扩频讲义-第5讲 混合扩频通信系统.pdf

扩频通信扩频通信吴志军2007年9月16日吴志军2007年9月16日中国民航大学中国民航大学电子信息工程学院 通信工程系电子信息工程学院 通信工程系第五讲 扩频系统系统及其特点第五讲 扩频系统系统及其特点?跳变时间跳变时间TH扩频系统扩频系统?混合扩频系统混合扩频系统5.1 跳变时间扩频跳变时间扩频TH?跳变时间(Time Hopping)工作方式，简称跳时(TH)方式。与跳频相似，跳时是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。由于采用了窄得很多的时片去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。?跳时系统虽然也是一种扩展频谱技术，但因其抗干扰性能不强，通常并不单独使用。在时分多址通信系统中利用跳时来减少网内干扰，并能改善系统中存在的远近效应。?将跳时(TH)分别与直接扩频(DS)和跳频(FH)相结合则构成直扩/跳时(DS/TH)系统和跳频/跳时(FH/TH)系统。若将直扩、跳频和跳时三者结合在一起则构成直扩/跳频/跳时(DS/FH/TH)扩展频谱系统。5.2 混合式扩频系统混合式扩频系统?混合式扩频系统的好处混合式扩频系统的好处?提高系统的抗干扰能力，降低部件制作的技术难度，使设备简化，降低成本，满足使用要求。提高系统的抗干扰能力，降低部件制作的技术难度，使设备简化，降低成本，满足使用要求。5.2.1 直扩跳频（直扩跳频（DS/FH）扩频系统）扩频系统NRZ)t(d)tcos(P20)t(sd频综码 产生码钟)t(hT)t(st差 分 编 码)t(dC(t)1 2 k发端)t(d频综码 产生码钟)Tt(hdR)t(r宽 带窄 带1 2 kDPSK解调)t(y)Tt(Cdt)cos(2IF0+收 端先对差分编码，再载波调制，形成DPSK信号，然后直括得到Sds(t)信号，再经上变频跳频，则发射信号功率谱密度为：取和频因为所以在接收端，先对接收信号解跳频，然后在对DS解扩，如果实现良好的FH图象同步和DS的码同步，则：为差分编码数据对载波的调制信号。其中(t)为FH引起的随机相位变化。)()()(fSfSfShdst=+=+kmcmcmkchcccdsTffTffTfSTffTffPTfS21220202)(sin)(sin2)()(sin)(sin2)(=+=+=kkmcmcmkcmkccctTfffTfffPTTffTffPTfS210202210202)(sin)(sin221)(sin)(sin2)()(cos)(2)(ttTtdptyIFd+=?若已知直接序列扩频系统处理增益是GDS,跳频系统处理增益是GFH，则DS/FH混合扩展频谱系统的总处理增益GDS/FH是它们的乘积：GDS/FHGDS*GFH。5.2.2 直扩跳时直扩跳时(DS/TH)系统系统?直扩跳时系统,是在直接序列扩展频谱系统的基础上增加了对射频信号突发时间跳变控制的功能。5.2.3 直扩跳频跳时直扩跳频跳时(DSFHTH)系统系统?将三种基本扩展频谱系统组合起来构成一个直扩跳频跳时混合式扩展频谱系统其复杂程度是可想而知的。?因此，在一般的具有抗干扰能力的电台中很少使用，而多用于以时多会址的大的信息系统中。?严重干扰环境严重干扰环境?当电磁环境异常恶劣的条件下，或者要求通信系统的抗于扰指标非常高，单独一种扩展频谱系统难以满足要求时，可采用混合式扩展按谱系统。?例如：例如：某数字话音通信系统要求处理增益为50dB，数据率为16kbits。若采用直接序列扩展频谱系统时，要求伪码码片速率1500Mchip/s。这样高的速率目前的技术水平是达不到的。?若采用直扩跳频混合式扩展频谱系统，则可以满足系统总处理增益增为50dB的要求。比如，若直接序列扩展频谱的系统的伪码速率为50Mchips，数据率为16kbits，则可获得直扩系统处理增益35dB。剩下的15dB处理增益由跳频系统来完成。当跳频处理增益15dB时，要求频率跳变的频率数目是32个。这样，采用直扩跳频混合式扩展频谱系统既能满足指标要求，又容易实现。这种直扩与跳频混合式扩频系统，可实现优势互补，使其具有全面的抗干扰能力。5.3 混合式扩展频谱系统的适用性混合式扩展频谱系统的适用性5.3 混合式扩展频谱系统的适用性混合式扩展频谱系统的适用性?移动通信环境移动通信环境?在移动通信中，移动体的相对运动将引起收、发信机之间电波传播距离的随机变化。当系统内多用户同时工作时，对直扩系统而言，会在接收机输入端产生近距离大功率无用信号抑制远端小功率有用信号的现象，即所谓远近效应。如右图所示。远近效应1XT2XT2XR1XR?正常的通信路径是卡车Txl发信，卡车Rx1收信和轿车Tx2发信，轿车Rx2收信；?当Txl与Tx2同时发信时，卡车Rx1将同时收到来自远端卡车Txl的信号和近端轿车Tx2的信号；?由于近端信号的干扰，会使卡车Rx1与卡车Txl的通信质量下降，严重时，会引起通信中断。?直接序列扩展频谱通信系统，要求接收端的有用信号的功率必须大于或等于无用信号的功率，即所谓等功率的条件，否则系统不能正常工作。因此，在移动环境下，直接序扩展频谱系统必须采取严格地功率控制措施，否则将存在严重的远近效应。?跳频扩展频谱系统由于其载波频率是跳变的，只有当网内用户的跳频频率出现相互重叠的时候才引起远近效应。因此，跳频扩展频谱系统的远近效应远比直接扩展频谱系统的要小。?为了解决远近效应的影响，还可以采用跳时系统。利用发射信号时间的不同。在时间上避免网内用户信号的相互重叠，从而免除了近端大功率信号对远端小功率信号的干扰影响。?因此，在移动通信环境中，为了消除远近效应对通信系统的影响，多采用混合式扩展频谱通信系统，如跳频跳时扩展频谱通信系统。若综合考虑抗干扰性能时，可采用直扩跳频跳时(DSFHTH)混合式扩展频谱系统。?多径传播环境多径传播环境?多径效应是指由于电波传播过程中的多条路径使到达接收端的信号产生衰落与展宽的现象；多径效应是指由于电波传播过程中的多条路径使到达接收端的信号产生衰落与展宽的现象；?在短波的天波传播通信以及城市地面移动通信中，都存在着严重的多径效应。因此，它们属于典型的多径传播环境。在短波的天波传播通信以及城市地面移动通信中，都存在着严重的多径效应。因此，它们属于典型的多径传播环境。?短波电离层信道的传播时延约在短波电离层信道的传播时延约在0.1-2ms；移动通信中的传播时延因地形地物的限制而不同。开阔地区；移动通信中的传播时延因地形地物的限制而不同。开阔地区0.2 s，郊区约为，郊区约为0.5 s，市区约为，市区约为3 s。?直接序列扩展频谱通信系统由于采用相关接收，它具有抗多径效应的能力。跳频系统由于其载波频率的跳变起到频率分集的作用从而也具有一定的抗多径效应的能力。对于跳时系统，可以看作是对信号进行时间分集接收。直接序列扩展频谱通信系统由于采用相关接收，它具有抗多径效应的能力。跳频系统由于其载波频率的跳变起到频率分集的作用从而也具有一定的抗多径效应的能力。对于跳时系统，可以看作是对信号进行时间分集接收。?但是这三种系统的抗多径能力都是在一定的条件下才成立的。直接序列扩频系统要求码片宽度小于或等于最小的传播时延；跳频系统要求跳频频率间隔要大于相关带宽，并采用快跳频，即保证每一比特信息应在一跳或多跳中传输。对跳时系统，也要求每一比特信息应在一跳或多跳中传输。只有这样才能起到分集的效果。但是这三种系统的抗多径能力都是在一定的条件下才成立的。直接序列扩频系统要求码片宽度小于或等于最小的传播时延；跳频系统要求跳频频率间隔要大于相关带宽，并采用快跳频，即保证每一比特信息应在一跳或多跳中传输。对跳时系统，也要求每一比特信息应在一跳或多跳中传输。只有这样才能起到分集的效果。?一般，直接序列的码片宽度要一般，直接序列的码片宽度要0.2 s还是容易达到的，它只需码片速率为还是容易达到的，它只需码片速率为5Mchips。对于跳频速率要等于或大于信息比特速率，比如说大于或等于。对于跳频速率要等于或大于信息比特速率，比如说大于或等于 16kbits，就不很容易实现，因为跳速要等于或大于，就不很容易实现，因为跳速要等于或大于1.6万次秒。跳时系统也存在类似快速的问题。直接序列扩频系统虽然容易满足抗多径的条件，具有良 好的抗多径能力，但它不适于移动通信环境。因此，移动通信抗多径的环境下，以混合式扩展频谱系统为好。比如说，直扩与跳频，直扩与跳时，直扩、跳频与跳时的组合。万次秒。跳时系统也存在类似快速的问题。直接序列扩频系统虽然容易满足抗多径的条件，具有良 好的抗多径能力，但它不适于移动通信环境。因此，移动通信抗多径的环境下，以混合式扩展频谱系统为好。比如说，直扩与跳频，直扩与跳时，直扩、跳频与跳时的组合。?多网工作环境?组网通信中，存在两个问题:?网内可容纳的用户地址数目；?可承受网间干扰的能力。?对于直扩系统，网内同时可工作的地址数与系统的处理增益成正比。当处理增益给定时，网内用户数也就一定了。否则，会使网内的干扰加重，影响通信质量。若是多个直接扩频网工作时，则存在网间干扰问题。这将限制允许建网的数目。?对于跳频系统，若按正交组网方式，可组网的数目等于跳频频率的数目；若按非正交组网方式，可组网的数目约等于跳频频率数目的四分之一。通常，跳频频率数是有限的，因此，可组网数也是受限的。?为了满足多个网、大用户容量和抗干扰的要求，常采用混合式扩频系统来解决。在数字通信系统，还可采用时分多址、跳时、直扩加跳频的混合系统来实现多网、多用户、高质量、抗干扰的通信。?综上所述，混合式扩展频谱系统适用于：?高抗干扰性能要求的系统，特别是军事信息系统；?抗多径、抗衰落信道条件的系统，特别是移动通信和天波传播的短波通信系统；?多网、极多用户；曲及通信与测距等综合信息与导航定位系统；?综合优化性能价格比的系统。结束语结束语谢谢！