WLAN无线局域网的物理层技术省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

吉林大学通信工程学院吉林大学通信工程学院 姜姜 宏宏 第第6 6章章 无线局域网物理层技术无线局域网物理层技术第1页内容：内容：概述概述WLAN射频技术射频技术WLAN调制解调技术调制解调技术WLAN扩频传输技术扩频传输技术第2页概述概述第3页第一节第一节 WLAN射频技术射频技术物理信道划分物理信道划分双工技术双工技术收发信机结构收发信机结构第4页1、物理信道类型频分信道频分信道时分信道时分信道码分信道码分信道空分信道空分信道单信道单信道多信道多信道窄带射频窄带射频(RF)(RF)信道信道频分复用信道频分复用信道基带红外线基带红外线码分多址直接序列扩频码分多址直接序列扩频 DSSSDSSS第5页（1）DSSS WLAN物理信道划分物理信道划分使用使用2.4GHzISM2.4GHzISM频段。频段。美国、加拿大、中国、欧洲指定美国、加拿大、中国、欧洲指定工作频率从工作频率从2.42.4835GHz2.42.4835GHz；日；日本指定为本指定为2.4712.497GHz2.4712.497GHz；法国；法国指定为指定为2.44652.4835GHz2.44652.4835GHz；西；西班牙指定为班牙指定为2.4452.475GHz2.4452.475GHz。标。标明明X X信道都已取得支持。信道都已取得支持。每个射频信道带宽为每个射频信道带宽为22MHz22MHz；相邻频道间隔相邻频道间隔5MHz5MHz；只有只有3 3个互不重合物理信道个互不重合物理信道（1,6,1,6,1111）；）；最小发送功率电平最小发送功率电平1mw1mw。第6页第7页（2）FHSS WLAN物理信道划分物理信道划分信道中心频率从第一信道开始，以信道中心频率从第一信道开始，以1MHz1MHz为间隔进行划分。为间隔进行划分。第8页（3）OFDM WLAN物理信道划分物理信道划分OFDM WLANOFDM WLAN多工作于多工作于5GHz5GHz频段；频段；U-NIIU-NII中要求，从中要求，从5GHz5GHz开始，以开始，以5MHz5MHz为步长，共为步长，共有有201201个通道：个通道：通道中心频率通道中心频率=5GHz+5*n=5GHz+5*nchch（MHzMHz），），其中，其中，n nch ch=0200=0200IEEE802.11aIEEE802.11a使用使用U-NII5.155.25GHzU-NII5.155.25GHz、5.255.35GHz5.255.35GHz和和5.7255.825GHz5.7255.825GHz，共，共300MHz300MHz射射频信道。频信道。两个相邻信道中心频率间隔两个相邻信道中心频率间隔20MHz20MHz（4 4个个U-NIIU-NII信信道带宽）道带宽）每个每个OFDMOFDM信道包含信道包含5252个子载波，占据约个子载波，占据约16.6MHz16.6MHz带宽。带宽。第9页第10页2、双工技术、双工技术FDDTDD 在在WLANWLAN中，中，IEEE802.11xIEEE802.11x系列标准，系列标准，HiperLan2HiperLan2标准，蓝牙系统和标准，蓝牙系统和HomeRFHomeRF系统采取都是系统采取都是TDDTDD。第11页3、收发信机结构、收发信机结构WLAN接收机结构 超外差接收机 直接变频接收机 镜像抑制接收机WLAN发射机结构WLAN收发信机结构第12页WLAN接收机结构接收机结构-1第13页WLAN接收机结构接收机结构-2第14页WLAN接收机结构第15页镜像抑制接收机-Hartley结构第16页镜像抑制接收机-Weaver结构第17页WLAN发射机结构发射机结构第18页WLAN收发信机结构收发信机结构-1第19页WLAN收发信机结构收发信机结构-2第20页WLAN收发信机结构收发信机结构-3第21页红外线红外线WLANWLAN：基带调制（脉冲调制，无载波）基带调制（脉冲调制，无载波）无线电波无线电波WLANWLAN：频带调制（有载波）：频带调制（有载波）对于对于IEEE802.11IEEE802.11系统系统:IEEE802.11bIEEE802.11b:采取采取DBPSKDBPSK、DQPSKDQPSK、CCK(CCK(补码键控补码键控)、PBCC(PBCC(分组二进制卷积码分组二进制卷积码)等调制方式等调制方式,DSSS,DSSS扩扩频传输方式频传输方式IEEE802.11aIEEE802.11a:采取采取BPSKBPSK、QPSKQPSK、16QAM16QAM调制调制,OFDMOFDM传输方式传输方式IEEE802.11gIEEE802.11g:采取采取OFDMOFDM传输方式，可选传输方式，可选PBCC-22PBCC-22调调制制.第二节第二节 WLAN调制解调技术调制解调技术第22页各种调各种调制方式制方式基带调制：基带调制：采取脉冲调制，如：采取脉冲调制，如：PAMPAM（脉幅调制）（脉幅调制）、PPM PPM（脉位调制）（脉位调制）、PWM PWM（脉宽调制）（脉宽调制）频带调制：频带调制：采取基本数字调制，如：采取基本数字调制，如：ASKASK（幅移键控）、（幅移键控）、PSK PSK（相移键控）（相移键控）、FSK FSK（频移键控）；（频移键控）；采取多符号调制，如：采取多符号调制，如：QPSKQPSK（四相相移键控），（四相相移键控），MPSK MPSK（多相相移键控），（多相相移键控），QAMQAM（正交幅度调制）（正交幅度调制）采取多载波调制，如：采取多载波调制，如：OFDMOFDM（正交频分复用）（正交频分复用）等。等。第23页 在选择调制方式时必须考虑到一些指标，其中最主要是：1.频谱效率，应增大每兆带宽所容纳信道数；2.误码率，能抗噪声及邻道干扰；3.对无线环境适应性；4.实现难度和成本。因为无线系统可利用频域有限，所以频谱利用率可能是任何新系统所要考虑重点。对于室内应用系统，在无线信道上衰落条件改变又给调制选择附加了更多限制。第24页 数字调制可分为两大类：恒定包络调制技术和线性调制技术。恒定包络调制恒定包络调制系统使发射机功率放大器工作在非线性C类状态，来提升功率放大器效率，降低成本。不过，这些好处是以牺牲频谱利用率为代价换来，假如不考虑调制电平数，恒定包络调制系统频谱利用率被限制在约1bit/s/Hz内。线性调制线性调制含有改变包络，它要求一个线性发射机功率放大器，因而造成成本与复杂度增加，不过这种调制可大大提升频谱利用率，这可填补成本增加。一、一、基本数字调制解调技术基本数字调制解调技术第25页（一）相移键控（一）相移键控最简单最惯用数字调制技术是相移键控(PSK)，PSK信号产生用平衡调制器来完成。在发发射射机机端端将数字信号a(t)和载波coswct送到平衡调制器输入端，在平衡调制器输出端就可得到一个PSK信号。假如二进制信号a(t)编码形式为：a(t)=1表示“1”或传号，a(t)=0表示“0”或空号，那么PSK信号即可表示为s(t)=cos(wct+(t),其中:a(t)=1，(t)=0a(t)=0,(t)=.这么，PSK波形是一个等幅信号，其相位在0和上改变。第26页在在接接收收机机端端对PSK信号解调可经过与发射机调制相同过程来完成，为了满足在加性高斯白噪声(AWGN)信道中系统性能指标要求，必须采取相干解调，PSK信号相干解调器如图所表示。第27页为了进行相干解调，在接收机中必须提取含有正确相位载波，能够先对接收信号平方，可得 s2(t)=1/2(1+cos2wct)从上式能够看出对s(t)平方后有直流分量和载波二次谐波分量，用窄带滤波器滤出二次谐波，经过二分频后，就可得到恢复载波coswct。恢复载波随即与接收信号s(t)相乘，得 s(t)=1/2cos(t)+cos2wct+(t)经低通滤波器滤除高频信号，得到低频信号cos(t)，因为(t)=0或，经积分后，在信息位同时信号作用下恢复出发送信息。位同时信号由位定时电路取得。第28页（二）四相相移键控（二）四相相移键控(QPSK)为了得到更高比特率，采取四相调制可使每一符号携带两比特数据，这么调制称为四相四相相移键控相移键控(QPSK)。与PSK调制相比较，QPSK在相同频带内可传输两倍数据量。在发射端，传输信息经串-并变换后得到两路数据分别去调制载波同相分量coswct和正交分量sinwct，将两个平衡调制器输出相加，就可得到QPSK信号，如图所表示。第29页设发送信号为a(t)，将a(t)偶数位和奇数位组成两个数据流a1(t)和a2(t)，用这两个数据流去调制正交两个载波，相加器输出为 s(t)=a1(t)coswct+a2(t)sinwct=A(t)cos(wct+(t)QPSK信号接收机如图。第30页因为要求相干解调，所以接收机必须得到与发端载波同时恢复载波coswct和sinwct。接收到QPSK信号被送到两个相干解调器，如前所述，每个相干解调器由平衡调制器和积分器组成，不过这里积分器积分时间是两个比特周期。将两个支路恢复信号经过并-串变换，把双比特信号转变成两位串行数据。和以前一样，应得到信息位同时信号，方便确定积分时间和信息流恢复。QPSK频谱宽，并随中心频率偏移迟缓地衰减。在保持码间串扰最小条件下，脉冲成型可减小传输信号带宽。但用脉冲成型后就变成了线性调制，而且要用线性放大器来确保脉冲成型不变形。假如用非线性功率放大器，脉冲型状将变形，频带也要展宽。用升余型奈奎斯特脉冲能够提升频谱效率。第31页（三）多电平（三）多电平PSK系统系统在PSK系统中，信息码逐位发送，在QPSK系统中，信息码每两位合并发送，这两位代表四个相位中一个相位。以这类推，假如N个信息位合并，那么这N个信息位有M(=2N)个符号或M个状态，这么系统称为MPSK系统系统。PSK、QPSK和MPSK发射信号区分在于彼此间相位，不过都有相同振幅。在正交振幅调制(QAM)中，信号不但在相位上不一样，而且振幅也改变。像脉冲成型PSK和QAM这么需要线性功率放大器线性调制方式，利用增加电平数方法，能够到达比1bit/s/Hz高频谱效率。如，用四电平调制方式允许用一个符号传输两个比特信息，而与二进制调制相比，每比特信噪比并没有下降，这是因为采取了正交载波原因。优第32页点为每符号传输比特数加倍，可在给定频带内使传输数据率加倍。然而，调制电平数增加因为信号集中各元素距离减小，将造成误比特率增加。因为线性放大器能够提供很好带外辐射性能，因而可深入增加系统频谱效率。因为线性调制技术需要昂贵线性射频放大器，所以它不如恒定包络调制受重视。在相移键控调制方式中，最主要线性调制方式有DPSK、QPSK、OQPSK和MPSK。（四）频移键控（四）频移键控(FSK)频移键控(FSK)是一个恒定包络调制方式，其载波频率依据基带信号在传号频率(相对于二进制1)和空号频率(相对于二进制0)改变，与用二进制数字信号调制FM信号相同。所以，发射信号为：第33页 s(t)=Acosw1t，a(t)=1 或Acosw2t，a(t)=0 频率调制方式可用调制指数来描述，调制指数为峰值频偏与调制信号最高频率分量比值。FSK信号既能够用切换两个不一样振荡器方式来取得，也能够用把数据信号送入调频器方法来取得，如图5.5所表示。FSK信号解调能够用非相干检测方法或同时检测方法来完成，以下列图所表示。第34页对非相干检测，接收信号加到两个带通滤波器，这两个滤波器是窄带滤波器，能够将不需要信号滤除。滤波器输出加到包络检波器，包络检波器输出送到比较器进行比较，比较器产生一个二进制输出信号，其电平取决于两个输入信号大小。同时或相干检测用两个乘法检波器来确定输入信号中存在哪一个频率。第35页在不增加传输带宽条件下，为了增加数据传输速率，必须用低调制指数FSK。快速频移键控(FFSK)和最小频移键控(MSK)是现有两种频带保持技术。MSK是调频指数为0.5连续相位FSK，选择这么调制指数是因为在一比特周期内相位累积改变/2，要么增加/2，要么降低/2。所以MSK波形表现为相位连续性，在每一信息比特末了时刻没有像QPSK信号那样相位突跳，用C类放大器进行放大不会产生失真。FFSK除了在调制器输入端先对调制信号进行差分编码外，FFSK与MSK类似。然而，因为是FSK类型频谱，MSK和FFSK信号邻道边带分量依然较高，难以适应要求高频谱效率数字无线系统要求。第36页MSK系统频谱效率能够在调制载波前对二进制数据前置滤波来改进。高斯型前置滤波器含有这么振幅特征，这么滤波器能够得到高斯滤波MSK(GMSK)信号。比特成型滤波器带宽通惯用带宽-时间积(BT)来定义。假如BT1，波形基本上是MSK波形。然而假如BT1，将引发码间串扰，在解调器中将以增加复杂度为代价，来提升抗噪声能力。0.5和0.3BT值已分别被泛欧蜂窝移动无线系统(通常称为GSM系统)和欧洲数字无绳电话(DECT)系统选取。高斯滤波器另一个应用是对数据流相关编码，使其有小相位改变，平滑调频(TFM)和广义TFM(GTFM)就属此列。TFM依据不一样码字情况得到不一样相位改变，假如三个相邻比特有相同极性，相位改变/2，假如三比特极性交替第37页改变，相位不变；其它情况下相位改变/4。这是以降低相位改变来改进频谱性能。产生这么波形调制电路相同，用一个或两个平衡调制器，如图5.7所表示。这是一个正交型调制，对实际波性而言，其迫近相位样值储存在两块EPROM中。图5.7 正交调制电路 第38页这些信号解调与调制过程恰好相反。在相干解调电路中必须包含载波同时技术。在非相干解调中用牺牲一些其它性能来防止载波同时。许多数字通信系统已经采取了像TFM和GMSK恒包络这么调制方式，因为这些调制方式允许在小区内用较低价格C类放大器。当然，用线性调制能够取得更加好频谱效率。第39页（五）各种调制方式频谱特征（五）各种调制方式频谱特征对一给定信道带宽，功率谱密度将影响到系统效率，对干扰和价格而言，调制带宽越窄，系统效率越好。PSK：PSK低通等效功率谱密度随sinx/x改变，假如输入数据比特速率为fb，功率谱密度主瓣第一个零点等于fb，大约 92.5能量包含在主瓣内，频谱幅度随(f/fb)-2衰减。QPSK：在PSK中，每一符号间隔只能传输一比特信息，而QPSK信号在一个符号间隔内可传输两比特信息，所以QPSK带宽效率是PSK带宽效率两倍。第40页MSK：对MSK信号而言，功率谱密度第一个零点在0.75 fb，约95能量包含在主瓣中，其幅度随(f/fb)-4衰减。所以，MSK信号主瓣比PSK信号更窄，旁瓣更低。与QPSK相比较，MSK有较低旁瓣和较宽主瓣。对频谱效率而言，依据实际应用，可在QPSK和MSK信号之间综合考虑。GMSK：GMSK信号频谱宽度取决低通高斯滤波器BT规一化3dB带宽，当BT减小时，频谱变窄。假如BT=0.2，频谱特征与TFM（平滑调频）相同，TFM有比MSK更窄主瓣且没有旁瓣。假如BT是无限，GMSK功率谱密度与MSK相同。图5.9给出了误比特率为10-6时不一样数字调制方式频带利用率比较图。第41页第42页（六）误码率（六）误码率在数据传输系统中，接收机功效是从噪声中提取传输信号，一个最主要特征是差错概率差错概率。决决定定系系统统差差错错概概率率原原因因：包含所用调制类型、所用检测方法以及环境或信道。同时还有两个主要信道特征：多径衰落多径衰落和多径时延多径时延。对PSK、QPSK和MSK，在没有多径影响时，它们差错概率Pe为：Pe=1/2erfc(Eb/n0)-1/2)图5.10给出了部分调制方式误比特率与信噪比Eb/n0 关系曲线，表5.1给出了误比特率为10-4时部分数字调制方式Eb/n0。第43页第44页第45页（七）结论（七）结论 影响调制方式性能原因：时延、衰落、传输码元速率等。当发射机和接收机是固定，信号通路不变，前面介绍全部调制方式都能够用于系统中。对于PSK因为较低成本和复杂度是最正确，但假如考虑带宽原因，QPSK更佳。在瑞利衰落和时延环境下，因为GMSK有较低差错概率和相对窄带宽，所以更适合这么环境条件。不过，用这些调制方式，允许最大比特率相对来讲还是较低，要提升比特速率，需要采取其它信号处理办法，如信道编码、均衡和分集等。第46页二、二、WLAN中其它调制解调方式中其它调制解调方式1、补码键控（CCK）调制以互补码为基础一个直接序列扩频方式，用于以互补码为基础一个直接序列扩频方式，用于以互补码为基础一个直接序列扩频方式，用于以互补码为基础一个直接序列扩频方式，用于802.11b 5.5Mb/s802.11b 5.5Mb/s和和和和11 Mb/s11 Mb/s；二进制互补码：一对长度相同序列，在给定时间二进制互补码：一对长度相同序列，在给定时间二进制互补码：一对长度相同序列，在给定时间二进制互补码：一对长度相同序列，在给定时间间隔内，一序列中相同元素正确数目与另一序列间隔内，一序列中相同元素正确数目与另一序列间隔内，一序列中相同元素正确数目与另一序列间隔内，一序列中相同元素正确数目与另一序列中不相同元素正确数目相同。中不相同元素正确数目相同。中不相同元素正确数目相同。中不相同元素正确数目相同。比如：码长比如：码长比如：码长比如：码长n=8n=8时，互补码序列为时，互补码序列为时，互补码序列为时，互补码序列为序列序列序列序列a a：-1 1，-1-1，-1-1，1 1，1 1，1 1，-1-1，1 1 序列序列序列序列b b：-1 1，-1-1，-1-1，1 1，-1-1，-1-1，1 1，-1-1 第47页互补码序列自相关序列用下式计算：互补码序列自相关序列用下式计算：性质：性质：互补码序列详细良好自相关特征互补码序列详细良好自相关特征。第48页802.11b802.11b中，利用互补码良好自相关特征扩展信号带宽能中，利用互补码良好自相关特征扩展信号带宽能够取得扩频处理增益。扩展码字长度为够取得扩频处理增益。扩展码字长度为8 8，码片速率，码片速率Rc=11Mc/s,Rc=11Mc/s,由由8 8个个CCKCCK复码片复码片组成一个符号，则符号速率组成一个符号，则符号速率为为Rs=11/8=1.375Ms/s.Rs=11/8=1.375Ms/s.码片速率和系统带宽与原始标准码片速率和系统带宽与原始标准1Mb/s1Mb/s、2Mb/s2Mb/s一致，但数据速率提升到一致，但数据速率提升到11Mb/s.11Mb/s.8个CCK复码片产生过程：其中，其中，1用于码字中全部码片，能够修改序列中全部码字相位，并进行DQPSK编码，它相当于前一符号相位做响应角度旋转；2用于全部奇数码片，3用于全部奇数片对，4用于全部奇数四码片组，符号最终一个码片表示了符号相位。1 4用于确定复码组相位值。第49页（1 1）5.5Mb/s5.5Mb/s模式模式CCKCCK调制调制 输入分成输入分成4bit4bit组组dd0 0,d,d1 1,d,d2 2,d,d3 3,按照下面编码表生成按照下面编码表生成 1 1 ，2 2，3 3，4 4第50页（2 2）11Mb/s 11Mb/s模式模式CCKCCK调制调制输入分成输入分成8bit8bit组组dd0 0,d,d1 1,d,d2 2,d,d3 3,d,d4 4,d,d5 5,d,d6 6,d,d7 7,按照表按照表3-73-7和下面编码表生成和下面编码表生成 1 1 ，2 2，3 3，4 4d di i d di+1i+1相位相位00000 00101/2/21111 1010-/2/2第51页2、分组二进制卷积编码（、分组二进制卷积编码（PBCC）调制）调制 IEEE802.11gIEEE802.11g在在2.4GHz2.4GHz频段上进行更高速率扩展。有两种频段上进行更高速率扩展。有两种可选模式：可选模式：（1 1）CCK-OFDMCCK-OFDM（2 2）PBCC-22.PBCC-22.后一个技术能够后一个技术能够在在2.4GHz2.4GHz频段提供频段提供22Mb/s22Mb/s数据传输速率，并与数据传输速率，并与IEEE802.11bIEEE802.11b后后向兼容，被称为向兼容，被称为IEEE802.11b+IEEE802.11b+模式。模式。第52页第53页第54页3.OFDM调制 IEEEIEEE将将OFDMOFDM作为作为802.11a802.11a物理层调制标准。物理层调制标准。分成子信道，能够减小多径时延造成码间干扰；分成子信道，能够减小多径时延造成码间干扰；各个子载波谱能够相互重合，提升频带利用率。各个子载波谱能够相互重合，提升频带利用率。第55页OFDM调制实现方法（调制实现方法（1）第56页OFDM调制实现方法（调制实现方法（2）第57页4.脉冲位置调制（脉冲位置调制（PPM）用于红外线用于红外线用于红外线用于红外线WLANWLAN物理层调制。物理层调制。物理层调制。物理层调制。1Mb/s1Mb/s，采取采取采取采取16-PPM16-PPM2Mb/s2Mb/s，采取采取采取采取4-PPM4-PPM脉宽脉宽脉宽脉宽250ns250ns第58页第59页第三节第三节 WLAN扩频传输技术扩频传输技术扩展频谱技术是近些年来发展非常快速一个通信技术，将其用于无线局域网中，使系统各项性能都得到改进，已成为无线局域网中不可缺乏一个技术。本节介绍扩频技术基本概念，重点介绍直接序列扩频和跳频两种扩频方式，并简单介绍专用扩频ASIC Stel-A和声表面波抽头延迟线在无线局域网中应用。第60页一、引一、引 言言扩展频谱技术又称为扩频技术是近年来发展很快一个技术，不但在军事通信中发挥出了不可取代优势，而且广泛地渗透到了通信各个方面，如卫星通信、移动通信、微波通信、无线定位系统、无线局域网、全球个人通信等等。扩扩展展频频谱谱技技术术：是指发送信息被展宽到一个比信息带宽宽得多频带上去，接收端经过相关接收，将其恢复到信息带宽一个技术，这么系统称之为扩展频谱系统或扩频系统。扩展频谱技术包含以下几个方式：第61页直直接接序序列列扩扩展展频频谱谱，简称直扩，记为DS（Direct Sequence）；跳频跳频，记为FH（Frequency Hopping）跳时跳时，记为TH（Time Hopping）除了以上三种基本扩频方式以外，还有这些扩频方式组合方式，如FH/DS、TH/DS、FH/TH等。在通信中应用较多主要是DS、FH和FH/DS。第62页第63页扩展频谱技术含有以下特点：(1)很强抗干扰能力；(2)可进行多址通信；(3)安全保密；(4)抗多径干扰。第64页二、二、直接序列扩频直接序列扩频直接序列扩频系统是将要发送信息用伪随机码(PN码)扩展到一个很宽频带上去，在接收端，用与发端扩展用相同伪随机码对接收到扩频信号进行相关处理，恢复出发送信息。对干扰信号而言，因为与伪随机码不相关，在接收端被扩展，使落入信号通频带内干扰信号功率大大降低，从而提升了相关器输出信/干比，到达了抗干扰目标。1、直扩系统组成、直扩系统组成直扩系统组成如图6.1所表示。第65页第66页第67页2、处理增益与干扰容限、处理增益与干扰容限处理增益与干扰容限是扩频系统两个主要指标。在扩频系统中，传输信号在扩频和解扩处理过程中，扩频系统抗干扰性能得到提升，这种扩频处理得到好处就称之为扩频系统处处理理增增益益，用Gp表示，定义为接收机相关处理器输出信噪比与输入信噪比比值：Gp=(S0/N0)/(Si/Ni)式中 S0/N0：输出信噪比 Si/Ni：输入信噪比普通情况下，处理增益Gp为第68页普通情况下，处理增益Gp为：Gp=Bc/Ba=Rc/Ra=Ta/Tc 这里Bc为扩频信号射频带宽，Ba为信息带宽，Rc、Ra分别为伪随机码切普速率和信息码速率，Tc、Ta分别为伪随机码切普宽度和信息码元宽度。由上式可知，直扩系统处理增益实际上就是频谱扩展倍数，即一个数据码元内嵌入伪随机码切普数。由此可见，频谱扩展得越扩，即伪随机码速率越高，处理增益越大，系统抗干扰能力就越强。第69页干干扰扰容容限限：指在确保系统正常工作条件下，接收机能够承受干扰功率比信号功率高出倍数，用Mj表示：Mj=GpLs+(S/N)0(dB)式中，Ls为系统内部损耗，(S/N)0为系统正常工作时要求相关器最小输出信噪比。由上可见干扰容限直接反应了扩频系统可允许极限干扰强度，即只有当干扰功率超出干扰容限后，才能对扩频系统形成干扰。因而，干扰容限比处理增益更确切地反应了系统抗干扰能力。第70页3、扩频系统伪随机码、扩频系统伪随机码 在扩展频谱系统中，伪随机码起着非常主要作用。在直扩系统中，用伪随机码将传输信息频谱扩展，接收时又用伪随机码将信息频带压缩，并将干扰功率分散，使系统抗干扰能力得到提升；在跳频系统中，用伪随机码去控制频率合成器产生频率，使其随机地跳变，躲避干扰。所以，伪随机码性能好坏，直接关系到整个系统性能好坏。在扩频系统中应用伪随机码有各种，其中m序列是最长线性移位存放器序列，这种序列易产生，且含有很好二值相关特征，是扩频系统中应用最多一个伪随机码。第71页m序列性质：序列性质：均衡性。在m序列一个周期内，“1”和“0”数目基本相等。准确说，“1”个数比“0”个数多一个。游程分布。普通来说，在m序列中，长度为1游程占游程总数1/2，长度为k游程占游程总数1/2k，在长度为k游程中，连“1”和连“0”游程各占二分之一。移位相加性。m序列与其位移序列之和依然是该m序列另外一位移序列。周期性。m序列周期为N=2-1。第72页 m序列自相关特征为二值周期性函数。m序列功率谱。第73页由上图能够看出，N越大，m序列周期越长，Tc越小，即m序列码元速率越高，m序列自相关函数和功率谱越靠近白噪声性能。所以 m序列是一个性能非常好伪随机(伪噪声)序列。除了除了m序列外，序列外，Gold码、码、M序列、序列、R-S码等，均能够码等，均能够作为扩频系统伪随机码作为扩频系统伪随机码。Gold码码是由m序列优选对产生，一对m序列优选对可产生2r+l条Gold码，这里r是移位存放器级数。M序列序列是最长非线性移位存放器序列，其长度是r级移位存放器所能到达最长长度，又称为全长序列。M序列即使没有m序列那样二值相关特征，但其序列条数是m序列不可比拟，为2 r-1-r条，而m序列只有(2r-1)/r条。第74页4、直扩系统同时、直扩系统同时同时技术同时技术是扩频系统关键技术，同时性能好坏直接关系到扩频系统性能优劣，在一个通信系统中，同时单元起到了举足轻重作用。同时作用：同时作用：直扩系统只有在完成伪随机码同时后，才可能用同时伪随机码对接收扩频信号进行相关解扩，把扩频宽带信号恢复成非扩频窄带信号，方便从中将传送信息解调出来。所以，人们花费了大量精力和财力来研究扩频系统同时问题。第75页直扩系统同步包括：伪随机码同步。只有完成伪随机码同步后，才可能使相关解扩后有用信号落入中频相关滤波器通频带内。位同步。包括伪随机码切普同步和传输信息码元定时同步。帧同步。提取帧同步后，就可提取帧同步后面信息。载波同步。直扩系统多采用相干检测，载波同步后，可为解调器提供同步载波，其次保证解扩后信号落入信号中频频带内。第76页伪随机码同时伪随机码同时：同时普通可分为两步进行，即捕捉和跟踪。捕捉：捕捉：又称为粗同时或初始同时，捕捉是对输入扩频信号同时信息进行搜索，使收发双方用伪随机码相位差小于一个伪随机码切普Tc；跟踪：跟踪：又称为精同时，它是在捕捉基础上，使收发双方伪随机码相位误差深入减小，确保收端伪随机码相位一直跟随接收到信号伪随机码相位在一允许范围内改变。跟踪与普通数字通信系统跟踪方法类似，关键还是在第一步-捕捉。直扩系统中初始同时方法很多，以相相关检测关检测、跟踪环路跟踪环路捕捉为主，再就是利用匹配滤波器匹配滤波器方法来实现。第77页三、三、跳跳 频频跳频系统载频受一伪随机码控制，不停地、随机地跳变，可看成载波按一定规律改变多频频移键控(MFSK)。与直扩系统相比，伪随机码并不直接传输，而是用来选择信道。1、跳频系统组成、跳频系统组成跳频系统组成如图6.8所表示。第78页第79页2、跳频图案、跳频图案跳频系统频率跳变，受到伪随机码控制，时间不一样，伪随机码相位不一样，对应频率合成器产生频率也不一样。把跳频系统频率跳变规律称为跳频图案跳频图案。跳频图案是时间和频率函数，又称为时间-频率矩阵，简称时-频矩阵。时-频矩阵可直观地描述出频率跳变规律。如图6.10所表示 第80页3、跳频系统同时、跳频系统同时在跳频系统中，接收机当地频率合成器产生跳变频率必须与发端频率合成器产生跳变频率严格同时，才能正确地进行相关解跳，使得接收有用信号恢复成受信息调制固定中频信号，方便从中解调出有用信息。但因为时钟漂移、收发信机之间距离改变，在时间上有差异；又因振荡器频率漂移等同时不确定原因，所以同时过程同时过程就是搜索和消除时间及频率偏差过程，以确保收发双方码相位和载波一致性。跳频系统同时跳频系统同时:普通包含跳频图案同时、帧同时、信息码元同时等，在这些同时中，关键是跳频图案同时。第81页跳频图案同时：跳频图案同时：可分为两步进行，即捕捉与跟踪。捕捉捕捉是使收发双方跳频图案差在时间上小于一跳时间Th，跟踪要到达目标是使收发双方跳频图案在时间和频率上同时，到达系统正常工作所要求精密。跳频是由伪随机码决定，所以跳频图案同时实际上是收发双方伪随机码同时，即处理两伪随机码时间(或相位)不确定问题，这一点与直扩系统中伪随机码同时一致。与直扩系统相比较，因为跳频系统跳频驻留时间Th比直扩系统伪随机码切普宽度Tc要大得多，允许绝对误差就大得多，所以跳频系统同时时间和同时精度都优于直扩系统。第82页跳频同时主要有以下几个方法：(1)准确时钟定时法准确时钟定时法这种方法用高精度时钟控制收发双方跳频图案，也就是用准确时钟降低了收发双方伪随机码相位不确定性，所以同时快、准确性好、保密性好，是战术通信中惯用一个同时方法。(2)同时字头法同时字头法将带有同时信息(如时间信息等)作为同时字头置于跳频信号最前面，或在信息传输过程中离散地插入这种同时头。这种同时方法含有同时搜索快、轻易实现、同时可靠等特点。第83页(3)匹配滤波器法匹配滤波器法匹配滤波器法同时，是对同时头进行匹配滤波，一旦输入跳频信号与匹配滤波器相匹配，就表明收到了同时头，即完成了时间同时。匹配滤波器含有很强信号处理能力，将其用于同时系统，会使同时系统简化、同时时间缩短、同时性能提升。这种同时方式尤其适合于快速跳频系统和突发通信系统。第84页四、四、直接序列扩频和跳频技术性能比较直接序列扩频和跳频技术性能比较扩频技术最大优点在于较强抗干扰能力，以及保密、多址、组网、抗多径等。但因为各种扩频方式抗干扰等机理不一样。直扩系统：是直扩系统：是靠伪随机码相关处理，降低进入解调器干扰功率来到达抗干扰目标；跳频系统：跳频系统：是靠载频随机跳变，躲避干扰，将干扰排斥在接收通道以外来到达抗干扰目标。这二者都含有很强抗干扰能力，各有自己特点，也存在本身不足。第85页直扩和跳频技术性能比较：直扩和跳频技术性能比较：1.抗强定频干扰抗强定频干扰抗强定频干扰，跳频系统比直扩系统优越。2.抗衰落抗衰落抗频率选择性衰落，直扩系统优于跳频系统。3.抗多径干扰抗多径干扰抗多径干扰，直扩系统优于跳频系统。4.“远远-近近”效应效应“远-近”效应对直扩系统影响很大，对跳频系统影响小得多。第86页5.同时同时两系统同时实质是伪随机码同时，直扩系统要求伪随机码同时精度高，同时时间较长。跳频系统伪随机码速率较低，对同时要求相对低，同时时间较短，入网也就快。6.通信安全保密性通信安全保密性直扩系统和跳频系统都含有较强保密功效。直扩系统保密功效更强，同时因为信号谱密度很低，对其它系统影响就很小。7.组网能力组网能力 直扩系统和跳频系统都含有很强组网能力。第87页直扩系统和跳频系统频谱利用率比单频单信道系统还要高。跳频系统组网能力和频谱利用率略高于直扩系统。8.信号处理信号处理直扩系统普通采取相干解扩解调，其调制方式多采取PSK、DPSK、QPSK、MSK等调制方式；跳频系统多采取非相干解调，采取调制方式多为FSK或ASK。从性能上看，直扩系统利用了频率和相位信息，性能优于跳频。从实现角度看，因为相干检测需要载波恢复电路，在一些对设备要求严格场所，比如移动通信，高复杂性就难以满足系统要求。第88页五、五、混合扩频系统混合扩频系统扩频技术三种基本扩频方式都有其本身优点与不足，这是由它们工作原理和抗干扰机理决定。在实际应用中，有时单一扩频方式因为种种原因难以满足实际需要，若将两种或各种扩频方式结合起来，就能够扬长避短，到达单一扩频方式难以到达指标，甚至能够降低系统复杂程度和成本。下面介绍FH/DS混合扩频系统。跳频系统和直扩系统都含有很强抗干扰等能力，都含有自己优点与不足，将二者有机地结合，就能够使系统各项性能指标大大改进。FH/DS系统组成如图6.16所表示。第89页采取FH/DS混合扩频系统，有利于提升系统抗干扰性能。干扰机要有效地干扰FH/DS系统，需同时满足两个条件：(1)干扰频率要能跟上跳变频率改变；(2)干扰电平必须超出直扩系统干扰容限。不然，干扰机就不能对FH/DS系统组成威胁。这么大大增加了干扰机干扰难度，从而到达更有效地抗干扰目标。混合系统扩频增益是直扩和跳频增益乘积。第90页六、六、实际中直扩系统实际中直扩系统一、采取单片扩频处理芯片Stel-A直扩系统。二、采取SAWTDL直扩系统 SAWTDL(SAW-Surface Acoustic Wave 声表面波，TDL-Tap Delay Line 抽头延迟线）声表面波抽头延迟线。第91页七、七、小小 结结无线局域网工作环境主要是室内，所以，必须采取扩频技术以提升系统各项性能。无线局域网对射频信号频谱有很高要求，单位频带内功率谱必须控制在很低范围。采取扩频技术后，将信号功率扩展到一个很宽频带上，能够满足这一要求。无线局域网要求无线局域网卡体积小、价格低，且能满足系统各项性能指标，必须采取大规模专用集成电路芯片和如声表面波抽头延迟线这么特殊器件。第92页