CH6 Spread Spectrum

1、CQJTUCH6 Spread SpectrumLI-YFeb,2013The basic concept of spread spectrumvThe signal spectrum is spread 擴(kuò)頻通信的信號(hào)帶寬與信息帶寬之比則高達(dá)1001000，屬于寬帶通信。vUsing PN code to spread the spectrum 信號(hào)的頻帶寬度與其脈沖寬度近似成反比;如果很窄的脈沖序列被所傳信息調(diào)制，則可產(chǎn)生很寬頻帶的信號(hào)，這種很窄的脈沖碼序列(其碼速率是很高的)可作為擴(kuò)頻碼序列。vUsing coherent de-spread in receiver 在擴(kuò)頻通信中接收端用

2、與發(fā)送端完全相同的擴(kuò)頻碼序列與收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行，恢復(fù)所傳信息。vShannon formula:lb 1+SCBN式中，C為信道容量，意指單位時(shí)間內(nèi)信道中無(wú)差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笮畔⒘浚鋯挝粸閎/s；B為信號(hào)頻帶寬度，單位為Hz；S為信號(hào)功率，單位為W；N為噪聲功率，單位為W；S/N為輸入功率與噪聲功率之比，稱(chēng)為信噪功率比，簡(jiǎn)稱(chēng)信噪比。 The principle of spread spectrum (DSSS)vThe component of DSSSThe signal of DSSS信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)a(t)為信息流，其碼為信息流，其碼元速率為元速率為Ra，碼元寬度為，碼元

3、寬度為T(mén)a ，Ta 1/Ra，則則a(t)為為式中，an為信息碼，以概率P取+1和以概率1-P取-1，即 為門(mén)函數(shù)。 偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列c(t)，其速率為，其速率為Rc ，切普切普(chip)寬度為寬度為T(mén)c，Tc 1/Rc，則，則 式中，cn為偽隨機(jī)碼碼元，取值+1或-1；gc(t)為門(mén)函數(shù).擴(kuò)頻過(guò)程實(shí)質(zhì)上是信息流a(t)與偽隨機(jī)序列c(t)的模2加或相乘的過(guò)程。偽隨機(jī)碼速率Rc比信息速率Ra大得多，一般Rc/Ra的比值為整數(shù)，且Rc/Ra1，所以擴(kuò)展后的序列的速率仍為偽隨機(jī)碼速率Rc，擴(kuò)展的序列d(t)為 式中式中 用此擴(kuò)展后的序列去調(diào)制載波，

4、將信號(hào)搬移到載頻上去。用于直擴(kuò)系統(tǒng)的調(diào)制，原則上講，大多數(shù)數(shù)字調(diào)制方式均可，但應(yīng)視具體情況，根據(jù)系統(tǒng)的性能要求來(lái)確定，用得較多的調(diào)制方式有BPSK、MSK、QPSK、TFM等。此處分析采用BPSK調(diào)制。調(diào)制后得到的信號(hào)s(t)為 式中，0為載波頻率。 接收端天線上感應(yīng)的信號(hào)經(jīng)高放的選擇放大和混頻后，接收端天線上感應(yīng)的信號(hào)經(jīng)高放的選擇放大和混頻后，得到包括以下幾部分的信號(hào)：有用信號(hào)得到包括以下幾部分的信號(hào)：有用信號(hào)sI (t)、信道噪聲、信道噪聲nI (t)、干擾信號(hào)、干擾信號(hào)JI (t)和其它網(wǎng)的擴(kuò)頻信號(hào)和其它網(wǎng)的擴(kuò)頻信號(hào)sJ (t)等，即收到的等，即收到的信號(hào)信號(hào)(經(jīng)混頻后經(jīng)混頻后)為為 接

5、收端的偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列與發(fā)送端產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列相同，但起始時(shí)間或初始相位可能不同，為c(t)。解擴(kuò)的過(guò)程與擴(kuò)頻過(guò)程相同，用本地的偽隨機(jī)序列c(t)與接收到的信號(hào)相乘，相乘后為: 若本地產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列c(t)與發(fā)端產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列c(t)同步，有c(t)=c(t)，則c(t)c(t)=1，這樣，信號(hào)分量sI (t)為 后面所接濾波器的頻帶正好能讓信號(hào)通過(guò)，因此可以進(jìn)入解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)，將有用信號(hào)解調(diào)出來(lái)。 其中:Spread spectrum gain & Interference boundsvGain 在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，傳輸信號(hào)在擴(kuò)頻和解擴(kuò)的處理過(guò)程中，擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能得到提高

6、，這種擴(kuò)頻處理得到的好處，就稱(chēng)之為擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益。其義為接收相關(guān)處理器輸出與輸入信噪比的比值，即輸出信噪比與輸入信噪比的比值，即:用分貝表示為:v對(duì)于直擴(kuò)系統(tǒng)而言，其處理增益就是干擾功率減小的倍數(shù)。v Interference bounds 所謂干擾容限，是指在保證系統(tǒng)正常工作的條件下，接收機(jī)能夠承受的干擾信號(hào)比有用信號(hào)高出的分貝數(shù)，用MJ表示，有:式中，Ls為系統(tǒng)內(nèi)部損耗；(S/N)o為系統(tǒng)正常工作時(shí)要求的最小輸出信噪比，即相關(guān)器的輸出信噪比或解調(diào)器的輸入信噪比；GP為系統(tǒng)的處理增益。Utilities & features of DSSSv直擴(kuò)系統(tǒng)的特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面： (1) 具

7、有較強(qiáng)的抗干擾能力。具有較強(qiáng)的抗干擾能力。擴(kuò)頻系統(tǒng)通過(guò)相關(guān)接收，將干擾功率擴(kuò)展到很寬的頻帶上去，使進(jìn)入信號(hào)頻帶內(nèi)的干擾功率大大降低，提高了解調(diào)器輸入端的信干比，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，這種能力的大小與處理增益成正比。 (2) 具有很強(qiáng)的隱蔽性和抗偵察、抗竊聽(tīng)、抗測(cè)具有很強(qiáng)的隱蔽性和抗偵察、抗竊聽(tīng)、抗測(cè)向的能力。向的能力。擴(kuò)頻信號(hào)的譜密度很低，可使信號(hào)淹沒(méi)在噪聲之中，不易被敵方截獲、偵察、測(cè)向和竊聽(tīng)。直擴(kuò)系統(tǒng)可在 -15-10dB乃至更低的信噪比條件下工作。 (3)具有選址能力，可實(shí)現(xiàn)碼分多址。具有選址能力，可實(shí)現(xiàn)碼分多址。擴(kuò)頻系統(tǒng)本來(lái)就是一種碼分多址通信系統(tǒng)。用不同的碼可以組成不同的網(wǎng)，組

8、網(wǎng)能力強(qiáng)，其頻譜利用率并不因占用的頻帶擴(kuò)展而降低。采用多址通信后，頻帶利用率反而比單頻單波系統(tǒng)的頻帶利用率高。 (4) 抗衰落，特別是抗頻率選擇性能好。抗衰落，特別是抗頻率選擇性能好。直擴(kuò)信號(hào)的頻譜很寬，一小部分衰落對(duì)整個(gè)信號(hào)的影響不大。 5.抗多徑干擾?？苟鄰礁蓴_。直擴(kuò)系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗多徑干擾的能力，多徑信號(hào)到達(dá)接收端，由于利用了偽隨機(jī)碼的相關(guān)特性，只要多徑時(shí)延超過(guò)偽隨機(jī)碼的一個(gè)切普(chip)，則通過(guò)相關(guān)處理后，可消除這種多徑干擾的影響，甚至可以利用這些多徑干擾的能量，提高系統(tǒng)的信噪比，改善系統(tǒng)的性能。 6.可進(jìn)行高分辨率的測(cè)向、定位?？蛇M(jìn)行高分辨率的測(cè)向、定位。利用直擴(kuò)系統(tǒng)偽隨機(jī)碼的相關(guān)特

9、性，可完成精度很高的測(cè)距和定位v直擴(kuò)技術(shù)主要用于通信抗干擾、衛(wèi)星通信、導(dǎo)直擴(kuò)技術(shù)主要用于通信抗干擾、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、保密通信、測(cè)距和定位等方面。航、保密通信、測(cè)距和定位等方面。PN code (Spread spectrum code)vThe basic concept of PN code PN code 高斯白噪聲的理想特性為:式中，n0/2為白噪聲的雙邊噪聲譜密度。但是至今無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)白噪聲的放大、調(diào)制、檢測(cè)、同步及控制等，而只能用具有類(lèi)似于帶限白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的偽隨機(jī)碼來(lái)逼近它，并作為擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼。 Shift register sequence 在工程中用得最多的是二進(jìn)制序列，序列

10、中的元素只有兩個(gè)取值“0”或“1”。對(duì)應(yīng)的波形如圖所示。由此可見(jiàn)，二進(jìn)制序列中的兩個(gè)取值分別對(duì)應(yīng)于電信號(hào)的兩個(gè)電平：正電平和負(fù)電平，而且是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。10 00 00 10 00 01 10 00 10 10 01 11 10 10 00 11 10 01 00 10 11 01 11 01 10 01 10 10 10 11 11 1 共63位，即其周期為63。在數(shù)學(xué)上是用自相關(guān)函數(shù)來(lái)表示信號(hào)與它的自身相移以后的相似性的。隨機(jī)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)定義為:自相關(guān)函數(shù)只是表征一個(gè)信號(hào)與延遲后自身信號(hào)的相似性。兩不同信號(hào)波形f(t)與g(t)之間的相似性用互相關(guān)函數(shù)來(lái)表示為:如果上式為0，則表明f

11、(t)和g(t-)的互相關(guān)函數(shù)為0，稱(chēng)之為是正交的，否則為非正交。Coherence of PN code碼序列的自相關(guān)碼序列的自相關(guān)自相關(guān)系數(shù)值最大不超過(guò)1。 式中xi，是周期長(zhǎng)度為P的某一碼序列，而xi是xi移位后的碼序列。 有時(shí)，將相關(guān)函數(shù)歸一化，即用相關(guān)系數(shù)來(lái)表示相關(guān)性，對(duì)(3-6)式，進(jìn)行歸一化，則相關(guān)系數(shù)為:對(duì)于采用二進(jìn)制的碼序列，其長(zhǎng)度(周期)為P的碼序列x的自相關(guān)函數(shù)Rx()為:v 對(duì)于二進(jìn)制序列，其自相關(guān)系數(shù)也可由下式求得：式中，A是相對(duì)應(yīng)碼元相同的數(shù)目；D是相對(duì)應(yīng)碼元不同的數(shù)目；P是碼序列周期長(zhǎng)度。碼序列的互相關(guān) 兩個(gè)不同碼序列之間的相關(guān)性，用互相關(guān)函數(shù)兩個(gè)不同碼序列之間的

12、相關(guān)性，用互相關(guān)函數(shù)(或互相關(guān)系或互相關(guān)系數(shù)數(shù))來(lái)表征。來(lái)表征。對(duì)于二進(jìn)制碼序列，周期均為對(duì)于二進(jìn)制碼序列，周期均為P的兩個(gè)碼序列的兩個(gè)碼序列x和和y，其相關(guān)，其相關(guān)函數(shù)稱(chēng)為互相關(guān)函數(shù)，記作函數(shù)稱(chēng)為互相關(guān)函數(shù)，記作R(x，y)，即，即 其互相關(guān)系數(shù)為 m sequencevm序列的含義序列的含義 m序列是最長(zhǎng)線性移位寄存器序列的簡(jiǎn)稱(chēng)。顧名思義，m序列是由多級(jí)移位寄存器或其延遲元件通過(guò)線性反饋產(chǎn)生的最長(zhǎng)的碼序列。在二進(jìn)制移位寄存器中，若n為移位寄存器的級(jí)數(shù)，n級(jí)移位寄存器共有2n個(gè)狀態(tài)，除去全零狀態(tài)外，還剩下2n-1種狀態(tài)，因此它能產(chǎn)生的最大長(zhǎng)度的碼序列為2n-1位。故產(chǎn)生m序列的線性反饋移位寄

13、存器稱(chēng)做最長(zhǎng)線性移位寄存器。 vm序列的產(chǎn)生 產(chǎn)生m序列的移位寄存器的電路結(jié)構(gòu)，即反饋線連接不是隨意的，m序列的周期P也不能取任意值，而是必須滿足:P2n1 n是移位寄存器的級(jí)數(shù)vm序列產(chǎn)生原理序列產(chǎn)生原理v n5，Ci45，m序列發(fā)生器的電路原理圖 vm序列的特性序列的特性 m序列的隨機(jī)性序列的隨機(jī)性 m序列的自相關(guān)函數(shù)序列的自相關(guān)函數(shù) m序列的互相關(guān)函數(shù)序列的互相關(guān)函數(shù)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真v擴(kuò)頻通信的基本原理 香農(nóng)公式：C=Blog(1+S/N) 信號(hào)頻譜：v發(fā)射端頻譜如何擴(kuò)展？ 將一個(gè)數(shù)據(jù)位的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行分片？！ 一個(gè)數(shù)據(jù)位的持續(xù)時(shí)間由多個(gè)小片組成，顯然從頻譜的角度看，每個(gè)小

14、片的持續(xù)時(shí)間比一個(gè)數(shù)據(jù)位的持續(xù)時(shí)間短，顯然其頻譜就寬 其頻譜的擴(kuò)展倍數(shù) F=Tb/Tc 碼片速率也就變成數(shù)據(jù)速率的F倍。v接收端如何解擴(kuò)？恢復(fù)原來(lái)的帶寬v其中的關(guān)鍵問(wèn)題 對(duì)擴(kuò)頻碼的要求： 自相關(guān)特性(良好的自相關(guān)特性，便于擴(kuò)頻碼的同步) 互相關(guān)特性(良好的互相關(guān)特性，便于區(qū)分不同的用戶)05001000150020002500-0.200.20.40.60.811.21023位 m序 列 圖 1023位 的 m序 列 自 相 關(guān) 性1023位 的 m序 列 互 相 關(guān) 性1023位 的 m序 列 互 相 關(guān) 性05001000150020002500-0.200.20.40.60.811.2哈

15、 達(dá) 瑪 矩 陣 產(chǎn) 生 1024位 序 列 圖 哈 達(dá) 瑪 矩 陣 產(chǎn) 生 1024位 序 列 自 相 關(guān) 性哈 達(dá) 瑪 矩 陣 產(chǎn) 生 1024位 序 列 互 相 關(guān) 性哈 達(dá) 瑪 矩 陣 產(chǎn) 生 1024位 序 列 互 相 關(guān) 性v擴(kuò)頻碼的產(chǎn)生 m序列 Walsh碼 Gold碼 M序列 Hadama矩陣vHadama矩陣的產(chǎn)生11110000101nnnnnHHHHHHHHHHHvm序列的產(chǎn)生v可以利用移位寄存器加上反饋來(lái)產(chǎn)生m序列，其中部分反饋系數(shù)如下表所示：v例如n=7，序列長(zhǎng)度=2n-1=127，反饋系數(shù)之一為(325)八進(jìn)制=(11010101)二進(jìn)制，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)值并與移位寄

16、存器級(jí)數(shù)對(duì)應(yīng)得到有這些反饋系數(shù)移位寄存器為C7=1,到C6=1, C5=0, C4=1, C3=0, C2=1, C1=0, C0=1, 其具體的寄存器結(jié)構(gòu)圖如下圖所示 擴(kuò)頻碼注意：擴(kuò)頻碼的速率比信息速率要高，一般來(lái)講應(yīng)是F倍v擴(kuò)頻Signal擴(kuò)頻碼v BPSK調(diào)制擴(kuò)頻信號(hào)t0cos調(diào)制之后的信號(hào)擴(kuò)頻之后的信號(hào)調(diào)制與一般的數(shù)據(jù)調(diào)制完全一樣Signal擴(kuò)頻碼擴(kuò)頻信號(hào)t0cos調(diào)制之后的信號(hào)v 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)模型v擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)v發(fā)射機(jī)參數(shù)設(shè)置 數(shù)據(jù)速率：dataRate 載波頻率：fc 抽樣頻率：fs 碼片速率：chipRate function dataRate,fc,fs,chi

17、pRate=transmitterPara(c) dataRate=1; chipRate=length(c)*dataRate; fc=chipRate*2; fs=fc*16; endv 從參數(shù)中可以看出：數(shù)據(jù)速率為1/單位時(shí)間，碼片速率是數(shù)據(jù)速率的擴(kuò)頻碼的周期倍，也就是一個(gè)周期的擴(kuò)頻碼與一個(gè)數(shù)據(jù)位所占的時(shí)間是一樣的。v 同時(shí)，調(diào)制載波的頻率是碼片速率的2倍，也就是一個(gè)碼片用2個(gè)周期的載波來(lái)進(jìn)行調(diào)制，抽樣頻率是載波的16倍，即每個(gè)載波周期抽16個(gè)點(diǎn)。v信息（1，-1的數(shù)據(jù)流）v function signal=information(N)vsignal=rand(1,N)=0.5;v si

18、gnal=signal*2-1;v endv其中參數(shù)N是指本次產(chǎn)生的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。v 擴(kuò)頻碼的產(chǎn)生（只產(chǎn)生一個(gè)周期的m序列）v function c=genMseq(b)vN=length(b)-1;v D=ones(1,N);v A=b(N:-1:1);v c=;v for i=1:2N-1v c1=rem(sum(D.*A),2);v c=c,D(N);v D=c1,D(1:N-1);v endv c=c*2-1; %變?yōu)?，-1的序列v endv擴(kuò)頻vfunction ssignal=dsss(signal,c)vssignal=;vfor i=1:length(signal)v ssign

19、al=ssignal,signal(i)*c;vendvendv 調(diào)制v function modusignal=modu(signal, dataRate,fc, fs)v %采用BPSK調(diào)制方式vt=linspace(0,1/dataRate,fs/dataRate);v carrier=cos(2*pi*fc*t);v modusignal=;v for i=1:length(signal)v modusignal=modusignal,carrier*signal(i);v endv endv 發(fā)射機(jī)的整體程序v function modusignal,dataRate,fc,fs,c

20、hipRate,data=transmitter(c,N)v dataRate,fc,fs,chipRate=transmitterPara(c);%參數(shù)設(shè)置v signal=information(N);%生成數(shù)據(jù)v data=signal;v ssignal=dsss(signal,c);%擴(kuò)頻信號(hào)v modusignal=modu(ssignal,chipRate,fc, fs)%BPSK調(diào)制v endv接收機(jī)原理接收信號(hào)擴(kuò)頻碼解擴(kuò)信號(hào)t0cos解調(diào)信號(hào)LBF思考：擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中為什么要先解擴(kuò)再解調(diào)，而不是發(fā)射機(jī)端處理過(guò)程的逆過(guò)程？注意：仿真中沒(méi)有考慮所有的同步問(wèn)題，都假定是精確同步的v

21、接收機(jī)設(shè)計(jì)解擴(kuò)擴(kuò)頻碼生成器解調(diào)乘以載波LBF抽樣判決v 解擴(kuò)實(shí)現(xiàn)v function dessignal=dedsss(receiveSignal,c,chipRate,fs)v L=fs/chipRate;v c1=;v for i=1:length(c)v c1=c1,c(i)*ones(1,L);v endv dessignal=;v for i=1:length(c1):length(receiveSignal)v dessignal=dessignal,reciveSignal(i:i+length(c1)-1).*c1;v endv endv 解調(diào)實(shí)現(xiàn)v function dessignal=dedsss(receiveSignal,c,chi