讲义-第四章-直接序列扩频信号的调制技术

第四章第四章直接序列扩频信号的调制技术直接序列扩频信号的调制技术4.14.1信号的波形与频谱信号的波形与频谱pp任何周期性的时间波形都可以看成是许多不同任何周期性的时间波形都可以看成是许多不同幅度幅度、、频频率率和和相位相位的的正弦波正弦波之和。之和。不同的频率成分，在频谱上占有一定的频带宽度。单一不同的频率成分，在频谱上占有一定的频带宽度。单一频率的正弦波，在频谱上只有一条谱线，而周期性的矩频率的正弦波，在频谱上只有一条谱线，而周期性的矩形脉冲序列，则有许多谱线。任何周期性的时间波形，形脉冲序列，则有许多谱线。任何周期性的时间波形，可以用富氏级数展开的数学方法求出它的频谱分布图。可以用富氏级数展开的数学方法求出它的频谱分布图。北京理工大学雷达技术研究所王菊图中图中EE为脉冲的幅度，为脉冲的幅度，oo为脉冲的宽度，为脉冲的宽度，ToTo为脉冲的重复周期。设为脉冲的重复周期。设ToTo＝＝55oo，，f(t)f(t)的频谱的频谱An(f)An(f)分布为一系列分布为一系列离散谱线离散谱线，由基频，由基频fofo及其高及其高次谐波组成。随着谐波频率的升高、幅度逐渐衰减。但信号的能量次谐波组成。随着谐波频率的升高、幅度逐渐衰减。但信号的能量主要集中在频谱的主瓣内，即频率从主要集中在频谱的主瓣内，即频率从00开始到频谱经过第一个开始到频谱经过第一个00点的点的频率为止的宽度内，称为信号的频率为止的宽度内，称为信号的频带宽度频带宽度，以，以Bf0Bf0表示。表示。从数学分析可知，信号从数学分析可知，信号谱线间隔决定于脉冲序列的重复周期谱线间隔决定于脉冲序列的重复周期，，即即fofo＝＝1/To1/To。而信号。而信号频带宽度取决于脉冲的宽度频带宽度取决于脉冲的宽度，即，即BoBo＝＝1/1/oo。。北京理工大学雷达技术研究所王菊如果如果脉冲重复周期增加一倍脉冲重复周期增加一倍，则谱线间隔也，则谱线间隔也减少一半减少一半，谱，谱线密度线密度增加一倍增加一倍，此时，此时BfoBfo不变不变。。北京理工大学雷达技术研究所王菊••如脉冲重复周期不变，而如脉冲重复周期不变，而脉冲宽度减少一半脉冲宽度减少一半11＝＝0/20/2，则谱线间隔不变，但信号的，则谱线间隔不变，但信号的频带宽度频带宽度Bf1Bf1增加一倍增加一倍。。此外，无论是脉冲重复周期的增加，还是脉冲宽度此外，无论是脉冲重复周期的增加，还是脉冲宽度的减少，频谱函数的幅度都降低了。的减少，频谱函数的幅度都降低了。北京理工大学雷达技术研究所王菊结论结论：：为了扩展信号的频谱，可以采用为了扩展信号的频谱，可以采用窄的窄的脉冲序列去进行脉冲序列去进行调制某一载波，得到一个很宽的双边带的直扩信号。调制某一载波，得到一个很宽的双边带的直扩信号。采用的采用的脉冲越窄，扩展的频谱越宽脉冲越窄，扩展的频谱越宽。。如果信号的总能量不变，则如果信号的总能量不变，则频谱的展宽，使各频谱成频谱的展宽，使各频谱成分的幅度下降分的幅度下降，信号的功率谱密度降低。因此，可以，信号的功率谱密度降低。因此，可以用扩频信号进行隐蔽通信。用扩频信号进行隐蔽通信。北京理工大学雷达技术研究所王菊4.24.2扩频通信中常用的数字调制技术扩频通信中常用的数字调制技术在扩频系统发送接收系统中，在发送端输入信息要在扩频系统发送接收系统中，在发送端输入信息要经过信息调制、扩频和射频调制，在接收端接收到经过信息调制、扩频和射频调制，在接收端接收到的信号要经过变频、解扩和信息解调。的信号要经过变频、解扩和信息解调。与一般的数字通信系统比较，射频的上变频、下变与一般的数字通信系统比较，射频的上变频、下变频、信息识别与解调等基本相同。即在扩频通信模频、信息识别与解调等基本相同。即在扩频通信模型中，如果省去扩频、解扩模块，则是一般的数字型中，如果省去扩频、解扩模块，则是一般的数字通信的基本模型。通信的基本模型。扩频系统的主要特点在于扩频信号的产生（扩频系统的主要特点在于扩频信号的产生（扩频调扩频调制制）和扩频信号的接收（）和扩频信号的接收（相关解扩相关解扩）。）。北京理工大学雷达技术研究所王菊4.24.2扩频通信中常用的数字调制技术扩频通信中常用的数字调制技术调制分类调制分类调制信号：调制信号：载波信号：载波信号：幅度调制频率调制相位调制北京理工大学雷达技术研究所王菊4.24.2扩频通信中常用的数字调制技术扩频通信中常用的数字调制技术在扩频通信中，考虑到性能和成本的因素，常用的是在扩频通信中，考虑到性能和成本的因素，常用的是相相移键控移键控(PSK)(PSK)，，频移键控（频移键控（FSKFSK））,,最小频移键控最小频移键控(MSK)(MSK)等等调制技术。调制技术。在在DSDS系统中，常用系统中，常用PSKPSK调制和扩频调制相结合实现扩频调制和扩频调制相结合实现扩频系统的调制，在跳频系统的调制，在跳频(FH)(FH)系统中，则采用系统中，则采用FSKFSK调制技术与调制技术与扩频调制相结合。扩频调制相结合。北京理工大学雷达技术研究所王菊4.24.2扩频通信中常用的数字调制技术扩频通信中常用的数字调制技术相移键控相移键控(PSK)(PSK)是利用是利用载波相位的变化来传递数字信息载波相位的变化来传递数字信息的。的。对于二进制序列的数字信息对于二进制序列的数字信息“1”“1”和和“0”“0”，，分别用载分别用载波相位波相位00和和来表示，称为来表示，称为二相相移键控二相相移键控（（BPSKBPSK））。。北京理工大学雷达技术研究所王菊BPSKBPSK扩频由扩频由相位调制后的码形相位调制后的码形和和扩频函数扩频函数c(t)c(t)相乘。相乘。发射机：发射机：北京理工大学雷达技术研究所王菊发射信号为发射信号为：：其中：其中：c(t)——c(t)——扩频函数，取值扩频函数，取值————相位调制相位调制北京理工大学雷达技术研究所王菊在数字调制中数据和扩频采用相同类型的数字调在数字调制中数据和扩频采用相同类型的数字调制。当两者都制。当两者都采用采用BPSKBPSK时可以省掉一个相位调制器时可以省掉一个相位调制器（（混频器）。双调制过程可以用数据码和扩频码的模混频器）。双调制过程可以用数据码和扩频码的模22和和进行一次调制来取代。即：进行一次调制来取代。即：北京理工大学雷达技术研究所王菊功率谱密度功率谱密度二相相移键控信号的双边功率谱密度表示式为：二相相移键控信号的双边功率谱密度表示式为：式中：式中：————数据码元宽度数据码元宽度A——A——的最大振幅的最大振幅北京理工大学雷达技术研究所王菊功率谱为功率谱为北京理工大学雷达技术研究所王菊扩频后信号也是一个二相移相键控信号，区别只扩频后信号也是一个二相移相键控信号，区别只是用扩频码元宽度是用扩频码元宽度TTcc取代数据码元宽度取代数据码元宽度TTbb。。通常把通常把TTcc叫做扩频码的叫做扩频码的chipchip（切谱）。（切谱）。北京理工大学雷达技术研究所王菊取取时谱密度图时谱密度图扩频调制的作用展宽发射信号带宽，而功率降低。北京理工大学雷达技术研究所王菊接收机为接收机为：：••如果本地参考码与发射端的扩频码相同，时间同如果本地参考码与发射端的扩频码相同，时间同步，则可以抵消扩频码的调制，恢复载波。步，则可以抵消扩频码的调制，恢复载波。北京理工大学雷达技术研究所王菊接收端信号接收端信号：：相关器输出信号相关器输出信号：：式中式中：：————延迟的近似值延迟的近似值当当时时，，。。此时也称为接收机的此时也称为接收机的扩频码与接收信号中包含的扩频码同步。扩频码与接收信号中包含的扩频码同步。北京理工大学雷达技术研究所王菊接收机解扩器输出信号分量，除随机相位外，将等于接收机解扩器输出信号分量，除随机相位外，将等于，可用一般的相干解调器来解调。，可用一般的相干解调器来解调。解扩用的相关器有两种：直接式，外差式。解扩用的相关器有两种：直接式，外差式。（（aa））直接式直接式相关器：相关器：直接式相关器的优点是结构十分简单，缺点是直直接式相关器的优点是结构十分简单，缺点是直接式相关器的输入输出频率一样，因而干扰信号接式相关器的输入输出频率一样，因而干扰信号可以绕过相关器发生泄露。可以绕过相关器发生泄露。直接式相关器只在要求不高的简单扩频系统中才直接式相关器只在要求不高的简单扩频系统中才用。用。北京理工大学雷达技术研究所王菊外差式外差式相关器：输入输出频率不相同的一种相关器，相关器：输入输出频率不相同的一种相关器，其本地参考信号和发射信号相差一个其本地参考信号和发射信号相差一个固定的中频固定的中频。其。其BPSKBPSK直扩接收机如下图所示。直扩接收机如下图所示。北京理工大学雷达技术研究所王菊相关器的输出噪声相关器的输出噪声1.1.大气噪声和电路内部噪声大气噪声和电路内部噪声﹡﹡本地码调制。本地码调制。大气噪声和电路内部噪声通常要比无用信号小得多，可以大气噪声和电路内部噪声通常要比无用信号小得多，可以忽略。忽略。2.2.无用信号无用信号﹡﹡本地码调制。本地码调制。无用信号在扩频系统中将受到处理增益的抑制。无用信号在扩频系统中将受到处理增益的抑制。3.3.有用信号有用信号﹡﹡本地码调制本地码调制((由码不完全同步引起由码不完全同步引起))。。码同步偏移引起的噪声值得重视，即在扩频系统中对码同码同步偏移引起的噪声值得重视，即在扩频系统中对码同步应提出严格的要求。步应提出严格的要求。北京理工大学雷达技术研究所王菊4.3QPSK4.3QPSK直接序列扩频系统直接序列扩频系统1.QPSK1.QPSK直扩系统：是一种利用载波的直扩系统：是一种利用载波的四个不同相位四个不同相位来表征数字信来表征数字信息的调制方式。信道利用率比息的调制方式。信道利用率比BPSKBPSK更高，携带的信息量更大更高，携带的信息量更大。。北京理工大学雷达技术研究所王菊表示数据相位调制。正交混合网络将输入功率在两个表示数据相位调制。正交混合网络将输入功率在两个正交支路中均分。正交支路中均分。QPSKQPSK调制器的输出为：调制器的输出为：式中式中、、同相正交，取值同相正交，取值，彼此独立，，彼此独立，、、的功率谱与的功率谱与BPSKBPSK信号功率谱的形式相同。信号功率谱的形式相同。北京理工大学雷达技术研究所王菊通过计算通过计算的自相关函数求功率谱的自相关函数求功率谱由于由于、、彼此独立且正交，所以上式后两项彼此独立且正交，所以上式后两项等于等于00。。总的总的QPSKQPSK信号的功率谱等于两项功率谱的代数和。信号的功率谱等于两项功率谱的代数和。北京理工大学雷达技术研究所王菊北京理工大学雷达技术研究所王菊在接收系统中：在接收系统中：如接收机相位正确，则如接收机相位正确，则于是于是：：经解调后可恢复原始数据经解调后可恢复原始数据北京理工大学雷达技术研究所王菊双通道双通道QPSKQPSK直接序列扩频系统直接序列扩频系统双通道双通道QPSKQPSK直接序列扩频系统的特点：直接序列扩频系统的特点：(1)(1)同相通道和正交通道的同相通道和正交通道的数据数据可以可以不同不同；；(2)(2)同相通道和正交通道的同相通道和正交通道的功率功率可以可以不同不同；；(3)(3)QPSKQPSK调制为载波相互正交的两个调制为载波相互正交的两个BPSKBPSK信号信号之和。之和。北京理工大学雷达技术研究所王菊双通道双通道QPSKQPSK调制框图调制框图北京理工大学雷达技术研究所王菊当两路数据不同时：当两路数据不同时：当两路发射信号功率不同时：当两路发射信号功率不同时：cc11(t)(t)、、cc22(t)(t)是相互独立的正交是相互独立的正交PNPN码，取值码，取值，且，且cc11(t)(t)、、cc22(t)(t)码元宽度相同，时间上同步。码元宽