《数字调制》PPT课件.ppt

第2章 调制解调,2.1 概述 2.2 数字频率调制 2.3 数字相位调制 2.4 正交振幅调制(QAM) 2.5 扩展频谱调制 2.6 多载波调制 思考题与习题,2.1 概 述,调制就是对消息源信息进行编码的过程，其目的就是使携带信息的信号与信道特性相匹配以及有效的利用信道。 多径衰落、多普勒频率扩展；日益增加的用户数目，无线信道频谱的拥挤这些因素对调制方式的选择都有重大的影响,移动通信调制解调技术特点:,移动通信面临的无线信道问题 多径衰落、干扰(自然，人为，ISI)、频率资源有限 移动通信对调制解调技术的要求 1 频谱资源有限高的带宽效率 2 用户终端小高的功率效率，抗非线性失真能力强 3 邻道干扰低的带外辐射 4 多径信道传播对多径衰落不敏感，抗衰落能力强 5 干扰受限的信道抗干扰能力强 6 解调一般采用非相干方式或插入导频的相干解调 7 产业化问题成本低易于实现 调制方案的性能评估：功率效率和带宽效率,调制解调的主要功能,频谱搬移，实现基带信号搬移到相应的频段 实现可以分为两步：首先进行基带信号调制，然后上变频到所需的频段。 抗干扰性 1 主要体现通信系统的质量指标即可靠性 2 调制信号具有较小的功率谱占有率 3 要求功率谱主瓣占有尽可能多的信号能量，具有快速滚降特性，带外衰减大、旁瓣小 频谱有效性 1 主要体现通信系统的数量指标，即有效性 2 频带利用率：bit/s/Hz,影响调制方式的选择的主要因素:,频带利用率：在数字调制中，常用带宽效率hb 来表示它对频谱资源的利用效率，它定义为hb Rb/B,其中Rb为比特速率，B为无线信号的带宽。 功率效率：指保持信息精确度的情况下所需的最小信号功率（或者说最小信噪比） 已调信号恒包络 易于解调 带外辐射：一般要求达到-60到-70dB 在移动通信系统中，采用何种调制方式，要综合考虑上述各种因素。,移动通信中的调制技术,Mobile Communication Theory,2.2.1 相位连续的FSK,2FSK信号,设要发送的数据为ak=1,码元长度为Tb。在一个码元时间内，它们分别用两个不同频率f1， f2的正弦信号表示，例如:,式中,定义载波角频率(虚载波) 为：,1, 2对c 的角频偏为：,Mobile Communication Theory,2.2.1 相位连续的FSK,Mobile Communication Theory,附加相位是 t 的线性函数，其中斜率为 ， 截距为 ，其特性如右图,产生2FSK信号两种不同的方法：开关切换方法（相位不连续）和调频（相位连续），如下图,2.2.1 相位连续的FSK,Mobile Communication Theory,所谓相位连续是指不仅在一个码元持续期间相位连续，而且在从码元ak-1到ak转换的时刻kTb，两个码元的相位也相等，即,即,这样就要求满足关系式:,2.2.1 相位连续的FSK,Mobile Communication Theory,即：要求当前码元的初相位由前一码元的初相位、当前码元ak和前一码元ak-1来决定。 这关系就是相位约束条件。 这两种相位特性不同的FSK信号波形如图2.4所示。,图2.4,Mobile Communication Theory,由图2.4可以看出，相位不连续的2FSK信号在码元交替时刻，波形是不连续的，而CPFSK信号是连续的，这使得它们的功率谱特性很不同。 图2.5分别是它们的功率谱特性例子。,图2.5,Mobile Communication Theory,可以发现，在相同的调制指数h情况下，CPFSK的带宽要比一般的2FSK带宽要窄。这意味着前者的频带效率要高于后者。 随着调制指数h的增加，信号的带宽也在增加。从频带效率考虑，调制指数h不宜太大。但过小又因两个信号频率过于接近而不利于信号的检测。 所以应当从它们的相关系数以及信号的带宽综合考虑。,Mobile Communication Theory,2FSK信号的归一化互相关系数可以求得如下（为方便讨论，令它们的初相为零）：,通常总是wcTb =2pfc/fb 1,或wcTb=np，因此略去第一项，得到,-h关系曲线如图2.6。,Mobile Communication Theory,从图中可以看出，当调制指数h=0.5，1，1.5，.时， r=0, 即两个信号是正交的。 h=0.5的CPFSK就称作最小移频键控MSK。它是在两个信号正交的条件下，对给定的Rb有最小的频差。,图2.6,Mobile Communication Theory,2.2.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱,由于|ak-ak-1|总为偶数，所以初始相位为零时，其后各码元的初相位为p的整数倍。 相位路径的例子如图2.7所示，其中初始相位为零。 图中可以看到的取值为0，-p、-p、-p、3p、.（k=0,1,2.）。,1.相位路径,图2.7,Mobile Communication Theory,在MSK信号中，码元速率Rb=1/Tb、峰值频偏fd 和两个频率f1、f2存在一定的关系。,当给定码元速率Rb时可以确定各个频率如下：,即载波频率应当是Rb/4的整数倍。,2.MSK的频率关系,2.2.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱,Mobile Communication Theory,3.MSK的功率谱,MSK的功率谱为,式中A为信号的幅度。,功率谱特性如图2.8所示。 为便于比较，图中也给出一般2FSK信号的功率谱特性。 由图可见，MSK 信号比一般2FSK信号有更高的带宽效率。,2.2.2 MSK信号的相位路径、频率及功率谱,图2.8,Mobile Communication Theory,2.2.3 高斯最小移频键控GMSK,GMSK是一种恒包络调制方式，可以采用功率效率高而便宜的非线性功率放大器，这使用户单元（手机）的价格比较低，有利于当时移动电话的普及。,1 高斯滤波器的传输特性 2 GMSK信号的波形和相位路径 3 GMSK信号的调制与解调 4 GMSK功率谱,要求带外辐射功率为-60-80dB GMSK是GSM的优选方案 实现简单，在原MSK调制器增加前置滤波器 对前置滤波器的要求: 带宽窄且为锐截止型 有较低的过脉冲响应 保持输出脉冲的面积不变 目的：抑制高频分量，防止过量的瞬时频率偏移、以及满足相干检测的需要 高斯滤波器满足以上要求,Mobile Communication Theory,1 . 高斯滤波器的传输特性,GMSK就是基带信号经过高斯低通滤波器的MSK，如图2.9,图2.9,Mobile Communication Theory,1 . 高斯滤波器的传输特性,频率特性H(f)和冲激响应h(t),高斯滤波器具有指数形式的响应特性，其中幅度特性为,冲激响应为,令Bb为H(f)的3dB带宽，因为H(0)=1，则有： H(f)|f=Bb=H(Bb)=0.707, 可以求得a:,Mobile Communication Theory,1 . 高斯滤波器的传输特性,令t =t /Tb ，并把 a = 1.7 Bb代入 并设Tb =1，则有,设要传输的码元长度为Tb，速率为Rb=1/Tb，以Rb为参考，对f 归一化： x = f /Rb = f Tb ， 则归一化3dB带宽为：,这样，用归一化频率表示的频率特性就为H(x)：,图2.10,给定xb ,就可以计算出H(x)、h()并画出它们的特性曲线如图2.10。,Mobile Communication Theory,2. GMSK信号的波形和相位路径,设要发送的二进制数据序列bk(bk =1)所用线路码为NRZ码，码元起止时刻为Tb的整数倍,此基带信号经过高斯滤波器后输出为,信号对调频器调频，输出为,附加相位为,Mobile Communication Theory,在一个码元结束时，相位的增量取决于在该码元期间q(t)曲线下的面积Ak：,2 .GMSK信号的波形和相位路径,Tb/2),Mobile Communication Theory,2 .GMSK信号的波形和相位路径,图2.13,例如图2.13，xb =0.3，截取g(t)的长度为3Tb(N=1)的情况。 在bk期间内，q(t)曲线只由bk及其前后一个码元bk-1、bk+1所确定。 当这三个码元同符号时，Ak有最大值Amax，设计调频器的参数kfm，使,这样调频器输出就是一个GMSK信号。,图2.14,Mobile Communication Theory,经过预滤波后的基带信号q(t)，相位函数(t)和GMSK信号的例子如图2.15 ：,2 .GMSK信号的波形和相位路径,图2.15,Mobile Communication Theory,3. GMSK信号的调制与解调,因为,因此常常采用正交调制方法。在实际的应用中可以事先制作 和 两张表，根据输入数据通过查表读出相应的数值，得到相应的 和 波形。,（1）调制,Mobile Communication Theory,3. GMSK信号的调制与解调,GMSK正交调制方框图如图2.16所示。,图2.16,图2.16,Mobile Communication Theory,GMSK可以用相干方法解调,也可以用非相干方法解调。这里介绍一比特延迟差分解调方法（非相干解调）,其原理如图2.18。,（2） 解调,设接收到的信号为,3. GMSK信号的调制与解调,图2.18,Mobile Communication Theory,和s(t)相乘得x(t),经过低通滤波同时考虑到,，得到y(t),3. GMSK信号的调制与解调,则W(t)为,式中：,Dq(t)是一个码元的相位增量。,Mobile Communication Theory,在t=(k+1)Tb时刻对y(t)抽样得到y(k+1)Tb)，它的符号取决于 的符号，判决准则为:,= +1,3. GMSK信号的调制与解调,Mobile Communication Theory,3. GMSK信号的调制与解调,解调过程的各波形如图2.19所示，其中设A(t)为常数。,图2.19,Mobile Communication Theory,4. GMSK功率谱,对GMSK信号功率谱的分析是比较复杂的，图2.20是计算机仿真得到xb =0.5、1和xb =（MSK）的功率谱。,从图中可见，随着xb 的减小频谱效率越高，但xb过小会使码间干扰（ISI）增加。,图2.20,GMSK 最吸引人的地方是具有恒包络特性，功率效率高，可用非线性功率放大器和非相干检测。 GMSK 的缺点是频谱效率还不够高。 在北美，频率资源紧缺，系统采用具有更高频谱效率的调制方式，这就是/4-QPSK。,2.2.4 高斯滤波的移频键控(GFSK)调制,由前面的讨论可知，MSK和GMSK两种调制方式对调制指数是有严格规定的，即h=0.5，从而对调制器也有严格的要求。 GFSK吸取了GMSK的优点，但放松了对调制指数的要求， 通常调制指数在0.40.7之间即可满足要求。 例如在第二代无绳电话系统(CT-2)标准中规定，发射“+1”时对应的频率比fc低14.4 kHz到25.2 kHz。 因此，GFSK 调制的原理框图如图 2-22 所示。GFSK与GMSK类似，是连续相位的恒包络调制。,图 2 - 22 GFSK调制的原理框图,Mobile Communication Theory,2.3 PSK调制,2.3.1 二相调制BPSK 2.3.2 四相调制QPSK和偏移QPSK-OQPSK 2.3.3 p/4-QPSK,移相键控(PSK),1986年前，线性高功率放大器成本较高，因此采用恒包络的CPM调制实现高功率效率。之后，线性功率放大器已取得实质性进展。 PSK是一种线性调制技术，具有带宽效率高、频谱利用率高等特点 移动通信中，一般采用性能优良的绝对移相体制而不采用相对移相体制，虽然相对移相体制可以解决相位模糊度问题。而CDMA中，常采用导频信道传送载波信息进行相干解调。,Mobile Communication Theory,2.3.1 二相调制BPSK,Mobile Communication Theory,设二进制的基带信号b(t)的波形为双极性NRZ码,BPSK信号的波形如图3.22所示。,2.3.1 二相调制BPSK,Mobile Communication Theory,功率谱,BPSK 信号是一种线性调制，当基带波形为NRZ码时，其功率谱如图3.23所示。,如图，基带波形为NRZ码时 BPSK信号有较大的副瓣，副瓣的总功率约占信号的总功率10%，带外辐射严重。 为了减小信号带宽，可考虑用M进制代替二进制。,2.3.1 二相调制BPSK,Mobile Communication Theory,2.3.2 QPSK和OQPSK,QPSK信号,在QPSK调制中，在要发送的比特序列中,每两个相连的比特分为一组构成一个4进制的码元，即双比特码元。双比特码元的4种状态用载波的四个不同相位(k=1,2,3,4)表示。这种对应关系叫做相位逻辑。例如,Mobile Communication Theory,QPSK信号产生,QPSK信号可以用正交调制方式产生。,把串行输入的（ak，bk）分开进入两个并联的支路I支路（同相支路）和Q支路（正交支路），分别对一对正交载波进行调制，然后相加便得到QPSK信号。,2.3.2 QPSK和OQPSK,Mobile Communication Theory,QPSK信号的功率谱和带宽,正交调制产生QPSK信号实际上是把两个BPSK信号相加。它们有相同的功率谱 ，带宽也为B=Rb。频带效率B/Rb则提高为1。 已调信号功率谱的副瓣仍然很大 ，在两个支路加入升余弦特性低通滤波器(如图3.29)，以减小已调信号的副瓣。,2.3.2 QPSK和OQPSK,Mobile Communication Theory,QPSK信号的包络特性和相位跳变,当基带信号为方波脉冲（NRZ）时，QPSK信号具有恒包络特性。由升余弦滤波器形成的基带信号是连续的波形,但 QPSK信号的包络也不再恒定。 并且偶尔发生的180度的相移，导致信号的包络在瞬时间通过零点，反映在频谱方面，会出现边瓣和频谱加宽的现象。为了防止旁瓣再生和频谱扩展，必须使用效率较低的线性放大器放大QPSK信号。 对放大器线性度敏感。功率效率会降低。,2.3.2 QPSK和OQPSK,QPSK是一种相位不连续的信号,在码元转换的时刻，信号的相位发生跳变。通过星座图可以看出跳变的幅度为180和90。,Mobile Communication Theory,把QPSK两个正交支路的码元时间上错开Ts/2=Tb，这样每经过Tb时间，只有一个支路的符号发生变化，因此相位的跳变就被限制在90，减小了信号包络的波动幅度。功率谱和带宽效率不变。 在非线性放大后仍保持带限性质，IS-95上行。 调制原理图和相位跳变路径为：,2.3.2 QPSK和OQPSK,Mobile Communication Theory,2.3.3 /4-QPSK,/4-QPSK兼顾频带效率、包络波动幅度小和能采用差分检测。 它的相位跳变最大幅度大于OQPSK而小于QPSK，只有45和135，因此信号包络波动幅度大于OQPSK而小于QPSK。 采用差分编码的/4-QPSK就称作/4-DQPSK。,Mobile Communication Theory,/4-DQPSK信号产生,/4-DQPSK可采用正交调制方式产生。其原理图如图3.37所示：,相位差分编码就是输入的双比特SI和SQ的4个状态用4个 值来表示。其相位逻辑如表3.2所示。所传输的信息包含在两个相邻的载波相位差之中。,2.3.3 /4-QPSK,可能的取值有个： ， ，由两个彼此偏移 的两个QPSK星座图构成，相位的跳变总是在这两个星座图之间交替进行，跳变的路径如图3.39的虚线所示：,Mobile Communication Theory,/4-DQPSK信号的相位跳变,2.3.3 /4-QPSK,2.4 正交振幅调制(QAM),Mobile Communication Theory,1、 数字调制的信号空间原理 信号波形的表示式和多维矢量空间的表示式存在一定程度的相似性，如果把信号的波形映射到矢量空间就可以很直观地表示欧氏距离了。,对于一个确定的实信号 ，它具有有限能量 。在一组完备的归一化正交函数集 中，实信号 可以由这些函数的加权线性组合来近似表示，,由此 在 维矢量空间中就可以表示为，,1、 数字调制的信号空间原理,Mobile Communication Theory,如果把M个能量有限的信号映射到N维的矢量空间上，空间中的M个映射点称作星座点，矢量空间称作信号空间。 在矢量空间中可以很容易地描述衡量误码性能的两个指标：信号之间的互相关系数和欧氏距离。,符号之间相关性越大，欧式距离就越小，那么误码性能就越差。 一般来说，调制阶数越高欧氏距离就越小。但是由于频率资源的限制，使得调制方式必须要采用比较高的阶数。 为了保证高频谱效率下链路的性能，可以相应的采用强有力的差错控制技术，提升功率等措施来弥补误码性能的缺陷。,Mobile Communication Theory,M进制的数字调制，一般可以分为MASK，MPSK，MQAM和MFSK，它们属于无记忆的线性调制。 如果结合到信号的矢量空间表示，可以理解为这些不同的调制方式是因为采用了不同的正交函数集。一般认为在阶数 时为高阶调制。,MASK，MQAM，MPSK这三种调制方式在信息速率和M值相同的情况下，频谱利用率是相同的。 由于MPSK的抗噪声性能优于MASK，所以2PSK、QPSK获得了广泛的应用。并且ASK信号是对载波的幅度进行调制，所以不适合衰落信道。在 时MQAM的抗噪声性能优于MPSK的，所以阶数更高的调制一般采用的是QAM的形式。,1、 数字调制的信号空间原理,所以在采用高阶调制时一般使用的是8PSK、16QAM、32QAM、64QAM等形式。,M维调制技术以牺牲功率获得较高的带宽效率。,2、M进制振幅键控（MASK）,Mobile Communication Theory,用MPAM的数字基带信号的幅度直接对载波进行调制就能够得到MASK信号， ，每 个比特映射为一个M进制符号。MASK信号可以表示为，,假设 ，把MASK信号正交展开就可以得到，,其中：,Mobile Communication Theory,以8ASK为例在一维空间上的信号星座图如图3-41所示，,图 3-41 8ASK的信号空间图,白高斯信道下8ASK的各个似然函数和最佳判决域的划分如图3-42所示，,图 3-42 8ASK的各个似然函数和最佳判决域的划分,2、M进制振幅键控（MASK）,Mobile Communication Theory,3、 M进制移相键控（MPSK）,MPSK信号是使用MPAM数字基带信号对载波的相位进行调制得到的，每个M进制的符号对应一个载波相位，MPSK信号可以表示为，,由上式看出可以把MPSK信号映射到一个二维的矢量空间上，这个矢量空间的两个归一化正交基函数为：,Mobile Communication Theory,MPSK信号的正交展开式为，,MPSK信号的二维矢量表示为，,3、 M进制移相键控（MPSK）,其中：,8PSK和16PSK的信号星座图如图所示：,Mobile Communication Theory,使用较多的是8PSK信号，在白高斯信道下的最佳判决域划分如图3-44所示：,图 3-44 8PSK的最佳判决域划分,3、 M进制移相键控（MPSK）,Mobile Communication Theory,（1）QAM基本原理,MASK信号的矢量空间是一维的，MPSK信号的矢量空间是二维的，随着调制阶数的增加，符号间的欧式距离在减小。那么如果能充分利用二维矢量空间的平面，在不减少欧氏距离的情况下增加星座的点数就可以增加频谱利用率，从而引出了联合控制载波的幅度和相位的正交幅度调制方式QAM。 QAM方式也是高阶调制中使用得最多的，下面重点介绍。,4、正交幅度调制（QAM）,MQAM信号是由被相互独立的多电平幅度序列调制的两个正交载波叠加形成的，信号表示式为，,其中 ， 是两组相互独立的离散电平序列。,4、正交幅度调制（QAM）,Mobile Communication Theory,MQAM的二维矢量表示为，,4、正交幅度调制（QAM）,MAQM信号正交展开可以表示为：,Mobile Communication Theory,MQAM信号星座有圆形的和矩形的，由于矩形星座实现和解调简单，因此获得了广泛的应用，图3-45给出了各种阶数下MQAM信号的矩形星座图：,图 3-45 MQAM信号的矩形星座图,4、正交幅度调制（QAM）,Mobile Communication Theory,（2） MQAM软解调,最佳接收时采用的是硬判决解调，这种方式并没有充分地考虑似然信息对信道译码的影响。 由于turbo码的广泛应用，在采用QAM调制的实际系统中一般使用的是软解调。 这是因为turbo码在译码时能够充分利用QAM软解调得到的似然信息，从而带来误码率的改善。 软解调就是计算出比特的对数似然比（LLR），然后直接将这个比特LLR作为Turbo 解码的输入。,4、正交幅度调制（QAM）,图 3-46 turbo编码和MQAM星座映射,图3-46给出了采用turbo编码和MQAM映射的框图：,Mobile Communication Theory,在图3-46中，Turbo编码器产生的是1/3码率的码字，dk为第 k个二进制信息比特组， 和 分别为通过循环系统卷积（RSC）编码后的两路校验位比特。,经过复用和打孔后，码率变为 ，交织之后进行MQAM星座映射。,每一对 表征了一组二进制比特 。 在接收端收到经过衰落和白高斯噪声的MQAM符号为：,4、正交幅度调制（QAM）,根据接收到的 就可以计算出和它们相应的二进制比特组bk的LLR，,Mobile Communication Theory,把LLR输入turbo译码器译码的框图如图3-47所示，,图 3-47 turbo码利用LLR译码框图,4、正交幅度调制（QAM）,5、高阶调制在3G, 4G中的应用,Mobile Communication Theory,高阶调制在高速数据传输系统中应用是相当多的。 在未来移动通信的发展中，高阶调制也必然是一种提高频谱利用率的有力措施。 下面分别介绍3G的三种移动通信标准以及其演进版本所采用的调制方式：,TD-SCDMA采用了比较低阶的QPSK的调制方案，WCDMA也采用了低阶的上行BPSK方式和下行QPSK方式。 随着差错控制技术的发展，当演进到HSPA阶段，无论是TDD系统还是FDD系统都引入了高阶的16QAM的方式。 如今LTE是发展的一个热点，为了达到5bps/Hz的频谱利用率，更是采用了64QAM的调制方式。 可以看出，更高阶的调制方式一般都是采用QAM的形式，因为它既能有效地利用频谱空间又能保持良好的误码性能。 cdma2000 1x也采用了QPSK的方式，当它演进到EV-DO阶段，也引入了8PSK，16QAM，64QAM等高阶调制方式。,5、高阶调制在3G, 4G中的应用,2.5 扩频通信,扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。 扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码(扩频序列：Spread Sequence)调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。 这种通信方式与常规的窄道通信方式是有区别的：一是信息的频谱扩展后形成宽带传输；二是相关处理后恢复成窄带信息数据。,正是由于这两大持点，使扩频通信有如下的优点： 抗干扰，抗噪音，抗多径衰落 具有保密性 功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率 可多址复用和任意选址 高精度测量等 正是由于扩频通信技术具有上述优点，自50年代中期美国军方便开始研究，一直为军事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。直到80年代初才被应用于民用通信领域。为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。,2.5.1 扩展频谱通信的基本概念,扩展频谱通信的定义；所谓扩展频谱通信，可简单表述如下： “扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”。,这一定义包含了以下三方面的意思： 一、信号的频谱被展宽了。 二、采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。 三、在接收端用相关解调来解扩,这一定义包含了以下三方面的意思：一、信号的频谱被展宽了。我们知道，传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。 例如人类的语音的信息带宽为300Hz - 3400Hz，电视图像信息带宽为数MHz。为了充分利用频率资源，通常都是尽量采用大体相当的带宽的信号来传输信息。 在无线电通信中射频信号的带宽与所传信息的带宽是相比拟的。如用调幅信号来传送语音信息，其带宽为语音信息带宽的两倍；电视广播射频信号带宽也只是其视频信号带宽的一倍多。这些都属于窄带通信。 一般的调频信号，或脉冲编码调制信号，它们的带宽与信息带宽之比也只有几到十几。扩展频谱通信信号带宽与信息带宽之比则高达100 - 1000，属于宽带通信。为什么要用这样宽的频带的信号来传输信息呢? 这样岂不太浪费宝贵的频率资源了吗?,二、采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。我们知道，在时间上有限的信号，其频谱是无限的。例如很窄的脉冲信号，其频谱则很宽。信号的频带宽度与其持续时间近似成反比。1微秒的脉冲的带宽约为1MHz。 因此，如果用限窄的脉冲序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信号。如下面介绍的直接序列扩频系统就是采用这种方法获得扩频信号。这种很窄的脉冲码序列，其码速率是很高的，称为扩频码序列。 这里需要说明的一点是所采用的扩频码序列与所传信息数据是无关的，也就是说它与一般的正弦载波信号一样，丝毫不影响信息传输的透明性。 扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。,三、在接收端用相关解调来解扩 正如在一般的窄带通信中，已调信号在接收端都要进行解调来恢复所传的信息。 在扩频通信中接收端则用与发送端相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解调，恢复所传的信息。换句话说，这种相关解调起到解扩的作用。即把扩展以后的信号又恢复成原来所传的信息。 这种在发端把窄带信息扩展成宽带信号，而在收端又将其解扩成窄带信息的处理过程，会带来一系列好处。 弄清楚扩频和解扩处理过程的机制，是理解扩频通信本质的关键所在。,2、扩频通信的理论基础,长期以来，人们总是想法使信号所占领谱尽量的窄，以充分利用十分宝贵的频谱资源。为什么要用这样宽频带的信号来传送信息呢? 简单的回答就是主要为了通信的安全可靠。 扩频通信的基本特点，是传输信号所占用的频带宽度(W)远大于原始信息本身实际所需的最小(有效)带宽(DF)，其比值称为处理增益Gp: Gp = W/DF .(1) 众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，如话音为1.73.1kHz ，电视图像则宽到数兆赫。为了充分利用有限的频率资源，增加通路数目，人们广泛选择不同调制方式，采用宽频信道(同轴电缆、微波和光纤等)，和压缩频带等措施，同时力求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽。因现今使用的电话、广播系统中，无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式，Gp值一般都在十多倍范围内，统称为“窄带通信”。而扩频通信的Gp值，高达数百、上千，称为“宽带通信”。,扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。 信息论中关于信息容量的仙农(Shannon)公式为： C Wlog2(1十P/N) .(2) 式中：C - 信道容量(用传输速率度量)；W - 信号频带宽度P - 信号功率； N - 白噪声功率 式(2)说明，在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比P/N是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比P/N(S/N)情况下，传输信息。 扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。,2、扩频通信的理论基础,3、扩频通信的主要性能指标,处理增益G也称扩频增益(Spreading Gain)： 它定义为频谱扩展前的信息带宽DF与频带扩展后的信号带宽W之比： GWDF 在扩频通信系统中，接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽为DF 的信息，而排除掉宽频带W中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。因此，处理增益G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。 抗干扰容限： 是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为： Mj = G (S/N)out + Ls 其中：Mj - 抗干扰容限； G - 处理增益 (SN)out - 信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比 Ls - 接收系统的工作损耗,例如, 一个扩频系统的处理增益为35dB。要求误码率小于l0-5的信息数据解调的最小的输出信噪比(S/N)out10dB，系统损耗Ls3dB，则干扰容限Mj 35 -(10 +3)= 22dB。 这说明，该系统能在干扰输入功率电平比扩频信号功率电平高22dB的范围内正常工作，也就是该系统能够在接收输入信噪比大于或等于22dB的环境下正常工作。,2.5.2 扩频调制原理,扩频通信的工作原理及工作方式,典型扩展频谱系统框图,扩频通信工作原理,在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。再经信息解调、恢复成原始信息输出。 由此可见，一般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。 与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。,2、扩频通信的工作方式,直接序列扩频DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum） 跳频扩频FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum） 跳时扩频THSS（Time Hopping Spread Spectrum） 线性调频（Chirp Modulation)工作方式（简称Chirp方式） 以及以上几种方法的组合，例如：DS/FH、DS/TH、DS/FH/TH等等。,（1）直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)工作方式，简称直扩(DS)方式,所谓直接序列(DS-Direct Scquency)扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。直接序列扩频的原理如图所示。,(a) 直扩信号的波形与频谱,任何周期性的时间波形都可以看成是许多不同幅度、频率和相位的正弦波之和。这些不同的频率成分，在频谱上占有一定的频带宽度。单一频率的正弦波，在频谱上只有一条谱线，而周期性的矩形脉冲序列，则有许多谱线。任何周期性的时间波形，可以用傅氏级数展开的数学方法求出它的频谱分布图。 现在以矩形脉冲序列为例来说明其间的关系。图2-2(a)中为一周期性矩形脉冲序列f(t)的波形及其频谱函数An(f)。,图中E为脉冲的幅度，o为脉冲的宽度，To为脉冲的重复周期。设To 5o，从图中可以看出f(t)的An(f)分布为一系列离散谱线，由基频fo及其高次谐波组成。随着谐波频率的升高、幅度逐渐衰减。对于棱角分明的波形，在理论上包含有无限多的频谱成分。不难证明，时间有限的波形，在频谱无限的；相反，频谱有限的信号，在时间上也是无限的。 但一般来说，信号的能量主要集中在频谱的主瓣内，即频率从0开始到频谱经过第一个0点的频率为止的宽度内，称为信号的频带宽度，以Bf表示。从数学分析可知，信号谱线间隔决定于脉冲序列的重复周期，即fo1/To。而信号频带宽度取决于脉冲的宽度，即Bo1/o。 在图52(b)中， 如果脉冲重复周期增加一倍，基频降低一半，谱线间隔也减少一半，谱线密度增加一倍，此时Bfo不变。 果脉冲重复周期不变，而脉冲宽度减少一半10/2，则从图52(c) 可以看出，谱线间隔不变，但信号的频带宽度Bf1增加一倍。此外，从图中还可以看出，无论是脉冲重复周期的增加，还是脉冲宽度的减少，频谱函数的幅度都降低了。,从上面的讨论中可以得出两个重要的结论： 一是为了扩展信号的频谱，可以采用窄的脉冲序列去进行调制某一载波，得到一个很宽的双边带的直扩信号。采用的脉冲越窄，扩展的频谱越宽。 如果脉冲的重复周期为脉冲宽度的2倍，即T2，则脉冲宽度变窄对应于码重复频率的提高，即采用高码率的脉冲序列。 直扩系统正是应有了这一原理，直接用重复频率很高的窄脉冲序列来展宽信号的频谱。 二是如果信号的总能量不变，则频谱的展宽，使各频谱成分的幅度下降，换句话说，信号的功率谱密度降低。这就是为什么可以用扩频信号进行隐蔽通信，及扩频信号具有低的被截获概率的原故。,例如我们用窄脉冲序列对某一载波进行二相相移键控调制。如果采用平衡调制器，则调制后的输出为二相相移键控信号，它相当于载波抑制的调幅双边带信号。 图中输入载波信号的频率为fc，窄脉冲序列的频谱函数为G(C)，它具有很宽的频带。 平衡调制器的输出则为两倍脉冲频谱宽度，而fc被抑制的双边带的展宽了的扩频信号，其频谱函数为fc G(C)。 在接收端应用相同的平衡调制器作为解扩器。可将频谱为fcG(C) 的扩频信号，用相同的码序列进行再调制，将其恢复成原始的载波信号fc。,直接序列扩频,直扩系统组成框图(a) 发射 (b) 接收,直扩系统各点的波形,图 信息的频谱扩展过程,图 扩频信号的解扩过程,(b)直接序列扩频CDMA系统的特点,1.频谱的扩展是直接由高码率的扩频码序列进行调制而得到的。 2.扩频码序列多采用伪随机码，也称为伪噪声(PN)码序列。 3.扩频调制方式多采用BPSK或QPSK等幅调制。 4.接收端多采用产生本地伪随机码序列对接收信号进行相关扩频，或采用匹配滤波器来解扩信号。 5.扩频和解扩的伪随机码序列应有严格的同步，码得搜捕和跟踪多采用匹配滤波器或利用伪随机码的优良的相关特性在延迟锁定环中实现。 6.一般需要用窄带通滤波器来排除干扰，以实现其抗干扰能力的提高。,2、跳变频率FH方式,跳变频率(Frequency Hopping Spread Spectrum)工作方式，简称跳频FH方式。所谓跳频，比较确切的意思是：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。 图(a)跳频的原理示意图；图(b)频率随机地跳变,为什么要跳频：,在敌我双方的通信对抗中，敌方企图发现我方的通信频率，以便于截获所传送的信息内容，或者发现我方通信机所在的方位，以便于引导炮火摧毁。 定频通信系统容易暴露目标且易于被截获，这时，采用跳频通信就比较隐蔽也难以被截获。 因为跳频通信是“打一枪换一个地方”的游击通信策略、使敌方不易发现通信使用的频率，一旦被敌方发现，通信的频率也已经“转移”到另外一个频率上了。 当敌方摸不清“转移规律”时，就很难截获我方的通信内容。,因此，跳频通信具有抗干扰、抗截获的能力，并能作到频谱资源共享。所以在当前现代化的电子战中跳频通信已显示出巨大的优越性。 另外，跳频通信也应用到民用通信中以抗衰落、抗多径、抗网间干扰和提高频谱利用率。,什么是跳频图案?,为了不让敌方知道我们通信使用的频率，需要经常改变载波频率，即“打一枪换一个地方”似地对载波频率进行跳变，跳频通信中载波频率改变的规律，叫作跳频图案。 通常我们希望频率跳变的规律不被敌方所识破，所以需要随机地改变以至无规律可循才好。但是若真的无规律可循的话，通信的双方(或友军)也将失去联系而不能建立通信。因此，常采用伪随机改变的跳频图案。 只有通信的双方才知道此跳频图案，而对敌方则是绝对的机密。所谓“伪随机”，就是“假”的随机，其实是有规律性可循的，但当敌方不知跳频图案时，就很难猜出其跳频的规律来。,右图所示为一个跳频图案。图中横轴为时间，纵轴为频率。这个时间与频率的平面叫作时频域。也可将这个时频域看作一个棋盘，横轴上的时间段与纵轴上的频率段构成了棋盘格子。阴影线代表所布棋子的方案，就是跳频图案；它表明什么时间采用什么频率进行通信，时间不同频率也不同。,图(a)中所示为一快跳频图案，它是在一个时间段内传送一个码位(比特)的信息。通常称此时间段叫跳频的驻留时间，称频率段为信道带宽。 图(b)所示则是一慢跳频图案，它是在一个跳频驻留时间内传送多个(此处3个)码位(比特)的信息。,跳频技术指标与抗干扰的关系,考察一个系统的跳频技术性能，应注意下列各项指标： 跳频带宽 跳频频率的数目 跳频的速率 跳频码的长度(周期) 跳频系统的同步时间,一般说来，希望跳频带宽要宽，跳频的频率数目要多，跳频的速率要快，跳频码的周期要长，跳频系统的同步时间要短。 跳频带宽的大小，与抗部分频带的干扰能力有关。 跳频带宽越宽，抗宽带干扰的能力越强。所以希望能全频段跳频。例如，在短波段，从1.5MHz到3MHz全频段跳频；在甚高频段，从30MHz到80MHz全频段跳频。 跳频频率的数目，与抗单频干扰及多频干扰的能力有关。 跳变的频率数目越多，抗单频、多频以及梳状干扰的能力越强。在一般的跳频电台中，跳频的频率数目不超过100个。,跳频的速率，是指每秒钟频率跳变的次数，它与抗跟踪式干扰的能力有关。 跳速越快，抗跟踪式干扰的能力就越强。一般在短波跳频电台中，其跳速目前不超过100跳秒。在甚高频电台中，一般跳速在500跳秒。对某些更高频段的跳频系统可工作在每秒几万跳的水平。 跳频码的长度，它将决定跳额图案延续时间的长度，这个指标与抗截获(破译)的能力有关。 跳频图案延续时间越长，敌方破译越困难，抗截获的能力也越强。跳频码的周期可长达10年甚至更长的时间。,跳频系统的同步时间，是指系统使收发双方的跳频图案完全同步并建立通信所需要的时间。 系统同步时间的长短将影响该系统的顽存程度。因为同步过程 一旦被敌方破环，不能实现收、发跳频图案的完全同步，则将使通信系统瘫痪。因此，希望同步建立的过程越短越好，越隐蔽越好。根据使用的环境不同，目前跳频电台的同步时间可在秒或几百毫秒的量级。 当然，一个跳频系统的各项技术指标应依照使用的目的、要求以及性能价格比等方面综合考虑才能作出最佳的选择。,慢跳频系统跳频图案,快跳频系统跳频图案,跳频系统可根据跳频速率分为快速跳频(FFH)、中速频跳(MFH)和慢速跳频 (SFH)。 SFH：Rh的范围是10100h/s；MFH：Rh的范围是100500h/s；FFH：Rh大于500h/s。,3、跳变时间扩频TH,跳变时间(Time Hopping)工作方式，简称跳时(TH)方式。 与跳频相似，跳时是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。 可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。 由于采用了窄得很多的时片去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。,4、各种混合方式,在上述几种基本的扩频方式的基础上，可以组合起来，构成各种混合方式。例如DS/FH、DS/TH、DS/FH/TH等等。 一般说来，采用混合方式看起来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。例如DS/FH系统，就是一种中心频率在某一领带内跳变的直接序列扩频系统。其信号的频谱如图2-10所示。,2.5.3 PN序列,1、地址码功能 扩展频率 区分不同的用户 抗多址干扰，多径衰落 信息数据的隐蔽和保密 捕获和同步,2、理想的地址码的特性,尖锐的自相关性 处处为零的互相关特性 有足够多的地址码码组 不同码元数平衡相等 尽可能大的复杂度 具有近似噪声的频谱，即近似连续谱且均匀分布,在扩展频谱通信中需要用高码率的窄脉冲序列。这是指扩频码序列的波形而言。并未涉及码的结构和如何产生等问题。 那么究竟选用什么样的码序列作为扩频码序列呢? 它应该具备哪些基本性能呢? 现在实际上用得最多的是伪随机码，或称为伪噪声(PN)码。 这类码序列最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。因为噪声具有完全的随机性，也可以说具有近似于噪声的性能。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。,为什么要选用随机信号或噪声性能的信号来传输信息呢？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。这样任意两个信号不容易混淆，也就是说，相互之间不易发生干扰，不会发生误判。理想的传输信息的信号形式应是类似噪声的随机信号，因为取任何时间上不同的两段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。 在数学上是用自相关函数来表示信号与它自身相移以后的相似性的。随机信号的自相关函数的定义为下列积分：,式中 f(t)为信号的时间函数，t为时间延迟。 上式的物理概念是f(t)与其相对延迟的t的f(t - t)来比较: 如二者不完全重叠，即t 0，则乘积的积分Ra(t)为0； 如二者完全重叠，即t0；则相乘积分后Ra(0)为一常数。 因此，Ra(t)的大小可用来表征 f(t)与自身延迟后的f(tt)的相关性，故称为自相关函数。,图23,现在来看看随机噪声的自相关性。 图2-3(a)为任一随机噪声的时间波形及其延迟一段t后的波形。图2-3(b)为其自相关函数。 当0时，两个波形完全相同、重叠，积分平均为一常数。如果稍微延迟，对于完全的随机噪声，相乘以后正负抵消，积分为0。因而在以 为横座标的图上Ra()应为在原点的一段垂直线。在其他t时，其值为0。这是一种理想的二值自相关特性。 利用这种特性，就很容易地判断接收到的信号与本地产生的相同信号复制品之间的波形和相位是否完全一致。相位完全对准时有输出，没有对准时输出为0。 遗憾的是这种理想的情况在现实中是不能实现的。因为我们不能产生两个完全相同的随机信号。我们所能做到的是产生一种具有类似自相关特性的周期性信号。,3、m序列,m序列是最长线性移位寄存器序列的简称。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2n1位。 现在来看看如何由多级移位寄存器经线性反馈产生周期性的m序列。下图(a)为一最简单的三级移位寄存器构成的m序列发生器。,三级移位寄存器构成的m序列发生器。,这一简单的例子说明： m序列的最大长度决定于移位寄存器的级数， 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。现在已经得到3-100级m序列发生器的连接图和所产生的m序列的结构。 例如4级移位寄存器产生的15位的m序列之一为111101011001000。同理我不难得到31、63、127、255、511、l023位的m序列。,m序列和其移位后的序列逐位模二相加，所得的序列还是m序列，只是相移不同而已。 例如1110100与向右移三位后的序列1001110逐位模二相加后的序列为0111010，相当于原序列向右移一位后的序列，仍是m序列。 m序列发生器中移位寄存器的各种状态，除全0状态外，其他状态只在m序列中出现一次。 如7位m序列中顺序出现的状态为111，110，101，010，100，00l和011，然后再回到初始状态111。 m序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产生m序列。 理论分析指出，产生的m序列数由下式决定： (2n 1) / n 其中由(X)为欧拉数(即包括1在内的小于X并与它互质的正整数的个数)。例如5级移位寄存器产生的 31位m序列只有6个。,一个码序列的随机性由以下三点来表征： 一个周期内“l”和“0”的位数仅相差1位。 一个周期内长度为 l 的游程(连续为“0”或连续为“l”)占12，长度为2的游程占l4，长度3的游程占l8。只有一个包含n个“l”的游程，也只有一个包含(n-1)个“0”的游程。“l”和“0”的游程数相等。 一个周期长的序列与其循环移位序列远位比较，相同码的位数与不相同码的位数相差l位。,m序列的一些基本性质：,1、随机性,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。例如上述7位码中有4个“1”和3个“0”。在15位码中有8个“l”和7个“0”。,一般说来，m序列中长为R(1 R n 2)的游程数占游程总数的l2k。,表21 111101011001000游程分布,（1）、随机性,m序列的自相关函数由下式计算：,令p =A + D = 2n 1 则：,设n = 3, p = 23 1 7， 则：,它正是图2-3(d)中所示的二值自相关函数。,（2）、自相关性,(3) m序列的互相关函数。 两个码序列的互相关函数是两个不同码序列一致程度(相似性)的度量，它也是位移量的函数。 当使用码序列来区分地址时，必须选择码序列互相关函数值很小的码， 以避免用户之间互相干扰。 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。 作为地址码而言， 希望选择的互相关函数越小越好， 这样便于区分不同用户， 或者说， 抗干扰能力强。,互相关函数见式(2 - 102)。 在二进制情况下， 假设码序列周期为 P 的两个m序列，其互相关函数Rxy()为 Rxy() = A-D (2 - 112),4、GoId码序列,m序列虽然性能优良，但同样长度的m序列个数不多，且序列之间的互相关值并不都好。RGold提出了一种基于m序列的码序列,称为Gold码序列。 这种序列有较优良的自相关和互相关特性，构造简单，产生的序列数多，因而获得了广泛的应用。 如有两个m序列，它们的互相关函数的绝对值有界，且满足以下条件：,我们称这一对m序列为优选对。,n为奇数,n为偶数(但不是4的倍数),如果把两个m序列发生器产生的优选对序列模二相加，则产生一个新的码序列，即Gold 序列。右图(a)中示出Gold码发生器的的原理结构图。,上图(b)中为两个5级m序列优选对构成的Gold码发生器。这两个m序列虽然码长相同，但相加以后并不是m序列，也不具备m序列的性质。,Gold序列的主要性质有以下三点：,Gold