4.5扩频调制技术.doc

§4-5 扩频调制技术在移动通信中，带宽是一个非常有限的资源因此，前面所讲的调制和解调技术的设计思想就是最小化传输带宽相反，扩频技术使用的带宽比要求的信号带宽大很多，尽管这种方法对单个用户来说，带宽效率很低，但是扩频技术可以让很多个用户在同一频带中通信扩展频谱（扩频）：用来传输信息的信道带宽远大于信息本身带宽的一种传输方式使用该扩频技术的系统叫扩频通信系统一、扩频通信的理论依据根据仙农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出的信道容量公式，即仙农公式：C = W×Log2(1+S/N)式中：C--信息的传输速率 S--有用信号功率 W--频带宽度 N--噪声功率由式中可以看出：为了提高信息的传输速率 C，可以从两种途径实现，既加大带宽 W或提高信噪比 S/N换句话说，当信号的传输速率 C 一定时，信号带宽 W 和信噪比 S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据二、扩频通信的实现——直接序列扩频（DS-SS）根据扩展频谱的方式不同，扩频通信系统有以下几类： 直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)、跳变频率扩频 (Frequency Hopping Spread Spectrum)、跳变时间扩频(Time HoppingSpread Spectrum)和混合扩频。

 直扩特点： 设计简单，通常隐蔽性好，抗多径能力强，可精确测量信号到达时间，信号易于产生，易于加密，带宽为 1~100MHz，信号包络为常数 处理增益受伪码速率限制，同步要求严格，远近特性不好，捕获时间较长，且随码长的增加而增加，调制多为 PSK 跳频特点： 易获取高处理增益，抗连续波干扰好，远近特性好，快跳可避免转发或干扰，易于捕获； 调制灵活性大，通信带宽宽； 抗脉冲和全频带干扰无防护能力，快跳设备复杂 跳时特点： 抗脉冲干扰性能好，与 TDMA 自然衔接，远近特性良好； 对连续波干扰无防护能力，需高峰值功率，需准确的时间同步，设备复杂，信号包络不是常数以下仅介绍直扩的实现细节直接序列扩频：通过扩频序列直接与基带脉冲数据相乘来扩展基带数据即在一个二进制码位的时段内用一组新的多位长的码型予以置换，新码型的码速率远远高出原码的码速率，由傅立叶分析可知新码型的带宽远远高出原码的带宽，从而将信号的带宽进行了扩展伪随机序列的一个脉冲或符号称为一个“ 码片” 采用二进制相移调制的 DS 系统调制器原理图如下图：图 4-24 二进制相移调制的 DS 系统调制器原理图i)设基带数据序列 m(t)为：m(t)= ，式中，a n 为信息码，取值为±1；Ta)(snTtg为信息码时间间隔。

ii)伪随机码产生器产生的伪随机序列 为： = 式中，c n 为伪()PNct()PNt)(CcnTtg随机序列码元，取值为±1；T c 为伪随机序列码元时间间隔通常，伪随机序列码元时间间隔远远小于数据序列码元时间间隔，即 Tc﹥﹥T aiii)扩展后的序列 d(t)为：d(t)=m(t) = ，式中：若 an=cn，则 dn= ()PNt)(Ccntgd+1，若 an cn，则 dn=-1；iv)经过 2PSK 调制后，输出扩频信号为 s(t)=d(t)cosω ct=m(t) cosω ct，式中, ω c 为()PNt载波角频率直接序列扩频系统解调器原理如下图：»ù´øBPFPNÂë²úÉúÆ÷ cosctr(t)m(t)cPN (t)图 4 – 25 直接序列扩频系统解调器原理图中， 输入 DS-SS 信号首先进行 2PSK 解调，然后与伪随机序列相乘进行解扩为了正确恢复信号，在接收端产生的伪随机序列必须与即将接收的扩频信号中的伪随机序列同步设解调器输入为：r(t)=s(t)+n(t)=m(t)c PN(t) cosω ct+n(t) ；2PSK 解调输出为 x(t)= ；经解扩后输出为 :mo(t)= Pcm(t)+no(t)。

1()'()2PNmtcnt式中, 第一项即是所需要的发送数据三、系统性能指标★抗干扰性能提升图示如下：图 4 – 26 直接序列扩频系统对带内窄带干扰的抑制原理(a) 直扩系统原理框图 ; (b) 解扩展后相关器输出可见，解扩后信号带宽减小，功率谱增大，而干扰的功率谱扩展后带宽展宽，功率谱降低解调器的滤波器将大部分信号频带外的干扰滤除，从而提高直接序列扩频系统的抗干扰能力其抗干扰性能和扩频信号带宽与信息带宽之比成正比1）扩频增益扩频系统的抗干扰能力可以用扩频增益(处理增益)来衡量，扩频增益越大，抗带内干扰的能力越强它是 DS 系统重要的参数µÍͨ »ý·Ö m(t)cosct cPN (t)= =0/wpisSNBG输 出 信 噪 比输 入 信 噪 比 acTCR其中， 为发射扩频信号的带宽； 为信息的带宽；R c 为伪随机序列码速；R a 为数据wBsB序列码速由上式可见：扩频增益为扩频的伪随机序列信号与信息数据带宽之比，或为伪随机序列码速 Rc 与数据序列码速 Ra 之比例如，在 CDMA 系统中，传输的信息码速率为19.2kb/s， 扩频码速率为 1228.8kb/s，则系统的处理增益为 GP=dBRaC06.1842.91【例 4.1】某扩频系统， W=20MHz， B=10kHz，则试求系统的扩频处理增益？解： Gp=10lg =33dB3610【例 4.2】当一个用户以 9600bit／s 的速率进行语音通信时，CDMA 的信道带宽是1228800Hz，试求信道处理增益 Gp ？若要求信噪比最低为 6dB，求可容纳的用户数？解：1228800／9600=128=21dB 。

工程估算，每当用户数增加一倍时，输入信噪比下降 3dB，21-6=15=3*5 （dB），因此，当用户数达到 32（25）个时，达信噪比的最低要求2）抗干扰容限通信系统要正常工作，必须保证输出端有一定的信噪比，如 CDMA 蜂窝移动通信系统为 7dB，GSM 蜂窝移动通信系统为 10dB，TACS 蜂窝移动通信系统为 17dB，并且还需扣除系统内部信噪比的损耗，因此需引入抗干扰容限干扰容限 Mj 是在保证系统正常工作的条件下，接收机输入端能承受的干扰信号比有用信号高出的分贝（dB）数它直接反映了扩频通信系统接收机允许的极限干扰强度，它往往能比处理增益更确切地表达系统的抗干扰能力 )/(outspj NSLG【例 4.3】某扩频通信系统的处理增益 Gp=33dB，系统损耗 Ls=3dB，接收机的输出信噪比(S/N)out=10dB，求该系统的干扰容限？解： =20dB)/(outspj NSM三、扩频序列（伪随机序列）扩频系统的特性取决于编码序列的码型和速率，码的设计依需求而不同CDMA 系统的多址码分四种，分别是：（1）用户地址：数量不足是主要矛盾，采用超长的序列，比如 242-1 或 241-1， （2）多速率（多媒体）业务地址：质量是主要矛盾。

采用层间可变扩频比正交码，即OVSF 码方式 以上两类地址码多用于上行信道，以移动台为主3）信道地址：用于区分每个小区内的不同信道信道地址码之间的相关性是用户之间干扰的主要来源采用 Walsh 码与中等长度伪码（如 215-1，作为基站地址码）两次联合扩频的复合正交码用于下行、前向信道 利用超长 m 序列用于上行反向信道 （4）基站地址：数量上有一定的要求，不过没有用户地址数量要求大，但是在质量上要求各基站之间正交（准正交） ，以减少基站间的干扰以上两类地址码多用于下行信道，以基站为主 扩频码常采用伪随机序列（PN，伪码） 可见，DS 系统要求伪码：（1）伪码的比特率应能满足扩频带宽的需要；（2）伪码的自相关要大，互相关要小；（3）伪码应具有近似噪声的频谱性质，即近似连续谱，且均匀分布以下讲述重在四种码理想的扩频序列应具有如下特性：①有尖锐的自相关特性；②有处处为零的互相关性；③扩频序列中 0,1 的个数相等； ④有足够的扩频码；⑤有尽可能大的复杂度为什么要选用随机信号或噪声性能的信号来传输信息呢？答：因为理想的传输信息的信号形式应是类似噪声的随机信号，而取任何两个不同时间段上的噪声来比较，都不会完全相似。

用它们代表两种信号，其差别性就最大许多理论研究表明，在信息传输中各种信号之间的差别性能越大越好因此需要寻求这种具有近似于随机信号的性能的码序列，但是，真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生的我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，故称为 伪随机码或 PN 码 PN 码就是一种具有近似随机噪声并具有理想二值自相关特性的码序列当码长取得很大时，PN 码就越近似于理想的随机噪声尖锐的自相关特性因此这种码序列就被称为伪随机码或伪噪声码扩频码序列除自相关性外，与其他同类码序列的相似性和相关性也很重要例如有许多用户共用一个信道，要区分不同用户的信号，就得靠相互之间的区别或不相似性来区分换句话说，就是要选用互相关性小的信号来表示不同的用户 几乎所有的扩频序列都用移位寄存器产生，有三种方法：线性反馈结构、非线性反馈结构和非线性前馈结构然而产生的序列有最大长度序列（ ）和非最大长度序列21n(P143)1. 正交沃尔什（Walsh）函数Walsh（沃尔什）函数可用 Hadamard（哈达码）矩阵 H 表示，利用递推关系很容易构成 Walsh 函数序列族其中 hadamard 矩阵产生沃尔什序列的原理如下：H1=0= =12001= = ……2H4201=r2112rr哈达码矩阵 H 是由“1” 和“0”元素构成的正交方阵。

在哈达码矩阵中，任意两行（列）都是正交的这样，当我们把哈达码矩阵中的每一行（列）看成一个函数时，则任意两行（列）之间也都是正交的，即互相关函数为零因此，将 M 阶哈达码矩阵中的每一行定义为一个 Walsh 序列（又称 Walsh 码或 Walsh 函数）时，我们就得到 M 个 Walsh 序列它表明以 2r 为周期、编号为 n 的离散沃尔什函数是由 的第 n+1 行确定的rH21,2)(inrrHiW12nrrWIS-95 中，为了保证各个信道之间相互正交，各信道信号都要用码片速率为 1.2288 Mc/s 的 64 进制的沃尔什函数正交扩展 2. m 序列 m 序列是最长线性移位寄存器序列的简称顾名思义， m 序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列在二进制移位寄存器发生器中，若 n 为级数，则所能产生的最大长度的码序列为 2n－1 位由于 m 序列容易产生、规律性强、有许多优良的性能，在扩频通信中最早获得广泛的应用 m 序列的最大长度决定于移位寄存器的级数，而码的结构决定于反馈抽头的位置和数量不同的抽头组合可以产生不同长度和不同结构的码序列。

有的抽头组合并不能产生最长周期的序列对于何种抽头能产生何种长度和结构的码序列，已经进行了大量的研究工作 M 序列的一些基本性质： 在 m 序列中一个周期内“1 ”的数目比“0”的数目多 l 位此特性保证了做平衡调制时，扩展频谱具有较高的载波抑制度 在表 5－2 中列出长为 15 位的游程分布 表 4－2 111101011001000 游程分布 游程数目 游程长度( 比特) “1”的 “0”的 所包含的比特数 1 2 2 4 2 1 1 4 3 0 1 3 4 1 0 4 游程总数 8 合计 15 一般说来，m 序列中长为 。