1、上講內容回顧第第1 1章章 擴頻通信技術原理擴頻通信技術原理 1.2編碼系統與擴頻系統編碼系統與擴頻系統 1.3 數字信號的波形與頻譜數字信號的波形與頻譜 1.4 擴頻系統的特點擴頻系統的特點本講內容提要2.1直接序列直接序列(DS)擴頻系統擴頻系統 2.1.1直接序列擴頻系統的組成直接序列擴頻系統的組成 2.1.2 直擴系統的信號分析直擴系統的信號分析 2.1.3 處理增益與干擾容限處理增益與干擾容限第第2 2章章 擴頻通信系統的工作原理擴頻通信系統的工作原理2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統右圖為直擴系統發送端的組成原理框圖。 由信源輸出的信號a(t)是碼元持續時間為Ta的信息流，

2、偽隨機碼產生器產生的偽隨機碼為c(t)， 每一偽隨機碼碼元寬度或切普(chip)寬度為Tc。 將信碼a(t)與偽隨機碼c(t)進行模2加， 產生一速率與偽隨機碼速率相同的擴頻序列， 然后再用擴頻序列去調制載波， 這樣就得到已擴頻調制的射頻信號。2.1.1 直接序列擴頻系統的組成直接序列擴頻系統的組成發送端發送端2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統 將信號的頻帶恢復為信息序列a(t)的頻帶， 即為中頻調制信號。 然后再進行解調， 恢復出所傳輸的信息a(t)， 從而完成信息的傳輸。 對于干擾信號和噪聲而言， 由于與偽隨機序列不相關， 在相關解擴器的作用下， 相當于進行了一次擴頻。2.1.1 直

3、接序列擴頻系統的組成直接序列擴頻系統的組成在接收端，接收到的擴頻信號經高放和混頻后， 用與發端同步的偽隨機序列對中頻的擴頻調制信號進行相關解擴， 接收端接收端2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統 1、信號分析、信號分析:信號流、偽隨機序列的表達式信號流、偽隨機序列的表達式信號源產生的信號a(t)為信息流，碼元速率Ra，碼元寬度Ta,Ta1Ra0)()(naannTtgata式中：an為信息碼，以概率P取1和以概率1P取1 ，ga(t)為門函數 其它, 00, 1)(aaTttg偽隨機序列產生器產生的偽隨機序列c(t),速率為RC,切譜寬度為TC,TC1RC 10)()(NnccnnTtgc

4、tccn為偽隨機碼碼元，取值1或1，gc(t)為門函數，定義與ga(t)類似 (2-1)(2-3)(2-4)2.1.2 直擴系統的信號分析直擴系統的信號分析2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統擴頻過程實質上是信息流a(t)與偽隨機序列c(t)的模2加或相乘的過程。 偽隨機碼速率Rc比信息速率Ra大得多， 一般Rc/Ra的比值為整數， 且Rc/Ra1， 所以擴展后的序列的速率仍為偽隨機碼速率Rc， 擴展的序列d(t)為式中 1、信號分析：、信號分析：擴展后序列的表達式擴展后序列的表達式0( )( ) ( )()nccnd ta t c td g tnT(2-5)11nnnnnacdac(n1

5、)TctnTc(2-6)2.1.2 直擴系統的信號分析直擴系統的信號分析2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統采用PSK調制， 調制后得到的信號s(t)為s(t)=d(t)cos0t=a(t)c(t)cos0t(2-7)式中， 0為載波頻率。接收端天線上感應的信號經高放的選擇放大和混頻后， 得到包括以下幾部分的信號： 有用信號sI(t)、 信道噪聲nI(t)、 干擾信號JI(t)和其他網的擴頻信號sJ(t)等， 即收到的中頻信號(經混頻后)為rI(t)=sI(t)+nI(t)+JI(t)+sJ(t) (2-8)1、信號分析：、信號分析：調制后信號、接收端信號的表達式調制后信號、接收端信號的表

6、達式2.1.2 直擴系統的信號分析直擴系統的信號分析2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統接收端的偽隨機碼產生器產生的偽隨機序列與發端產生的偽隨機序列相同， 但起始時間或初始相位可能不同，為c(t)。 解擴的過程與擴頻過程相同， 用本地的偽隨機序列c(t)與接收到的信號相乘， 相乘后為1、信號分析：、信號分析：接收端解擴信號的分析接收端解擴信號的分析(2-9)2.1.2 直擴系統的信號分析直擴系統的信號分析2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統下面分別對上面四個分量進行分析。首先看信號分量sI (t)若本地產生的偽隨機序列c(t)與發端產生的偽隨機序列c(t)同步， 即c(t)=c(t)，

7、則c(t) c(t)=1, 這樣信號分量sI (t)為 sI (t)=a(t)cosIt (2-11)后面所接的濾波器的頻帶正好能讓信號通過， 因此可以進入解調器進行解調， 將有用信號解調出來。 1、信號分析：、信號分析：有用信號的提取有用信號的提取(2-10)2.1.2 直擴系統的信號分析直擴系統的信號分析2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統噪聲分量nI(t)、 干擾分量JI(t)和不同網干擾sJ(t)經解擴處理后， 被大大削弱。 nI(t)分量一般為高斯帶限白噪聲， 因而用c(t)處理后， 譜密度基本不變(略有降低)， 但相對帶寬改變， 因而噪聲功率降低。 JI(t)分量是人為干擾引起

8、的。 由于它們與偽隨機碼不相關， 因此， 相乘過程相當于頻譜擴展過程， 即將干擾信號功率分散到了一個很寬的頻帶上， 譜密度降低， 相乘器后接的濾波器的頻帶只能讓有用信號通過。 1、信號分析：、信號分析：噪聲分量和干擾分量的削弱噪聲分量和干擾分量的削弱2.1.2 直擴系統的信號分析直擴系統的信號分析2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統這樣， 能夠進入到解調器輸入端的干擾功率只能是與信號頻帶相同的那一部分。 解擴前后的頻帶相差甚大， 因而解擴后干擾功率大大降低， 提高了解調器輸入端的信干比， 從而提高了系統抗干擾的能力。 至于不同網的信號sJ(t)， 由于不同網所用的擴頻序列也不同， 這樣對于

9、不同網的擴頻信號而言， 相當于再次擴展， 從而降低了不同網信號的干擾。1、信號分析：、信號分析：不同網信號的削弱不同網信號的削弱2.1.2 直擴系統的信號分析直擴系統的信號分析2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統 1、信號分析：、信號分析：不同信號波形展示不同信號波形展示圖3-2 擴頻系統的波形示意圖2.1.2 直擴系統的信號分析直擴系統的信號分析2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統下面我們來分析直擴信號的功率譜。 發送端發送的信號s(t)為s(t)=d(t)cos0t=a(t)c(t)cos0t式中， a(t) 、c(t)、和d(t)分別由式(2-1)、式(2-4)和式(2-5)確定

10、。 分析的方法是先求出s(t)的自相關函數Rs()， 再進行傅立葉變換， 就可得到s(t)的功率譜密度Gs(f)。 2、發送信號功率譜分析、發送信號功率譜分析 分析方法分析方法2.1.2 直擴系統的信號分析直擴系統的信號分析2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統對s(t)求自相關函數， 有 由于a(t)與c(t)是由兩個不同的信號源產生的， 因而是相互獨立的， 則有 Rd()=Ra()Rc() 式中, Ra()和Rc()分別為a(t)與c(t)的自相關函數。c(t)是長度為N的周期性偽隨機序列， 故其自相關函數也是周期為 N的周期性函數，如下表達式。 Rc()波形圖如右圖所示。 2、發送信號

11、功率譜分析：、發送信號功率譜分析：自相關函數的表達式自相關函數的表達式20211( )( ) ()d( )cos2TTsdRs t s ttRT 1( )1cRN002.1.2 直擴系統的信號分析直擴系統的信號分析2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統對Rc()進行傅立葉變換， 得到c(t)的功率譜密度為它是以1=2/NTc為間隔的離散譜，其幅度由Sa2（Tc/2）確定。N越大，Gc()譜線越密，TC越小，功率譜的帶寬越寬，譜密度越低，c(t)越接近白噪聲。 2、發送信號功率譜分析：、發送信號功率譜分析：c(t)的功率譜密度的功率譜密度2220sin1122( )( )()2ccncnTNn

12、PTNNNT (2-13)2.1.2 直擴系統的信號分析直擴系統的信號分析2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統由傅立葉變換的性質可求出擴頻信號s(t)的功率譜密度為將式(2-13)代入上式， 并且考慮單邊譜， 則s(t)的功率譜密度為由圖可見，N越大，Gs()譜線越密，Tc越小，功率譜的帶寬越寬，譜密度越低，c(t)越接近白噪聲。2、發送信號功率譜分析：、發送信號功率譜分析：s(t)的功率譜密度的功率譜密度002001( )( )( ) ()()81( ) ()()8sacaccGGGGGG 200220112( )()Sa ()()44aancnNnnPGGNNNNT2.1.2 直擴系統

13、的信號分析直擴系統的信號分析2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統在擴頻系統中，傳輸信號在擴頻和解擴的處理過程中，擴頻系統的抗干擾性能得到提高，這種擴頻處理得到的好處，就稱之為擴頻系統的處理增益。其定義為接收相關處理器輸出與輸入信噪比的比值，定義為接收相關處理器輸出與輸入信噪比的比值，即輸出信噪比與輸入信噪比的比值即輸出信噪比與輸入信噪比的比值，即一般用分貝表示，為 2.1.3 處理增益與干擾容限處理增益與干擾容限1.處理增益處理增益(2-16) (2-17) 處理增益的定義處理增益的定義2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統對于直擴系統，解擴器的輸出信號功率不變，但對于干擾信號而言，由于

14、解擴過程相當于干擾信號的擴展過程，干擾功率被分散到很寬的頻帶上，進入解調器輸入端的干擾功率相對解擴器輸入端下降很大，即干擾功率在解擴前后發生了變化。因此，對于直擴系統而言，對于直擴系統而言，其處理增益就是干擾功率減小的倍數其處理增益就是干擾功率減小的倍數。2.1.3 處理增益與干擾容限處理增益與干擾容限1.處理增益處理增益直擴系統中處理增益的含義直擴系統中處理增益的含義2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統設一個干擾信號與信號的頻率關系相同，干擾譜密度為A，功率為PJ，經接收機c(t)擴展到f0-fcf0+fc的頻帶上，帶寬B=2fc，干擾功率譜密度為A，降低為原來的1/N，如圖2-6所示。

15、 2.1.3 處理增益與干擾容限處理增益與干擾容限1.處理增益處理增益圖2-6干擾功率譜變化 (a)擴展前；(b)擴展后 擴展前后的干擾功率不變，即有 (2-18) 可得(2-19) 進入信號頻帶(f0-fcf0+fc)內的干擾功率為 (2-20) 則系統的處理增益為 或 直擴系統中處理增益的計算直擴系統中處理增益的計算2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統一般情況下，發送信息的帶寬是不變的，要提高擴頻系統的抗干擾能力，就應提高擴頻系統的處理增益，也就是要提高擴頻用的偽隨機碼的速率。當碼速率增加到一定程度后，會受到許多客觀因素的影響。例如，一直擴系統，信息碼元速率Ra為16kb/s，偽隨機碼

16、速率Rc為50Mc/s，則帶寬為100MHz，系統的處理增益為 如果帶寬加大到200MHz，則偽隨機碼速率為100Mc/s，此時的系統處理增益為 2.1.3 處理增益與干擾容限處理增益與干擾容限1.處理增益處理增益提高擴頻碼速率來直擴系統的處理增益提高擴頻碼速率來直擴系統的處理增益2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統由此可見，偽隨機碼速率提高偽隨機碼速率提高1倍時，系統的處理增益只約增加倍時，系統的處理增益只約增加3dB。如果把3dB的處理增益和當前的條件相比，技術上的難點會更高，也就是說，在系統處理增益達到某一水平后，還要以提高偽隨機碼速率的方法來提高系統處理增益，這將大大增加系統的復雜

17、程度和大大增加系統的復雜程度和成本，付出的代價是昂貴的成本，付出的代價是昂貴的。如上例中的偽隨機碼速率由50Mc/s增加到100Mc/s，偽隨機碼產生器的速率要提高1倍，對器件的要求更加苛刻，同步精度相應地要提高1倍，要完成這些技術指標是非常困難的。因此，當處理增益提高到一定程度時，不能再靠提高偽隨機碼速率當處理增益提高到一定程度時，不能再靠提高偽隨機碼速率的方法來提高系統的處理增益，而應考慮用別的方法來提高系統的處的方法來提高系統的處理增益，而應考慮用別的方法來提高系統的處理增益理增益，如可以降低信息速率，而且這種方法可能更為有效。2.1.3 處理增益與干擾容限處理增益與干擾容限1.處理增益

18、處理增益提高擴頻碼速率來直擴系統的處理增益提高擴頻碼速率來直擴系統的處理增益2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統目前采用的話音調制多采用16kb/s或32kb/s的增量調制，如果采用語音壓縮技術、線性預測編碼、矢量量化編碼等技術，可降低信息速率。如國外研制出的2.4kb/s的線性預測編碼(LPC)器，600b/s的矢量量化編碼器等，都會使系統的處理增益大大提高。在JTIDS（美國三軍聯合信息分發系統）中，采用線性預測編碼，Ra2.4kb/s，有2.1.3 處理增益與干擾容限處理增益與干擾容限1.處理增益處理增益降低信息速率來直擴系統的處理增益降低信息速率來直擴系統的處理增益2.1 直接序列擴頻系統直接序列擴頻系統所謂干擾容限，是指在保證系統正常工