扩频信号的产生与调制技术课件.ppt

4.1 直接序列扩频系统u直接序列扩频通信系统（Direct Sequence Spread Spectrum，DS-SS），又称为平均系统或伪噪声系统目前应用较为广泛的一种扩频通信系统例如：IS-95、UMTS 和 cdma200014.1.1 直接序列信号的产生直接序列扩频信号是采用直接序列调制的方法产生的直接序列调制就是用高速率的伪随机码序列与信息码序列模2加(或伪随机码波形和信息码波形相乘)后产生的复合码序列直接去调制载波可采用PSK、FSK和ASK三种调制方式，PSK信号是最佳调制信号通常采用抑制载波的二相平衡调制方式节省发射功率；提高发射机效率；图4-1（a） 直接序列扩频通信系统方框图4.1.1 直接序列信号的产生发射机接收机2图4-1（b） 直扩信号传输示意图 4.1.1 直接序列信号的产生3图4-3 接收机中频滤波器输出信号频谱示意图 4.1.1 直接序列信号的产生4抑制载波双边带调制4.1.2 扩频码的调制与混频相位调制m(t)是二进制序列时u对于直接序列扩频调制，调制信号为扩频码，若规定的取值为u这样相位调制信号可等效为一个只取的二值波形函数对载波进行抑制载波的双边带振幅调制信号，也就是平衡调制信号。

5只要c(t)不含直流分量，平衡调制就抑制了载波4.1.2 扩频码的调制与混频u载波频率必须远远高于调制信号中有用信号的最高频率，否则会发生频谱的交叠，产生折叠噪声，使传输信号的质量下降 图4-4 频谱折叠示意图（a）基带信号的频谱；(b) 调制后的频谱；(c) 图(b)的等效64.1.2 扩频码的调制与混频图4-4 直接序列调制前后的信号频谱示意图 7从频谱的观点来看，调制的结果就是把调制波的频谱搬移到了f0参加混频的两个信号分别是乘积后的差频项当两个二进制扩频码波形和完全相同时，有 4.1.2 扩频码的调制与混频8接收端信号的混频过程就是信号的相关解扩过程，作为混频的接收本地参考振荡信号不再是一频率单一的正弦波，而是一受本地参考扩频码调制的已调信号两个周期相同、码相位同步的调相信号混频的结果，输出信号中不再包含扩频码，即扩频信号被解扩了而由信息信号确定的相移仍保留在中频信号中，混频器的输出仍为调相波在分析和设计混频器时，需要注意信号的相位 4.1.2 扩频码的调制与混频9接收端混频的实质接收端混频的实质混频器输入/输出信号特点接收机输入信号载波相移由扩频码与信息信号共同作用，而本地参考信号载波的相移仅由扩频码决定。

下变频功能信号频谱从射频到中频搬移的过程混频器输出信号中不再包含有扩频码 （解扩）由信息信号确定的相移仍保留在中频信号中，混频器的输出仍为调相波解扩功能信号频带压缩扩频信号解扩过程4.1.3 直接序列扩频信号的频谱特性调制方式：PSK 扩频用的伪随机码c( t ) 的功率谱密度函数是由一系列的函数组成，这些 函数位于f=k/(NTc)=kRc/N （k=0，1，2，N-1）处，冲击强度所组成的包络是( sinx/x)2，第一个零点在伪随机码的传输速率 Rc处 时域两信号波形乘积的功率谱密度函数等于两信号功率谱密度函数在频域内的卷积积分 10信息码d(t)和扩频码c(t)在时域波形相乘d(t)c(t) (或序列模2相加 )所组成的复合码，其功率谱密度函数等于d(t)的功率谱密度函数Sd( f ) 和c(t)的功率谱密度函数Sc( f )在频域内的卷积积分复合码功率谱密度函数Sd( f )*Sc( f )的包络是(sinx/x)2型的 4.1.3 直接序列扩频信号的频谱特性11原来扩频码功率谱密度函数中的d( f )函数由信息码的功率谱密度函数代替，Sd( f )*Sc( f )的第一个零点在扩频码的传输速率Rc处。

由此可知，复合码的频谱必然有一个主瓣带宽，其第一个零点在扩频码的传输速率处具体产生过程可以形象地用图4-5表示Rb为信息码的传输速率，通常取Rc=NRb 4.1.3 直接序列扩频信号的频谱特性图4-5 伪随机码平衡调制过程及频谱示意图12u信号功率谱是统计平均量，长时间统计平均的结果；u在工程上，采用频谱分析仪观测直接序列扩频信号的频谱，看到的仅是观测时刻前一段时间的统计平均，这实际是将被观测的信号分成若干时间段，将每一时间段的信号都看作是周期信号的一个周期来处理，因而在频谱分析仪上看到信号的功率谱是离散谱；u由于扩频码的伪随机性和信息码的随机性，被划分的各时间段的信号是不相同的，因此出现在频谱分析仪上的任何一根谱线的都是随机的，所以直接序列扩频信号的频谱图形就好象包络是 型的噪声一样，并非像图4-5中所示的那样理想频谱特性解释频谱特性解释4.1.3 直接序列扩频信号的频谱特性13“载波泄露载波泄露” 问题问题4.1.3 直接序列扩频信号的频谱特性实际工程中，由于平衡调制电路中元件和参数的不对称或不平衡，使输入信号的幅度不是完全相等或两个反相载波的相位不是严格地等于0和p，而出现载波泄漏的现象。

输出信号中，未被完全抑制的载波通常称为“载漏”频谱上，输出信号的频谱中有载波分量出现扩频序列不平衡，也会造成载波抑制不好由于码不平衡，在其频谱中有直流分量出现，造成载波泄露对扩频发射机来说，扩频码序列编码时钟的泄漏也需要特别注意当发生扩频码序列编码时钟的泄漏时，频谱中对应于扩频码序列编码时钟的频率点处有尖峰谱出现，会出现对扩频信号产生寄生调幅的现象14u载波抑制的程度用载波抑制度（载漏抑制度）表示定义为平衡调制器输出信号的功率Po与残留载波的功率Pc之比，即u载波抑制不好，在载波频率点有明显的尖峰谱载波抑制度最好与扩频处理增益大体相当，一般以2060dB为宜，使载波频率谱线完全湮没在宽带信号频谱中，这是从反侦察(或抗截获)和抗窄带瞄准式干扰方面而言的4.1.3 直接序列扩频信号的频谱特性15序列的不平衡，反映在频谱特性中就是存在直流分量，序列的平衡特性越差，直流分量越大，通过调制后，基带信号中的直流分量反映在已调信号的频谱中，就变成了已调信号中的载波分量 4.1.3 直接序列扩频信号的频谱特性在一个实际系统里，由于进入平衡调制器的调制信号是扩频码序列，码的平衡性比平衡调制器中元器件的平衡性更难实现。

由于码不平衡，在其频谱中有直流分量出现，这就使平衡调制器输出的扩频信号中载波信号不能得到很好的抑制由于平衡调制器输出信号中有残留载波分量的存在，使得输出信号频谱中不仅有扩频码平衡调制信号，而且还有寄生的调幅信号在发射机里，影响在于输出扩频信号中有一些稳定的、易于被检测出来的信号这就失去了扩频信号隐蔽的特点，同时浪费了发射机的输出功率在接收端，未被抑制的载波分量，作为一个同频同相的窄带干扰信号，将进入接收机对接收信号造成干扰另外，未被抑制的载波将影响接收机的载波提取，进而影响解调器的正常工作，使接收系统的性能下降，关于这一点我们将在第5章中详细讨论 164.2直接序列系统射频带宽与处理增益4.2.1直接序列系统的射频带宽DS-SS系统射频带宽通常只考虑功率谱主瓣宽度 DS-SS系统中射频带宽直接影响系统性能系统的带宽和传送的信息速率决定了系统的扩频处理增益17调制信号为非归零码时，信号功率谱密度函数的包络是(sinx/x)2型的主瓣的带宽为Rc，3dB带宽为0.44Rc； PSK调制射频带宽为2Rc；4.2.1直接序列系统的射频带宽频谱范围频谱范围占总功率比率占总功率比率-RcRc90.3%-2Rc2Rc95.0%-3Rc3Rc96.6%184.2.1 直接序列系统的射频带宽u 功率损失功率损失取主瓣作为扩频信号带宽时，信号功率损失较小，只有10%的损失。

射频带宽选取问题射频带宽选取问题图4-8 带宽受限对信号波形及相关函数的影响19 相关特性相关特性旁瓣中丰富的高频分量来自调制信号陡峭的上升沿和下降沿如过分地限制射频带宽就等于限制了调制信号（PN码）的上升沿和下降沿，会使PN码尖锐的三角形相关函数顶峰变得圆滑，影响系统的抗干扰性能 l综上，在确定DS-SS系统带宽时，必须考虑功率损失、处理增益和信息信号的速率及系统抗干扰能力的要求4.2.1 直接序列系统的射频带宽u 特别是当直接序列信号用于测距系统中时，射频带宽受限的问题更显得十分重要204.2.2 直接序列系统的处理增益21uDS-SS系统处理增益是扩频码传输速率与信息信号传输速率的函数其实质描述的是信号从信息带宽与射频带宽之间变换所带来的信噪比的改善程度信噪比的改善程度u影响处理增益因素1 信息传输速率信息传输速率信息传输速率由信源而不是由传输系统决定的，不可能任意减小，一旦信息信号的传输速率下降到一定程度，就不能在规定的时间内将信息传送到接收方，失去了通信的意义4.2.2直接序列系统的处理增益222 射频带宽射频带宽（扩频码速率）（a）射频带宽的不断增大，并不能一直改善接收机输出信号信噪比。

扩频码的编码时钟越高，对扩频码发生器的要求也越高，系统工作频带也越宽，要求调制器和混频器在较宽的频带内保证一定的线性度，工程上难以实现b）当扩频码传输速率不断增大，接收机输出的干扰电平不断下降，并将减小至与接收机热噪声电平相当时，就不能改善输出信号的信噪比此时影响系统性能的是接收机内部热噪声例 某系统射频带宽为100MHz，Rc=100MHz/2=50Mb/s，信息传输速率为16kb/s，则处理增益为接收机热噪声电平为（T=300K，B=162=32kHz）接收机输出干扰电平为：-130.95dBm，与热噪声差不多故进一步加大射频带宽，输出信噪比也不会有很大改善！4.2.2 直接序列系统的处理增益若射频带宽提高到200MHz，则23当接收机可能收到的最大干扰为-93dBm时，接收机输出的干扰信号为-93dBm-34.59= -127.95dBm如果把信息速率压缩到2.4kb/s时，处理增益为4.2.2 直接序列系统的处理增益基带速率下降获得8.24dB的好处降低信息速率比增加伪码速率更有利，但要在系统设计时综合考虑由于信息速率的降低，接收机中解调器的带宽变为B2.42 kHz，接收机输出的热噪声电平为在接收机输入干扰信号电平不变情况下，输出干扰信号电平为244.3 直接序列系统中信息的发送4.3.1 信息的 FSK调制u扩展频谱通信系统一般不采用振幅调制，因为调幅信号易于调幅信号易于解调，不利于信息保密，且抗干扰能力较差解调，不利于信息保密，且抗干扰能力较差。

u通常采用FSK或PSK 调制方式；例如信息-FSK/扩频码序列-PSK的扩频原理方框图 图4-9 信息-调频/直接序列-调相方框图25信息-FSK/扩频码序列-PSK信号的时域表达式为 若对该信号进行平方处理，则产生2倍频项 第2项是已经解扩的（不再含扩频码c(t)）带有全部调制信息的（信息d(t)对载波调频）信号对于有一定保密要求的扩频通信系统，该方案不可取4.3.1 信息的 FSK调制264.3.2 信息的 PSK调制较常用的调制方案：信息-PSK/扩频码-PSK 调制方式图4-10 码变型原理方框图及波形27284.3.2 信息的 PSK调制图4-10 码变型原理方框图及波形注意注意要保证由信息引起的伪随机码反转只能在伪随机码的0与1跳变时刻才出现这种信息调制方法，对于不知道系统所用伪码序列c(t)特性的侦察者来说，即便侦察到是信息与伪随机码模2相加后的合成信号，要从中解调出信息也是比较困难的4.3.3 QPSK调制(1) 信息-BPSK/扩频码-QPSK图4-11 信息-BPSK/扩频码序列-QPSK直扩系统注意注意 c1(t)和c2(t) 码速率相同，码结构不同，均取值为1；码速率同步且相干（由同一时钟源驱动）；c1(t)和c2(t)彼此独立。

29调制器输出调制器输出(1) 信息-BPSK/扩频码-QPSK功率谱功率谱 信号的功率谱等于同相信号功率谱与正交信号功率谱的代数和 ；注注 由于扩频码彼此独立，载波正交，故上式的后两项等于04-6)4.。