第6章 多址技术与CDMA通信系统.ppt
第6章 多址技术与CDMA通信系统,6.1 多址技术 6.2 扩频通信技术 6.3 跳频扩频信号 6.4 扩频系统的同步 6.5 其他类型的扩频信号,6.1 多址技术,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信道带宽划分为许多个（如K个）频率互不重叠的子信道，如图6-1-2(a)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。这就是频分多址（Frequency Division Multiple AccessAddress），简称FDMA。FDMA主要用于模拟载波通信、微波通信和卫星通信系统中，如北美800MHz的AMPS体制。,6.2 扩频通信技术,扩频通信最早始于军事通信，直到80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3G就是以扩频技术为基础的。 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,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： · 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。 · 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，而接收端采用相关解调来解扩，使有用宽带信号恢复成窄带信号；而非需要信号如噪声等先被扩展成宽带信号，然后在接收端通过窄带滤波提取有用的信号时被极大地抑制。 · 信息隐蔽、多址保密通信。,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： （1）直接序列扩频通信系统（DSSS）：由待传信息信号与高速率的伪随机序列PN码相乘后，直接控制射频信号的某个参量； （2）跳频扩频系统（FHSS）：由数字信息与二进制PN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PN码的变化而跳变； （3）跳时扩频系统（THSS）：用PN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列码变换规律一致； （4）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，但系统更复杂。,6.2 直接序列扩频通信 一. 直接序列扩频调制的基本原理,6.2.2 直接序列扩频通信 一. 直接序列扩频调制的基本原理,理想扩频系统波形,二、码分多址/直接序列扩频（DSCDMA）系统 DSCDMA系统直接将数字信号与高速扩频PN序列在发送端相乘后，调制到高频载波上进行发射。由于PN码的速率远大于信码速率，故该PSK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PN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，再对它进行中频放大和滤波，然后经数字解调即可恢复原信码。,三DSCDMA的组成 发送端： 信源编码器、载波信号发生器、PN码序列发生器、功率放大器、扩频调制器、低噪声放大器 接收端： 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,6.2.3 PN序列的生成 一PN序列码基本特性 二m序列 6.3 跳频扩频信号 6.3.1 跳频信号的调制及解调 一跳频的基本原理,6.2.3 脉冲干扰对DS扩频系统的影响,6.2.4 PN序列的生成,选用的地址码应该具有如下几条特性： · 必须具有足够多的地址码码组序列，以实现码分多址的要求； · 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值为零或很小； · 不同的码元数应平衡相等。 · 工程上易于产生、加工、复制和控制。 实际生产中采用的PN码序列主要是m序列、Gold序列和Walsh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0（如m序列、Gold序列），要么互相关性好但自相关性却较差（如Walsh码）。,二m序列 m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1、2、N个触发器，每个乘法器的相乘系数都为二值序列0或1，产生m序列的周期长度由各乘法器相乘系数的不同0、1组合决定，产生的m序列的周期最长为2N1。,由于m序列的周期长度T=2N1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m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。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m序列又不能太长。故m序列的长度应根据实际情况做综合考虑 每种级数m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m=4，其对应的最长周期（24115）序列逻辑关系查表为（23）8，换用二进制即（010011）2，也就是说该4级m序列输出最长周期（15）序列时的电路逻辑关系为F=1+x+x4。,三Gold序列信号的产生,Walsh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，必须经过一定处理才能用于扩频通信。正交Gold序列和Walsh码的正交性能相近，但自相关特性却远胜Walsh码，便于扩频通信过程中的同步捕捉和跟踪稳定。 m序列生成Gold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。 实际电路中，由于各分离器件的时延不同，当m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m序列信号，一般都采用可编程集成器件来实现完成。,6.3 跳频扩频信号,6.3.1 跳频信号的调制及解调 一跳频的基本原理 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FH。它的载频由PN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。也就是说，在同一个时间周期内，FH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上，其跳变模式由伪随机PN序列码决定，即由所传信息码与PN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“多频、选码、频移键控”。一般称载波可用的所有频率的集合为跳频集。,和前面的直接序列扩频相比，FH信号和DS信号在时间和频率的占用方式上截然不同，可用下面的图631表示。明显的，采用FH方式的系统在传输时仅占用整个系统频段的一小部份，而DS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定频段上的功率可能各不相同。,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。 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，军用跳频系统一般达到每秒上万跳。实际上，移动通信GSM系统也是跳频系统，其规定的跳速为每秒217跳。出于成本的考虑，商用跳频系统跳速都很慢，一般在50跳/秒以下。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。,6.4 扩频系统的同步,直扩系统解扩时，只有在完成伪随机码PN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PN码的速率和相位要与接收到的高速扩频序列保持一致，也即当发射和接收端的PN码之间相位差达到一个Chip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本地PN码一致的相位状态，这一过程常称为同步捕捉。 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PN码的时钟速率，使接收信号中的PN码相位和本地PN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，就认定完成同步捕获。此时收发双方的PN码相位误差就小于一个chip码宽（Tc）了。 完成捕捉后，同步过程转入跟踪状态，它的目的是使双方PN码的相位差进一步缩小，彼此的相关性进一步增大，使解扩频获得高的增益，满足后续解调门限要求。,6.4.1 同步建立或捕捉 在DS扩频系统中，PN码必须在码元间隔为TC1/W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。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，建立起初始同步。,6.4.2 同步跟踪 一旦信号被捕捉到，则初始搜索捕获过程立即停止，转而开始精确的同步跟踪过程。跟踪用来维持接收机中PN码发生器与接收信号的同步，包括精确的码片和相干解调中的载波相位跟踪,6.5 其他类型的扩频信号 6.5.1 跳时扩频信号,
