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第 7 章 展頻

第 7 章 展頻. 大 綱. 展頻觀念 直序展頻 跳頻展頻 跳時展頻 分碼多重存取 展頻序列的產生. 大 綱. 展頻觀念 直序展頻 跳頻展頻 跳時展頻 分碼多重存取 展頻序列的產生. 展頻. 早期的展頻技術是用於軍方和情報系統，主要的概念是將資料訊號擴展成較寬的頻譜使得信號不易被干擾和截取 。 展頻信號的調變方法 利用展頻碼或展頻序列 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 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. 直接序列展頻數位通訊系統.

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第 7 章 展頻

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Presentation Transcript

  1. 第7章展頻

  2. 大 綱 • 展頻觀念 • 直序展頻 • 跳頻展頻 • 跳時展頻 • 分碼多重存取 • 展頻序列的產生

  3. 大 綱 • 展頻觀念 • 直序展頻 • 跳頻展頻 • 跳時展頻 • 分碼多重存取 • 展頻序列的產生

  4. 展頻 • 早期的展頻技術是用於軍方和情報系統，主要的概念是將資料訊號擴展成較寬的頻譜使得信號不易被干擾和截取 。 • 展頻信號的調變方法 • 利用展頻碼或展頻序列 • 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 • 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

  5. 直接序列展頻數位通訊系統 (a) 調變架構

  6. 直接序列展頻數位通訊系統(續) (b) 解調架構

  7. 展頻 • 展頻技術有以下幾個好處： • 對人為的刻意干擾(jamming)訊號有良好的抵禦能力。 • 通訊過程被截收的可能性較低亦具有簡單的保密通訊能力。 • 利用此技術可完成分碼多重存取通訊，此性質已用於蜂巢式行動電話，我們稱為分碼多工或分碼多重存取技術，多個用戶能夠獨立地同時使用更大的頻寬。 • 透過展頻訊號的自相關特性可以改善多路徑干擾所造成通訊品質惡化的現象。 • 透過展頻技術可以提高位置及速度估測的準確度。

  8. 大 綱 • 展頻觀念 • 直序展頻 • 跳頻展頻 • 跳時展頻 • 分碼多重存取 • 展頻序列的產生

  9. 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7.2)

  10. 直序展頻的例子 圖7.2　直序展頻的例子

  11. 使用BPSK的直序展頻 • 未展頻之 BPSK信號可以表示成： 其中 A：信號的振幅 fc：載波頻率 b(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

  12. 使用BPSK的直序展頻(續) • 未展頻之 BPSK信號乘上c(t) [數值為 +1, 1] 的PN序列，可得展頻信號 • 在接收器中 , 將輸入信號再乘上 c(t) ，因為c(t)× c(t) = 1，展頻信號將被還原

  13. 直序展頻系統 (a) 調變架構

  14. 直序展頻系統(續) (b) 解調架構

  15. 使用BPSK的直序展頻的例子 (a) 時間波形

  16. 使用BPSK的直序展頻的例子(續) (b) 頻譜密度

  17. 直序展頻性能考量 • 假設在DSSS系統的中心頻率有一簡單的干擾信號，其干擾信號形式為 (7.5) • 接收信號是 (7.6) 其中 s(t)：傳送的信號 sj(t)：干擾信號 n(t)：加成性的白色雜訊 Sj：干擾信號的功率

  18. 直序展頻性能考量(續) • 接收器內的解展頻器將sr(t)乘上c(t)，干擾信號部份變成 (7.7) • 雖然尚有一些其他因素未考慮，但通過濾波器的干擾功率近似值為 (7.8)

  19. 直序展頻性能考量(續) • 透過展頻技術，干擾功率減少成Tc/T倍。這個數值的倒數是訊雜比的增益，也稱做處理增益(processing gain)： (7.9) 其中Rc是展頻細片速率；R是資料位元速率；Wd是信號頻寬和Ws是展頻信號的頻寬。

  20. 直序展頻性能考量(續) • 展頻技術最早是為了抗干擾通訊而發展出來的，在此我們再介紹另一個觀念，稱為抗干擾能力(jamming margin) (7.10) 其中 JM：抗干擾能力 P：信號功率 J：干擾信號的功率 ：要達到某個錯誤率所需之信號的功率雜訊比

  21. 大 綱 • 展頻觀念 • 直序展頻 • 跳頻展頻 • 跳時展頻 • 分碼多重存取 • 展頻序列的產生

  22. 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

  23. 跳頻展頻(續) • 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

  24. 典型的跳頻通訊系統 圖7.5 (a)發射機

  25. 典型的跳頻通訊系統(續) 圖7.5 (b) 接收機

  26. 跳頻展頻基本方法 (a) 跳頻示意圖

  27. 跳頻展頻基本方法(續) (b) 頻譜分析儀分析15個跳頻信號

  28. 跳頻展頻基本方法(續) (c)五個頻道的頻率跳躍訊號之Waterfall圖(安捷倫公司之定義)

  29. 藍芽系統(使用跳頻展頻技術) • 藍芽無線技術是一種開放式的個人無線區域網路，透過短距離的射頻無線通訊連接，可提供不同的資訊家電語音和數據的傳輸。藍芽技術使用的無線單元採用跳頻展頻，目的是為了在充滿干擾的ISM無線頻帶，提供低功率、低成本及穩定的操作。藍芽技術之操作載波頻率落在2.402～2.480 GHz之間，根據不同國家的規定，藍芽可用頻道數為79或23，這些頻道數間的距離為1 MHz。頻道跳躍率為每秒1600次，也就是說每一秒內，藍芽操作頻率會在這79/23頻道中改變1600次，以減少互相干擾的機率。最大資料傳輸率可達1 Mbps。

  30. 使用BFSK的跳頻展頻 • 採用BFSK調變，為了方便說明，我們先假設一次的頻率跳躍只傳送一個資料，並且定義輸入到FHSS系統的FSK信號為 (7.11) 其中 ：信號的振幅 ：資料0所對應之調變載波頻率 ：資料中第i位元的值(+1代表二進制的1，1代表二進制的0) ：頻率間隔 ：位元區間，資料速率

  31. 使用BFSK的跳頻展頻(續) • 第i個跳躍期間(在第i個位元區間)的乘積信號為 (7.12) • 其中fi是第i個跳躍期間頻率合成器所產生的信號頻率 • 利用三角函數特性 我們可以得到 (7.13)

  32. 使用BFSK的跳頻展頻(續) • 圖7.5的帶通濾波器阻隔頻率相減部份，讓頻率相加的部份通過，最後產生的FHSS信號為 (7.14) • 因此，在第i個位元區間，如果資料位元是 1時其資料信號的頻率為f0+fi，而資料位元是+1時頻率則為f0+fi+f。

  33. 使用BFSK的跳頻展頻(續) • 在接收器中，接收的信號定義為s(t)，此信號乘以一個複製的展頻信號得到乘積信號 (7.15) • 再一次使用三角函數特性，我們得到 (7.16) • 圖7.5的帶通濾波器阻隔頻率相加部份，讓頻率相減的部份通過，最後產生一個與sd(t)相同形式的信號 (7.17)

  34. 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

  35. 使用MFSK的FHSS(續) • MFSK一次使用M = 2L種不同頻率將L位元資料編碼，其傳送信號的形式為： (7.18) 其中 fc：表示載波頻率 fd：表示頻率間隔 M：不同信號單元的個數 = 2L L：每個信號單元的位元數

  36. 使用MFSK的慢速FHSS 圖7.7 使用MFSK的慢速FHSS(M = 4和k = 2)

  37. 使用MFSK的快速FHSS 圖7.8 使用MFSK的快速FHSS(M = 4和k = 2)

  38. 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 • 每位元的信號能量對每Hz的雜訊功率密度的比值 • 訊雜比的增益或稱處理增益(processing gain)定義為 (7.19) (7.20)

  39. 大 綱 • 展頻觀念 • 直序展頻 • 跳頻展頻 • 跳時展頻 • 分碼多重存取 • 展頻序列的產生

  40. UWB TH-PPM 調變系統 (a) 發射機

  41. UWB TH-PPM 調變系統(續) (b) 接收機

  42. UWB TH-PPM 調變系統(續) • 假設只有一個使用者，則基本的時間跳躍(time hopping)-PPM傳送訊號可表示為 (7.21) 其中 ：傳輸訊號 ：單一週期的基本脈波 ：脈波重複的時間(pulse repetition time) 或者說 是訊框宽度(frame width) ：每一個符號所含的脈波數 ：一組跳時序列(time-hopping sequence)

  43. UWB TH-PPM 調變系統(續) • 在接收端會收到雙微分的高斯波形 (double derivative Gaussian wave)，數學表示法如下： (7.22) 其中 是作為將接收訊號正規化，使得脈波能量等於1，即

  44. UWB TH-PPM 調變系統(續) 圖7.10 訊號波形在時域與頻域上的示意圖

  45. UWB TH-PPM 調變系統(續) 圖7.11 以PN code控制的跳時PPM脈衝的例子

  46. UWB TH-PPM 調變系統(續) 圖7.12 傳送的訊號與其相對的功率頻譜

  47. UWB TH-PPM 調變系統(續) • 假設所使用的相關接收器產生之波形為[例如： ]，在完全同步的情況下，計算可得： (7.22) • 根據傳送資料為0或1可分別得到大於0或小於0，因此判斷法則如下： (7.23) • UWB TH-PPM位元錯誤率的理論值 (7.24)

  48. 大 綱 • 展頻觀念 • 直序展頻 • 跳頻展頻 • 跳時展頻 • 分碼多重存取 • 展頻序列的產生

  49. 分碼多重存取 (CDMA) • CDMA是與展頻共同使用的一種多工技術。資料信號速率R，我們稱之為資料位元率。根據特定的樣式序列將每一位元分成為h個細片(chip)，每一用戶配予特定的樣式序列(稱為用戶碼)。因此新通道每秒有hR個細片的速率，我們以h = 8的一個簡單例子來做說明 CDMA。

  50. CDMA 例子 (b)三個編碼訊號合成的結果 (a)使用者A、B和C的編碼訊號

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