第3章 關(guān)鍵技術(shù)2

第3章關(guān)鍵技術(shù)

語音編解碼技術(shù)

調(diào)制與解調(diào)技術(shù)

擴頻通信

分集接收技術(shù)

鏈路自適應(yīng)技術(shù)

OFDM技術(shù)軟件無線電技術(shù)

智能天線

MIMO技術(shù)聯(lián)合檢測認(rèn)知無線電技術(shù)（RC）擴頻通信3

擴頻通信的理論基礎(chǔ)擴頻通信的基本原理1、擴頻通信的理論基礎(chǔ)

擴頻通信的基本特點，是傳輸信號所占用的頻帶寬度(W)遠(yuǎn)大于原始信息本身實際所需的最小(有效)帶寬(DF)，其比值稱為處理增益：擴頻通信3

擴頻通信的可行性，是從信息論和抗干擾理論中的相關(guān)公式中引伸而來的。信息論中關(guān)于信息容量的香農(nóng)(Shannon)公式為：

式中：C為信道容量(用傳輸速率度量)，W為信號頻帶寬度，S為信號功率，N為白噪聲功率。

香農(nóng)公式表明，在給定信號功率和白噪聲功率的情況下，只要采用某種編碼系統(tǒng)，就能以任意小的差錯概率，以接近于信道容量C的傳輸速率來傳送信息。式(3-16)還說明，在給定的傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比S／N是可以互換的。即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比S／N情況下，傳輸可靠的信息。

擴頻通信可行性的另一理論基礎(chǔ)，是柯捷爾尼可夫關(guān)于信息傳輸差錯概率的公式：

式中：Pe為差錯概率，E為信號能量，n。為噪聲功率譜密度，f為某一函數(shù)。擴頻通信3

結(jié)論：信噪比和帶寬是可以互換的，它同樣指示了用增加帶寬的方法可以換取信噪比上的降低。2、擴頻通信的基本原理

（1）直接序列擴頻通信系統(tǒng)第一種碼分直擴系統(tǒng)構(gòu)成的簡單框圖如圖3-20(a)所示。擴頻通信3

圖3-20（a）碼分直擴系統(tǒng)

第二種碼分直擴系統(tǒng)構(gòu)成的簡單框圖如圖3-20(b)所示。擴頻通信3

圖3-20（b）碼分直擴系統(tǒng)圖3-21擴頻通信系統(tǒng)頻譜變換圖擴頻通信3

圖3-21擴頻通信系統(tǒng)頻譜變換

（2）直接序列擴頻信號的波形擴頻通信3

PN碼發(fā)生器極性轉(zhuǎn)換器待擴頻信號乘法器采樣模塊頻譜示波器示波器Simulink仿真1

擴頻調(diào)制前后信號波形圖對比Simulink仿真2

擴頻調(diào)制前頻譜圖擴頻調(diào)制前的信號頻寬大概為1KHz左右Simulink仿真3

擴頻調(diào)制后的信號頻寬大概為255KHz左右擴頻調(diào)制后頻譜圖Simulink仿真4

（3）跳頻擴頻通信系統(tǒng)

跳頻(FH)通信是指用一定碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控，也是一種擴頻技術(shù)，即通信使用的載波頻率受一組快速變化的偽隨機碼控制而隨機的跳變。這種載波變化的規(guī)律，通常叫做“跳頻圖案”。跳頻實際上是一種復(fù)雜的頻移鍵控，是一種用偽隨機碼進行多頻頻移鍵控的通信方式。擴頻通信3

圖3-23二元頻移鍵控的波形

圖3-24跳頻系統(tǒng)組成方框圖

圖3-25跳頻信號的時一域矩陣圖

由圖可見，從時域上看，跳頻信號是一個多頻率的頻移鍵控信號；從頻域上看，跳頻信號的頻譜是一個在很寬頻帶上隨機跳變的不等間隔的頻率信道。圖中載波頻率跳變次序是：f5→f4→f7→f0→f6→f3→f1。如果從時間-頻率域來看，跳頻信號為一個時-頻矩陣，每個頻率持續(xù)時間為Tc秒。擴頻通信3

DDS原理

工作過程為:1,將存于數(shù)表中的數(shù)字波形,經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A,形成模擬量波形.2,兩種方法可以改變輸出信號的頻率:(1),改變查表尋址的時鐘CLOCK的頻率,可以改變輸出波形的頻率.

(2),改變尋址的步長來改變輸出信號的頻率.DDS即采用此法. 步長即為對數(shù)字波形查表的相位增量.由累加器對相位增量進行累加,累加器的值作為查表地址.3,D/A輸出的階梯形波形,經(jīng)低通(帶通)濾波,成為質(zhì)量符合需要的模擬波形.

（4）跳時擴頻通信系統(tǒng)

與跳頻相似，跳時（TH：TimeHopping）是使發(fā)射信號在時間軸上跳變。我們先把時間軸分成許多時隙。在一幀內(nèi)哪個時隙發(fā)射信號由擴頻碼序列進行控制。因此，可以把跳時理解為：用一定碼序列進行選擇的多時隙的時移鍵控。由于采用了窄得多的時隙去發(fā)送信號，相對來說，信號的頻譜也就展寬了。擴頻通信3

抗干擾能力強；保密性好；可以實現(xiàn)碼分多址；抗衰落、抗多徑干擾；能精確地定時和測距，等等。擴頻通信的主要特點擴頻通信3

分集接收4分集技術(shù)的分類幾種常用的顯分集技術(shù)幾種常用的隱分集技術(shù)分集合并技術(shù)分集接收技術(shù)是一項主要的抗衰落技術(shù)，它可以大大提高多徑衰落信道下的傳輸可靠性，其本質(zhì)就是采用兩種或兩種以上的不同方法接收同一信號以克服衰落，其作用是在不增加發(fā)射機功率或信道帶寬的情況下充分利用傳輸中的多徑信號能量，以提高系統(tǒng)的接收性能。它的基本思路是：將接收到的多徑信號分離成不相關(guān)的（獨立的）多路信號，即選取了一個信號的兩個或多個獨立的采樣，這些樣本的衰落是互不相關(guān)的，這意味著所有樣本同時低于一個給定電平的概率比任何一個樣本低于該值的概率要小得多；然后將這些信號的能量按一定規(guī)則合并起來，使接收的有用信號能量最大。對數(shù)字系統(tǒng)而言，使接收端的誤碼率最小，對模擬系統(tǒng)而言，提高接收端的信噪比。目前，分集技術(shù)已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用，如IS-95中用RAKE進行二重空間接收，而第三代移動通信中不論WCDMA還是CDMA2000則都采用發(fā)端分集技術(shù)。分集接收41、分集技術(shù)的分類

“分”與“集”是一對矛盾。為了在接收端得到幾乎相互獨立的不同路徑，可以通過空域、頻域和時域的不同角度、不向方法來加以實現(xiàn)。因此分集技術(shù)研究是利用信號的基本參量在時域、頻域和空域中，如何分散開又如何收集起來的技術(shù)。分集接收42、幾種常用的顯分集技術(shù)分集接收4宏分集（也稱為“多基站”分集）以減少由于陰影效應(yīng)而引起的大范圍慢衰落為目的，它的做法是把多個基站設(shè)置在不同的地理位置和不同方向上，同時和一個移動臺進行通信，也可以選用其中信號最好的一個基站與移動臺進行通信。微分集是以抗快衰落為目的，同一天線場地使用兩個或多個天線的分集方式。理論和實踐都表明，在空間、頻率、極化、場分量、角度及時間等方面分離的無線信號，都呈現(xiàn)互相獨立的衰落特性，因此可采用空間分集、時間分集、頻率分集、極化分集、角度分集和多徑分集等多種分集技術(shù)。空間分集在發(fā)端采用一副天線發(fā)射，而在接收端采用多副間隔距離d≥λ/2（λ為工作波長）的天線接收，以保證接收天線輸出信號的衰落特性是相互獨立的。經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個總的接收天線輸出信號，從而降低了信道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃?。頻率分集就是將信息分別在不同的載頻上發(fā)射出去，要求載頻間的頻率間隔要大于信道相關(guān)帶寬，以保證各頻率分集信號在頻域上的獨立性，在接收端就可以得到衰落特性不相干的信號。和空間分集相比，頻率分集的優(yōu)點是減少了天線數(shù)目，缺點是要占用更多的頻譜資源，在發(fā)端需要多部發(fā)射機?？焖ヂ涑司哂锌臻g和頻率獨立性之外，還具有時間獨立性，即同一信號以大于相干時間的時間間隔重復(fù)傳輸M次，只要各次發(fā)送的時間間隔足夠大，那么各次發(fā)送信號所出現(xiàn)的衰落將是彼此獨立的，即得到M條獨立的分集支路。接收機將重復(fù)收到的同一信號進行合并，以減小衰落的影響。極化分集實際上是空間分集的特殊情況。在發(fā)端同一地點裝上垂直極化和水平極化兩副發(fā)射天線，在收端同一地點裝上垂直極化和水平極化兩副接收天線，就可以得到兩路衰落特性互不相關(guān)的極化分量。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，缺點是由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上，將有3dB的信號功率損失。移動臺接收到的信號是一個多徑衰落信號。通常這一多徑衰落信號的時延差很小且是隨機的，對于窄帶系統(tǒng)（如模擬TACS、數(shù)字GSM系統(tǒng)），在同一地點，到達(dá)的各路信號是相關(guān)的，無法分離。只有特定設(shè)計的擴頻信號才可以進行分離，分離的手段是相關(guān)接收。由電磁場理論可知，電磁波的E場和H場載有相同的消息，而反射機理是不同的，例如一個散射體反射E波和H波的駐波圖形相位差90°，即當(dāng)E波為最大時，H波最小。因此利用場分量的這個特點也可以實現(xiàn)分集。當(dāng)工作頻率高于10GHz時，從發(fā)射機到接收機的散射信號產(chǎn)生從不同方向來的互不相關(guān)的信號。這樣接收端利用方向性天線，在同一位置設(shè)置指向不同方向的兩個或更多的有向天線，向合成器提供信號，以達(dá)到克服衰落的目的。采用這種方案，移動臺比基站的電路更有效。圖3-27移動臺接收機方框圖分集接收43、幾種常用的隱分集技術(shù)分集接收4交織編碼的目的是把一個較長的連續(xù)突發(fā)差錯離散成隨機的非連續(xù)差錯，再用糾正隨機差錯的編碼（FEC）技術(shù)消除隨機差錯。交織深度越大，則離散度越大，抗突發(fā)差錯能力也就越強，但處理時間也越長，從而造成數(shù)據(jù)傳輸時延增大。也就是說，交織編碼是以時間為代價的。因此，交織編碼屬于時間隱分集。跳頻有慢跳頻（SFH）和快跳頻（FFH）兩種。慢跳頻的跳頻速率低于信息比特率，即連續(xù)幾個信息比特跳頻一次。GSM系統(tǒng)中，傳輸頻率在一個完整的突發(fā)脈沖傳輸期間保持不變，屬于慢跳頻?？焯l的跳頻速率高于或等于信息比特率，即每個信息比特跳頻一次以上。最大比值合并（MaximalRatioCombing)基本思想：接收機對所有分集支路進行不間斷連續(xù)檢測,并估計各支路信號的幅度、相位和時延,然后根據(jù)“強者愈強弱者愈弱”的原則做出相應(yīng)的加權(quán)補償,使合并輸出的信噪比最大化。系統(tǒng)模型：4、分集合并技術(shù)參數(shù)分析：MRC合并輸出的信號表達(dá)式可表示為:其中：由切比雪夫不等式可證:時，合并后信噪比最大。假設(shè)MRC合并的L個支路信號服從Rayleigh衰落條件的獨立同一分布,則等增益比值合并（EqualGainCombing)基本思想：掃描所有分集支路信號,然后對各支路信號進行調(diào)相并以相同的加權(quán)值進行合并。EGC的加權(quán)系數(shù)是恒定的,通常取值為1,即調(diào)相后直接相加。也被稱為相位均衡。系統(tǒng)模型：參數(shù)分析：Digitalcommunicationoverfadingchannels:

aunifiedapproachtoperformanceanalysisDigitalcommunicationoverfadingchannels:

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