(FH(FH，F(xiàn)requencyHopping)FrequencyHopping)荷載信息的信號頻率受偽隨機序列的控制，快速地在一個頻段

11、中跳變，此跳變的頻段范圍遠大于要傳送信息所占的頻譜寬度，故跳頻也屬于擴頻技術(shù)。只要收、發(fā)信雙方保證時頻域上的調(diào)頻順序一致，就能確保雙方的可靠通信。在每一個跳頻時間的瞬時，用戶所占用的信道帶寬是窄帶頻譜，隨著時間的變換，一系列的瞬時窄帶頻譜在一個很寬的頻帶內(nèi)跳變，形成一個很寬的跳頻帶寬。 第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 3.3.跳時跳時(TH(TH，TimeHopping)TimeHopping)把每個信息碼元劃分成若干個時隙，此信息受偽隨機序列的控制，以突發(fā)的方式隨機地占用其中一個時隙進行傳輸。因為信號在時域中壓縮其傳輸時間(占空比為1/n)，相應(yīng)地在頻域中要擴展其頻譜寬度，故跳時也屬于擴頻技術(shù)。

12、 第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 4.4.線性調(diào)頻擴頻線性調(diào)頻擴頻(Chirp)(Chirp)線性調(diào)頻擴頻(Chirp)是指在給定脈沖持續(xù)間隔內(nèi)，系統(tǒng)的載頻線性地掃過一個很寬的頻帶。因為頻率在較寬的頻帶內(nèi)變化，故信號的帶寬被展寬。5.5.混合擴頻混合擴頻幾種不同的擴頻方式混合應(yīng)用，如直擴和跳頻的結(jié)合(DS/FH)，跳頻與跳時的結(jié)合(FH/TH)，以及直擴、跳頻與跳時的結(jié)合(DS/FH/TH)等。在擴頻系統(tǒng)中，直擴(DS)、跳頻(FH)是兩種最重要的形式，應(yīng)用得較普遍的是DS和FH以及二者的結(jié)合(DS/FH)。 第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 5.2.15.2.1擴頻通信的基本原理擴頻通信的基本原理5.

13、2直接序列擴頻系統(tǒng)直接序列擴頻系統(tǒng) 直接序列擴頻系統(tǒng)：直接用編碼序列對載波調(diào)制的系統(tǒng)。要傳送的信息經(jīng)數(shù)字化后變成二元數(shù)字序列，它和偽隨機序列模2相加后成為復(fù)合碼去調(diào)制載波，通常對載波進行相移鍵控調(diào)制。第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 圖5-2 擴頻通信系統(tǒng)模型（a）發(fā)射系統(tǒng)；（b）接收系統(tǒng) 第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 圖53理想擴展頻譜系統(tǒng)波形 第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 圖54擴頻接收機的基帶濾波器輸出頻譜(a)接收機輸入；(b)混頻器輸出；(c)窄帶濾波器輸出 第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 從擴展頻譜信號中恢復(fù)基帶信號d(u，t)，是利用了下列兩個基本關(guān)系式，即 d(u，t)c(u，t)c*(u，

14、t)d(u，t) (54) 其中：d(u，t)c(u，t)是接收到的擴頻信號，c*(u，t)是本地擴頻碼信號，它與c(u，t)共軛。若用序列邏輯運算，可表示為 d(u) c (u) c*(u)=d(u) (55) 第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 圖55直接序列擴頻系統(tǒng) (a)BPSK直接序列調(diào)制發(fā)送端；(b)簡化的BPSK直接序列發(fā)送端；(c)BPSK直接序列擴頻接收端 5.2.2直接序列擴頻信號直接序列擴頻信號第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 圖56直接序列擴頻信號傳輸圖 第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 5.2.35.2.3直接序列擴頻信號的相關(guān)解擴直接序列擴頻信號的相關(guān)解擴圖57直接序列擴頻信號的相關(guān)接

15、收與解擴 第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 圖58數(shù)據(jù)與擴頻信號的功率譜 第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 在CDMA系統(tǒng)中的某個小區(qū)中，系統(tǒng)為用戶1分配的擴頻碼為-1 1 -1 1，用戶1的話音信號數(shù)據(jù)為1 -1 -1 1 -1 -1，速率為13kbps,則在發(fā)射機端，該話音數(shù)據(jù)經(jīng)過擴頻后為（每個語音信號比特與擴頻碼進行相乘）速率為52kChip/s的擴頻信號： -1 1 -1 1，1 -1 1 -1，1 -1 1 -1，-1 1 -1 1，1 -1 1 -1，1 -1 1 -1 在接收端，用同樣的擴頻碼-1 1 -1 1進行解擴（對擴頻信號做逐碼片相乘，然后每4個碼片進行求和）：4 -4 -4 4 -

16、4 -4 如果我們用系統(tǒng)分配給用戶2的擴頻碼-1 -1 1 1對用戶1的接收信號進行解擴處理，得到的是0 0 0 0 0 0例子第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 5.3跳頻擴頻通信系統(tǒng)跳頻擴頻通信系統(tǒng) 5.3.1跳頻通信的基本原理跳頻通信的基本原理跳頻通信是指傳輸信號的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進行離散變跳頻通信是指傳輸信號的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進行離散變化的通信方式?；耐ㄐ欧绞?。通信使用的載波頻率被一組高速變化的碼控制而隨機跳變。這種控制載波變化的規(guī)律，通常又叫做“跳頻圖案跳頻圖案”。第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 圖512跳頻系統(tǒng)簡單原理圖 第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 圖513跳頻時頻矩陣圖 (a)跳頻

17、圖案；(b)跳頻時頻矩陣；(c)跳頻頻率間隔 第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) s1(t)=m(t)cos(0+nT)t+n 發(fā)送的跳頻信號：kjjitJtntststs21)()()()()(接收的信號：)cos( )()()()()(21rTrkjjptntJtntststssp(t)=(1/2) m(t) cos(I t+i) + cos(0+r +2nT)t+n+r )cos()()()(2rTrkjjtntJtnts跳頻通信的數(shù)學(xué)模型跳頻通信的數(shù)學(xué)模型第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 從上述跳頻系統(tǒng)的物理概念可以看出，跳頻系統(tǒng)也占用了比信息帶寬要寬得多的頻帶。從每一瞬間來看，它只是在單一射頻載波

18、上通信。但從總體上看，它所占用帶寬B BRFRF= =N N(1/(1/T T) )，提供了抗干擾能力。)cos()(21)(12iIttmts(522) 第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 快跳頻圖案快跳頻圖案101第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 慢跳頻圖案慢跳頻圖案1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 5.3.5跳頻通信系統(tǒng)的技術(shù)特點跳頻通信系統(tǒng)的技術(shù)特點(1)抗干擾能力強。(2)具有多址組網(wǎng)能力和高的頻帶利用率。(3)具有抗衰落能力。(4)易于與窄帶通信系統(tǒng)兼容。(5)具有一定的保密能力。第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 跳時即將一個信碼的持續(xù)時間分成若干時隙，由偽隨機編跳時即將一個信碼的持續(xù)時間分成若干時隙，由偽隨機編碼序列控制信碼在不同的時隙中發(fā)射。碼序列控制信碼在不同的時隙中發(fā)射。5.4跳時系統(tǒng)跳時系統(tǒng)跳時系統(tǒng)跳時系統(tǒng)(TH)也是一種擴展頻譜技術(shù)，主要用于時分多址(TDMA)通信。第5章 擴頻抗干擾通信系統(tǒng) 跳時示意圖跳時系統(tǒng)的擴頻增益跳時系統(tǒng)的擴頻增益=時隙數(shù)目或占空比的倒數(shù)時隙數(shù)目或占空比的倒數(shù)第5章 擴頻抗干擾通信系