2022年扩频通信的理论基础.ppt

扩扩 频频 通通 信信主讲:范道尔吉内蒙古大学信息工程学院电子工程系田日才田日才田日才田日才 编著编著编著编著 清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社第一章：扩频通信的理论基础第一章：扩频通信的理论基础1.1 扩频通信基本概念1.2 扩频通信系统的分类1.3 扩频通信系统的模型1.4 扩频通信系统的处理增益与主要特点说明：说明：说明：说明：1.1.1.1.要增加系统信息传输速率，则要求增加信道容量要增加系统信息传输速率，则要求增加信道容量要增加系统信息传输速率，则要求增加信道容量要增加系统信息传输速率，则要求增加信道容量 2.2.2.2.信道容量信道容量信道容量信道容量C C C C常数时，带宽常数时，带宽常数时，带宽常数时，带宽B B B B和信噪比和信噪比和信噪比和信噪比S/NS/NS/NS/N可以互换。可以互换。可以互换。可以互换。3.3.3.3.当当当当B B B B增加到一定程度后，信道容量增加到一定程度后，信道容量增加到一定程度后，信道容量增加到一定程度后，信道容量C C C C不可能无限的不可能无限的不可能无限的不可能无限的增加。增加。增加。增加。4.4.4.4.C=1.44*S/NC=1.44*S/NC=1.44*S/NC=1.44*S/N5.5.5.5.B=0.7C*N/S B=0.7C*N/S B=0.7C*N/S B=0.7C*N/S例：例：N/S=100(20dB)C=3kb/S 那么那么 B=0.7*C*（N/S）=0.7*3*100=210KHz 这就说明在噪声比信号功率大这就说明在噪声比信号功率大100倍的情倍的情况下信息速率况下信息速率=3kb/s的信号在的信号在210KHz的信道的信道上仍然可以保证可靠通信。上仍然可以保证可靠通信。扩频通信正好是利用这一原理。用高速扩频通信正好是利用这一原理。用高速的扩频码来扩展待传输信号带宽的手段，达的扩频码来扩展待传输信号带宽的手段，达到系统抗干扰能力的目的。到系统抗干扰能力的目的。扩频码是什么呢？扩频码是什么呢？n n扩频码就是伪噪声序列。比如扩频码就是伪噪声序列。比如mm序列。序列。n n香浓指出：在高斯白噪声干扰下，在平均功率香浓指出：在高斯白噪声干扰下，在平均功率受限的信道上，实现有效和可靠传输的最佳信受限的信道上，实现有效和可靠传输的最佳信号形式是具有白噪声统计特性的信号。因为白号形式是具有白噪声统计特性的信号。因为白噪声具有理想的自相关特性。噪声具有理想的自相关特性。1.2 扩频通信系统的分类扩频通信系统的分类n n直接序列系统直接序列系统n n频率跳变系统频率跳变系统n n时间跳变系统时间跳变系统n n线性脉冲调频系统线性脉冲调频系统n n混合扩频通信系统混合扩频通信系统1 处理增益Gp：可以标示扩频通信系统的抗干扰能力的优劣。例：N/S=100(20dB)C=3kb/S时间跳变-直接序列混合扩频通信系统7*3*100=210KHzMj=Gp/Lsys(S/N)out频率跳变-直接序列混合扩频通信系统MjdB=GpdB-LsysdB+(S/N)outdB香浓指出：在高斯白噪声干扰下，在平均功率受限的信道上，实现有效和可靠传输的最佳信号形式是具有白噪声统计特性的信号。(S/N)out相关器输出信噪比，也是系统中中频滤波器或基带滤波器的输入信噪比。频率跳变-直接序列混合扩频通信系统输出信噪比=相关器的输出信噪比第一章：扩频通信的理论基础田日才 编著 清华大学出版社时间跳变-直接序列混合扩频通信系统例：N/S=100(20dB)C=3kb/S发射系统乘法器乘法器调制器调制器发射机发射机时钟源时钟源伪码伪码发生器发生器载波载波发生器发生器数据源数据源直接序列调制扩展频谱通信系统直接序列调制扩展频谱通信系统 DS-SS混频器混频器调制器调制器解调器解调器时钟源时钟源伪码伪码发生器发生器数据数据接收系统中频中频滤波器滤波器本地本地震荡器震荡器1.2.2 频率跳变系统频率跳变系统发射系统混频器混频器调制器调制器发射机发射机时钟源时钟源发中频发中频振荡器振荡器频率频率合成器合成器数据源数据源频率跳变扩展频谱通信系统频率跳变扩展频谱通信系统 FH-SS伪码伪码发生器发生器指令指令译码器译码器频率跳变又可以分为快跳和慢跳 TcTb 叫做慢跳 否则叫做快跳1.2.3 时间跳变系统时间跳变系统发射系统调制器调制器高频高频开关开关存储器存储器载波载波时间跳变扩展频谱通信系统时间跳变扩展频谱通信系统 TH-SS伪码伪码发生器发生器指令指令译码器译码器数据数据1.2.4 线性脉冲调制系统线性脉冲调制系统发射系统 线性脉冲调制系统线性脉冲调制系统chirp是指系统的工作频率在一是指系统的工作频率在一定的脉冲时间间隔内线性的扫过一个很宽的频带，形成定的脉冲时间间隔内线性的扫过一个很宽的频带，形成一带宽很宽的扫频信号，或者系统的带宽在给定时间内一带宽很宽的扫频信号，或者系统的带宽在给定时间内线性的增大或减小，使发射信号的频谱占据很宽的频带。线性的增大或减小使发射信号的频谱占据很宽的频带。1.2.5 混合扩频通信系统混合扩频通信系统频率跳变频率跳变-直接序列混合扩频通信系统直接序列混合扩频通信系统时间跳变时间跳变-频率跳变混合扩频通信系统频率跳变混合扩频通信系统时间跳变时间跳变-直接序列混合扩频通信系统直接序列混合扩频通信系统调制器调制器混频器混频器发射机发射机时钟源时钟源发中频发中频振荡器振荡器频率频率合成器合成器数据源数据源伪码伪码发生器发生器指令指令译码器译码器乘法器乘法器直接直接扩频码扩频码发生器发生器1.3 扩频通信系统的模型扩频通信系统的模型n n直接序列系统的模型直接序列系统的模型直接序列系统的模型直接序列系统的模型 s(t)射频射频振荡器振荡器发射机发射机m序列序列发生器发生器编码器编码器数据源数据源an d(t)c(t)发射系统m序列序列发生器发生器低通低通滤波器滤波器压控压控振荡器振荡器射频射频滤波器滤波器r(t)s(t)接收系统R(t)只要基带滤波器能无失真的传输数字信号，经基带数字检测处理后，收端就能 恢复出原始信号。1.4 扩频通信系统的处理增益与主要扩频通信系统的处理增益与主要指标指标1.4.1 1.4.1 处理增益处理增益处理增益处理增益GpGp：可以标示扩频通信系统的抗干扰：可以标示扩频通信系统的抗干扰：可以标示扩频通信系统的抗干扰：可以标示扩频通信系统的抗干扰能力的优劣。能力的优劣。能力的优劣。能力的优劣。输出信噪比输出信噪比输出信噪比输出信噪比=相关器的输出信噪比相关器的输出信噪比相关器的输出信噪比相关器的输出信噪比输入信噪比输入信噪比输入信噪比输入信噪比=接收机的输入信噪比接收机的输入信噪比接收机的输入信噪比接收机的输入信噪比n n直接扩频的处理增益：直接扩频的处理增益：n n调频系统的处理增益：调频系统的处理增益：n n跳时系统的处理增益：跳时系统的处理增益：n n混合系统的处理增益：混合系统的处理增益：Gp=Gp1*Gp2*Gp3 Gp=Gp1*Gp2*Gp3n n处理增益表示经过扩频接收机处理以后，使信号增强的同时抑制输入到接收机干扰信号的大小。处理增益越大，则系统的抗干扰能力就越强。n n1.4.2 扩频系统的干扰容限扩频系统的干扰容限 干扰容限：标示扩频通信系统在干扰环境中干扰容限：标示扩频通信系统在干扰环境中的工作能力。的工作能力。处理增益的不断提高并不能代表接收机的正处理增益的不断提高并不能代表接收机的正常工作。处理增益增加到一定程度后信噪比常工作。处理增益增加到一定程度后信噪比不再继续改善。目前国际上直接扩频的最大不再继续改善。目前国际上直接扩频的最大处理增益约为处理增益约为70dB。例如：系统的处理增益例如：系统的处理增益50dB,噪声功率比信号噪声功率比信号大大105倍，即信噪比是倍，即信噪比是-50dB，则相关器输出，则相关器输出0dB，但是在，但是在0dB下接收机是无法正常工作的。下接收机是无法正常工作的。干扰容限的定义：Mj=Gp/Lsys(S/N)outMj干扰容限Gp处理增益Lsys系统实现损耗(S/N)out相关器输出信噪比，也是系统中中频滤波器或基带滤波器的输入信噪比。一般用dB标示：MjdB=GpdB-LsysdB+(S/N)outdBn n例如：某扩频系统的处理增益为例如：某扩频系统的处理增益为17dB,基带基带滤波器要求输入最小信噪比是滤波器要求输入最小信噪比是8dB，系统的，系统的实现损耗为实现损耗为3dB，则干扰容限为多少？，则干扰容限为多少？Mj=17-（3+8）=6dB 标示此系统最差只能在干扰比信号高标示此系统最差只能在干扰比信号高6dB的的环境下工作。环境下工作。1.4.3 扩频通信系统的主要特点扩频通信系统的主要特点n n抗干扰性能好n n选择性寻址能力强n n保密性好n n频谱密度低n n高分辨率测距扩频通信扩频通信应用应用