课件-扩频通信.ppt
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1、扩频通信第一章 绪论1.1数字通信数字通信与信号的几何表示与信号的几何表示n通信技术的发展趋势:模拟通信技术的发展趋势:模拟数字,固定数字,固定移动,点到点移动,点到点网络网络n数字通信系统(数字通信系统(DCS)的特点:在有限的时间间)的特点:在有限的时间间隔内发送有限波形集合中的一个波形。(模拟是隔内发送有限波形集合中的一个波形。(模拟是从无限个波形中选择一个发送)。从无限个波形中选择一个发送)。n数字通信系统的目标:从受噪声干扰的信号中判数字通信系统的目标:从受噪声干扰的信号中判决出发送端所发送的是那一个波形,而不是精确决出发送端所发送的是那一个波形,而不是精确地再生被传输的波形。差错概
2、率地再生被传输的波形。差错概率(PE)是是DCS中一中一个很重要的系统性能参数。个很重要的系统性能参数。数字通信的优点:n数字电路有更好的抗失真能力和抗干扰能力;数字电路有更好的抗失真能力和抗干扰能力;n数字电路比模拟电路更可靠,且其生产成本比模拟电路低;数字电路比模拟电路更可靠,且其生产成本比模拟电路低;n数字硬件比模拟硬件更具灵活性,如微处理器、数字开关、大规模数字硬件比模拟硬件更具灵活性,如微处理器、数字开关、大规模集成电路等;集成电路等;n时分复用信号比频分复用的模拟信号更简单;时分复用信号比频分复用的模拟信号更简单;n不同类型的数字信号(数据、电报、电话、电视等)在传输和交换不同类型
3、的数字信号(数据、电报、电话、电视等)在传输和交换中都被看成是相同的信号中都被看成是相同的信号bit信号;信号;n为交换方便,还可将数字信号以数据包的形式进行处理;为交换方便,还可将数字信号以数据包的形式进行处理;n长途通信系统中,中继站之间的噪声不积累;长途通信系统中,中继站之间的噪声不积累;n可通过编码纠错;可通过编码纠错;n数字信号能够进行加密处理。数字信号能够进行加密处理。数字通信获得这些优点的代价数字通信获得这些优点的代价:n数字系统需要更多的信号处理技术;数字系统需要更多的信号处理技术;n数字系统都需分配一部分资源用于实现同步;数字系统都需分配一部分资源用于实现同步;n数字通信系统
4、具有数字通信系统具有“门限效应门限效应”(nongracefuldegradation),即当信噪比下降到一定限度时,即当信噪比下降到一定限度时,通信质量就会急剧下降,而大部分模拟通信系通信质量就会急剧下降,而大部分模拟通信系统的质量下降则比较平滑。统的质量下降则比较平滑。 图1:典型数字通信系统的方框图。图2:基本数字通信变换。 1.2扩频通信概念扩频通信概念n扩频技术是利用与传输数据(信息)无关的伪扩频技术是利用与传输数据(信息)无关的伪随机码对传输信号扩展频谱,使之占有远远超随机码对传输信号扩展频谱,使之占有远远超过原有信息所需的带宽,在接收机中利用本地过原有信息所需的带宽,在接收机中利
5、用本地码对接收信号进行同步相关处理,以解扩和解码对接收信号进行同步相关处理,以解扩和解调数据。调数据。n扩频信号具有以下三个特征:扩频信号具有以下三个特征:1)扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号;扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号;2)传输带宽远大于被传送信息的原始带宽;传输带宽远大于被传送信息的原始带宽;3)接收机中必须有与宽带载波同步的副本。接收机中必须有与宽带载波同步的副本。注:q标准的频率调制、脉冲编码调制也扩展标准的频率调制、脉冲编码调制也扩展了原始信号的频谱,但不完全满足上述了原始信号的频谱,但不完全满足上述条件,不能称为扩频系统。条件,不能称为扩频系统。1.6 扩频通信的发展
6、历史 n有关扩频通信技术的观点是在有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员年由好莱坞女演员HedyLamarr和钢琴家和钢琴家GeorgeAntheil提出的。提出的。 n1949年美国的国家电话电报公司的子公司的联邦电信实验室,年美国的国家电话电报公司的子公司的联邦电信实验室,Derosa和和Rogoff提出设想并生成出伪噪声信号和相干检测的提出设想并生成出伪噪声信号和相干检测的通信系统,成功地工作通信系统,成功地工作在在NewJersey和和California之间的通之间的通信线路上。信线路上。n1950年年Basore首先提出把这种扩频系统称作首先提出把这种扩频系统称作NOM
7、ACS(NoiseModulationandCorrelationDetectionSystem)这个名称被使用相当长的时间。这个名称被使用相当长的时间。n1951年春天,美国陆军通信协会要求年春天,美国陆军通信协会要求MIT电子研究实验室验证电子研究实验室验证一个一个NOMACS系统,目的是在远距离高频无线通信时不再受敌系统,目的是在远距离高频无线通信时不再受敌方的人为干扰。后转入方的人为干扰。后转入MIT的林肯实验室。的林肯实验室。n1952年由林肯实验室研制出年由林肯实验室研制出P9D型型NOMACS系统,并进行了系统,并进行了试验。试验。n1955年生产成功并通过了测试。之后,美国海军
8、和空军开始年生产成功并通过了测试。之后,美国海军和空军开始验证各自的扩频系统,空军使用名称为验证各自的扩频系统,空军使用名称为“Phatom”(鬼怪,(鬼怪,幻影)和幻影)和“Hush-Up”(遮掩),海军使用名称为(遮掩),海军使用名称为“Blades”(浆叶),美国海军采用跳频扩频方案。(浆叶),美国海军采用跳频扩频方案。n1976年第一部扩频通信的概述性专著:年第一部扩频通信的概述性专著:SpreadSpectrumSystems发表。发表。n1978年在日本举行的国际无线通信咨询委员会年在日本举行的国际无线通信咨询委员会(CCIR)全会全会对扩频通信进行专门研究。对扩频通信进行专门研究
9、。n1982年美国第一次军事通信会议展示了扩频通信在军事通年美国第一次军事通信会议展示了扩频通信在军事通信中的主导作用,报告了扩频通信在军事通信各领域的应用,信中的主导作用,报告了扩频通信在军事通信各领域的应用,并开始民用扩频通信的调查。并开始民用扩频通信的调查。n同年第一部扩频通信的理论性专著同年第一部扩频通信的理论性专著CoherentSpreadSpectrum问世。问世。n1985年之后民用扩频通信系统发展。年之后民用扩频通信系统发展。 到八十年代,它已经广泛应用于各种战略和战术通信中,成为到八十年代,它已经广泛应用于各种战略和战术通信中,成为电子战中通信反对抗的一种十分重要的手段。电
10、子战中通信反对抗的一种十分重要的手段。 1.3 扩频的基本原理n仙农(shannon)公式:)/1 (WlogC2NS+C:信道容量:信道容量 W:信道带宽信道带宽 N:噪声功率噪声功率 S:信号信号功率功率含义:一个信道无误差的传输信息的能力取决含义:一个信道无误差的传输信息的能力取决于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽。带宽。 说明:n1.给定的信道容量可以用不同的带宽和信噪比给定的信道容量可以用不同的带宽和信噪比来组合传输;来组合传输;n2.给定信噪比,只要增加用于传输信息的带宽,给定信噪比,只要增加用于传输信息的带宽,理论上就可以增加在信道中
11、无误差地传输的信理论上就可以增加在信道中无误差地传输的信息率;息率;n3.在同样的信道容量下,增大传输带宽可由较在同样的信道容量下,增大传输带宽可由较小的信号传输功率传送,这表明宽带系统具有小的信号传输功率传送,这表明宽带系统具有较好的抗干扰性(通常所谓用带宽换功率)。较好的抗干扰性(通常所谓用带宽换功率)。工程应用工程上实现的一种应用:工程上实现的一种应用: 直接序列扩频处理增益可达到直接序列扩频处理增益可达到70dB,如,如果系统的基带滤波器输出信噪比为果系统的基带滤波器输出信噪比为10dB,那么,那么这个系统的输入端信噪比为这个系统的输入端信噪比为60dB。也就是说,。也就是说,信号功率
12、可以在信号功率可以在低于低于干扰功率干扰功率60dB的恶劣条件的恶劣条件下正常工作。所以扩频系统在深空远距离的通下正常工作。所以扩频系统在深空远距离的通信中占有显著地位。信中占有显著地位。 扩频的一般模型扩频的一般模型1.3 扩频系统的优点 1.3.1干扰抑制干扰抑制n说明:说明:1.1.通信链路中有许多正交信号坐标点或维数可供选择,通信链路中有许多正交信号坐标点或维数可供选择,在任意一时段只选用其中的一个很好的子集。在任意一时段只选用其中的一个很好的子集。2.2.假定干扰者无法确定当前使用的信号子集,对于带假定干扰者无法确定当前使用的信号子集,对于带宽宽W,持续时间,持续时间T的信号,可以证
13、明其信号的维数约的信号,可以证明其信号的维数约为为2WT,而系统的误码率性能只是信噪比的函数。,而系统的误码率性能只是信噪比的函数。3.3.在功率无限的高斯白噪声环境下,扩频在功率无限的高斯白噪声环境下,扩频(增大了增大了2WT的值的值)并没有带来性能的提升。并没有带来性能的提升。4.4.功率固定且有限的干扰台只能在有限的频带内施放功率固定且有限的干扰台只能在有限的频带内施放噪声干扰,而且,不能确定信号坐标点所处的信号噪声干扰,而且,不能确定信号坐标点所处的信号空间的位置。扩频带来了性能的提升。空间的位置。扩频带来了性能的提升。干扰:干扰台数目有限,功率固定,只能在有限的频干扰:干扰台数目有限
14、,功率固定,只能在有限的频带内施放噪声干扰,不能确定信号坐标点所处的信带内施放噪声干扰,不能确定信号坐标点所处的信号空间的位置。号空间的位置。干扰可能的方式:干扰可能的方式:n1.向系统使用的信号坐标点施放等强度的干扰,结向系统使用的信号坐标点施放等强度的干扰,结果是落在每一坐标点上的干扰噪声功率很小。果是落在每一坐标点上的干扰噪声功率很小。n2.在某些信号坐标上施放高强度的干扰(也可以理在某些信号坐标上施放高强度的干扰(也可以理解为在各个坐标点上施加强度不一的干扰)。解为在各个坐标点上施加强度不一的干扰)。1.3.2降低能量密度降低能量密度 n低检测概率或低截获概率通信系统低检测概率或低截获
15、概率通信系统:除了既定的除了既定的接收者之外,通信过程不要被其他的系统所侦测接收者之外,通信过程不要被其他的系统所侦测n设计原则:使得除既定接收者以外的任何一方,检设计原则:使得除既定接收者以外的任何一方,检测到信号的难度尽可能地大。需采用最小的信号功测到信号的难度尽可能地大。需采用最小的信号功率和最佳的信号方案,使得信号被检测到的概率尽率和最佳的信号方案,使得信号被检测到的概率尽量低。量低。n结论:扩频信号具备低检测概率通信系统的特点,结论:扩频信号具备低检测概率通信系统的特点,即在抗干扰的同时,还具有难以被察觉的优点。对即在抗干扰的同时,还具有难以被察觉的优点。对于不知道同步扩频信号的接收
16、者而言,扩频信号好于不知道同步扩频信号的接收者而言,扩频信号好像像“埋藏在噪声中埋藏在噪声中”一样难以检测。一样难以检测。 辐射仪(辐射仪(radiometerradiometer) 敌方用于功率检测的仪器辐射仪。包括一个通带为敌方用于功率检测的仪器辐射仪。包括一个通带为W W的带通滤波器(的带通滤波器(BPFBPF),一个平方电路将输出变换为正值),一个平方电路将输出变换为正值(以便于度量信号的能量)和一个积分电路,在时刻(以便于度量信号的能量)和一个积分电路,在时刻t = Tt = T,积分器的输出与预设的门限值比较,若积分器的输出大于门积分器的输出与预设的门限值比较,若积分器的输出大于门
17、限值,则判为信号存在;否则认为信号不存在。根据扩频信限值,则判为信号存在;否则认为信号不存在。根据扩频信号自身的特性,可用辐射仪及其他一些更复杂的仪器对其进号自身的特性,可用辐射仪及其他一些更复杂的仪器对其进行检测。行检测。n低定位概率:具有低定位概率:具有低截获概低截获概率(率(LPI)特性的扩频系)特性的扩频系统同时也呈现出低定位概率(统同时也呈现出低定位概率(LowProbabilityofPositionFix,LPPF)的特点,即使敌方检测到了信)的特点,即使敌方检测到了信号的存在,也很难确定信号传输的方向。有些扩频系号的存在,也很难确定信号传输的方向。有些扩频系统还具有统还具有低溯
18、源概率低溯源概率(LowProbabilityofSignalExploitation,LPSE)的特性,及敌方难以确定信号)的特性,及敌方难以确定信号来自何处。来自何处。n此外,通过扩频,可以降低信号能量密度以适应各国此外,通过扩频,可以降低信号能量密度以适应各国的分配规定。比如,卫星的下行传输必须符合地面辐的分配规定。比如,卫星的下行传输必须符合地面辐射电磁能谱密度的国际标准。经过扩频,信号能量分射电磁能谱密度的国际标准。经过扩频,信号能量分布在更宽的频带上,总的传输功率可以增加,因此,布在更宽的频带上,总的传输功率可以增加,因此,在提高性能的同时保证能量密度符合标准。在提高性能的同时保证
19、能量密度符合标准。1.3.3提高时间分辨率提高时间分辨率 n测距和定位:测距和定位:利用脉冲在信道中的传输时延可利用脉冲在信道中的传输时延可以计算出传播时间,时延测量的不确定度与脉以计算出传播时间,时延测量的不确定度与脉冲信号带宽成反比,如图冲信号带宽成反比,如图5所示,不确定度与所示,不确定度与脉冲时间成正比,即与脉冲信号的带宽成反比,脉冲时间成正比,即与脉冲信号的带宽成反比,亦即亦即Wt1图5时延测量t脉 冲 信 号不 确 定 度tWt1脉冲上升时间n结论:带宽越大,测距的精度就越高。结论:带宽越大,测距的精度就越高。在高斯信道中,对单个脉冲的一次性测在高斯信道中,对单个脉冲的一次性测量是
20、不可靠的,扩频技术中采用极性不量是不可靠的,扩频技术中采用极性不断变化的长序列编码信号(如断变化的长序列编码信号(如2BPSK调调制信号)代替单个脉冲。接收端对接收制信号)代替单个脉冲。接收端对接收序列与本地移位序列进行相关检测,即序列与本地移位序列进行相关检测,即可精确测定时延和距离。可精确测定时延和距离。1.3.4多址接入多址接入n扩频可用于多址接入以实现多用户共享通信扩频可用于多址接入以实现多用户共享通信资源的目的。例如码分多址接入资源的目的。例如码分多址接入(CDMA)技技术,同一时间上的每个用户使用各自唯一的术,同一时间上的每个用户使用各自唯一的扩频序列进行通信。此类多址接入技术的另
21、扩频序列进行通信。此类多址接入技术的另一个优点是可以采用不同扩频信号的用户提一个优点是可以采用不同扩频信号的用户提供通信保密,由于所有扩频序列的不同,未供通信保密,由于所有扩频序列的不同,未经授权的用户难以检测到他人通信的内容。经授权的用户难以检测到他人通信的内容。 1.4 扩频技术的种类扩频技术的种类n直接序列(直接序列(DS)系统:用一高速数字编码序)系统:用一高速数字编码序列直接调制发射机载波,由于编码序列的带宽列直接调制发射机载波,由于编码序列的带宽应远大于原始信号带宽,从而扩展了信号频谱;应远大于原始信号带宽,从而扩展了信号频谱;n跳频(跳频(FH)系统:使发射机频率在一组预先)系统
22、:使发射机频率在一组预先指定的频率上按照编码序列所规定的顺序离散指定的频率上按照编码序列所规定的顺序离散的跳变,从而扩展发射波的频谱;的跳变,从而扩展发射波的频谱;nCDMA(CDMA(码分多址码分多址) )和直接序列扩频的和直接序列扩频的CDMACDMA1.5直接序列扩频抗干扰模型直接序列扩频抗干扰模型 图6直接序列扩频系统 滤波器(带宽R)扩频编码信号g(t)码片速率Rch扩频信号带宽RchWss扩频编码信号g(t)码片速率Rch数据信号x(t)数据速率Rn发射时信号能量几乎均匀分布在很宽的频带内;发射时信号能量几乎均匀分布在很宽的频带内;n接收端进行相关处理,当两个信号完全相同时(相关接
23、收端进行相关处理,当两个信号完全相同时(相关性很好)得到最大的相关峰值;性很好)得到最大的相关峰值;n如果除有用信号还有一个功率很强的干扰信号,则在如果除有用信号还有一个功率很强的干扰信号,则在解扩过程中其频谱反而被扩展开来,干扰信号功率谱解扩过程中其频谱反而被扩展开来,干扰信号功率谱密度大大降低,经窄带滤波器后干扰信号功率大为减密度大大降低,经窄带滤波器后干扰信号功率大为减弱;弱;n扩频信号带宽和中频滤波器带宽之比越大,接收机解扩频信号带宽和中频滤波器带宽之比越大,接收机解调器输出的干扰功率就越小,因而输出信噪比越高调器输出的干扰功率就越小,因而输出信噪比越高n如果干扰的相干性越强,解扩后有
24、用信号带宽内残留如果干扰的相干性越强,解扩后有用信号带宽内残留的干扰功率越强,信噪比改善越小。的干扰功率越强,信噪比改善越小。1) 基本概念 所谓直接序列扩频, 就是在发端直接用具有高码率的扩频码序列对信息比特流进行调制, 从而扩展信号的频谱, 在接收端, 用与发送端相同的扩频码序列进行相关解扩, 把展宽的扩频信号恢复成原始信息。 一种直接序列扩频技术是使用异或运算将数字信息流与扩展码位流结合起来. 直接序列扩频直接序列扩频(DSSS)信息流的位信息流的位1 1会使扩展码翻转而直接传输会使扩展码翻转而直接传输. .信息位为信息位为0 0则则使扩展码位不翻转而直接传输使扩展码位不翻转而直接传输.
25、 .DSSS 用BPSK的实现方法n多进制 BPSK signal,sd(t) = A d(t) cos(2 fct) by c(t) takes values +1, -1 to gets(t) = A d(t)c(t) cos(2 fct)nA = amplitude of signalnfc = carrier frequencynd(t) = discrete function +1, -1n在接受端,输入信号再次乘于 c(t)n因为 c(t) x c(t) = 1, ns(t)c(t) = A d(t)c(t) cos(2 fct)c(t)= sd(t) DSSS 用BPSK的实现方
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