码分多址直接序列扩频DS—CDMA课件.ppt

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1、6.1 多址技术多址技术n n一般来说，使多个用户信号共用同一个信道进行传一般来说，使多个用户信号共用同一个信道进行传输的多址技术主要有三种。最简单的方法是把可用输的多址技术主要有三种。最简单的方法是把可用信道带宽划分为许多个（如信道带宽划分为许多个（如K K个）频率互不重叠的个）频率互不重叠的子信道，如图子信道，如图6-1-2(a)6-1-2(a)所示，并按用户请求把子信所示，并按用户请求把子信道分配给每个用户，即给每个用户分配不同地址。道分配给每个用户，即给每个用户分配不同地址。这就是频分多址（这就是频分多址（Frequency Division Multiple Frequency Di

2、vision Multiple AccessAccessAddressAddress），简称），简称FDMAFDMA。FDMAFDMA主要用主要用于模拟载波通信、微波通信和卫星通信系统中，如于模拟载波通信、微波通信和卫星通信系统中，如北美北美800MHz800MHz的的AMPSAMPS体制。体制。6.2 扩频通信技术扩频通信技术n n扩频通信最早始于军事通信，直到扩频通信最早始于军事通信，直到8080年代末，在美国开始了年代末，在美国开始了采用扩频通信机制的商用通信使用。扩频通信由于其在抗干采用扩频通信机制的商用通信使用。扩频通信由于其在抗干扰、保密性和增加系统容量方面都有突出优点，迅速地在民

3、扰、保密性和增加系统容量方面都有突出优点，迅速地在民用通信领域普及开来，第三代移动通信用通信领域普及开来，第三代移动通信3G3G就是以扩频技术就是以扩频技术为基础的。为基础的。n n扩频是一种数字信息的调制传输方式，通过一个独立的码序扩频是一种数字信息的调制传输方式，通过一个独立的码序列来完成，其信号所占带宽远大于传输信息所必需的最小带列来完成，其信号所占带宽远大于传输信息所必需的最小带宽；在接收端则用相同的码序列进行相关同步接收、解扩，宽；在接收端则用相同的码序列进行相关同步接收、解扩，最后恢复所传的信息数据。扩频通信系统就是在发送端对信最后恢复所传的信息数据。扩频通信系统就是在发送端对信号

4、进行扩频调制、接收端再解扩频后恢复原始信号的传输系号进行扩频调制、接收端再解扩频后恢复原始信号的传输系统。扩频技术广泛应用于通信和雷达及导航领域中，常用的统。扩频技术广泛应用于通信和雷达及导航领域中，常用的商用扩展频谱技术主要有直接序列扩频技术和跳频技术。商用扩展频谱技术主要有直接序列扩频技术和跳频技术。6.2.1 扩频数字通信系统的模型扩频数字通信系统的模型n n与常规通信系统相比，扩频调制在收、发两端分别多进行与常规通信系统相比，扩频调制在收、发两端分别多进行了一次扩频调制和解扩频，使得信道中传输的信号成为带了一次扩频调制和解扩频，使得信道中传输的信号成为带宽远大于其原始信号带宽的宽带低密

5、度信号。这一处理导宽远大于其原始信号带宽的宽带低密度信号。这一处理导致扩频信号具有如下特点：致扩频信号具有如下特点：n n 易于在同一地区重复使用同一频率，也可与各种窄带通易于在同一地区重复使用同一频率，也可与各种窄带通信共享同一频率资源，提高了频谱利用率。信共享同一频率资源，提高了频谱利用率。n n 抗干扰性强，尤其是抗窄带干扰和多径干扰力强，误码抗干扰性强，尤其是抗窄带干扰和多径干扰力强，误码率低。扩频通信在空间传输时占有带宽相对较宽，而接收率低。扩频通信在空间传输时占有带宽相对较宽，而接收端采用相关解调来解扩，使有用宽带信号恢复成窄带信号；端采用相关解调来解扩，使有用宽带信号恢复成窄带信

6、号；而非需要信号如噪声等先被扩展成宽带信号，然后在接收而非需要信号如噪声等先被扩展成宽带信号，然后在接收端通过窄带滤波提取有用的信号时被极大地抑制。端通过窄带滤波提取有用的信号时被极大地抑制。n n 信息隐蔽、多址保密通信。信息隐蔽、多址保密通信。n n根据扩频信号的分类，数字扩频通信系统相应可以分为根据扩频信号的分类，数字扩频通信系统相应可以分为以下几种：以下几种：n n（1 1）直接序列扩频通信系统（）直接序列扩频通信系统（DSDSSSSS）：由待传信）：由待传信息信号与高速率的伪随机序列息信号与高速率的伪随机序列PNPN码相乘后，直接控制码相乘后，直接控制射频信号的某个参量；射频信号的某

7、个参量；n n（2 2）跳频扩频系统（）跳频扩频系统（FHFHSSSS）：由数字信息与二进制）：由数字信息与二进制PNPN序列模二相加后，离散地控制射频载波振荡器的输序列模二相加后，离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随出频率，使发射信号的频率随PNPN码的变化而跳变；码的变化而跳变；n n（3 3）跳时扩频系统（）跳时扩频系统（THTHSSSS）：用）：用PNPN序列控制信号序列控制信号的发射时刻和持续时间，使发射信号的有无同伪随机序的发射时刻和持续时间，使发射信号的有无同伪随机序列码变换规律一致；列码变换规律一致；n n（4 4）混合式扩频系统：将以上三种基本扩频方式中的）

8、混合式扩频系统：将以上三种基本扩频方式中的两种或多种结合起来构成，具有更为优良的性能，但系两种或多种结合起来构成，具有更为优良的性能，但系统更复杂。统更复杂。6.2 直接序列扩频通信直接序列扩频通信一一.直接序列扩频调制的基本原理直接序列扩频调制的基本原理6.2.2 直接序列扩频通信直接序列扩频通信一一.直接序列扩频调制的基本原理直接序列扩频调制的基本原理理想扩频系统波形 n n二、码分多址二、码分多址二、码分多址二、码分多址/直接序列扩频（直接序列扩频（直接序列扩频（直接序列扩频（DSDSCDMACDMA）系统）系统）系统）系统n nDSDSCDMACDMA系统直接将数字信号与高速扩频系统直

9、接将数字信号与高速扩频PNPN序列在发送端相序列在发送端相乘后，调制到高频载波上进行发射。由于乘后，调制到高频载波上进行发射。由于PNPN码的速率远大于信码的速率远大于信码速率，故该码速率，故该PSKPSK信号频谱被极大地展宽。在接收端，则用与发信号频谱被极大地展宽。在接收端，则用与发送端码型相同、严格同频同相的本地送端码型相同、严格同频同相的本地PNPN码和本地载波信号与收码和本地载波信号与收到的信号混频和解扩，得到仅受信码调制的窄带中频信号，再对到的信号混频和解扩，得到仅受信码调制的窄带中频信号，再对它进行中频放大和滤波，然后经数字解调即可恢复原信码。它进行中频放大和滤波，然后经数字解调即

10、可恢复原信码。三DSCDMA的组成的组成 发送端：发送端：信源编码器、载波信号发生器、信源编码器、载波信号发生器、PNPN码序列发生器、码序列发生器、功率放大器、扩频调制器、低噪声放大器功率放大器、扩频调制器、低噪声放大器 接收端：接收端：同步跟踪电路、本地载波信号发生器、本地码序列发同步跟踪电路、本地载波信号发生器、本地码序列发生器、扩频解调器、数据信息解调器生器、扩频解调器、数据信息解调器6.2.36.2.3PNPN序列的生成序列的生成序列的生成序列的生成一一一一PNPN序列码基本特性序列码基本特性序列码基本特性序列码基本特性二二二二mm序列序列序列序列6.3 6.3 跳频扩频信号跳频扩频

11、信号跳频扩频信号跳频扩频信号6.3.1 6.3.1 跳频信号的调制及解调跳频信号的调制及解调跳频信号的调制及解调跳频信号的调制及解调一跳频的基本原理一跳频的基本原理一跳频的基本原理一跳频的基本原理6.2.3 脉冲干扰对脉冲干扰对DS扩频系统的影响扩频系统的影响6.2.4 PN序列的生成序列的生成n n选用的地址码应该具有如下几条特性：选用的地址码应该具有如下几条特性：n n 必须具有足够多的地址码码组序列，必须具有足够多的地址码码组序列，以实现码分多以实现码分多址的要求；址的要求；n n 各地址码序列应该有尖锐的自相关特性，码组间彼各地址码序列应该有尖锐的自相关特性，码组间彼此独立即互相关函数

12、值为零或很小；此独立即互相关函数值为零或很小；n n 不同的码元数应平衡相等。不同的码元数应平衡相等。n n 工程上易于产生、加工、复制和控制。工程上易于产生、加工、复制和控制。n n实际生产中采用的实际生产中采用的PNPN码序列主要是码序列主要是mm序列、序列、GoldGold序列序列和和WalshWalsh码，他们都不能严格满足上述要求，要么自码，他们都不能严格满足上述要求，要么自相关性好但互相关值达不到为相关性好但互相关值达不到为0 0（如（如mm序列、序列、GoldGold序列）序列），要么互相关性好但自相关性却较差（如，要么互相关性好但自相关性却较差（如WalshWalsh码）。码）

13、。二二二二mm序列序列序列序列 m m序列也称最长线性反馈移位寄存器序列，这是一序列也称最长线性反馈移位寄存器序列，这是一种简单而又容易实现的周期性序列。图中小方格表示种简单而又容易实现的周期性序列。图中小方格表示1 1、2 2、N N个触发器，每个乘法器的相乘系数都为二值序个触发器，每个乘法器的相乘系数都为二值序列列0 0或或1 1，产生，产生mm序列的周期长度由各乘法器相乘系数的序列的周期长度由各乘法器相乘系数的不同不同0 0、1 1组合决定，产生的组合决定，产生的mm序列的周期最长为序列的周期最长为2N2N1 1。n n由于由于mm序列的周期长度序列的周期长度T=2NT=2N1 1对其相

14、关特性起着决定性对其相关特性起着决定性的作用，从系统容量的角度出发，应使得的作用，从系统容量的角度出发，应使得mm序列的长度尽序列的长度尽可能长，可以供给更多的用户使用，这样系统的容量就更可能长，可以供给更多的用户使用，这样系统的容量就更大；而且，序列越长，对信号的频谱扩展程度越大，扩频大；而且，序列越长，对信号的频谱扩展程度越大，扩频后信号的频谱密度就越小，系统增益和保密性都将越高。后信号的频谱密度就越小，系统增益和保密性都将越高。但是，从系统收发同步、系统电路的复杂性及可实现性的但是，从系统收发同步、系统电路的复杂性及可实现性的角度考虑，则角度考虑，则mm序列又不能太长。故序列又不能太长。

15、故mm序列的长度应根据序列的长度应根据实际情况做综合考虑实际情况做综合考虑 n n每种级数每种级数mm序列生成电路都有相应的最长周期输出序列逻序列生成电路都有相应的最长周期输出序列逻辑连接关系，这可以在任何一个工程表中查到。对于辑连接关系，这可以在任何一个工程表中查到。对于m=4m=4，其对应的最长周期（，其对应的最长周期（24241 11515）序列逻辑关系查表为）序列逻辑关系查表为（2323）8 8，换用二进制即（，换用二进制即（010011010011）2 2，也就是说该，也就是说该4 4级级mm序列输出最长周期（序列输出最长周期（1515）序列时的电路逻辑关系为）序列时的电路逻辑关系为

16、F=1+x+xF=1+x+x4 4。三三Gold序列信号的产生序列信号的产生n nWalshWalsh正交码生成容易且应用方便，但自相关旁正交码生成容易且应用方便，但自相关旁瓣大且分布不均，自相关特性不理想，必须经过瓣大且分布不均，自相关特性不理想，必须经过一定处理才能用于扩频通信。正交一定处理才能用于扩频通信。正交GoldGold序列和序列和WalshWalsh码的正交性能相近，但自相关特性却远胜码的正交性能相近，但自相关特性却远胜WalshWalsh码，便于扩频通信过程中的同步捕捉和跟码，便于扩频通信过程中的同步捕捉和跟踪稳定。踪稳定。n nmm序列生成序列生成GoldGold码的方法有串

17、联型和并联型，但码的方法有串联型和并联型，但实用中更多地采用并联型电路方式。实用中更多地采用并联型电路方式。n n实际电路中，由于各分离器件的时延不同，当实际电路中，由于各分离器件的时延不同，当mm序列要求级数较多时，基本上不太可能生成输出序列要求级数较多时，基本上不太可能生成输出要求的最长要求的最长mm序列信号，一般都采用可编程集成序列信号，一般都采用可编程集成器件来实现完成。器件来实现完成。6.3 跳频扩频信号跳频扩频信号n n6.3.1 6.3.1 跳频信号的调制及解调跳频信号的调制及解调跳频信号的调制及解调跳频信号的调制及解调n n一跳频的基本原理一跳频的基本原理一跳频的基本原理一跳频

18、的基本原理n n跳频调制方式中，其发射信号的载波频率随着扩频码的变跳频调制方式中，其发射信号的载波频率随着扩频码的变化而发生周期性的跳变，故称之频率跳变扩频调制，简称化而发生周期性的跳变，故称之频率跳变扩频调制，简称FHFH。它的载频。它的载频由由PNPN序列构成的跳频指令来控制频率合成序列构成的跳频指令来控制频率合成器，在多个频率中进行选择实现的一种频移键控方式。也器，在多个频率中进行选择实现的一种频移键控方式。也就是说，在同一个时间周期内，就是说，在同一个时间周期内，FHFH信号的频率不会变化，信号的频率不会变化，但在下一个时间周期内却可能跳变到了另一个许可的频率但在下一个时间周期内却可能

19、跳变到了另一个许可的频率上，其跳变模式由伪随机上，其跳变模式由伪随机PNPN序列码决定，即序列码决定，即由所传信息由所传信息码与码与PNPN序列模二加（波形相乘）的组合来构成跳频图案序列模二加（波形相乘）的组合来构成跳频图案由它来随机选择发送频率。所以，常常把跳频过程归纳为由它来随机选择发送频率。所以，常常把跳频过程归纳为“多频、选码、频移键控多频、选码、频移键控”。一般称载波可用的所有频率。一般称载波可用的所有频率的集合为跳频集。的集合为跳频集。n n和前面的直接序列扩频相比，和前面的直接序列扩频相比，FHFH信号和信号和DSDS信号在时间和频信号在时间和频率的占用方式上截然不同，可用下面的

20、图率的占用方式上截然不同，可用下面的图6 63 31 1表示。明表示。明显的，采用显的，采用FHFH方式的系统在传输时仅占用整个系统频段的方式的系统在传输时仅占用整个系统频段的一小部份，而一小部份，而DSDS系统则随时占用整个系统频段。因此，两系统则随时占用整个系统频段。因此，两个平均功率相同的直扩系统和跳频系统在同一时刻某一确个平均功率相同的直扩系统和跳频系统在同一时刻某一确定频段上的功率可能各不相同。定频段上的功率可能各不相同。n n跳频是载波频率在一定范围内不断跳变意义上扩跳频是载波频率在一定范围内不断跳变意义上扩频，而不是对被传送信息进行扩谱，不会得到直频，而不是对被传送信息进行扩谱，

21、不会得到直序扩频的处理增益。跳频相当于瞬时的窄带通信序扩频的处理增益。跳频相当于瞬时的窄带通信系统，基本等同于常规通信系统。因此不能抗多系统，基本等同于常规通信系统。因此不能抗多径干扰，同时发射效率低，同样发射功率的跳频径干扰，同时发射效率低，同样发射功率的跳频系统在有效传输距离上小于直扩系统。但是跳频系统在有效传输距离上小于直扩系统。但是跳频系统具有很强的抗频率干扰能力，一般固定频率系统具有很强的抗频率干扰能力，一般固定频率的干扰只会干扰它的一部分频点。的干扰只会干扰它的一部分频点。n n跳频系统跳速的高低直接反映其性能，跳速越高跳频系统跳速的高低直接反映其性能，跳速越高系统抗干扰性越好，军

22、用跳频系统一般达到每秒系统抗干扰性越好，军用跳频系统一般达到每秒上万跳。实际上，移动通信上万跳。实际上，移动通信GSMGSM系统也是跳频系系统也是跳频系统，其规定的跳速为每秒统，其规定的跳速为每秒217217跳。出于成本的考虑跳。出于成本的考虑，商用跳频系统跳速都很慢，一般在，商用跳频系统跳速都很慢，一般在5050跳跳/秒以下。秒以下。由于慢跳跳频系统可以简单的实现，因此低速无由于慢跳跳频系统可以简单的实现，因此低速无线局域网产品常常采用这种技术。线局域网产品常常采用这种技术。6.4 扩频系统的同步扩频系统的同步n n直扩系统解扩时，只有在完成伪随机码直扩系统解扩时，只有在完成伪随机码PNPN

23、码的同步后，才能用码的同步后，才能用同一码序列对扩频信号进行相关解扩。接收机本地同一码序列对扩频信号进行相关解扩。接收机本地PNPN码的速率码的速率和相位要与接收到的高速扩频序列保持一致，也即当发射和接收和相位要与接收到的高速扩频序列保持一致，也即当发射和接收端的端的PNPN码之间相位差达到一个码之间相位差达到一个ChipChip码片时，它们之间的相关性码片时，它们之间的相关性就不存在了。因此，解扩的第一步就是要在接收信号中捕获到与就不存在了。因此，解扩的第一步就是要在接收信号中捕获到与本地本地PNPN码一致的相位状态，这一过程常称为同步捕捉。码一致的相位状态，这一过程常称为同步捕捉。n n扩

24、频序列中的同步捕捉一般采用匹配滤波器或相位搜索电路实现，扩频序列中的同步捕捉一般采用匹配滤波器或相位搜索电路实现，接收机在搜索同步过程中，通过改变本地接收机在搜索同步过程中，通过改变本地PNPN码的时钟速率，使码的时钟速率，使接收信号中的接收信号中的PNPN码相位和本地码相位和本地PNPN码相位在相关器内相对滑动。码相位在相关器内相对滑动。滑动过程中，当相关器相关输出峰值超过捕获门限即阈值后，就滑动过程中，当相关器相关输出峰值超过捕获门限即阈值后，就认定完成同步捕获。此时收发双方的认定完成同步捕获。此时收发双方的PNPN码相位误差就小于一个码相位误差就小于一个chipchip码宽（码宽（TcT

25、c）了。）了。n n完成捕捉后，同步过程转入跟踪状态，它的目的是使双方完成捕捉后，同步过程转入跟踪状态，它的目的是使双方PNPN码码的相位差进一步缩小，彼此的相关性进一步增大，使解扩频获得的相位差进一步缩小，彼此的相关性进一步增大，使解扩频获得高的增益，满足后续解调门限要求。高的增益，满足后续解调门限要求。6.4.1 同步建立或捕捉同步建立或捕捉 在在DSDS扩频系统中，扩频系统中，PNPN码必须在码元间隔为码必须在码元间隔为TC1/WTC1/W的一个小范围内达到同的一个小范围内达到同步，初始同步其实就是使接收机时钟与发送机时钟在时间上达到同步的过程。步，初始同步其实就是使接收机时钟与发送机时

26、钟在时间上达到同步的过程。扩频系统中使用的时钟通常精度和稳定度极高，可使收、发系统之间的时间扩频系统中使用的时钟通常精度和稳定度极高，可使收、发系统之间的时间不确定性降低。然而，由于发送机与接收机之间的距离不可能完全确定，所不确定性降低。然而，由于发送机与接收机之间的距离不可能完全确定，所以总是存在初始定时不确定的情况。为建立初始同步，一般由发送机发送一以总是存在初始定时不确定的情况。为建立初始同步，一般由发送机发送一个已知的伪随机数据序列，接收机则通过一种连续搜索的模式搜寻该序列，个已知的伪随机数据序列，接收机则通过一种连续搜索的模式搜寻该序列，建立起初始同步。建立起初始同步。6.4.2 同步跟踪同步跟踪一一旦旦信信号号被被捕捕捉捉到到，则则初初始始搜搜索索捕捕获获过过程程立立即即停停止止，转转而而开开始始精精确确的的同同步步跟跟踪踪过过程程。跟跟踪踪用用来来维维持持接接收收机机中中PNPN码码发发生生器器与与接接收收信信号的同步，包括精确的码片和相干解调中的载波相位跟踪号的同步，包括精确的码片和相干解调中的载波相位跟踪6.5 其他类型的扩频信号其他类型的扩频信号6.5.1 6.5.1 跳时扩频信号跳时扩频信号跳时扩频信号跳时扩频信号