WLAN第6章 無線局域網(wǎng)的物理層技術(shù)

1、吉林大學(xué)通信工程學(xué)院吉林大學(xué)通信工程學(xué)院 姜姜 宏宏 概述概述WLAN的射頻技術(shù)的射頻技術(shù)WLAN的調(diào)制解調(diào)技術(shù)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)WLAN的擴(kuò)頻傳輸技術(shù)的擴(kuò)頻傳輸技術(shù)OFDM WLAN多工作于5GHz頻段；U-NII中規(guī)定，從5GHz開始，以5MHz為步長(zhǎng)，共有201個(gè)通道：通道中心頻率=5GHz+5*nch（MHz）， 其中，nch =0200IEEE802.11a使用U-NII的5.155.25GHz、 5.255.35GHz和5.7255.825GHz，共300MHz的射頻信道。兩個(gè)相鄰信道中心頻率間隔20MHz（4個(gè)U-NII信道帶寬）每個(gè)OFDM信道包括52個(gè)子載波，占據(jù)約16.6MHz

2、的帶寬。WLAN接收機(jī)結(jié)構(gòu)接收機(jī)結(jié)構(gòu)-1WLAN接收機(jī)結(jié)構(gòu)接收機(jī)結(jié)構(gòu)-2WLAN發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)WLAN收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)-1WLAN收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)-2WLAN收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)-3各種調(diào)制方式各種調(diào)制方式 在選擇調(diào)制方式時(shí)必須考慮到一些指標(biāo)，其中最重要的是： 1.頻譜效率，應(yīng)增大每兆帶寬所容納的信道數(shù)； 2.誤碼率，能抗噪聲及鄰道干擾； 3.對(duì)無線環(huán)境的適應(yīng)性； 4.實(shí)現(xiàn)的難度和成本。 因?yàn)闊o線系統(tǒng)可利用的頻域有限，所以頻譜利用率可能是任何新系統(tǒng)所要考慮的重點(diǎn)。 對(duì)于室內(nèi)應(yīng)用系統(tǒng)，在無線信道上衰落條件的變化又給調(diào)制選擇附加了更多的限制。 數(shù)字調(diào)制可分為兩大類：恒定包

3、絡(luò)調(diào)制技術(shù)和線性調(diào)制技術(shù)。恒定包絡(luò)調(diào)制恒定包絡(luò)調(diào)制系統(tǒng)使發(fā)射機(jī)的功率放大器工作在非線性的C類狀態(tài)，來提高功率放大器的效率，降低成本。但是，這些好處是以犧牲頻譜利用率為代價(jià)換來的，如果不考慮調(diào)制電平數(shù)，恒定包絡(luò)調(diào)制系統(tǒng)的頻譜利用率被限制在約1bit/s/Hz內(nèi)。線性調(diào)制線性調(diào)制具有變化的包絡(luò)，它要求一個(gè)線性的發(fā)射機(jī)功率放大器，因而導(dǎo)致成本與復(fù)雜度的增加，但是這種調(diào)制可大大提高頻譜利用率，這可彌補(bǔ)成本的增加。 （一）相移鍵控（一）相移鍵控最簡(jiǎn)單最常用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)是相移鍵控(PSK)， PSK信號(hào)的產(chǎn)生用平衡調(diào)制器來完成。在發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)端端將數(shù)字信號(hào)a(t)和載波coswct送到平衡調(diào)制器的輸入端

4、，在平衡調(diào)制器的輸出端就可得到一個(gè)PSK信號(hào)。如果二進(jìn)制信號(hào)a(t)的編碼形式為： a(t)=1表示“1”或傳號(hào)， a(t)=0表示“0”或空號(hào)，那么PSK信號(hào)即可表示為s(t)=cos(wct+(t),其中:a(t)=1， (t)=0a(t)=0, (t)=.這樣，PSK波形是一個(gè)等幅信號(hào)，其相位在0和上變化。在接收機(jī)端在接收機(jī)端對(duì)PSK信號(hào)的解調(diào)可通過與發(fā)射機(jī)調(diào)制相同的過程來完成，為了滿足在加性高斯白噪聲(AWGN)信道中系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，必須采用相干解調(diào)，PSK信號(hào)的相干解調(diào)器如圖所示。為了進(jìn)行相干解調(diào)，在接收機(jī)中必須提取具有正確相位的載波，可以先對(duì)接收信號(hào)平方，可得 s2(t)=1/

5、2(1+cos2wct)從上式可以看出對(duì)s(t)平方后有直流分量和載波的二次諧波分量，用窄帶濾波器濾出二次諧波，經(jīng)過二分頻后，就可得到恢復(fù)載波coswct?；謴?fù)載波隨后與接收信號(hào)s(t)相乘，得 s(t)=1/2cos(t)+ cos2wct+(t)經(jīng)低通濾波器濾除高頻信號(hào)，得到的低頻信號(hào)cos(t)，由于(t)=0或 ，經(jīng)積分后，在信息位同步信號(hào)的作用下恢復(fù)出發(fā)送的信息。位同步信號(hào)由位定時(shí)電路獲得。 （二）四相相移鍵控（二）四相相移鍵控(QPSK)為了得到更高的比特率，采用四相調(diào)制可使每一符號(hào)攜帶兩比特?cái)?shù)據(jù)，這樣的調(diào)制稱為四相四相相移鍵控相移鍵控(QPSK)。與PSK調(diào)制相比較，QPSK在相

6、同的頻帶內(nèi)可傳輸兩倍的數(shù)據(jù)量。在發(fā)射端，傳輸?shù)男畔⒔?jīng)串-并變換后得到的兩路數(shù)據(jù)分別去調(diào)制載波的同相分量coswct和正交分量sinwct，將兩個(gè)平衡調(diào)制器的輸出相加，就可得到QPSK信號(hào)，如圖所示。 設(shè)發(fā)送的信號(hào)為a(t) ，將a(t)的偶數(shù)位和奇數(shù)位構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)流a1(t)和a2(t)，用這兩個(gè)數(shù)據(jù)流去調(diào)制正交的兩個(gè)載波，相加器的輸出為 s(t)=a1(t)coswct+a2(t)sinwct=A(t)cos(wct+(t)QPSK信號(hào)接收機(jī)如圖。因?yàn)橐笙喔山庹{(diào)，所以接收機(jī)必須得到與發(fā)端載波同步的恢復(fù)載波coswct和sinwct。接收到的QPSK信號(hào)被送到兩個(gè)相干解調(diào)器，如前所述，每個(gè)相

7、干解調(diào)器由平衡調(diào)制器和積分器構(gòu)成，但是這里的積分器的積分時(shí)間是兩個(gè)比特周期。將兩個(gè)支路的恢復(fù)信號(hào)經(jīng)過并-串變換，把雙比特信號(hào)轉(zhuǎn)變成兩位串行數(shù)據(jù)。和以前一樣，應(yīng)得到信息位同步信號(hào)，以便確定積分時(shí)間和信息流的恢復(fù)。QPSK的頻譜寬，并隨中心頻率的偏移緩慢地衰減。在保持碼間串?dāng)_最小的條件下，脈沖成型可減小傳輸信號(hào)帶寬。但用脈沖成型后就變成了線性調(diào)制，并且要用線性放大器來保證脈沖成型不變形。如果用非線性功率放大器，脈沖型狀將變形，頻帶也要展寬。用升余型的奈奎斯特脈沖可以提高頻譜的效率。 （三）多電平（三）多電平PSK系統(tǒng)系統(tǒng)在PSK系統(tǒng)中，信息碼逐位發(fā)送，在QPSK系統(tǒng)中，信息碼每?jī)晌缓喜l(fā)送，這兩位

8、代表四個(gè)相位中的一個(gè)相位。以此類推，如果N個(gè)信息位合并，那么這N個(gè)信息位有M(=2N)個(gè)符號(hào)或M個(gè)狀態(tài)，這樣的系統(tǒng)稱為MPSK系統(tǒng)系統(tǒng)。PSK、QPSK和MPSK的發(fā)射信號(hào)的區(qū)別在于彼此間的相位，但是都有相同的振幅。在正交振幅調(diào)制(QAM)中，信號(hào)不僅在相位上不同，而且振幅也變化。像脈沖成型PSK和QAM這樣的需要線性功率放大器的線性調(diào)制方式，利用增加電平數(shù)的方法，可以達(dá)到比1bit/s/Hz高的頻譜效率。如，用四電平調(diào)制方式允許用一個(gè)符號(hào)傳輸兩個(gè)比特的信息，而與二進(jìn)制調(diào)制相比，每比特的信噪比并沒有下降，這是因?yàn)椴捎昧苏惠d波的原因。優(yōu)點(diǎn)為每符號(hào)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)加倍，可在給定的頻帶內(nèi)使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率

9、加倍。然而，調(diào)制電平數(shù)的增加由于信號(hào)集中各元素的距離減小，將導(dǎo)致誤比特率的增加。由于線性放大器可以提供較好的帶外輻射性能，因而可進(jìn)一步增加系統(tǒng)的頻譜效率。因?yàn)榫€性調(diào)制技術(shù)需要昂貴的線性射頻放大器，所以它不如恒定包絡(luò)調(diào)制受重視。在相移鍵控調(diào)制方式中，最重要的線性調(diào)制方式有DPSK、QPSK、OQPSK和MPSK。 （四）頻移鍵控（四）頻移鍵控(FSK) 頻移鍵控(FSK)是一種恒定包絡(luò)調(diào)制方式，其載波頻率根據(jù)基帶信號(hào)在傳號(hào)頻率(相對(duì)于二進(jìn)制1)和空號(hào)頻率(相對(duì)于二進(jìn)制0)變化，與用二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制的FM信號(hào)相同。因此，發(fā)射信號(hào)為： s(t)= Acosw1t， a(t)=1 或Acosw2t，

10、 a(t)=0 頻率調(diào)制方式可用調(diào)制指數(shù)來描述，調(diào)制指數(shù)為峰值頻偏與調(diào)制信號(hào)的最高頻率分量的比值。FSK信號(hào)既可以用切換兩個(gè)不同的振蕩器的方式來獲得，也可以用把數(shù)據(jù)信號(hào)送入調(diào)頻器的方法來獲得，如圖5.5所示。 FSK信號(hào)的解調(diào)可以用非相干檢測(cè)的方法或同步檢測(cè)的方法來完成，如下圖所示。對(duì)非相干檢測(cè)，接收信號(hào)加到兩個(gè)帶通濾波器，這兩個(gè)濾波器是窄帶濾波器，可以將不需要的信號(hào)濾除。濾波器的輸出加到包絡(luò)檢波器，包絡(luò)檢波器的輸出送到比較器進(jìn)行比較，比較器產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制的輸出信號(hào)，其電平取決于兩個(gè)輸入信號(hào)的大小。同步或相干檢測(cè)用兩個(gè)乘法檢波器來確定輸入信號(hào)中存在哪一個(gè)頻率。在不增加傳輸帶寬的條件下，為了增加

11、數(shù)據(jù)傳輸速率，必須用低調(diào)制指數(shù)的FSK?？焖兕l移鍵控(FFSK)和最小頻移鍵控(MSK)是現(xiàn)有的兩種頻帶保持技術(shù)。MSK是調(diào)頻指數(shù)為0.5的連續(xù)相位FSK，選擇這樣的調(diào)制指數(shù)是因?yàn)樵谝槐忍刂芷趦?nèi)相位累積變化/2，要么增加/2，要么減少/2。因此MSK的波形表現(xiàn)為相位的連續(xù)性，在每一信息比特的末了時(shí)刻沒有像QPSK信號(hào)那樣的相位突跳，用C類放大器進(jìn)行放大不會(huì)產(chǎn)生失真。FFSK除了在調(diào)制器的輸入端先對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行差分編碼外，F(xiàn)FSK與MSK類似。然而，由于是FSK類型的頻譜，MSK和FFSK信號(hào)的鄰道邊帶分量仍然較高，難以適應(yīng)要求高的頻譜效率的數(shù)字無線系統(tǒng)的要求。 MSK系統(tǒng)的頻譜效率可以在調(diào)制載

12、波前對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的前置濾波來改善。高斯型前置濾波器具有這樣的振幅特性，這樣的濾波器可以得到高斯濾波MSK (GMSK)信號(hào)。比特成型濾波器的帶寬通常用帶寬-時(shí)間積 (BT)來定義。如果BT1，波形基本上是MSK波形。然而如果BT1，將引起碼間串?dāng)_，在解調(diào)器中將以增加復(fù)雜度為代價(jià)，來提高抗噪聲的能力。0.5和0.3的BT值已分別被泛歐蜂窩移動(dòng)無線系統(tǒng)(通常稱為GSM系統(tǒng))和歐洲數(shù)字無繩電話(DECT)系統(tǒng)選用。 高斯濾波器的另一種應(yīng)用是對(duì)數(shù)據(jù)流的相關(guān)編碼，使其有小的相位變化，平滑調(diào)頻 (TFM)和廣義TFM(GTFM)就屬此列。TFM依據(jù)不同的碼字情況得到不同的相位的變化，如果三個(gè)相鄰比特有相同

13、的極性，相位變化/2，如果三比特的極性交替變化，相位不變；其它情況下相位變化/4。這是以減少相位的變化來改善頻譜性能。產(chǎn)生這樣的波形的調(diào)制電路相似，用一個(gè)或兩個(gè)平衡調(diào)制器，如圖5.7所示。這是一種正交型調(diào)制，對(duì)實(shí)際波性而言，其逼近相位樣值儲(chǔ)存在兩塊EPROM中。圖5.7 正交調(diào)制電路 這些信號(hào)的解調(diào)與調(diào)制過程正好相反。在相干解調(diào)電路中必須包括載波同步技術(shù)。在非相干解調(diào)中用犧牲一些其它性能來避免載波同步。許多數(shù)字通信系統(tǒng)已經(jīng)采用了像TFM和GMSK恒包絡(luò)這樣的調(diào)制方式，因?yàn)檫@些調(diào)制方式允許在小區(qū)內(nèi)用較低價(jià)格的C類放大器。當(dāng)然，用線性調(diào)制可以獲得更好的頻譜效率。（五）各種調(diào)制方式的頻譜特性（五）各

14、種調(diào)制方式的頻譜特性對(duì)一給定信道帶寬，功率譜密度將影響到系統(tǒng)的效率，對(duì)干擾和價(jià)格而言，調(diào)制帶寬越窄，系統(tǒng)效率越好。 PSK ：PSK低通等效功率譜密度隨sinx/x變化，如果輸入數(shù)據(jù)比特速率為fb，功率譜密度的主瓣的第一個(gè)零點(diǎn)等于fb ，大約 92.5的能量包含在主瓣內(nèi)，頻譜的幅度隨(f / fb)-2衰減。QPSK：在PSK中，每一符號(hào)間隔只能傳輸一比特的信息，而QPSK信號(hào)在一個(gè)符號(hào)間隔內(nèi)可傳輸兩比特的信息，因此QPSK帶寬效率是PSK帶寬效率的兩倍。MSK：對(duì)MSK信號(hào)而言，功率譜密度的第一個(gè)零點(diǎn)在0.75 fb ，約95的能量包含在主瓣中，其幅度隨(f/fb)-4衰減。因此，MSK信號(hào)

15、的主瓣比PSK信號(hào)更窄，旁瓣更低。與QPSK相比較， MSK有較低的旁瓣和較寬的主瓣。對(duì)頻譜效率而言，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，可在QPSK和MSK信號(hào)之間綜合考慮。GMSK ：GMSK信號(hào)的頻譜寬度取決低通高斯濾波器BT的規(guī)一化3dB帶寬，當(dāng)BT減小時(shí)，頻譜變窄。如果BT=0.2，頻譜特性與TFM（平滑調(diào)頻）相似，TFM有比MSK更窄的主瓣且沒有旁瓣。如果BT是無限的，GMSK的功率譜密度與MSK相同。圖5.9給出了誤比特率為10-6時(shí)不同數(shù)字調(diào)制方式的頻帶利用率的比較圖。 （六）誤碼率（六）誤碼率在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，接收機(jī)的功能是從噪聲中提取傳輸?shù)男盘?hào)，一個(gè)最重要的特性是差錯(cuò)概率差錯(cuò)概率。決定系統(tǒng)差錯(cuò)概

16、率的因素：決定系統(tǒng)差錯(cuò)概率的因素：包括所用調(diào)制類型、所用的檢測(cè)方法以及環(huán)境或信道。同時(shí)還有兩個(gè)重要的信道特性：多徑衰落多徑衰落和多徑時(shí)延多徑時(shí)延。對(duì)PSK、QPSK和MSK，在沒有多徑影響時(shí)，它們的差錯(cuò)概率Pe為： Pe=1/2erfc(Eb/n0)-1/2)圖5.10給出了部分調(diào)制方式的誤比特率與信噪比Eb/n0 的關(guān)系曲線，表5.1給出了誤比特率為10-4時(shí)部分?jǐn)?shù)字調(diào)制方式的Eb/n0。 （七）結(jié)論（七）結(jié)論 影響調(diào)制方式性能的因素：時(shí)延、衰落、傳輸碼元速率等。當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)是固定的，信號(hào)通路不變，前面介紹的所有調(diào)制方式都可以用于系統(tǒng)中。對(duì)于PSK由于較低的成本和復(fù)雜度是最佳的，但如果考

17、慮帶寬因素，QPSK更佳。在瑞利衰落和時(shí)延環(huán)境下，由于GMSK有較低的差錯(cuò)概率和相對(duì)窄的帶寬，所以更適合這樣的環(huán)境條件。但是，用這些調(diào)制方式，允許的最大的比特率相對(duì)來講還是較低，要提高比特速率，需要采用其它的信號(hào)處理措施，如信道編碼、均衡和分集等。 以互補(bǔ)碼為基礎(chǔ)的一種直接序列擴(kuò)頻方式，用于以互補(bǔ)碼為基礎(chǔ)的一種直接序列擴(kuò)頻方式，用于802.11b 的的5.5Mb/s和和11 Mb/s；二進(jìn)制互補(bǔ)碼：一對(duì)長(zhǎng)度相同的序列，在給定時(shí)二進(jìn)制互補(bǔ)碼：一對(duì)長(zhǎng)度相同的序列，在給定時(shí)間間隔內(nèi)，一序列中相同元素對(duì)的數(shù)目與另一序間間隔內(nèi)，一序列中相同元素對(duì)的數(shù)目與另一序列中不相同元素對(duì)的數(shù)目相同。列中不相同元素對(duì)

18、的數(shù)目相同。例如：碼長(zhǎng)例如：碼長(zhǎng)n=8時(shí)，互補(bǔ)碼序列為時(shí)，互補(bǔ)碼序列為序列序列a：-1，-1，-1，1，1，1，-1，1序列序列b：-1，-1，-1，1，-1，-1，1，-111njiijinjiijiCa aDbb互補(bǔ)碼序列的自相關(guān)序列用下式計(jì)算：互補(bǔ)碼序列的自相關(guān)序列用下式計(jì)算：性質(zhì)：性質(zhì)：00002jjCDjCDn互補(bǔ)碼序列具體良好的自相關(guān)特性互補(bǔ)碼序列具體良好的自相關(guān)特性。802.11b中，利用互補(bǔ)碼良好的自相關(guān)特性擴(kuò)展信號(hào)的帶寬可以獲得擴(kuò)頻處理增益。擴(kuò)展碼字長(zhǎng)度為8，碼片速率Rc=11Mc/s, 由8個(gè)CCK復(fù)碼片組成一個(gè)符號(hào)，則符號(hào)速率為Rs=11/8=1.375Ms/s.碼片速率

19、和系統(tǒng)帶寬與原始標(biāo)準(zhǔn)1Mb/s、2Mb/s一致，但數(shù)據(jù)速率提高到11Mb/s.12341341231312414121()()()()()()(),jjjjjjjjCeeeeeeee 8個(gè)CCK復(fù)碼片產(chǎn)生過程：1用于碼字中的所有碼片，可以修改序列中所有碼字的相位，并進(jìn)行DQPSK編碼，它相當(dāng)于前一符號(hào)相位做響應(yīng)角度旋轉(zhuǎn)； 2用于所有奇數(shù)碼片， 3用于所有奇數(shù)片對(duì)， 4用于所有奇數(shù)的四碼片組，符號(hào)的最后一個(gè)碼片表示了符號(hào)的相位。 1 4用于確定復(fù)碼組的相位值。 輸入分成4bit組d0,d1,d2,d3,按照下面的編碼表生成1 ， 2 ，3 ， 4輸入分成8bit組d0,d1,d2,d3,d4,d

20、5,d6,d7, 按照表3-7和下面的編碼表生成1 ， 2 ，3 ， 42、分組二進(jìn)制卷積編碼（、分組二進(jìn)制卷積編碼（PBCC）調(diào)制）調(diào)制 IEEE802.11g在2.4GHz頻段上進(jìn)行更高速率擴(kuò)展。有兩種可選模式：（1）CCK-OFDM（2）PBCC-22. 后一種技術(shù)能夠在2.4GHz頻段提供22Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，并與IEEE802.11b后向兼容，被稱為IEEE802.11b+模式。OFDM調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法（調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法（1）OFDM調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法（調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法（2）擴(kuò)展頻譜技術(shù)是近些年來發(fā)展非常迅速的一種通信技術(shù)，將其用于無線局域網(wǎng)中，使系統(tǒng)的各項(xiàng)性能都得到改善，已成為無線局域

21、網(wǎng)中不可缺少的一種技術(shù)。本節(jié)介紹擴(kuò)頻技術(shù)的基本概念，重點(diǎn)介紹直接序列擴(kuò)頻和跳頻兩種擴(kuò)頻方式，并簡(jiǎn)單介紹專用擴(kuò)頻ASIC Stel-2000A和聲表面波抽頭延遲線在無線局域網(wǎng)中的應(yīng)用。 一、引一、引 言言擴(kuò)展頻譜技術(shù)又稱為擴(kuò)頻技術(shù)是近年來發(fā)展很快的一種技術(shù)，不僅在軍事通信中發(fā)揮出了不可取代的優(yōu)勢(shì)，而且廣泛地滲透到了通信的各個(gè)方面，如衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、微波通信、無線定位系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)、全球個(gè)人通信等等。擴(kuò)展頻譜技術(shù)：擴(kuò)展頻譜技術(shù)：是指發(fā)送的信息被展寬到一個(gè)比信息帶寬寬得多的頻帶上去，接收端通過相關(guān)接收，將其恢復(fù)到信息帶寬的一種技術(shù)，這樣的系統(tǒng)稱之為擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)或擴(kuò)頻系統(tǒng)。擴(kuò)展頻譜技術(shù)包括以下幾

22、種方式： 直接序列擴(kuò)展頻譜直接序列擴(kuò)展頻譜，簡(jiǎn)稱直擴(kuò)，記為DS （Direct Sequence）；跳頻跳頻，記為FH（Frequency Hopping） 跳時(shí)跳時(shí)，記為TH（Time Hopping）除了以上三種基本擴(kuò)頻方式以外，還有這些擴(kuò)頻方式的組合方式，如FH/DS、TH/DS、 FH/TH等。在通信中應(yīng)用較多的主要是DS、FH和FH/DS。擴(kuò)展頻譜技術(shù)具有以下特點(diǎn)：(1)很強(qiáng)的抗干擾能力； (2)可進(jìn)行多址通信；(3)安全保密；(4)抗多徑干擾。二、二、 直接序列擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)碼(PN碼)擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上去，在接收端，用與發(fā)端擴(kuò)展用的相

23、同的偽隨機(jī)碼對(duì)接收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，恢復(fù)出發(fā)送的信息。對(duì)干擾信號(hào)而言，由于與偽隨機(jī)碼不相關(guān)，在接收端被擴(kuò)展，使落入信號(hào)通頻帶內(nèi)的干擾信號(hào)功率大大降低，從而提高了相關(guān)器的輸出信/干比，達(dá)到了抗干擾的目的。1、直擴(kuò)系統(tǒng)的組成、直擴(kuò)系統(tǒng)的組成直擴(kuò)系統(tǒng)的組成如圖6.1所示。2、處理增益與干擾容限、處理增益與干擾容限處理增益與干擾容限是擴(kuò)頻系統(tǒng)的兩個(gè)重要的指標(biāo)。在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，傳輸信號(hào)在擴(kuò)頻和解擴(kuò)的處理過程中，擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能得到提高，這種擴(kuò)頻處理得到的好處就稱之為擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益處理增益，用Gp表示，定義為接收機(jī)相關(guān)處理器輸出信噪比與輸入信噪比的比值： Gp=(S0/N0)/(Si/Ni)

24、 式中 S0/N0 ：輸出信噪比 Si/Ni ：輸入信噪比一般情況下，處理增益Gp為一般情況下，處理增益Gp為： Gp=Bc/Ba=Rc/Ra = Ta/Tc 這里Bc為擴(kuò)頻信號(hào)的射頻帶寬，Ba為信息帶寬，Rc、Ra分別為偽隨機(jī)碼切普速率和信息碼速率，Tc、Ta分別為偽隨機(jī)碼切普寬度和信息碼元寬度。由上式可知，直擴(kuò)系統(tǒng)的處理增益實(shí)際上就是頻譜擴(kuò)展的倍數(shù)，即一個(gè)數(shù)據(jù)碼元內(nèi)嵌入的偽隨機(jī)碼的切普數(shù)。由此可見，頻譜擴(kuò)展得越擴(kuò)，即偽隨機(jī)碼速率越高，處理增益越大，系統(tǒng)的抗干擾的能力就越強(qiáng)。 干擾容限干擾容限：指在保證系統(tǒng)正常工作的條件下，接收機(jī)能夠承受的干擾功率比信號(hào)功率高出的倍數(shù)，用Mj表示： Mj=G

25、pLs+(S/N)0 (dB) 式中，Ls為系統(tǒng)內(nèi)部損耗，(S/N)0為系統(tǒng)正常工作時(shí)要求的相關(guān)器的最小輸出信噪比。由上可見干擾容限直接反映了擴(kuò)頻系統(tǒng)可容許的極限干擾強(qiáng)度，即只有當(dāng)干擾功率超過干擾容限后，才能對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)形成干擾。因而，干擾容限比處理增益更確切地反映了系統(tǒng)的抗干擾能力。 3、擴(kuò)頻系統(tǒng)的偽隨機(jī)碼、擴(kuò)頻系統(tǒng)的偽隨機(jī)碼 在擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)中，偽隨機(jī)碼起著非常重要的作用。在直擴(kuò)系統(tǒng)中，用偽隨機(jī)碼將傳輸信息頻譜擴(kuò)展，接收時(shí)又用偽隨機(jī)碼將信息頻帶壓縮，并將干擾功率分散，使系統(tǒng)的抗干擾能力得到提高；在跳頻系統(tǒng)中，用偽隨機(jī)碼去控制頻率合成器產(chǎn)生的頻率，使其隨機(jī)地跳變，躲避干擾。所以，偽隨機(jī)碼性能的好

26、壞，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞。在擴(kuò)頻系統(tǒng)中應(yīng)用的偽隨機(jī)碼有多種，其中m序列是最長(zhǎng)的線性移位寄存器序列，這種序列易產(chǎn)生，且具有很好的二值相關(guān)特性，是擴(kuò)頻系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種偽隨機(jī)碼。m序列的性質(zhì)：序列的性質(zhì)： 均衡性。在m序列的一個(gè)周期內(nèi)，“1”和“0”的數(shù)目基本相等。準(zhǔn)確的說，“1”的個(gè)數(shù)比“0”的個(gè)數(shù)多一個(gè)。 游程分布。一般來說，在m序列中，長(zhǎng)度為1的游程占游程總數(shù)的1/2，長(zhǎng)度為k的游程占游程總數(shù)的1/2k，在長(zhǎng)度為k的游程中，連“1”和連“0”的游程各占一半。 移位相加性。m序列與其位移序列之和仍然是該m序列的另外一位移序列。 周期性。m序列的周期為N=2-1。 m序列的自相關(guān)特性為

27、二值周期性函數(shù) 。 m序列的功率譜。由上圖可以看出，N越大，m序列的周期越長(zhǎng)，Tc越小，即m序列的碼元速率越高，m序列的自相關(guān)函數(shù)和功率譜越接近白噪聲的性能。所以 m序列是一種性能非常好的偽隨機(jī)(偽噪聲)序列。除了除了m序列外，序列外，Gold碼、碼、M序列、序列、R-S碼等，均可以碼等，均可以作為擴(kuò)頻系統(tǒng)的偽隨機(jī)碼作為擴(kuò)頻系統(tǒng)的偽隨機(jī)碼。Gold碼碼是由m序列優(yōu)選對(duì)產(chǎn)生的，一對(duì)m序列優(yōu)選對(duì)可產(chǎn)生2r+l條Gold碼，這里r是移位寄存器的級(jí)數(shù)。M序列序列是最長(zhǎng)非線性移位寄存器序列，其長(zhǎng)度是r級(jí)移位寄存器所能達(dá)到的最長(zhǎng)的長(zhǎng)度，又稱為全長(zhǎng)序列。M序列雖然沒有m序列那樣的二值相關(guān)特性，但其序列的條數(shù)

28、是m序列不可比擬的，為2 r-1- r條，而m序列只有(2r-1)/r條。 4、直擴(kuò)系統(tǒng)的同步、直擴(kuò)系統(tǒng)的同步同步技術(shù)同步技術(shù)是擴(kuò)頻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，同步性能的好壞直接關(guān)系到擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能的優(yōu)劣，在一個(gè)通信系統(tǒng)中，同步單元起到了舉足輕重的作用。同步作用：同步作用：直擴(kuò)系統(tǒng)只有在完成偽隨機(jī)碼的同步后，才可能用同步的偽隨機(jī)碼對(duì)接收的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，把擴(kuò)頻的寬帶信號(hào)恢復(fù)成非擴(kuò)頻的窄帶信號(hào)，以便從中將傳送的信息解調(diào)出來。所以，人們花費(fèi)了大量的精力和財(cái)力來研究擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步問題。直擴(kuò)系統(tǒng)的同步包括：偽隨機(jī)碼同步偽隨機(jī)碼同步。只有完成偽隨機(jī)碼的同步后，才可能使相關(guān)解擴(kuò)后的有用信號(hào)落入中頻相關(guān)濾波器的通

29、頻帶內(nèi)。位同步位同步。包括偽隨機(jī)碼的切普同步和傳輸信息的碼元定時(shí)同步。幀同步幀同步。提取幀同步后，就可提取幀同步后面的信息。載波同步載波同步。直擴(kuò)系統(tǒng)多采用相干檢測(cè)，載波同步后，可為解調(diào)器提供同步載波，另一方面保證解擴(kuò)后的信號(hào)落入信號(hào)中頻頻帶內(nèi)。 偽隨機(jī)碼同步偽隨機(jī)碼同步 ：同步一般可分為兩步進(jìn)行，即捕獲和跟蹤。捕獲：捕獲：又稱為粗同步或初始同步，捕獲是對(duì)輸入擴(kuò)頻信號(hào)的同步信息進(jìn)行搜索，使收發(fā)雙方用的偽隨機(jī)碼的相位差小于一個(gè)偽隨機(jī)碼切普Tc；跟蹤：跟蹤：又稱為精同步，它是在捕獲的基礎(chǔ)上，使收發(fā)雙方的偽隨機(jī)碼的相位誤差進(jìn)一步減小，保證收端的偽隨機(jī)碼的相位一直跟隨接收到的信號(hào)的偽隨機(jī)碼的相位在一允

30、許的范圍內(nèi)變化。跟蹤與一般的數(shù)字通信系統(tǒng)的跟蹤方法類似，關(guān)鍵還是在第一步-捕獲。直擴(kuò)系統(tǒng)中初始同步的方法很多，以相關(guān)檢測(cè)相關(guān)檢測(cè)、跟蹤環(huán)路跟蹤環(huán)路捕獲為主，再就是利用匹配匹配濾波器濾波器的方法來實(shí)現(xiàn)。三、三、 跳跳 頻頻跳頻系統(tǒng)的載頻受一偽隨機(jī)碼的控制，不斷地、隨機(jī)地跳變，可看成載波按一定規(guī)律變化的多頻頻移鍵控(MFSK)。與直擴(kuò)系統(tǒng)相比，偽隨機(jī)碼并不直接傳輸，而是用來選擇信道。1、跳頻系統(tǒng)的組成、跳頻系統(tǒng)的組成跳頻系統(tǒng)的組成如圖6.8所示。 2、跳頻圖案、跳頻圖案跳頻系統(tǒng)的頻率跳變，受到偽隨機(jī)碼的控制，時(shí)間不同，偽隨機(jī)碼的相位不同，對(duì)應(yīng)的頻率合成器產(chǎn)生的頻率也不同。把跳頻系統(tǒng)的頻率跳變規(guī)律稱

31、為跳頻圖跳頻圖案案。跳頻圖案是時(shí)間和頻率的函數(shù)，又稱為時(shí)間-頻率矩陣，簡(jiǎn)稱時(shí)-頻矩陣。時(shí)-頻矩陣可直觀地描述出頻率跳變規(guī)律。如圖6.10所示 3、跳頻系統(tǒng)的同步、跳頻系統(tǒng)的同步在跳頻系統(tǒng)中，接收機(jī)本地頻率合成器產(chǎn)生的跳變頻率必須與發(fā)端的頻率合成器產(chǎn)生的跳變頻率嚴(yán)格同步，才能正確地進(jìn)行相關(guān)解跳，使得接收的有用信號(hào)恢復(fù)成受信息調(diào)制的固定中頻信號(hào)，以便從中解調(diào)出有用信息。但由于時(shí)鐘漂移、收發(fā)信機(jī)之間的距離變化，在時(shí)間上有差異；又因振蕩器頻率的漂移等同步的不確定因素，所以同步的過程同步的過程就是搜索和消除時(shí)間及頻率偏差的過程，以保證收發(fā)雙方的碼相位和載波的一致性。跳頻系統(tǒng)的同步跳頻系統(tǒng)的同步:一般包括

32、跳頻圖案的同步、幀同步、信息碼元同步等，在這些同步中，關(guān)鍵是跳頻圖案的同步。 跳頻圖案的同步：跳頻圖案的同步：可分為兩步進(jìn)行，即捕獲與跟蹤。捕獲捕獲是使收發(fā)雙方的跳頻圖案的差在時(shí)間上小于一跳的時(shí)間Th，跟蹤要達(dá)到的目標(biāo)是使收發(fā)雙方的跳頻圖案在時(shí)間和頻率上同步，達(dá)到系統(tǒng)正常工作所要求的精密。跳頻是由偽隨機(jī)碼決定的，因此跳頻圖案的同步實(shí)際上是收發(fā)雙方偽隨機(jī)碼的同步，即解決兩偽隨機(jī)碼的時(shí)間(或相位)不確定的問題，這一點(diǎn)與直擴(kuò)系統(tǒng)中的偽隨機(jī)碼的同步一致。與直擴(kuò)系統(tǒng)相比較，由于跳頻系統(tǒng)的跳頻駐留時(shí)間Th比直擴(kuò)系統(tǒng)的偽隨機(jī)碼切普寬度Tc要大得多，允許的絕對(duì)誤差就大得多，因此跳頻系統(tǒng)的同步時(shí)間和同步精度都優(yōu)

33、于直擴(kuò)系統(tǒng)。 跳頻同步主要有以下幾種方法：(1)精確時(shí)鐘定時(shí)法精確時(shí)鐘定時(shí)法這種方法用高精度時(shí)鐘控制收發(fā)雙方的跳頻圖案，也就是用精確的時(shí)鐘減少了收發(fā)雙方偽隨機(jī)碼相位的不確定性，因此同步快、準(zhǔn)確性好、保密性好，是戰(zhàn)術(shù)通信中常用的一種同步方法。(2)同步字頭法同步字頭法將帶有同步的信息(如時(shí)間信息等)作為同步字頭置于跳頻信號(hào)的最前面，或在信息的傳輸過程中離散地插入這種同步頭。這種同步方法具有同步搜索快、容易實(shí)現(xiàn)、同步可靠等特點(diǎn)。 (3)匹配濾波器法匹配濾波器法匹配濾波器法同步，是對(duì)同步頭進(jìn)行匹配濾波，一旦輸入的跳頻信號(hào)與匹配濾波器相匹配，就表明收到了同步頭，即完成了時(shí)間的同步。匹配濾波器具有很強(qiáng)的

34、信號(hào)處理能力，將其用于同步系統(tǒng)，會(huì)使同步系統(tǒng)簡(jiǎn)化、同步時(shí)間縮短、同步性能提高。這種同步方式特別適合于快速跳頻系統(tǒng)和突發(fā)通信系統(tǒng)。 四、四、 直接序列擴(kuò)頻和跳頻技術(shù)直接序列擴(kuò)頻和跳頻技術(shù)性能比較性能比較擴(kuò)頻技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于較強(qiáng)的抗干擾能力，以及保密、多址、組網(wǎng)、抗多徑等。但由于各種擴(kuò)頻方式的抗干擾等機(jī)理不同。直擴(kuò)系統(tǒng)：是直擴(kuò)系統(tǒng)：是靠偽隨機(jī)碼的相關(guān)處理，降低進(jìn)入解調(diào)器的干擾功率來達(dá)到抗干擾的目的；跳頻系統(tǒng)：跳頻系統(tǒng)：是靠載頻的隨機(jī)跳變，躲避干擾，將干擾排斥在接收通道以外來達(dá)到抗干擾的目的。這兩者都具有很強(qiáng)的抗干擾的能力，各有自己的特點(diǎn)，也存在自身的不足。直擴(kuò)和跳頻技術(shù)性能的比較：直擴(kuò)和跳頻技術(shù)性能的比較：1.抗強(qiáng)的定頻干擾抗強(qiáng)的定頻干擾抗強(qiáng)的定頻干擾，跳頻系統(tǒng)比直擴(kuò)系統(tǒng)優(yōu)越。2.抗衰落抗衰落抗頻率選擇性衰落，直擴(kuò)系統(tǒng)優(yōu)于跳頻系統(tǒng)。3.抗多徑干擾抗多徑干擾抗多徑干擾，直擴(kuò)系統(tǒng)優(yōu)于跳頻系統(tǒng)。4.“遠(yuǎn)遠(yuǎn)-近近”效應(yīng)效應(yīng) “遠(yuǎn)-近”效應(yīng)對(duì)直擴(kuò)系統(tǒng)影響很大，對(duì)跳頻系統(tǒng)的影響小得多。 5.同步同步兩系統(tǒng)的同步實(shí)