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第 7 章 展頻

第 7 章 展頻. 展頻. 將資料輸入通道編碼器 展頻信號的調變方式 展頻碼或展頻序列 展頻碼是由擬雜訊 , 或擬亂數產生器所產生 展頻調變的作用 增加傳送信號的頻寬. 展頻. 解調方式 接收端使用相同的數位序列解調此展頻信號 通道解碼器將解調信號還原成原始資料. 展頻. 輸出資炓. 輸入資炓. 通道 編碼器. 通道 解碼器. 調變器. 通道. 解調器. 展頻碼. 展頻碼. 擬雜訊 產生器. 擬雜訊 產生器. 圖 7.1 展頻數位通訊系統的一般模型. 展頻. 展頻技術明顯浪費了頻寬但換得以下幾個好處：

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第 7 章 展頻

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  1. 第7章 展頻

  2. 展頻 • 將資料輸入通道編碼器 • 展頻信號的調變方式 • 展頻碼或展頻序列 • 展頻碼是由擬雜訊 , 或擬亂數產生器所產生 • 展頻調變的作用 • 增加傳送信號的頻寬

  3. 展頻 • 解調方式 • 接收端使用相同的數位序列解調此展頻信號 • 通道解碼器將解調信號還原成原始資料

  4. 展頻 輸出資炓 輸入資炓 通道 編碼器 通道 解碼器 調變器 通道 解調器 展頻碼 展頻碼 擬雜訊 產生器 擬雜訊 產生器 圖7.1 展頻數位通訊系統的一般模型

  5. 展頻 • 展頻技術明顯浪費了頻寬但換得以下幾個好處： • 可以抵抗各種不同的雜訊和多重路徑的失真 • 能夠用來隱藏信號和將信號加密 • 多個用戶在很小干擾的情況下能夠獨立地使用相同的頻寬

  6. 跳頻展頻(FHSS) • 信號以隨機方式跳躍於寬頻帶上 • FH信號被分配到數個通道中 • 每一個通道的頻寬與輸入訊號的頻寬一致 • 以週期性的方式跳頻 • 傳送器在一個通道上操作一段時間 • 藉由某種編碼傳送一些位元 • 每一個區間會選擇一個新的載波頻率

  7. 跳頻展頻 • 通道序列的使用是由展頻碼所決定 • 接收器與傳送器需同步跳頻以得到訊息 • 優點 • 截收者只能截取到難以理解的信號 • 單一頻率的干擾信號只能影響到少數位元

  8. 跳頻展頻 頻率 能量 時間 頻率 圖7.2顯示一個跳頻信號的例子

  9. 使用MFSK的FHSS • MFSK信號每Tc秒透過FHSS載波信號來調變轉換至一個新的頻率，其目的是要將FHSS信號轉換到適當的FHSS通道中 • 資料速率為R： • 一個位元區間是：T = 1/R 秒 • 一個信號單元的時間區間為Ts = LT 秒 • Tc  Ts -慢速跳頻展頻 • Tc < Ts -快速跳頻展頻

  10. FHSS性能考量 • 使用的頻寬甚大 • FHSS系統具有抵抗人為干擾的能力 • 干擾必須涵蓋全部的展頻頻帶 • 若干擾訊號的功率固定 , 則可減少在此頻帶的干擾功率

  11. 直序展頻(DSSS) • 傳送訊號是由原始資料結合展頻碼所組成 • 展頻碼將原信號頻譜展開 • 頻譜展開的程度與展頻碼位元數成正比 • 一種直序展頻技術是使用互斥或(XOR)運算將展頻碼位元串與數位資訊串結合(圖7.6)

  12. Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) 輸入資炓A 傳送器 本地的PN位 元串B 傳送信號 C=A B 接收資炓C 接收器 本地的PN位 元串與上述B 資料輸出 C=A B 圖7.6直序展頻的例子

  13. 使用BPSK的直序展頻 • BPSK信號可以表示成 sd(t) = A d(t) cos(2 fct) 乘上 c(t) [數值為 +1, -1] 的PN序列 s(t) = A d(t)c(t) cos(2 fct) • A：信號的振幅 • fc：載波頻率 • d(t)：等於+1當其對應位元值是0 ；等於1當其對應位元值是1 • 在接收器中 , 將輸入信號再乘上 c(t) • 因此得 c(t) × c(t) = 1,信號將被還原

  14. DSSS Using BPSK

  15. 分碼多工存取(CDMA) • CDMA的基本原理 • D = 資料位元率 • 利用特定的序列將每一位元分成為 k 個細片( chip ) • 每一用戶配予特定序列 • 因此通道的速率每秒有 k × D 個 chip

  16. CDMA 例子 • 以 k = 6 並以1與-1的序列來編碼 • 若A要傳送1(+1)的位元則傳送chip編碼為 • <c1, c2, c3, c4, c5, c6> • 若A要傳送0(-1)的位元則傳送其互補碼 • <-c1, -c2, -c3, -c4, -c5, -c6> • 接收器將接收到的chip與已知的chip結合 • <d1, d2, d3, d4, d5, d6> = 接收器R收到的chip樣式 • <c1, c2, c3, c4, c5, c6> = 已知的編碼

  17. CDMA例子 • 使用者A的編碼 = <1, –1, –1, 1, –1, 1> • 傳送1的位元 = <1, –1, –1, 1, –1, 1> • 傳送0的位元 = <–1, 1, 1, –1, 1, –1> • 使用者B的編碼 = <1, 1, –1, – 1, 1, 1> • 傳送1的位元 = <1, 1, –1, –1, 1, 1> • 接收器接收到的使用者A的序列 • (A 的序列) × (接收器接收chip碼 ) • 使用者A ‘1’ 位元： 6 -> 1 • 使用者A ‘0’ 位元：-6 -> 0 • 使用者B ‘1’位元 ： 0 -> 不需要的信號忽略

  18. 雜訊 CDMA for Direct Sequence Spread Spectrum 圖7.11 DSSS系統內的CDMA

  19. 展頻的種類 • 展頻碼的種類 • PN序列 • 正交編碼 • 用於 FHSS系統 • 常用PN序列 • 用於 DSSS系統不使用CDMA • 常用PN序列 • 用於 DSSS CDMA系統 • PN序列 • 正交編碼

  20. PN序列 • PN 產生器可產生週期性重複近似隨機的序列 • PN序列 • 使用演算法與稱為種源(seed)的初始值可產生PN序列 • 產生的序列並非統計學上的完全隨機 • 但序列卻符合許多隨機的特性，這樣的數字序列常稱為擬隨機數或稱擬雜訊序列 • 除非知道這個演算法和種源，否則去預測這個序列是不實際的

  21. PN的重要性質 • 隨機性 • 均勻分佈(uniform distribution) • 均衡特性 • 連串特性 • 獨立性 • 相關性 • 無法預知性

  22. 線性迴授移位暫存器實現 1位元 移位暫存器 互斥或電路 乘法電路 圖7.12 二位元回授移位暫存器產生器

  23. m-序列的特性 • 特性1： • 一個m-序列有2^(n-1)個1和2^(n-1)-1個 0 • 特性2： • 沿著輸出序列平移長度n的視窗N次(N = 2^n-1)，除了全部是0的序列以外，視窗所見n位元只出現一次 • 特性3： • 有一個長度n的全1序列 • 有一個長度(n－1)的全0序列 • 長度為(n－2)的全1序列和全0序列各有1個 • 長度為(n－3)的全1序列和全0序列各有2個 • 通常有長度為1的全1序列和全0序列各2^(n-3)個

  24. m-序列的特性 • 特性4: • 一個1的m-序列的週期自相關性為

  25. 定義 • 相關性 • 決定一組資料和另一組有多相似的概念 • 範圍在+1和 1之間 • 1第二個序列與第一個序列完全匹配 • 0這二個序列之間完全沒有關係 • 1兩個序列是彼此的鏡像 • 交互相關 • 交互相關的函數是比較兩種不同來源的序列

  26. 交互相關的優點 • m-序列和雜訊之間的交互相關性低 • 此特性有助於接收器濾除雜訊 • 兩個不同m-序列之間的交互相關性低 • 此特性在CDMA的應用上非常有用 • 接收器藉此特性可辨別不同m-序列的展頻信號

  27. 正交編碼 • 一個金氏序列可以用相同時脈的兩個m-序列做 XOR 運算 • 此金氏序列具有良好的交互相關性 • 利用簡單的電路即可產生大量唯一的碼 • （圖7.16a）顯示一個例子，兩個移位暫存器產生兩個m-序列，再逐一做XOR的運算

  28. 金氏序列 (a) 移位暫存器實現

  29. 正交編碼 • 正交編碼 • 一組正交碼中任意一對序列的交互相關都是0 • 固定和變動長度的正交碼已用於CDMA系統 • 如 CDMA 的應用,其中每一個使用者配置一正交碼當作展頻碼 • 使得使用者之間的交互相關性為0 • 種類 • Welsh 碼 • 變動長度的正交碼

  30. Walsh 碼 • 一套長度為n的Walsh碼由n  n的Walsh矩陣之n列所組成 : • W1 = (0) • n =矩陣的維度 • Walsh矩陣的特性是每列與其他列的關係為正交且互斥的 • 需要時間上的同步 • 兩個移位不同的Walsh序列之交互相關不為0

  31. 典型的多重展頻方式 • 以正交碼將資料展開稱作通道化編碼 (channelization code) • 以區分同蜂巢細胞內的用戶 • 以PN碼做攪散編碼 (scrambling code) • 以低的交互相關性來區分不同蜂巢細胞內的用戶

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