《擴頻通信技術(shù)及應(yīng)用》課件第6章

第6章典型擴頻通信系統(tǒng)舉例

6.1

CDMA2000系統(tǒng)6.2

GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)6.3無線局域網(wǎng)中的擴頻技術(shù)6.4藍(lán)牙技術(shù)6.5時分多址混合擴頻系統(tǒng)——JTIDS6.1CDMA2000系統(tǒng)

6.1.1CDMA2000系統(tǒng)概述

全球第一個基于CDMA技術(shù)的商用標(biāo)準(zhǔn)是IS-95，

屬于第二代移動通信系統(tǒng)，后來演進到第三代移動通信系

統(tǒng)，即CDMA20001x和3x(1x和3x分別代表其載波帶寬是

IS-95A帶寬的1倍或3倍)。采用3倍帶寬時，又可分為下行直接擴頻和三載波兩種方式。6.1.2CDMA2000物理信道結(jié)構(gòu)

1.前向鏈路物理信道

前向鏈路物理信道結(jié)構(gòu)如圖6-1所示，可分為前向鏈路公共信道和前向鏈路專用信道兩類。圖6-1前向鏈路物理信道結(jié)構(gòu)前向鏈路公共信道具有以下特點：

低時延，F(xiàn)BCH可以用于連續(xù)發(fā)送開銷消息，F(xiàn)CCCH可以支持更高的數(shù)據(jù)速率；

降低發(fā)射功率，F(xiàn)BCH通過重復(fù)發(fā)送方式可采用更小的發(fā)射功率，F(xiàn)CCCH可以工作于軟切換，并采用比尋呼信道更低的發(fā)送速率；

支持靈活的信道配置，支持多種數(shù)據(jù)速率，便于移動臺區(qū)分開銷信息和尋呼消息等；

降低終端功耗，采用P－QPCH喚醒空閑狀態(tài)的終端

在指定的F-CCCH或F-PCH時隙上接收F-CCCH或F-PCH，F(xiàn)-BCH允許終端迅速獲得開銷消息，F(xiàn)-CCCH允許終端迅速進入待機狀態(tài)。前向鏈路專用信道具有以下特點：

數(shù)據(jù)采用正交相移鍵控（QPSK，QuadraturePhaseShiftKeying）調(diào)制，對于語音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用卷積碼(K=9)，對于補充信道的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用Turbo碼；

信道通過Walsh函數(shù)正交化，當(dāng)正交碼空間受限時允許應(yīng)用準(zhǔn)正交函數(shù)；支持發(fā)送分集，包括正交發(fā)射分集方式和空時擴展分集方式；

支持快速功率控制，控制頻率為800Hz；

支持5ms、20ms、40ms和80ms幀長，用于信令、控制信號和用戶信息數(shù)據(jù)。

CDMA2000系統(tǒng)通過無線配置(RC)指定前向或反向業(yè)務(wù)信道的工作模式，每種RC定義業(yè)務(wù)信道的數(shù)據(jù)速率、擴頻速率、信道編碼(Turbo或卷積碼)、碼率、調(diào)制方式(QPSK或BPSK)和傳輸分集方式等。表6-1列出了前向鏈路業(yè)務(wù)信道采用的RC。前向鏈路業(yè)務(wù)信道共有9種RC，包括SR1和SR3，碼率為9.6kb/s~

1.0368Mb/s，支持卷積碼和Turbo碼，調(diào)制方式為二進制相移鍵控（BPSK，BinaryPhaseShiftKeying）和QPSK。

2.反向鏈路物理信道

反向鏈路物理信道結(jié)構(gòu)如圖6-2所示，也可分為反向鏈路公共信道和反向鏈路專用信道兩類。圖6-2反向鏈路物理信道結(jié)構(gòu)反向鏈路公共信道包括反向接入信道(R-ACH)、反向增強接入信道(R-EACH)和反向公共控制信道(R-CCCH)；反向鏈路專用信道包括反向?qū)Ｓ每刂菩诺?R-DCCH)、反向基本信道(R-FCH)、反向補充信道(R-SCH)、反向補充

碼分信道(R-SCCH)和反向功率控制子信道(R-PCSCH)。反向?qū)ьl信道(R-PICH)既可用于公共信道也可用于專用信道。表6-2列出了反向鏈路業(yè)務(wù)信道采用的RC。反向鏈路業(yè)務(wù)信道共有6種RC，涵蓋SR1和SR3，碼率為9.6kb/s~

1.0368Mb/s，支持卷積碼和Turbo碼，調(diào)制方式為64階正交調(diào)制和BPSK。64階正交調(diào)制方法是采用Walsh序列作為調(diào)制碼，即輸入6個編碼比特對應(yīng)輸出一個64位的Walsh序列。6.1.3物理信道的擴頻調(diào)制

1.前向信道的擴頻調(diào)制

前向鏈路數(shù)據(jù)采用QPSK調(diào)制，采用Walsh函數(shù)區(qū)分不同用戶的信道，并采用復(fù)PN序列進行復(fù)擴頻調(diào)整。由于CDMA信道可以復(fù)用多個物理信道，且各信道可以采用不同的傳輸功率，因此采用復(fù)擴頻可以平衡I/Q兩路的功率，從而降低發(fā)射信號的峰均比。復(fù)擴頻輸出的I/Q兩路信號分別經(jīng)過基帶濾波和射頻調(diào)制后發(fā)送。圖6-3給出了RC為3、4和5時非正交傳輸分集前向物理信道結(jié)構(gòu)與擴頻調(diào)制原理。其中根據(jù)映射規(guī)則0→+1，1→－1，Walsh函數(shù)和QOFsign的取值為±1。Walshrot取值為0或1，取0時輸出信號相位不旋轉(zhuǎn)，取1時輸出信號相位旋轉(zhuǎn)90°。圖6-3非正交傳輸分集前向物理信道結(jié)構(gòu)與擴頻調(diào)制原理

2.反向信道的擴頻調(diào)制

1)與O-QPSK結(jié)合的平衡四項擴頻凋制

圖6-4給山了RC為1和2時反向業(yè)務(wù)信道采用的編碼調(diào)制方法及與O-QPSK結(jié)合的平衡四項擴頻調(diào)制原理。I和Q路數(shù)據(jù)分別經(jīng)過PN序列加擾后，Q路信號相對于I路信號延遲(偏移)1／2個PN碼片后，兩路信號分別經(jīng)過符號映射、基帶濾波和射頻調(diào)制后發(fā)送。圖6-4RFCH和RSCCH擴頻調(diào)制(RC為1和2)

2)基于HPSK的復(fù)擴頻調(diào)制

圖6-5給出了RC為3和4時，R-PICH、R-EACH、

R-CCCH和反向業(yè)務(wù)信道采用的編碼調(diào)制方法及復(fù)擴

頻調(diào)制原理。對于復(fù)擴頻調(diào)制，輸入的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)信號和復(fù)擾碼相乘后，生成復(fù)碼片符號，再經(jīng)過基帶濾波和射頻調(diào)制后發(fā)送。由于復(fù)擾碼的隨機性，采用傳統(tǒng)的QPSK調(diào)制時，復(fù)擴頻調(diào)制輸出的相鄰的復(fù)碼片符號可能在兩個任意的星座點之間跳變，從而導(dǎo)致傳輸信號峰均比的惡化。CDMA2000系統(tǒng)為避免上述問題，采用混合相移鍵控調(diào)制，亦稱為正交復(fù)四相相移鍵控(OCQPSK)，以減少相鄰復(fù)碼片符號的星座點之間轉(zhuǎn)換時出現(xiàn)的過零現(xiàn)象，同時消除星座點之間的零相位轉(zhuǎn)換，進而改善傳輸信號峰均比性能。

HPSK調(diào)制采用特殊的重復(fù)序列(函數(shù))作為擾碼，并選擇特殊的正交碼對不同的信道進行擴頻處理。HPSK使用的重復(fù)序列成為Walsh轉(zhuǎn)子，I路采用W={1，1}，Q路采用W={1，－1}。對于連續(xù)兩個相同的碼片符號采用該Walsh轉(zhuǎn)子加擾后，前者相位旋轉(zhuǎn)+45°，后者相位旋轉(zhuǎn)－45°。這樣可確保這兩個碼片符號對應(yīng)的最終星座點相位相差90°，避免星座點轉(zhuǎn)換時通過零點。HPSK盡管能消除連續(xù)兩個碼片符號擴頻的星座點過零，但當(dāng)有三四個連續(xù)相同的碼片符號時，第二個和第三個碼片符號擴頻后星座點仍然會出現(xiàn)過零。此外，HPSK還限制了正交擴頻碼的可使用數(shù)量。圖6-5反向信道擴頻調(diào)制(RC為3或4)6.1.4擴頻碼

1.PN碼

1)PN長碼

PN長碼速率為1.2288Mc/s，周期為242－1個碼片，等效于41天。PN長碼的特征多項式為

2)PN短碼

PN短碼速率為1.2288Mc/s，周期為215個碼片，即26.66ms。對于2s內(nèi)75個PN短碼，在擴頻速率1(SR1)下，CDMA2000采用不同的PN短碼，分別對正交相移鍵控(QPSK)的同相(I)支路和正交(Q)支路進行擴頻。I支路和Q支路的PN短碼特征多項式分別為在擴頻速率3(SR3)下，CDMA2000使用的PN短碼速率為3.6864Mc/s，周期是220－1個碼片，絕對周期時間與SR1下的相同。I支路和Q支路的PN碼特征多項式相同，均為

I支路和Q支路的PN序列的差別在于其起始位置不同，I支路PN序列的起始碼片是從連續(xù)19個“0”之后的“1”開始的，而Q支路PN序列的起始位置比I支路PN序列要延遲219個碼片。

2.Walsh碼

表6-3列出了前向和反向CDMA信道采用的Walsh函數(shù)。其中，

WnN代表一個長度為N的Walsh函數(shù)，并且該函數(shù)由N×N的哈達(dá)瑪矩陣的第n行級聯(lián)構(gòu)成，即哈達(dá)瑪矩陣的第0行為Walsh函數(shù)0，哈達(dá)瑪矩陣的第1行為Walsh函數(shù)1，以此類推。Walsh碼片傳輸時按從左到右的順序輸出。哈達(dá)瑪矩陣可采用下列迭代的方法生成：式中，N為2的冪次方，ＨN為HN的二進制補碼。

3.準(zhǔn)正交函數(shù)(QOF)

采用QOF碼擴頻時，某一Walsh重復(fù)序列先乘以由符號+1和—1所組成的掩碼重復(fù)序列（其中符號{+1，—1}分別對應(yīng)于QOFsign中的{0，1)），然后該生成的序列再乘以由符號1和j(j為復(fù)數(shù)，表示90°相移)所組成的重復(fù)序列，并且{1，j}分別對應(yīng)使能Walsh碼(Walshrot)中的{0，1)。表6-4給出了SR1和SR3時長度為256的QOFsign和Walshrot取值。掩碼序列將依照每行從左到右、按行從上到下的順序輸出。每個十六進制符號將按從高位(MSB)到低位(LSB)的順序輸出。

6.2GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

6.2.1系統(tǒng)概述

1.空間星座部分

GPS系統(tǒng)的空間星座部分由24顆導(dǎo)航衛(wèi)星(Navstar)組成，其中包括3顆備用衛(wèi)星，用以必要時代替發(fā)生故障的衛(wèi)星。工作衛(wèi)星分布在6個軌道面內(nèi)，每個軌道面上有4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面與地球赤道面的傾角為55°，軌道的平均高度約為20200km，衛(wèi)星運行周期為12h。每顆衛(wèi)星每天約有5h在地平線以上，同時位于地平線以上的衛(wèi)星至少為4顆，最多可達(dá)11顆。這樣的配置，能確保在地球上任何地點、任何時刻均至少可以同時觀測到4顆衛(wèi)星，從而實現(xiàn)全球覆蓋和三維導(dǎo)航能力。導(dǎo)航衛(wèi)星有BLOCKⅠ、BLOCKⅡ、BLOCKⅢ三種，其中BLOCKⅡ型衛(wèi)星上還增設(shè)了核爆炸探測器和單通道空軍衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器，使衛(wèi)星具有探測核爆炸和應(yīng)急通信的能力。每個衛(wèi)星上具有完全相同和準(zhǔn)確的時鐘，并保持有8個衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置信息，其時鐘與建立在地面上的主控站的時鐘準(zhǔn)確同步。

2．地面監(jiān)控部分

GPS的地面監(jiān)控部分目前主要由分布在全球的5個地面站組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測站、主控站和信息注入站，它們的任務(wù)是跟蹤并保證衛(wèi)星質(zhì)量。5個地面站均具有監(jiān)測站的功能，其中有一個主控站和三個注入站。

3．用戶設(shè)備部分

GPS用戶設(shè)備部分主要由天線、接收機、帶有軟件的數(shù)據(jù)處理設(shè)備和控制/顯示裝置以及電源等部分組成，一般習(xí)慣上統(tǒng)稱為GPS接收機。由于用戶要求不同，用戶設(shè)備又分為A、B、C、D、E、F六類，分別適用于轟炸機、直升機、一般導(dǎo)航、地面車輛、地面人員和潛艇艦船等。而GPS接收機根據(jù)工作原理、通道類型、信號頻率和用途等又有多種分類。

GPS接收機主機主要由變頻器、信號通道、處理單元與顯示單元等模塊組成，如圖6-6所示。其中，信號通道是核心部分，其主要作用有三：

（1）搜索衛(wèi)星，牽引并跟蹤衛(wèi)星；

（2）對準(zhǔn)基準(zhǔn)信號，將從衛(wèi)星接收到的擴頻信號進行解擴和解調(diào)，從而得到導(dǎo)航電文；

（3）進行偽碼測量、載波相位測量和多普勒頻移測量。圖6-6GPS接收機原理圖6.2.2GPS的碼和信號

GPS采用了兩種測距碼和一種數(shù)據(jù)碼(稱D碼)。

1．C/A碼

C/A碼是由兩個10級反饋移位寄存器組合而成的，其構(gòu)成如圖6-7所示。圖6-7C/A碼構(gòu)成示意圖每星期日子夜零時，在置“1”脈沖作用下，兩個移位寄存器全處于1狀態(tài)，同時在1.023MHz的時鐘驅(qū)動下，兩個移位寄存器分別產(chǎn)生碼長為1023位、周期為1ms的m序列G1(t)和G2(t)。G2(t)序列選擇該移位寄存器中兩存儲單元進行二進制相加，由此得到一個與G2(t)平移等價的m序列G2i。再將其與G1(t)模2加，便得到C/A碼。

C/A碼是Gold碼，不是m序列。由于G2(t)可能有1023種平移序列，因而將G2i與G1(t)模2加，就可得到1023種不

同結(jié)構(gòu)的C/A碼，但它們的長度、周期和碼速均相同。不同的GPS衛(wèi)星采用結(jié)構(gòu)相異的C/A碼。

C/A碼的碼長較短，易于捕獲。在GPS中，為了捕獲C/A碼，通常需要對C/A碼逐個進行搜索。若以50個碼元每秒的速度搜索，1023個碼元僅需20.5s便可捕獲。

由于C/A碼易于捕獲，且通過捕獲的C/A碼所提供的信息，又可以方便地捕獲P碼，所以通常C/A碼又稱捕獲碼。

2.P碼

P碼的產(chǎn)生原理與C/A碼的相似，采用兩組各有兩個

12級的寄存器產(chǎn)生，碼長約為2.35×1014b，周期約為267d,碼速為10.23Mc/s。實際的P碼周期被分成38個部分，除一部分閑置外，其余分給地面監(jiān)控站和不同的衛(wèi)星使用。不同衛(wèi)星使用P碼的不同部分，但每一部分都具有相同的碼長和周期。

3.數(shù)據(jù)碼

每幀導(dǎo)航電文有5個子幀，每個子幀有10個字，每個字有30b。每25幀組成一主幀。在第1、2、3子幀中給出了衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)、原子鐘時間調(diào)整參數(shù)等，在第4子幀中給出了電波傳播時延補償參數(shù)和衛(wèi)星狀態(tài)信息，在第5子幀中給出了24個衛(wèi)星的軌道日歷等。1、2、3子幀的內(nèi)容每小時更新一次，而4、5子幀的內(nèi)容只在注入新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后才得以更新。

4.GPS衛(wèi)星的信號

每一顆衛(wèi)星都配備了頻率穩(wěn)定度高達(dá)10－12～10－13的銣原子鐘或銫原子鐘，保證了極其穩(wěn)定的時鐘基準(zhǔn)，而該時鐘基準(zhǔn)是產(chǎn)生時間上嚴(yán)格同步的導(dǎo)航信號的前提和必需條件。原子鐘首先產(chǎn)生一個頻率為10.23MHz的時鐘，該時鐘作為衛(wèi)星的參考頻率，是所有其他信號得以產(chǎn)生的時間基準(zhǔn)。在GPS系統(tǒng)中，由于C/A碼偽碼速率為1.023MHz，人們習(xí)慣于用f0來表示，所以這里可以用10f0來表示原子鐘產(chǎn)生的時鐘基準(zhǔn)。衛(wèi)星發(fā)射信號位于L波段，在實現(xiàn)GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化進程之前，分別占據(jù)兩個載波L1和L2，其頻率值fL1、fL2和f0的關(guān)系分別如下:(6-1)(6-2)調(diào)制在L1載波上的導(dǎo)航信號可以表示為(6-3)調(diào)制在L2載波上的導(dǎo)航信號可以表示為(6-4)式中:D(t)為調(diào)制的數(shù)據(jù)比特；ωL1、

ωL2分別為L1和L2的載波角頻率；θL1和θL2分別是載波L1和L2的初始相位；Pc、Py1和Py2分別是不同信號分量的功率。

式(6-3)和式(6-4)中共有3個信號分量，其中L1上調(diào)制了一個民用信號和一個加密的軍用信號，L2上則只有一個加密的軍用信號。功率為Pc的分量為民用信號，而功率為Py1和Py2的分量為軍用信號。民用信號和軍用信號最大的不同在于其擴頻偽碼，即式中的c(t)和y(t)。

c(t)的碼片速率為1.023MHz，每一個碼片寬度大約是

1μs，所以一個碼片的誤差在距離定位上就對應(yīng)大約300m。c(t)對應(yīng)的偽隨機碼叫做粗碼或C/A碼，其周期是1023個

碼片，在時間長度上即為1ms。C/A碼的格式和具體生成方法對普通用戶公開，所以是GPS系統(tǒng)在民用領(lǐng)域的主要信號。

y(t)的碼片速率為10.23MHz，是C/A碼速率的10

倍，所以相應(yīng)的一個碼片的誤差在距離定位精度上對應(yīng)于30m，由此可以看出，使用y(t)碼的接收機的定位精度是使用C/A碼的接收機的10倍。y(t)對應(yīng)的偽隨機碼叫做P(y)碼，周期比C/A碼長很多，達(dá)到了38個星期。如此長的周期帶來很多好處，比如較低的相關(guān)旁瓣和極高的保密性。P(y)碼只對特殊授權(quán)用戶開放，所以民用用戶通過常規(guī)手段無法使用該信號。

D(t)碼是調(diào)制的導(dǎo)航電文比特，比特速率是50b/s，所以一個比特的長度是20ms。導(dǎo)航電文的作用是提供衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)和歷書數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)用來計算衛(wèi)星的精確位置和速度。導(dǎo)航電文還提供衛(wèi)星的時鐘修正參數(shù)、電離層和對流層延遲參數(shù)以及衛(wèi)星運行狀況等?？梢钥闯?，初始信號和偽隨機碼相乘以后，原有的信號帶寬從50Hz展寬到了2MHz(對C/A碼)和20MHz（對P(y)碼)。GPS信號的頻譜分布如圖6-8所示。圖6-8GPS信號的頻譜分布(在L1頻率附近只有P(y)信號頻譜，而在L2頻率附近有C/A信號和P(y)信號)對C/A碼信號來說，偽碼周期為1ms，一個導(dǎo)航電文比特耗時20ms，這樣在一個導(dǎo)航電文比特里容納了20個周期的PN碼。每一個導(dǎo)航電文比特中包含了20個整周期的PN碼，而每一個PN碼片包含了1540周期的載波信號。

GPS系統(tǒng)的現(xiàn)代化主要包括以下幾點：

取消選擇性和可用性(SA)限制；

在目前的L2頻率上加上一個新的民用信號L2C；

在L5頻率(1176.45MHz)上加上一個新的民用信號L5；

對現(xiàn)有的L1的C/A碼信號進行改造，增大其發(fā)射功率；增加新的軍用碼信號(M碼信號)；

對目前使用的GPS衛(wèi)星(IIR、IIA、IIRM)進行更新?lián)Q代，使其更適合于新的GPS信號的要求。

SA限制已于2000年5月1日取消，這被認(rèn)為是GPS現(xiàn)代化的第一步。

L2C和L5信號的提出主要出于以下3個目的：

①對電離層群延遲的精確校正需要兩個不同頻率的信號；

②對定位信號可用性要求的不斷提高，尤其在安全相關(guān)的應(yīng)用方面越來越顯示出這方面的不足；

③對于定位結(jié)果的精度和迅捷性的要求，也對GPS信號提出了更高的要求。

L2C信號包括兩種偽隨機碼信號，一種是L2－CM碼，另一種是L2－CL碼，其碼片速率都是511.5kb/s，二者以

時分的方式發(fā)送。L2－CM碼中有調(diào)制導(dǎo)航電文比特，而L2－CL碼沒有調(diào)制數(shù)據(jù)。L2－CM碼周期較短，為10230個碼片，即20ms；L2－CL碼周期較長，為767250個碼片，即1.5s。

L5的碼片速率為10.23Mb/s，由此可見，L5的碼片速率是現(xiàn)有的L1的C/A碼的碼片速率的10倍。L5信號和L2C相比多了一個正交信號。L5信號的同相信號調(diào)制導(dǎo)航電文比特，而正交信號則沒有調(diào)制數(shù)據(jù)，由此可以看出，正交信號在其中的角色類似一個導(dǎo)頻通道。L5的偽隨機碼的碼片速率是C/A碼的10倍，同時其互相關(guān)特性和自相關(guān)特性都比C/A碼好，這些特性決定了L5的定位精度會比目前的C/A碼高，同時對于多徑效應(yīng)也有更強的抑制。

C/A碼和P碼對載波均進行非平衡QPSK調(diào)制，且Q路

比I路功率低3dB，在載波L1上調(diào)制有C/A碼、P碼和數(shù)據(jù)碼，而在載波L2上只調(diào)制有P碼和數(shù)據(jù)碼，如圖6-9所示。圖6-9GPS衛(wèi)星信號構(gòu)成示意圖6.2.3GPS的定位原理

當(dāng)同步時，可以得到接收到的時間t2(以目標(biāo)站的時基為參考)，同時從收到的數(shù)據(jù)中又得到發(fā)送的時間t1(以衛(wèi)星上的時基為參考)。以系統(tǒng)時間和GPS接收機時間表示的信號發(fā)送和接收的時間關(guān)系如圖6-10所示。圖6-10GPS定位原理示意圖由于GPS接收機的時基與系統(tǒng)時基有誤差Δ，因而GPS接收機計算的傳播時間Ti′與真實傳播時間也相差Δ，即Ti=Ti′+Δ。將第i個衛(wèi)星計算的距離(稱偽距)設(shè)為ρi，有式中，c為光速。由于所有衛(wèi)星時基相同，因此B＝cΔ是相同的，這樣，對所有衛(wèi)星的真實距離Ri為

Ri＝cTi＝ρi＋B

下面來看如何得到目標(biāo)的空間位置。設(shè)衛(wèi)星以地心為原點的坐標(biāo)為X、Y、Z，目標(biāo)的坐標(biāo)為Xu、Yu、Zu，則可得到下列各式：偽距可由接收機測得，各個衛(wèi)星的坐標(biāo)可從收到的導(dǎo)航電文中獲得，代入上述式子，就可以解出Xu、Yu、Zu和

B四個未知數(shù)，從而可以確定目標(biāo)的位置(經(jīng)度、緯度和

高度)。在GPS接收機中，接收到的是大地的經(jīng)緯度坐標(biāo)(B，L)，它與高斯投影直角坐標(biāo)(x，y)的關(guān)系可用高斯投影計算公式來表示，即式中6.2.4GPS信號的捕獲和跟蹤

對于GPS信號來說，還有一個特殊的原因使得信號捕獲變得更有必要，同時也變得更復(fù)雜。這個原因是由多普勒效應(yīng)引起的。衛(wèi)星平均速度的估計值為3.87km/s，由于多普勒效應(yīng)，如此高速運動必然會使接收機接收到的信號產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，這個速度對L1載波頻率的信號引起的頻移可達(dá)20.3kHz。實際上，多普勒頻移只和相對運動的徑向速度分量有關(guān)，假設(shè)接收機位于地球表面且處于靜止?fàn)顟B(tài)，要產(chǎn)生高達(dá)20kHz的多普勒頻移，必須是衛(wèi)星正對著地球表面該接收機所處的地點飛行，而一般來說，衛(wèi)星總是環(huán)繞地球飛行，所以相對地球表面的某一點來說，其相對運動的徑向速度分量不可能達(dá)到3.87km/s，對這個問題分析的結(jié)論是地球表面的接收機和衛(wèi)星之間相對運動的最大徑向速度分量約是929m／s，隨之導(dǎo)致的多普勒頻移是4.9kHz。除了由于衛(wèi)星的高速運動產(chǎn)生的多普勒頻移外，接收機自身的RF時鐘晶振的偏差也會使接收到的信號載頻偏移理論值。理論計算表明，在L1的載頻上，1×10－6的晶振偏差能引起1.57kHz的載頻偏差。所以在接收機射頻前端的設(shè)計中晶振的質(zhì)量至關(guān)重要，它不僅影響后續(xù)跟蹤環(huán)路的性能，而且也決定了信號捕獲的搜索范圍?，F(xiàn)代的GPS接收機射頻前端采用的晶振一般都是溫度補償晶體振蕩器，其頻率穩(wěn)定度一般在±1×10－6以內(nèi)。從PN碼的方向來說，如果接收機加電開始沒有任何輔助信息，對目前天頂?shù)男l(wèi)星星座分布一無所知，則所有可能的PN碼數(shù)目是32個，此時就必須一個個地窮舉嘗試每一個可能的PN碼；如果有其他輔助信息以減小搜索量，則可以大大縮短搜索時間。比如暖啟動(Warm-Start)或熱啟動(Hot-Start)就是利用接收機保存的既往的歷書或星歷數(shù)據(jù)和本地時間，在已知本地大致位置的情況下，粗略推算出當(dāng)前天頂上GPS星座的分布，從而大大限制了PN碼的搜索空間，因此得以縮短搜索過程所需耗時。

GPS接收機在完成了信號的捕獲以后，就對信號的載波頻率和偽碼相位有了粗略的估計。這里使用了“粗略”這個詞來描述信號捕獲的結(jié)果，是相對于跟蹤環(huán)路的結(jié)果來說的。一般來說，根據(jù)信號捕獲的結(jié)果，對載波頻率的估計精度為幾百赫茲，而偽碼相位的估計精度在±0.5個碼片范圍之內(nèi)。這個精度不足以實現(xiàn)導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)的解調(diào)，因為解調(diào)數(shù)據(jù)一般必須在進入穩(wěn)定的跟蹤狀態(tài)以后才可以進行。

6.3無線局域網(wǎng)中的擴頻技術(shù)

優(yōu)點：

(1)無需無線電管理部門的批準(zhǔn)；

(2)有較高的噪聲容限和保密性；

(3)有較強的抗干擾能力；

(4)可用軟件來選擇信道，實現(xiàn)信道共享；

(5)易實現(xiàn)多址通信，頻譜利用率較高。無線局域網(wǎng)產(chǎn)品中的擴頻，主要有DS和FH兩種方式，且多數(shù)為DS方式。對于無線局域網(wǎng)中采用的擴頻，其抗干擾性能已不是首要考慮因素，因此，DS的處理增益或跳頻的跳速一般都不高。跳頻方式的設(shè)計實際上就是跳頻頻率合成器及控制器的設(shè)計。慢速的跳頻頻率合成器的設(shè)計，目前技術(shù)已很成熟。由于DS方式的擴頻和調(diào)制（主要由QPSK或BPSK及其差分形成）相對比較簡單，無線局域網(wǎng)中的擴頻技術(shù)就主要歸結(jié)為DS方式的解擴。對于DS方式，其解擴的相關(guān)處理主要有用聲表面波器件(SAWD)或超大規(guī)模集成電路(VLSI)作為匹配濾波器或卷積器的兩種方式。例如Canon的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用SAW卷積器來完成相關(guān)解擴。用SAWD作為匹配濾波器可以同時完成解擴和解調(diào)，而且可以省去DS中較難解決的偽碼同步及載波同步，使系統(tǒng)得以簡化，因此，這種方式日益受到人們的關(guān)注。

6.4藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)實際上是一種短距離無線電技術(shù)，它使得現(xiàn)代一些重量輕、容易攜帶的移動通信設(shè)備和電腦設(shè)備，不必借助電纜就能聯(lián)網(wǎng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)無線上因特網(wǎng)，其實際應(yīng)用范圍還可以拓展到各種家電產(chǎn)品、消費類電子產(chǎn)品和汽車等，組成一個巨大的無線通信網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)牙工作在全球通用的2.4GHzISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。藍(lán)牙的數(shù)據(jù)速率為1Mb/s，利用時分雙工傳輸方案來實現(xiàn)全雙工傳輸。ISM頻帶是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻帶，因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預(yù)測的干擾源。跳頻技術(shù)是把頻帶分成若干個跳頻信道（hopchannel），在一次連接中，無線電收發(fā)器按一定的偽碼序列不斷地從一個信道“跳”到另一個信道，只有收發(fā)雙方是按這個規(guī)律進行通信的，而其他的干擾不可能按同樣的規(guī)律進行；跳頻的瞬時帶寬是很窄的，但通過擴展頻譜技術(shù)可使這個窄帶成百倍地擴展成寬頻帶，使干擾可能的影響

變得很小。

1.藍(lán)牙系統(tǒng)的基本參數(shù)

（1）工作頻段：ISM頻段，2.402~2.480GHz；

（2）雙工方式：全雙工，TDD時分雙工；

（3）業(yè)務(wù)類型：支持電路交換和分組交換業(yè)務(wù)；

（4）數(shù)據(jù)速率：1Mb/s；

（5）非同步信道速率:非對稱連接時為721/57.6kb/s，對稱連接時為432.6kb/s；

（6）同步信道速率：64kb/s；

（7）功率：美國FCC要求功率不超過0dBm(1mW)，其他國家可擴展為100mW；

（8）跳頻頻率數(shù)：79個頻點/每頻點1MHz瞬時帶寬；

（9）跳頻速率：1600hop/s；

（10）工作模式：暫停（PARK）/保持（HOLD）/呼吸（SNIFF）；

（11）數(shù)據(jù)連接方式：面向連接業(yè)務(wù)SCO，無連接業(yè)務(wù)ACL；

（12）糾錯方式：1/3FEC，2/3FEC，ARQ；

（13）鑒權(quán)：采用反應(yīng)邏輯算術(shù)；

（14）信道加密：采用20位、40位、60位密鑰；

（15）語音編碼方式：連續(xù)可變斜率調(diào)制CVSD；

（16）發(fā)射距離：一般可達(dá)10m，增加功率情況下可達(dá)100m。

2.藍(lán)牙系統(tǒng)的主要功能單元

（1）天線射頻單元；

（2）鏈路控制單元；

（3）鏈路管理單元；

（4）軟件功能定義。

3.藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的基本形式

一個皮克網(wǎng)可以只是兩臺相連的設(shè)備（比如一臺便攜式電腦和一部移動電話），也可以是八臺連在一起的設(shè)備。在一個皮克網(wǎng)中，所有設(shè)備都是級別相同的單元，具有相同的權(quán)限。但是在皮克網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)初建時，其中一個單元被定義為主單元（Master），其時鐘和跳頻順序被用來同步其他單元的設(shè)備；其他單元被定義為從單元（Slave）。圖6-11示出了藍(lán)牙協(xié)議棧的基本結(jié)構(gòu)和各種協(xié)議之間的相互關(guān)系，但這種關(guān)系在某些應(yīng)用中是有變化的。需要說明的是，不是任何應(yīng)用都必須使用全部協(xié)議，而是可以只使用其中的一列或多列。圖6-11藍(lán)牙協(xié)議棧完整的協(xié)議棧包括藍(lán)牙專用協(xié)議（如連接管理協(xié)議LMP和邏輯鏈路控制應(yīng)用協(xié)議L2CAP）以及非專用協(xié)議（如對象交換協(xié)議OBEX和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP）。設(shè)計協(xié)議和協(xié)議棧的主要原則是盡可能地利用現(xiàn)有的各種高層協(xié)議，保證現(xiàn)有協(xié)議與藍(lán)牙技術(shù)的融合以及各種應(yīng)用之間的互操作，充分利用兼容藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范的軟硬件系統(tǒng)。藍(lán)牙協(xié)議體系中的協(xié)議按SIG的關(guān)注程度分為四層：核心協(xié)議（BaseBand、LMP、L2CAP、SDP）、電纜替代協(xié)議（RFCOMM）、電話傳輸控制協(xié)議（TCS-Binary、AT命令集）及選用協(xié)議（PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE）。6.5時分多址混合擴頻系統(tǒng)——JTIDS

1.JTIDS/TDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

圖6-12是其工作示意圖。圖中的信息分發(fā)系統(tǒng)就是將各用戶要傳送的信息組織在一個周期性的時間分隔的系統(tǒng)中，各用戶根據(jù)需要從此系統(tǒng)中得到其他用戶的信息。它的時間分隔系統(tǒng)可以從圖6-13的信號格式中看出。圖6-12JTIDS系統(tǒng)工作示意圖圖6-13JTIDS的信號格式圖6-12中，一個環(huán)形周期稱為一個時元(epoch)，為12.8