扩频通信7章分解课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第7章 扩展频谱技术的应用,7.1 引言,7.2 扩频测距的应用,7.3 在CDMA系统中的应用,7.4 在卫星通信中的应用,7.5 在数字水印技术中的应用,7.6 在电力线通信中的应用,7.7 其它应用,习题与思考题,第7章 扩展频谱技术的应用,7.1 引言,扩展频谱技术具有抗干扰能力强，截获率低特点，在码分多址、信号隐藏与信息保密、远程精确测距测速领域得到广泛的应用。,领 域,应 用,空间系统,卫星通信、深空测距测速、多址联接、抗多径抗干扰传输、信息加密等,航空和航海,电台通信、电子对抗、定位、导航、多址通信、抗干扰低检测、抗截击等,地面系统,移动通信、加密数据、多址联接、搞多径抗干扰、控制系统、远程测量等,测试系统,信号差错检测、相关性检测、PN码检测、加密信号、位置方向定位测试等,表 7-1 扩展频谱技术主要应用,7.2 扩频测距的应用,深空测距主要是应用电磁波、声波等波的传播特性检测深空目标距离，现代的雷达测距是检测敌对方的目标距离。,一、常规雷达测距,雷达测距的原理如图7-1所示，测距原理是记录从雷达天线的射信号到深空目标反射回该信号被接收的时间间隔,t,，可知雷达天线距离目标反射物距离,d,为,（7-1）,雷达由发射机、收信机和天线三部分组成，发射机发射高频脉冲信号离开天线到达目标物，信号被目标反射又回到天线，所用的时间为,t,，电磁波走过的距离为雷达到目标直线距离的2倍。,雷达的最大测量距离取决于被准确检测的回波信号的强度，由于距离越远，回波信号越弱，当信号弱到收信机接收信号门限值以下就检测不到信号，这时的距离就是雷达最大测量距离。,设混在雷达调制器中的噪声是均值为0、带宽2/T、谱密度N,0,/2的相互独立的高斯白噪声，若雷达天线发射功率P,0,，接收信号功率,a,2,P,0,，0,a,1为电波传播的功率衰减系数，接收机输出信噪比为,t,1,+T,t,1,+,t,t,1,t,雷达收/,发信机,被测目标,t,图7-1 雷达测距原理,（7-2）,由（7-2）式可知，对于确定接收信号门限的雷达，最大测量距离与发射功率P,o,和发射高频脉冲时间宽度T是成正比的，由于实际中雷达发射功率增加不能太大，因此增加发射高频脉冲宽度T成为提高雷达测距的有效方法。,雷达测距的一个重要指标是距离分辨能力。如果有两个目标，雷达测量中要在两个目标汇报音通过通过测量距离来区分两个目标，则两目标必须有一定距离差。对发射脉冲宽度为T的雷达，利用脉冲前沿检测，目标回波时延差小于T时，两个目标回波就开始重叠，这两个目标的距离差无法分开，所以，雷达的最小分辨距离,d,（即雷达的距离分辨能力）为,（7-3）,二、扩频雷达测距,伪随机序列扩频雷达测距的基本系统如图7-2所示。,z,(t),v,(t),u,(t),r,(t),s,(t),比较器,平方电路,带通,滤波器,处理器,扩频码,发生器,扩频码,发生器,射频,放大器,时钟,载波,f,0,低通,滤波器,目标距离,d,图7-2 伪随机序列扩频雷达测距,扩频码发生器在时钟控制下，产生伪随机码元宽度为T,C,，幅度1、码周期N的扩频信号C(t)。为了进行远距离深空测量，雷达发射宽脉冲，设雷达发射脉冲宽度T正好是扩频码的时间周期，即TNT,C,。设雷达发射机载波,f,0,，发射信号功率P,0,，脉冲重复发射周期T,m,，通过载波C(t)调制后发射脉冲串可表示为,（7-4）,接收端经天线接收后，混合有同相和正交噪声的信号为,（7-5）,满足,，用与发端同步的参考扩频码 进行相关解扩,（7-6）,设带通滤波器的中心频率为,f,0,，通带宽度2/T，相关解扩后只有在,f,0,附近的频率分量能通过带通滤波器，其它频率分量被带通滤波器滤除。而接收端混进的噪声经过相关解扩后输出为,（7-7）,其中，,n,c,(,t,)和,n,s,(,t,)是均值为0、带宽为2/T、谱密度为N,0,/2且相互独立的高斯白噪声，则带通滤波器输出为,（7-8）,（7-9）,式中,是扩频码的自相关函数，再经过平方电路，并忽略二次项影响，输出为,（7-10）与常规测距雷达输出信噪比(7-2)式相同。当T越大，信噪比越高，测量距离越远，扩频雷达测距最小距离分辨能力为,若接收机完全同步，即,，扩频码C(,t,)具有尖锐自相关特性，分析出扩频雷达接收回波输出噪比简化为,（7-10）,（7-11）,在发射功率一定的P,0,情况下，利用扩频技术测距，其最大测量距离与扩频码周期T有关，T越大，,d,max,就越大；而测距分辨能力与的扩频码的码元宽度T,C,相关，T,C,越小，距离分辨能力越高。,合理选择T,C,、N（或T）和T,m,来分别满足所要求的测距精度（距离分辨能力）、最大测量距离和测距的模糊问题。,7.3 在CDMA系统中的应用,一、CDMA概述,CDMA是码分多址的英文缩写（Code Division Multiplx Access），它是在扩频通信技术上发展起来的一种成熟的无线通信技术，被选用第三代和第四代移动通信的核心技术。,CDMA通信系统具有下列特点：,1、系统容量大。,1)、采用话音激活技术提高系统容量。,2)、采用频率复用及扇区划分技术提高系统容量。,3）、增大天线的处理增益，以提高系统抗干扰性，增加容量。,4）、利用前向纠错技术降低(Eb/N0)信/扰能量比，提高系统容量。,CDMA特点,2、软越区切换技术。在新旧基站切换时，是“先建立与新基站的连接，后中断与旧基站连接方式”，因此CDMA用户越区切换时掉话率很低。,3、软容量。,4、低发射功率。,5、频率规划配置简单。,6、保密性好。,二、CDMA系统,CDMA数字蜂窝移动通信系统包括移动业务交换中心（MSC）、基站子系统（BSS）、管理维护子系统（OMS）、移动台及与市话网如PSTN、ISDN等连接的中继线，共5部分组成。,MS,Um,BTS,BTS,BSC,MSC/VLR,HLR/AUC,ISDN,PLMN,PSTN,PSPD,N,SME,BTS,BSC,OMC,MSC/VLR,EIR,A,F,E,A-BIS,C、D,图7-4 CDMA数字蜂窝移动通信系统,CDMA系统各部分功能,HLR本地用户（归属）位置寄存器：保存CDMA系统移动用户入网的所有数据，是系统的中心数据库。,VLR拜访位置寄存器：VLR是漫游移动用户进网必须存储有关数据存储器。,AUC鉴权中心：负责存储鉴别移动用户合法性的鉴别，以认证移动用户入网的身份。,EIR设备识别寄存器：主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能。,操作维护子系统（OMS）为系统提供操作维护功能，它存储有系统软件及系统结构数据库，并负责收集网络运行性能报告。,CDMA系统的接口,移动通信系统各组成部分完成各种功能，需要符合规定的统一的标准接口，CDMA系统规范了有线接口如A、B、C、D、E、F等接口，并规范了空中接口Um，组成一个互连互通的开放网络。,为实现多址联接，保证CDMA系统信息传输安全性，在CDMA收、发系统中使用正交的Walsh码作为扩频序列，收发系统如图。,混频,解调,调制,功放,d,1,S,1,W,1,f,0,调制,功放,d,N,S,N,W,N,f,0,采样,y,k,判决,W,k,f,0,J,图7-5 CDMA接收、发送系统方框图,三、CDMA移动通信的关键技术,1功率控制技术。功率控制技术是CDMA系统的核心技术。,（l）反向开环功率控制。,（2）反向闭环功率控制。,（3）前向功率控制。,2PN码技术,伪随机（PN）码的选择直接影响到CDMA系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等性能。,3RAKE接收技术,在RAKE接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调，然后叠加合成输出达到增强接收效果的目的,。,二进制,数据,多径信道,扩频码发生器,调制器,1,1,2,解调,器,RAKE,接收机,C(,t,-,1,),C(,t,-,3,),C(,t,-,2,),图7-5 RAKE接收机原理图,图7-6中，三条多径路径具有不同的延迟时间（,1,、,2,、,3,）和信道衰落因子（,a,1,、,a,2,、,a,3,），每个模型对应不同不同的传播环境。在每个接收机中，接收到的信号由扩频码进行相关解扩处理，接收到的信号是用多径信号的时延时间去校正的。,4软切换技术,移动通信中“先连接新基站，再断开旧基站”的过程称之为软切换。,5话音编码与话音激活技术,目前CDMA系统的话音编码主要有两种，即码激励线性预测编码(CELP)8kbit/s和13bit/s。8kbit/s的话音编码达到GSM系统的13bit/s的话音水平甚至更好。,根据对话音通信的统计，表明一般通话时长占35%,40%，其它时间是停顿、等待、倾听对方讲话等空闲时间，话音激活技术即是在通话时，发送功率，不通话时不发功率，以减少对其它用户的影响，提高系统容量。,7.4 在卫星通信中的应用,1.概述,卫星通信是利用人造卫星作为中继站转发多个地面地球站之间信号的通信方式。卫星通信覆盖范围很大，容易实现大容量远距离通信，特别是跨越高山、海洋、国际领海和领空通信方面的特有优势，使得它成为实现个人通信必不可少的手段。,由于扩展频谱技术具有较好的保密通信能力，将信号功率分散在极宽的频带内，使信号隐蔽在噪声和干扰之中，只要各地球站台的PN码设计得好，卫星系统的抗干扰能力就很强，信道调度灵活方便。使用扩频技术的典型卫星通信系统有：美国开发的数据跟踪与中继卫星通信系统TDRSS，欧洲宇航局开发的移动卫星系统PRODAT，VSAT卫星及USAT特小卫星天线系统和GPS系统等。,2.数据跟踪与中继卫星系统（TDRSS）,1983年美国开始发射的数据中继卫星系统（TDRSS）是由两颗静止卫星构成，为12,000km以下的航天飞行器、空间站或低轨道卫星提供通信链路，并具有跟踪定位功能，TDRSS用户转发器是置于低轨道卫星上的卫星转发器。卫星通信链路是采用QPSK直接序列扩频调制，其目的上于：在同地载波上同时提供20用户通信，实现码分多址；其直接扩频系统处理增益高达30dB，提供对窄带干扰的防护能力；通过比较发送和接收的直接序列扩展频谱信号的相位实现测距；并利用直接序列扩频信号的低功能谱密度性质，降低到达地球表面的信号能量密度，实现信息安全隐藏目的。,图7-6 TDRSS卫星工作示意图,3.VSAT卫星通信系统,VSAT通网络由中心站、卫星转发器和许多远端小站组成。数据VSAT卫星通信网通常采用星状结构，其组网结构如图7-7所示。,图7-7 VSAT卫星通信网的组成,1、主站：主站也叫中心站，是VSAT网的心脏。它与普通地球站一样，使用大型天线，天线直径一般约为3.5m8m（Ku波段）或7m13m（C波段）。主站一般采用模块化结构，设备之间采用高速局域网的方式互连。,2、VSAT小站：VSAT小站由小口径天线、室外单元（ODU）和室内单元（IDU）组成。,3、卫星转发器：一般采用工作于C或Ku波段的同步卫星透明转发器。,VSAT信号传送过程是：小站,卫星,主站,卫星,另一小站。这一过程称为“双跳”方式，核心部分是枢纽站（即主站）。VSAT网与一般的卫星网不同，它是一个典型的不对称网络。,VSAT多址联接方式有三种：频分多址（FDMA）的单路单载波（SCPC）方式，时分多址方式和码分多址方式。,4.GPS（全球卫星定位）系统,利用扩展频谱技术实现的全球定位系统GPS（Global Positioning System）是美国国防部20世纪70年代开发、耗资200亿美元、于1994年建成的高精度卫星导航定位系统，全球发射24颗低轨道卫星，在地球上任何地方任何时间