[其它]扩频通信第二章 扩频系统的性能分析.ppt

第二章 扩频系统的性能分析,2.1 抗广义平稳干扰的能力2.2 抗多径干扰能力的分析2.3 扩频通信系统码分多址能力的分析2.4 扩频系统的测距能力,第二章 扩频系统的性能分析,扩频系统的最大特点：抗干扰能力。分析进入扩频接收机的干扰信号：1、带限平稳高斯随机过程：一般将其他无线电系统发出的干扰信号归为这一类。2、多址干扰：同一扩频系统中各台发出的干扰信号。3、人为干扰：在现代通信对抗中有窄带准式干扰和宽带阻塞式干扰以及转发式干扰。4、广义平稳随机过程：各种自然干扰雷电、飞行体和汽车的火花干扰等。处理增益越大，则抗干扰能力越强。因此讨论扩频系统的抗干扰能力，就要分析它的处理增益。,第二章 扩频系统的性能分析,2.1 抗广义平稳干扰的能力一、广义平稳干扰对直接序列系统的影响直接序列扩频系统数学模型设进入接收机并通过射频滤波器后的信号为：（忽略随机时延和频移）是进入接收机的干扰信号，设其为广义平稳随机过程 其中 为基带干扰信号，是一个均值为零的平稳高斯噪声。,第二章 扩频系统的性能分析,1、噪声分析 现在分析的是最不利的情况，即干扰信号的载波与有用信号的载波同频且同相送入相关器。1）接收机输入端（经过了射频滤波器）的功率谱密度函数为 的功率谱密度函数，W/Hz；假设干扰信号功率谱密度函数 的带宽不超过射频滤波器的带宽。干扰信号 与进入接收机的其他信号相互独立，其功率谱密度为N0/2，平均功率（均方值）为：,的功率谱密度函数，W/Hz；,第二章 扩频系统的性能分析,以上可以通过-，通过图表示出平均功率。2）接收机输出端 式中：输出干扰信号的平均功率；和 的卷积积分；基带滤波器的传输函数；基带滤波器的功率传输函数。本地扩频码 的功率谱密度函数。,进入接收机干扰信号的平均功率为：,第二章 扩频系统的性能分析,3）频谱分析 频谱卷积图解示意图,第二章 扩频系统的性能分析,4）分析扩频系统的物理机理强抗干扰性能。（1）从 公式和频谱卷积图解示意图中看，广义平稳干扰的功率谱密度函数 由于与频谱很宽的扩频信号的功率谱密度函数 卷积而被展宽，同时又被基带滤波器的带宽所限制，从而大大降低了干扰信号 对系统的影响。有用信号进入接收系统，由于信号与本地扩频码相关性很强，在卷积过程中把信号能量从射频的宽带（扩频码信号的宽带）内集中到基带滤波器的带宽（信息信号的带宽内）内，从而提高了有用信号的电平，也就是提高了系统的输出信噪比。这就是扩频通信系统具有强的抗干扰性能的基本原理。,第二章 扩频系统的性能分析,2、扩频系统的处理增益以上分析了直接序列系统抗广义平稳干扰的性能，给出了抵抗干扰的物理机理。,第二章 扩频系统的性能分析,二、频率跳变系统抗干扰能力的分析附注：处理增益实际上表示的是输出信号噪声功率比与输入信号噪声功率比的比值。N是跳频系统的频率总数。,第二章 扩频系统的性能分析,从物理意义上分析：（1）干扰信号功率被削弱为1/N倍：因为调频信号跳变到受到干扰的那个频道上，此窄带干扰信号才能通过中频滤波器。由于在NTc的时间内，跳频信号在每个频道的工作时间为Tc。系统处于完全同步，所以在（N-1）Tc时间内，干扰信号通过混频，频谱落在了中频滤波器的通带之外，滤掉了。（2）频率跳变系统和窄带系统抗干扰区别：对于宽带干扰来说，跳频接收机将干扰信号的能量在一个较宽的频带上进行了平均；对于窄带干扰来说，跳频接收机将干扰信号的能量在一个较长的时间段内进行了平均。宽带滤去大部分能量；窄带通过躲避办法。,第二章 扩频系统的性能分析,三、抗单频正弦波干扰的能力1、单频正弦波 单频正弦波干扰是一类特殊的干扰，可作为带宽为0 的窄带 干扰来处理。设单频正弦干扰信号J（t）与进入接收机的有用信号是相互独立的，且与有用信号的载波同频、同相。这种情况实际上是一种窄带瞄准式干扰（这就是一种最恶劣的干扰情况）。2、系统抗噪声分析 单频正弦干扰信号的输入功率为，假设功率为 P的有用信号无失真无损耗的通过扩频接收机，即接收输出端的有用功率为P。,第二章 扩频系统的性能分析,经过基带滤波器的干扰信号的功率谱密度：本地参考扩频码 的自相关函数为 对其作傅氏变换：式中 为伪随机码的码元宽度 的傅立叶变换；基带滤波器的传输函数，是 的傅立叶变换，是功率传输函数。,第二章 扩频系统的性能分析,详细的功率谱密度函数分析：单频正弦干扰信号经过接收机的相关处理，再经过基带滤波器的滤波，输出的功率随着扩频码码元宽度Tc的减小而减小。单频正弦干扰信号输出的功率：Bb为基带滤波器带宽。,第二章 扩频系统的性能分析,系统的处理增益：载波同频相的单频正弦干扰和广义平稳干扰对系统的影响不同。广义平稳中，干扰信号的带宽被扩展为 设（）。单频正弦干扰的带宽被扩展为所以载波同频、同相的单频正弦波干扰是对直接序列系统最严重的一种干扰。,第二章 扩频系统的性能分析,2.2 抗多径干扰能力的分析一、多径干扰的影响二、双波束，多波束对直接序列系统的影响三、多波束对频率跳变系统的影响四、扩频通信系统抗多径干扰的物理机理,第二章 扩频系统的性能分析,2.2 抗多径干扰能力的分析一、多径干扰的影响1、多径干扰：电波在传播过程中，遇到各种发射体（电离层、对流层、高山和建筑物等）引起发射或散射，接收机收到的直接路径信号与这些群发射信号之间的随机干涉就形成多径干扰，多径干扰是乘性干扰。2、多径干扰对常规通信系统影响：双波束（两径）传输模型：,(b)信号矢量图,第二章 扩频系统的性能分析,接收端收到这两路信号为：设两个传输路径的传输系数相同，仅仅路程不同。由于路程差使两个信号延迟差为，因而信号之间有的相位差。则合成信号为 每一个波束的信号功率为，令合成信号的功率为 则 分析：合成信号功率将随着因子 的变化而变化。只要是 大于接收机所要求的功率值，系统正常工作。实际上传播条件不断变化，各种反射是固定不变的，在一定范围内起伏并且是随机的。当 时，合成信号的功率是0，这是通信中断。,第二章 扩频系统的性能分析,克服多径衰落的方法：分集技术。通过分集等使着 不能成立。分集技术：时间分集、频率分集和空间分集。通过这些分集方法，从多个波束中选出其中最强的一个，同时把其他的波束抑制掉，从而避免相互间的干涉。强方向性且具有自动调整位置能力的天线；自适应调零天线技术来实现波束的分离。但是天线的方向性实现自动调整。在技术上比较复杂，且成本较高。因此常规通信体制中多径衰落比较棘手。,第二章 扩频系统的性能分析,二、双波束、多波束信号对直接序列系统的影响1、双波束信号对直接序列系统的影响 假设在高斯信道上，传输的最佳信号形式是具有白噪声统计特性的信号 的情形。接收机接收到的两路信号分别为 和。合成信号的功率为 式中，是 的归一化自相关函数，且 是 的自相关函数，且 高斯白噪声的自相关函数具有，在 时有 这样就得到,第二章 扩频系统的性能分析,因为在扩频系统中，使用伪噪声码来逼近白噪声信号的统计特性。具有和噪声相类似的自相关函数：在直接序列系统中，载波不是单一的正弦波，总的应该是有伪随机码和扩频码调制的：合成的信号功率为：其中 将 带入该式子中，可得,第二章 扩频系统的性能分析,分析：伪随机码尖锐的相关特性使多径波束完全独立：当 时，反射信号与有用信号叠加，使合成信号的功率发生起伏，起伏的大小与 和 的比值有关。所以只有当路径传播时延小于伪随机编码的码元宽度时，直接序列系统才发生轻度衰落。当 时，反射信号与有用信号叠加，接收信号的功率不发生起伏衰落，多径发射信号被直接序列系统当作噪声处理掉了。因此扩频通信系统具有抗多径干扰能力，也即扩频系统对多径干扰不是很敏感。2、多波束信号对直接序列系统的影响（略）三、多波束对直接序列系统的影响（略）了解：跳变系统和直接序列系统抗多径干扰的能力是完全相同的。,第二章 扩频系统的性能分析,四、扩频通信系统抗多径干扰的物理机理扩频通信抗多径干扰的原因：1）对于直序系统，伪随机码的自相关函数具有尖锐的峰值特性。当多径传播时延小于一个码元宽度时，反射信号与直接信号叠加，可看作信号的一部分，对有用信号产生影响，叠加的在伪随机码上的信号只影响其幅度，不产生对伪随机码宽度的展宽或压缩，所以不影响系统的信息传输。当多径时延超过一个码元宽度时，由于自相关等于0，表明反射信号和直接信号不相关，系统将其作为干扰噪声处理。2）当伪随机码的码元宽度相当窄，那系统的频谱很宽，反射回来的多径频谱分量是不可能同相地到达接收点，形成的多径干扰信号在相关检测中削弱。小部分频谱分量的衰落不会使信号产生严重畸变。故抗干扰能力强。,第二章 扩频系统的性能分析,四、扩频通信系统抗多径干扰的物理机理3）在频率跳变系统中，其瞬间带宽一般都是能够满足相关带宽的要求的，所以干扰信号不影响系统接收有用信号。总之，在一般常规的通信系统中，被认为是很难对付的多径干扰，在扩频通信系统中得到了很好的解决，这就是目前应用扩频通信技术的又一个重要原因。,第二章 扩频系统的性能分析,2.3 扩频通信系统码分多址能力的分析 码分多址扩频系统是一种自扰系统：码分多址的原理完全不同于频分多址和时分多址的方法。它不是企图分配互不相同的频带资源或者时间资源，而是把所有的频率资源和时间资源全部都分配给同时接受服务的所有用户。因此，码分多址扩频系统中，每一个用户的信号对其他用户而言都是干扰，影响系统用户总数的主要因素，是系统内多址信号的干扰。,第二章 扩频系统的性能分析,2.3.1 多址干扰对直接序列系统的影响基站接收的信号为：第一个用户的信号为有用信号第二项为多址干扰信号假设基站和系统都是同步的，这样基站相关器输出用户的有用信息在第一章中讨论在此略。,第二章 扩频系统的性能分析,多址干扰信号通过相关器后：通过低通滤波器的频带很窄，中的大部分能量是不能通过的，仅仅一小部分低频的能通过。上式子可以写成这样：理想情况中，扩频码不仅具有尖锐的自相关特性而且具有处处等于0的互相关特性。但是在实际工程中，这样的扩频码字很难找的，因而多址干扰在相关器输出不可能为0。,第二章 扩频系统的性能分析,讨论多址干扰的噪声功率（经过相关器后）：式子中 是系统的扩频处理增益。系统中其他M-1个用户形成的多址干扰影响，可等效为M-1个平稳干扰对扩频接收机的影响，每一个多址干扰信号的带宽在相关解扩过程中被扩展了，功率下降为1/N，而M-1个多址干扰使得相关器输出的干扰信号功率增大了M-1倍。,第二章 扩频系统的性能分析,2.3.2 多址干扰对频率跳变系统的影响分析：是干扰噪声经接收机混频器输出的信号。是经过最后的中频滤波器之后的干扰噪声。上式子其傅里叶变换为：说明：多址干扰信号经过相关解调之后，在中频滤波器的输出端输出为0，也就是说多址干扰信号通过下变频后落在了中频滤波器的通频带之外，被中频滤波器滤除了，因此对有用信号不会产生任何的影响。,第二章 扩频系统的性能分析,2.3.3 码分多址系统的多址能力简要估计一下码分多址直接序列扩频系统的容量：情况一，假设一个孤立系统由一个基站和M个分站组成。由2.3.1分析可知，系统中其他M-1个用户的多址干扰，可等效为M-1个平稳干扰源的影响。由2.3.1可知假设其功率谱是均匀分布在解扩后全部信号的带宽内，则其功率谱密度为接收信号的功率等于每比特能量与数据速率的乘积，即,第二章 扩频系统的性能分析,由此得：定性分析：码分多址直接序列扩频系统中用户容数M和扩频处理增益 成正比，即系统内的用户数量随着系统扩频处理增益的增大而增加。情况二，在实际系统中，要考虑的因素：1）对于一个蜂窝码分多址直接序列扩频系统来讲，所有小区中的全部用户都占有同一频带。引出：相对干扰因子,第二章 扩频系统的性能分析,2）当话音停顿或减小的时候，停止传送或至少应该降低传输速率或功率。引出话音激化增益Gv。考虑到干扰因子和话音激化增益的影响。这样用户的数量可以修正为：通常M1，以上是一个粗略的估计，概括说明码分多址直接序列系统 用户容量的参数，给出了用户容量和系统扩频处理增益之 间的关系。,第二章 扩频系统的性能分析,2.4 扩频系统的测距能力最早应用于扩频技术最成功的就是导航卫星定时测距全球定位系统（GPS）。2.4.1 常规测距系统中存在的问题（一）以雷达为例：军事上检测敌方目标常用的是雷达。雷达测距的基本公式高频脉冲信号离开天线到达目标，被目标反射又回到天线，所有的时间为。电波所走过的距离为雷达到目标直线距离的2倍。设目标距离为，电磁波传播速度为,第二章 扩频系统的性能分析,2.4.1 常规测距系统中存在的问题雷达测距是通过发射脉冲时间和回波到达时间来实现的。测量回波到达时间必须首先接受和检测回波。因此，雷达的最大测量距离主要决定于被准确检测的回波信号强度，距离越远，回波信号越弱，弱到不能被准确接受的临界点所对应的距离就是最大测量距离。雷达测距的另一个重要指标就是距离分辨能力：假设有两个目标，雷达测距中要在距离上加以区别，两个目标之间必须有一定距离差。对于发射脉冲宽度为T的雷达，利用回波前沿检测，目标回波时延差小于T时，两个目标回波就会开始重叠，因此目标距离就无法区分。因此雷达的最小分辨距离，即雷达的距离分辨能力为：,第二章 扩频系统的性能分析,2.4.1 常规测距系统中存在的问题显然，雷达测距要远，发射脉冲宽度要大（功率要大）；雷达距离分辨能力要高，发射脉冲宽度要小。这是一对互相矛盾的要求。由此出现了一种新的技术方法。(二)连续波测距连续波测距原理：根据测量发送和接受测距音之间的相位差确定目标距离。根据此测得的时间差测出目标距离。由于正弦波的周期性，因此测出的相位可能有 的差距。两者的时间差为,第二章 扩频系统的性能分析,很难判断是时间差是 还是出现了为距离模糊。同时对于相位测量存在一定的误差，所以出现了测距精度。2.4.2 扩频系统测距能力的分析1、采用扩频技术测距克服了脉冲测距中最大测量距离和距离分辨能力之间的矛盾。2、消除了连续波测距中距离模糊和测距精度之间的矛盾。分析：扩频技术测距的最小距离分辨能力：在发射功率一定的情况下，利用扩频技术，测量的最大距离与扩频码周期T有关，而分辨能力与码元宽度Tc有关。Tc越小，分辨能力越好。因为T=NTc，所以N越大测量距离就越大。同时解决了矛盾1和2。,第二章 扩频系统的性能分析,本章课后作业2、5、6、8、9。,