扩频 第6章..ppt

第6章 扩频系统信号的产生与调制 Spread Spectrum Communication 1 直接序列扩频通信系统6.1 直接序列系统中的几个主要参数的讨论6.2 直接序列系统中信息的发送6.3 6.1 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 6.1.1 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； 2 图6-1（a） 直扩系统方框图 6.1.1 直接序列信号的产生 发射机 接收机 3 6.1.1 直接序列信号的产生 发射机 4 6.1.1 直接序列信号的产生 发射机 5 6.1.1 直接序列信号的产生 6 抑制载波双边带调制 6.1.2 伪随机信号的调制与混频 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 这样一个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。

只要c(t)不含直流分量，平衡调制就抑制了载波 7 图6-4 直接序列调制前后的信号频谱示意图 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 u 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 6.1.2 伪随机信号的调制与混频 8 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 u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 6.1.2 伪随机信号的调制与混频 u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 9 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 6.1.2 伪随机信号的调制与混频 10 6.2直接序列系统中几个主要参数的讨论 6.2.1直接序列系统中射频带宽的考虑 u3dB带宽指幅值等于最大值的二分之根号二倍时对应的频带宽度 u幅值的平方即为功率，平方后变为1/2倍，在对数坐标中就是-3dB的位 置了，也就是半功率点了，对应的带宽就是功率在减少至其一半以前的频 带宽度，表示在该带宽内集中了一半的功率 udB是功率增益的单位，表示一个相对值当计算A的功率相比于B大或小 多少个dB时，可按公式10lgA／B计算例如：A功率比B功率大一倍，那么 10lgA／B＝10lg2＝3dB，也就是说，A的功率比B的功率大3dB；如果A的功 率为46dBm，B的功率为40dBm则可以说，A比B大6dB；如果A天线为12dBd， B天线为14dBd，可以说A比B小2dB udBm是一个表示功率绝对值的单位，计算公式为：10lg（功率值／1mW） 例如：如果发射功率为1mW，按dBm单位进行折算后的值应为：10lg（ 1mW／1mW）＝0dBm；对于40W的功率，则10lg（40W／1mW）＝46dBm。

11 6.2直接序列系统中几个主要参数的讨论 6.2.1直接序列系统中射频带宽的考虑 uDS-SS系统射频带宽通常只考虑功率 谱主瓣宽度 u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； 频谱范围占总功率比率 -Rc~Rc90.3% -2Rc~2Rc95.0% -3Rc~3Rc96.6% 带宽/比特速率 12 射频带宽选取问题 图6-6 带宽受限对信号波形 及相关函数的影响 ◆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 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 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 6.2直接序列系统中几个主要参数的讨论 6.2.1直接序列系统中射频带宽的考虑 13 u影响处理增益因素 1 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。

2 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 6.2.2直接序列系统的处理增益 6.2直接序列系统中几个主要参数的讨论 14 6.2.2直接序列系统的处理增益 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=16×2=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！ 若射频带宽提高到200MHz，则 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-34.95= -127.95dBm 15 如果把信息速率压缩到2.4kb/s时，处理增益为 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B＝2.4×2 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 16 6.2.2直接序列系统的处理增益 6.3 直接序列系统中信息的发送 6.3.1 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 17 6.3 直接序列系统中信息的发送 6.3.1 信息的 FSK调制 若对该信号进行平方处理，则产生不再含扩频码c(t) 的2倍频项这对于有一定保密 要求的扩频通信系统，该方案不可取 18 扩频伪随机码，取值+1或-1，码速率为Rc 载波振幅 载波中心频率 信息伪随机码，取值+1或-1，码速率为Rb 最大频偏 载波初相位 6.3.2 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 注意 u要保证由信息引起的伪码反转只能在伪码的0与1跳变时刻才出现 u对于不知道系统所用伪码序列c(t) 的侦察者来说，即便侦察到是信 息与伪码模2相加后的合成信号，要从中解调出信息也是比较困难的 。

19 6.3.2 信息的 PSK调制 (a) 扩频伪码序列 (b) 时钟调整前的信息数据 (c) 时钟调整后的信息数据 (d) 信息数据与扩频码模2加 图4-10 码变型原理方框图及波形 20 6.3.3 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 （a）发射端方框图 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 21 调制器输出 (1) 信息-BPSK/扩频码-QPSK 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 由于扩频码彼此独立，载波正交，故上式的后两项等于0 6.3.3 QPSK调制 22 信息-BPSK/扩频码序列-QPSK直扩系统接收机 23 6.3.3 QPSK调制 24 接收机混频后同相支路I(t)和正交支路Q(t)分别为（仅考虑差频项，和频项不能通 过中频滤波器） (1) 信息-BPSK/扩频码-QPSK 信号接收 6.3.3 QPSK调制 6.3.3 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 （a）发射端方框图 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。

25 6.3.3 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 实际 工程中，当d(t)的码速率较高时，已调信号d(t)cos(2pf0t)的带宽 较宽 ，对此宽带 信号进行移相90度而不产生失真是比较困难的(左图 )通常采用两路BPSK调制的方式来代替（右图），要注意同相支路和 正交支路元器件的选取尽量保证一致， 否则会产生寄生调幅现象 26 (2) 平衡QPSK直接序列扩频系统 图4-13 平衡QPSK直扩系统方框图（a）发射端框图 发射机输出信号s(t)为 6.3.3 QPSK调制 27 混频器输出的差频分量（忽略掉和频分量 ）为 当扩频码同步时，中频滤波器的输出为 (2) 平衡QPSK直接序列扩频系统 信号接收 6.3.3 QPSK调制 28 I(t)和Q(t)的码速率可以不相同；c1(t)和c2(t)的码速率也可不相同亦可采用 OQPSK调制，它是跟踪和数据中继卫星系统(TDRSS)中所用的扩频信号之一 注意 双通道QPSK直扩系统方框图 6.3.3 QPSK调制 (3) 双通道QPSK直接序列扩频系统 29 。