擴(kuò)頻通信技術(shù)-修改版.ppt

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1、現(xiàn)代通信技術(shù)進(jìn)展第二講：擴(kuò)頻通信技術(shù)2021/8/211概述擴(kuò)展頻譜通信的基本概念擴(kuò)展頻譜通信模型擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)抗干擾性能分析2021/8/221.1擴(kuò)展頻譜通信的基本概念擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)是指待傳輸信息的頻譜用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)擴(kuò)展后成為寬頻帶信號(hào)，送入信道中傳輸，再利用一定手段將其壓縮，從而獲取傳輸信息的通信系統(tǒng)。在傳輸同樣信息時(shí)所需的射頻帶寬，遠(yuǎn)比我們已熟知的各種調(diào)制方式要求的帶寬要寬得多。擴(kuò)頻帶寬至少是信息帶寬的幾十至幾萬(wàn)倍。信息已不再是決定調(diào)制信號(hào)帶寬的一個(gè)重要因素，調(diào)制信號(hào)的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)來(lái)決定。2021/8/23擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)必須滿(mǎn)足以下兩條準(zhǔn)則：(1)傳

2、輸帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被傳送的原始信息的帶寬；(2)傳輸帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)決定，擴(kuò)頻函數(shù)常用偽隨機(jī)編碼信號(hào)。我們已熟知的各種調(diào)制方式，如調(diào)幅、調(diào)頻，數(shù)字調(diào)制中FSK、PSK、QAM和MSK等都不屬于擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的范疇。2021/8/24以偽隨機(jī)碼序列作擴(kuò)頻函數(shù)的直接序列擴(kuò)展頻譜通信為例來(lái)研究擴(kuò)頻系統(tǒng)原理。編碼器數(shù)據(jù)源發(fā)射機(jī)序列發(fā)生器射頻振蕩器2021/8/25二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)與一個(gè)高速率的二進(jìn)制偽隨機(jī)碼相乘，得到復(fù)合信號(hào)；一般偽隨機(jī)碼的速率是Mb/s的量級(jí)，有的甚至達(dá)到幾百M(fèi)b/s。而待傳信息流經(jīng)編碼器編碼后的碼速率較低，數(shù)字話(huà)音信號(hào)一般為32～64kbps，這就擴(kuò)展了信息的速

3、率；擴(kuò)頻后的復(fù)合信號(hào)對(duì)載波調(diào)制(直接序列擴(kuò)頻一般用BPSK調(diào)制)后，通過(guò)發(fā)射機(jī)和天線(xiàn)送入信道中傳輸;的射頻帶寬取決于偽隨機(jī)碼的碼速率。在BPSK情況下等于偽隨機(jī)碼速率的2倍，而與數(shù)字信息流的碼速率幾乎無(wú)關(guān)。以上處理過(guò)程就達(dá)到了擴(kuò)展數(shù)字信息流頻譜的目的。2021/8/26在接收端用一個(gè)和發(fā)射端同步的偽隨機(jī)碼所調(diào)制的本地振蕩信號(hào)，與接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理。相關(guān)處理是將兩個(gè)信號(hào)相乘，然后求其數(shù)學(xué)期望或求兩個(gè)信號(hào)瞬時(shí)值相乘的積分。2021/8/27當(dāng)兩個(gè)信號(hào)完全相同時(shí)（或相關(guān)性很好），得到最大的相關(guān)峰值，經(jīng)數(shù)據(jù)檢測(cè)器恢復(fù)發(fā)射端的信號(hào)為。若信道中存在著干擾，這些干擾包括窄帶干

4、擾、單頻干擾、多徑干擾或碼分多址信號(hào)。它們和有用信號(hào)同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)。由于窄帶噪聲和多徑干擾與本地?cái)U(kuò)頻信號(hào)不相關(guān)，故在相關(guān)處理中被削弱，也就是干擾信號(hào)的能量被擴(kuò)展到整個(gè)擴(kuò)頻帶寬內(nèi)，降低了干擾電平，相關(guān)器后的基帶濾波器只輸出基帶信號(hào)和處在濾波器通帶內(nèi)的那部分干擾和噪聲，這樣就大大改善了系統(tǒng)的輸出信噪比。2021/8/28圖3幾種典型的噪聲2021/8/29圖4功率譜比較2021/8/210由上面對(duì)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的定性討論中，我們知道了現(xiàn)代擴(kuò)頻通信系統(tǒng)從部件或框圖上看，沒(méi)有什么新東西。它與常規(guī)通信系統(tǒng)相比，發(fā)射端增加了一個(gè)高速率的偽隨機(jī)碼，并與數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)波形相乘，接收端增加

5、了一個(gè)本地?cái)U(kuò)頻碼，與接收到的信號(hào)進(jìn)行一次相關(guān)解擴(kuò)。經(jīng)過(guò)這些處理，擴(kuò)頻系統(tǒng)就比常規(guī)的通信系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗人為干擾、抗窄帶干擾、抗多徑干擾的能力。此外還具有信息隱蔽、低的空間無(wú)線(xiàn)電波“通量密度”及多址保密通信等優(yōu)點(diǎn)。2021/8/211擴(kuò)展頻譜技術(shù)的理論基礎(chǔ)可用Shannon信道容量公式來(lái)描述，該公式表明，在高斯信道中當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信號(hào)噪聲功率比S／N下降時(shí)，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬的辦法來(lái)保持信道容量C不變。對(duì)于任意給定的信號(hào)噪聲功率比，可以用增大傳輸帶寬來(lái)獲得較低的信息差錯(cuò)率。擴(kuò)展頻譜技術(shù)正是利用這一原理，用高速率的擴(kuò)頻碼來(lái)達(dá)到擴(kuò)展待傳輸?shù)臄?shù)字信息帶寬。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的帶寬比

6、常規(guī)通信體制大幾百倍至幾千倍，故在相同的信噪比條件下，具有較強(qiáng)的抗噪聲干擾的能力。2021/8/212Shannon還指出：在高斯噪聲的干擾下，在限平均功率的信道上，實(shí)現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號(hào)是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)。這是因?yàn)楦咚拱自肼曅盘?hào)具有理想的自相關(guān)特性，白噪聲的自相關(guān)函數(shù)具有函數(shù)的特點(diǎn)，說(shuō)明它具有尖銳的自相關(guān)特性。但是對(duì)于白噪聲信號(hào)的產(chǎn)生、加工和復(fù)制至今仍存在著許多技術(shù)困難．然而人們已經(jīng)找到了一些易于產(chǎn)生又便于加工和控制的偽噪聲序列，它們的統(tǒng)計(jì)特性逼近于高斯白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性。2021/8/213早在50年代，哈爾凱維奇就從理論上證明：要克服多徑衰落干擾的影

7、響，信道中傳輸?shù)淖罴研盘?hào)形式也應(yīng)該是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)形式。擴(kuò)頻函數(shù)(偽碼)逼近白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，因而擴(kuò)頻通信又具有抗多徑干擾的能力。2021/8/214擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)按其工作方式可以分為下列幾種：（l）直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)（DS－SS）：前面討論過(guò)的擴(kuò)頻通信，就是直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)。它是由于待傳信息信號(hào)與高速率的偽隨機(jī)碼波形相乘后，去直接控制射頻信號(hào)的某個(gè)參量，擴(kuò)展了傳輸帶寬而得名的。2021/8/215圖5直接序列擴(kuò)頻2021/8/216圖6擴(kuò)頻碼2021/8/217（2）跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)（FH-SS）：數(shù)字信息與二進(jìn)制偽碼序列模二相加后，去離