1、1无线通信原理与应用无线通信原理与应用2主要内容主要内容n调制技术概述调制技术概述n无线移动通信对数字调制技术的要求无线移动通信对数字调制技术的要求n线路码及其频谱线路码及其频谱n脉冲成形脉冲成形n信号空间概念信号空间概念n线性调制技术线性调制技术 n恒包络调制技术恒包络调制技术n扩频调制技术扩频调制技术3扩展频谱技术扩展频谱技术n什么是扩展频谱（什么是扩展频谱（pread pectrum）系）系统？为什么要扩频？统？为什么要扩频？n有哪些主要的扩展频谱技术？有哪些主要的扩展频谱技术？n直接序列（直接序列（irect equence）扩频技术）扩频技术简介简介。4什么是扩展频谱系统？什么是扩展
2、频谱系统？n发射信号带宽远大于所传输的基带信号带宽发射信号带宽远大于所传输的基带信号带宽的系统，称作的系统，称作。n扩频通信概念的产生源于二战期间军事应用扩频通信概念的产生源于二战期间军事应用的需要，最初是为了在存在敌方干扰情况下的需要，最初是为了在存在敌方干扰情况下实现保密通信。最早提出的扩频方式并不是实现保密通信。最早提出的扩频方式并不是直接序列扩频（直接序列扩频（DSSS），而是跳频扩频），而是跳频扩频（FHSS）。）。5n我们知道，传统的我们知道，传统的，已调信号，已调信号带宽等于基带信号带宽的带宽等于基带信号带宽的。如，。如，MPSK(M2)调制调制的已调信号带宽是基带带宽的已调信号
3、带宽是基带带宽的的2倍；倍；MSK调制调制的已调信号带宽是基带带宽的已调信号带宽是基带带宽的的1.5倍。倍。n而而的射频带宽是远大于基带带宽的，这的射频带宽是远大于基带带宽的，这里里“”指的是射频带宽是基带信号带宽指的是射频带宽是基带信号带宽的的。例如，。例如，IS95 CDMA系系统统采用直接序列扩频技术，其射频信道带宽为采用直接序列扩频技术，其射频信道带宽为1.25MHz，而在其，而在其中，编码后基带符中，编码后基带符号速率为号速率为19.2ksps。二者之间约。二者之间约65倍的关系。倍的关系。6为什么要扩频为什么要扩频1n能获得一定程度的抗干扰能力和抗阻塞能获得一定程度的抗干扰能力和抗
4、阻塞能力；能力；n是一种在背景噪声中隐蔽传送信号的方是一种在背景噪声中隐蔽传送信号的方法；法；n使窃听者的截获概率非常低；使窃听者的截获概率非常低；7为什么要扩频为什么要扩频2n能够抵御来自多条传输路径（即多径）能够抵御来自多条传输路径（即多径）的干扰；的干扰；n能实现多个用户共享一个公共信道（即能实现多个用户共享一个公共信道（即实现多址）；实现多址）；n能提供一种测量两点间范围和距离的方能提供一种测量两点间范围和距离的方法。法。8主要的扩展频谱技术主要的扩展频谱技术1n直接序列扩频技术n频率跳变（简称跳频，requency opping）扩频技术n时间跳变（简称跳时，ime opping）扩
5、频技术 9主要的扩展频谱技术主要的扩展频谱技术2n混合方式：在上述几种基本扩频方式的基础上，可以将其组合起来，构成各种混合方式。例如：FH/DS、DS/TH、DS/FH/TH等等。一般来说，采用混合方式在技术上要复杂一些，实现起来也要困难一些。但是，不同方式结合起来的优点是有时能得到只用其中一种方式得不到的特性。10跳频（跳频（FH）扩频扩频技术简介技术简介1nFHSS系统在军事通信领域应用较多。它通过系统在军事通信领域应用较多。它通过不断地更替载波频率来实现扩频，载波频率更不断地更替载波频率来实现扩频，载波频率更替的规律常称为跳频图案，为了保证跳频的有替的规律常称为跳频图案，为了保证跳频的有
6、效性效性抗敌方干扰和截获，跳变规律应呈现抗敌方干扰和截获，跳变规律应呈现出伪随机变化的特点，跳频图案一般由伪随机出伪随机变化的特点，跳频图案一般由伪随机码（码（PN码）所决定。码）所决定。n目前其应用已经不仅仅限于军事通信领域，象目前其应用已经不仅仅限于军事通信领域，象GSM和蓝牙（和蓝牙（Blue tooth）系统中都应用了跳）系统中都应用了跳频。频。11跳频（跳频（FH）扩频扩频技术简介技术简介2n值得指出的是，值得指出的是，GSM中使用跳频的目的主要在中使用跳频的目的主要在于实现于实现和和，通过应用跳频技，通过应用跳频技术来提升术来提升GSM蜂窝系统的容量（信干比可以得蜂窝系统的容量（信
7、干比可以得到改善）。到改善）。nGSM采用采用TDMA方式，用户发射机的发射是方式，用户发射机的发射是的（而不是持续式的，用户发射只占用的（而不是持续式的，用户发射只占用特定的时隙），这就为跳频的引入创造了条件，特定的时隙），这就为跳频的引入创造了条件，每次发射（每个时隙）可以采用不同的载频。每次发射（每个时隙）可以采用不同的载频。12跳频跳频技术重的重要参数技术重的重要参数n跳频周期跳频周期：在每个：在每个载频上持续发射的载频上持续发射的时间，记作时间，记作Thop。n跳变速率（跳速）跳变速率（跳速）：每秒钟载频跳变：每秒钟载频跳变的次数。记作的次数。记作vhop，单位为：单位为：hops/
8、s。显。显然，一般有，然，一般有，vhop1 Thop。tf1314跳频接收机跳频接收机15直接序列扩频技术简介直接序列扩频技术简介 通过将已调载波与宽带扩频序通过将已调载波与宽带扩频序列列来实现带宽的扩展。来实现带宽的扩展。n由于CDMA移动通信采用直接序列扩频系统(可简称直扩系统)，因此有必要进一步说明直扩通信系统的组成、工作原理及其主要特点。16直接序列扩频（直接序列扩频（DSSS）原理）原理：17解扩条件解扩条件n解扩条件：接收机要正确解调，必须先进行解解扩条件：接收机要正确解调，必须先进行解扩处理扩处理用接收机本地扩频序列与收到的扩用接收机本地扩频序列与收到的扩频信号相乘。解扩处理可
9、表达为：频信号相乘。解扩处理可表达为：n 其中，其中，Td为传输时延，为传输时延，是接收端对传输时延是接收端对传输时延的估计，正确解调的前提就是使得的估计，正确解调的前提就是使得 ，从而保证：从而保证：。)Tt(tcos)Tt(c)Tt(c)Tt(c)Tt(tcos)Tt(c)Tt(c)t(sdddddddddr 00dTddTT 1 )Tt(c)Tt(cdd18扩频与解扩示意图扩频与解扩示意图正常解扩的条件有：正常解扩的条件有：1）收、发使用相同的扩频序列；）收、发使用相同的扩频序列；2）收、收、发要实现同步，即要求发要实现同步，即要求 。ddTT 19扩频信号的频谱扩频信号的频谱T=3Tc
10、20码片（码片（Chip）的概念）的概念n扩频序列的一个扩频序列的一个“1”或者一个或者一个“0”被称作一个被称作一个码片码片，以便与原始数据中的，以便与原始数据中的“1”或者或者“0”区分区分开来（在那里，我们一般称之为开来（在那里，我们一般称之为比特比特或或码元码元）。扩频序列中一个码片的持续时间称作。扩频序列中一个码片的持续时间称作码片周码片周期期，记作，记作Tc；扩频序列的数据速率称作；扩频序列的数据速率称作码片速码片速率率，记作，记作Rc，单位是，单位是chips/s（而不用而不用bits/s！）。）。就就DSSS系统而言，一般有，系统而言，一般有，TcRS 。21扩频增益n我们定义
11、：我们定义：TSTc为为DSSS的扩频增益。记作：的扩频增益。记作：GSSTSTc(1Tc)(1TS)。刚才，我们看到，扩频之前已调带宽为：刚才，我们看到，扩频之前已调带宽为：2TS，扩频之后的信号带宽为：，扩频之后的信号带宽为：2Tc。因此，就有扩频增益因此，就有扩频增益GSS为：为：GSSB扩频后扩频后B扩频前扩频前。22 DSSS可以对抗窄带干扰可以对抗窄带干扰f PSD接收机解扩前接收机解扩前A点点f0有用信号有用信号窄带干扰窄带干扰f PSD接收机解扩后接收机解扩后B点点f0扩展后的扩展后的窄带干扰窄带干扰还原后的还原后的有用信号有用信号GSS有用信号被还有用信号被还原为窄带信号原为
12、窄带信号窄带干扰被扩窄带干扰被扩展为宽带干扰展为宽带干扰23扩频码应具备的特点扩频码应具备的特点n扩频码应该是扩频码应该是（，seudo-oise），伪噪声码在扩频系统或码分多址系统中起着十伪噪声码在扩频系统或码分多址系统中起着十分重要的作用。分重要的作用。这是由于这类码序列最重要这是由于这类码序列最重要的特性是它具有近似于随机信号的性能，也可的特性是它具有近似于随机信号的性能，也可以说具有近似于白噪声的性能。以说具有近似于白噪声的性能。n在单用户工作时扩频码在单用户工作时扩频码扩频码扩频码24m序列n二进制的m序列是一种重要的伪随机序列，有优良的自相关特性。nm序列在扩展频谱及码分多址技术中
13、有着广泛的应用，并且在m序列基础上还能构成其它的码序列，因此无论从m序列直接应用还是从掌握伪随机序列基本理论而言，必须熟悉m序列的产生及其主要特性。25m序列的含义序列的含义nm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延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。n在二进制移位寄存器中，若n为移位寄存器的级数，n级移位寄存器共有2n个状态，除去全 0 状态外还剩下2n-1种状态，因此它能产生的最大长度的码序列为2n-1位。n产生m序列的移位寄存器的电路结构，其反馈线连接不是随意的，m序列的周期P也不能取任意值，而必须满足：P=2n-1（n是移位寄存器的级数）26D
14、QD QD Q+CLK LFSR序列序列 输出输出 1）时钟（）时钟（CLK）上升沿，）上升沿，QD；2）设寄存器初状态为）设寄存器初状态为QI0，QII0，QIII1；试确定试确定LFSR序列输出。序列输出。m序列的产生序列的产生27m序列的输出序列的输出时钟上升沿时钟上升沿 序号序号状态状态 QIQIIQIII(初始态：初始态：001）反馈运算结果反馈运算结果 (初始值：初始值：1)序列输出序列输出 (QIII)1 100 1 1 2 110 1 03 111 0 04 011 1 15 101 0 16 010 0 17 001 1 08 100 1 128m序列自相关函数序列自相关函数
15、nm序列的自相关特性优序列的自相关特性优良。如右图所示，在码良。如右图所示，在码片边界对齐的情况下，片边界对齐的情况下，等于，等于1，这一，这一规律是具有普遍性的规律是具有普遍性的不仅仅限于周期不仅仅限于周期N7的情形。这就为的情形。这就为实现多实现多址址和和利用多径利用多径创造了条创造了条件。件。该序列的移位序列有：该序列的移位序列有：、。29m序列互相关函数序列互相关函数n两个长度周期相同，由不同反馈系数产生的m序列，其互相关函数(或互相关系数)与自相关函数相比，没有尖锐的二值特性，是多值的。159100710203130R(t)31251015202530cTt两个m序列(P=31)互相
16、关函数曲线 30m序列的均衡性和游程分布序列的均衡性和游程分布n均衡性均衡性：在m序列码中，码元为“1”的数目比码元为“0”的数目多1位。n游程分布游程分布：游程总数为2n-1，而且，连“1”游程和连“0”游程各占一半。其中：游程长度为k(1kn-2)的游程占游程总数的2-k。此外，还有一个长度为n的连“1”游程和一个长度为(n-1)的连“0”游程。31说明说明n实际应用时，实际应用时，m 序列的周期都会很长，而序列的周期都会很长，而不可能仅仅等于不可能仅仅等于7。例如，。例如，IS95 CDMA系系统中用到的统中用到的m序列有两种：序列有两种：由由42阶阶LFSR生成，所以生成，所以周期为周期为242-1；有两有两个，分别由两个具有不同线性反馈的个，分别由两个具有不同线性反馈的15阶阶移位寄存器生成，所以移位寄存器生成，所以周期都是周期都是215-1。n具体使用时可能不像上述原理所描述的那具体使用时可能不像上述原理所描述的那样简单、直接。在样简单、直接。在IS95中，它们的作用中，它们的作用有有时并不仅仅是为了扩频时并不仅仅是为了扩频。
