RF收发器应用中直接序列扩频处理增益的计算方法
发布时间:2008/8/18 0:00:00 访问次数:1014
在dsss系统中,速率为rb bps的二进制随机数据与一个速率远高于它的伪随机码相乘,则频带被展宽。相乘之后得到的二进制伪随机(pn)输出符号叫做码片,其速率称为切谱率,为rc码片/秒(cps)。码片是一个随机的与噪声类似的信号,因此又叫做pn信号,其速率决定了被发送的扩频信号的带宽。通常码片速率远高于数据源的比特率,而二者之间的比值就是处理增益(pg)。pg真实地反映了在接收端解扩(去掉pn码)前后信噪比的改善情况。
dsss系统的接收机必须首先去掉接收信号的扩频码(即解扩),然后才能对信号进行解调。解扩时,接收机必须产生一个与发端pn码完全一样的伪随机解扩信号,该信号的相位也必须锁定在发端pn码相位上。芯片组之中的hsp3824的码捕获和码跟踪环路可以实现这一功能,而收、发端pn码相位的精确对准则是由相关技术实现的。
dsss发射机
dsss发射机原理如图1所示。图中用d(t)表示数据,c(t)表示扩频码,扩频之后的信号q(t)被送到bpsk调制器中去,该调制器工作在载波频率fc上,扩频调制后被发射的信号用x(t)表示。
在课本中常见到图2所示的dsss接收机概念图。值得注意的是,该框图所示的接收系统是在射频部分直接进行解扩,而本文所要介绍的prism芯片组则在基带通过使用hsp3824芯片进行解扩。故图中所示的例子只能用来说明解扩的概念,并不能反映在实际中prism的解扩实现方法。
该例中,接收信号包含由发端过来的经过扩频调制的信号x(t)和一个窄带噪声xj(t)。如果本地产生的解扩序列c'(t)与发端的扩频码c(t)相同,那么解扩后的信号通过带通滤波后解调,得到的d'(t)应与发端数据d(t)相同。
处理增益的好处
处理增益带来的最大好处就是提高了dsss信号的抗干扰性能,因为pn码扩展了发端信号的带宽,将信号的功率分散到整个扩频带宽内,所以降低了窄带干扰对系统的影响。实际上,dsss系统的接收机在将有用信号解扩的同时也对干扰信号进行了扩频,见图3。
图3给出了接收机输入信号功率谱密度(psd)函数、解扩信号的psd函数、带通滤波器的功率传输函数及其输出信号的功率谱密度,该图直观地描述了处理增益对干扰的抑制作用。
解扩前,干扰的频带很窄,但具有很高的psd峰值,而dsss信号频带很宽,且psd 较低。解扩操作拓宽了干扰的频带,将窄带干扰的能量扩展到较宽的频带中去,降低其psd值,也就减小了干扰功率对系统性能的影响。从bpf的输出可以看出解扩对提高系统信噪比的作用。
例如,有一个系统使用bpsk调制,并要求解调前信号的信噪比至少为14db才能保证误码率性能,那么如果在该系统中引入10db的扩频处理增益,则由14db-10db=4db可以推出:接收机在接收信号的功率与噪声功率相比只高4db时仍然能够获得所要求的性能。
一般来说,处理增益越高,dsss信号的抗干扰性能就越好。处理增益的标准定义是10lg(rc/rb),单位为db。如果系统的数据率为1mbps,切谱率(pn码速率)为11mcps,那么根据该定义可以算出系统的处理增益为10.41db。对此,如果采用prism芯片组,那么每一个数据比特将与一个11位的pn码序列进行异或。10.41db的处理增益也可以看作10lg(11),这里“11”是pn码序列的长度。如果改用长度为16位的pn码来扩频,那么处理增益就等于10lg(16),即12.04db。
用于dsss系统的pn码必须具备良好的自相关性、互相关性并保持一定的随机性。dsss接收机使用一个与发端完全相同的pn码进行相关解扩。
下面讨论几类相关性较好的pn码,主要讨论每周期7个码片和15个码片的巴克码、willard码以及m序列,这几种码在hsp3824芯片中都可以实现。
1. pn码
具备dsss要求的数学性能,能够用于dsss系统的pn码有最大长度序列。
最大长度序列(m序列)的周期为(n为整数),可以由移位寄存器外加或门产生,其形式由产生它的本原多项式决定。m序列不但具有很好的随机性而且具有双值自相关函数特性。
例如,7位的m序列pn码是由本原多项式发生器:
产生的,输出码片
在dsss系统中,速率为rb bps的二进制随机数据与一个速率远高于它的伪随机码相乘,则频带被展宽。相乘之后得到的二进制伪随机(pn)输出符号叫做码片,其速率称为切谱率,为rc码片/秒(cps)。码片是一个随机的与噪声类似的信号,因此又叫做pn信号,其速率决定了被发送的扩频信号的带宽。通常码片速率远高于数据源的比特率,而二者之间的比值就是处理增益(pg)。pg真实地反映了在接收端解扩(去掉pn码)前后信噪比的改善情况。
dsss系统的接收机必须首先去掉接收信号的扩频码(即解扩),然后才能对信号进行解调。解扩时,接收机必须产生一个与发端pn码完全一样的伪随机解扩信号,该信号的相位也必须锁定在发端pn码相位上。芯片组之中的hsp3824的码捕获和码跟踪环路可以实现这一功能,而收、发端pn码相位的精确对准则是由相关技术实现的。
dsss发射机
dsss发射机原理如图1所示。图中用d(t)表示数据,c(t)表示扩频码,扩频之后的信号q(t)被送到bpsk调制器中去,该调制器工作在载波频率fc上,扩频调制后被发射的信号用x(t)表示。
在课本中常见到图2所示的dsss接收机概念图。值得注意的是,该框图所示的接收系统是在射频部分直接进行解扩,而本文所要介绍的prism芯片组则在基带通过使用hsp3824芯片进行解扩。故图中所示的例子只能用来说明解扩的概念,并不能反映在实际中prism的解扩实现方法。
该例中,接收信号包含由发端过来的经过扩频调制的信号x(t)和一个窄带噪声xj(t)。如果本地产生的解扩序列c'(t)与发端的扩频码c(t)相同,那么解扩后的信号通过带通滤波后解调,得到的d'(t)应与发端数据d(t)相同。
处理增益的好处
处理增益带来的最大好处就是提高了dsss信号的抗干扰性能,因为pn码扩展了发端信号的带宽,将信号的功率分散到整个扩频带宽内,所以降低了窄带干扰对系统的影响。实际上,dsss系统的接收机在将有用信号解扩的同时也对干扰信号进行了扩频,见图3。
图3给出了接收机输入信号功率谱密度(psd)函数、解扩信号的psd函数、带通滤波器的功率传输函数及其输出信号的功率谱密度,该图直观地描述了处理增益对干扰的抑制作用。
解扩前,干扰的频带很窄,但具有很高的psd峰值,而dsss信号频带很宽,且psd 较低。解扩操作拓宽了干扰的频带,将窄带干扰的能量扩展到较宽的频带中去,降低其psd值,也就减小了干扰功率对系统性能的影响。从bpf的输出可以看出解扩对提高系统信噪比的作用。
例如,有一个系统使用bpsk调制,并要求解调前信号的信噪比至少为14db才能保证误码率性能,那么如果在该系统中引入10db的扩频处理增益,则由14db-10db=4db可以推出:接收机在接收信号的功率与噪声功率相比只高4db时仍然能够获得所要求的性能。
一般来说,处理增益越高,dsss信号的抗干扰性能就越好。处理增益的标准定义是10lg(rc/rb),单位为db。如果系统的数据率为1mbps,切谱率(pn码速率)为11mcps,那么根据该定义可以算出系统的处理增益为10.41db。对此,如果采用prism芯片组,那么每一个数据比特将与一个11位的pn码序列进行异或。10.41db的处理增益也可以看作10lg(11),这里“11”是pn码序列的长度。如果改用长度为16位的pn码来扩频,那么处理增益就等于10lg(16),即12.04db。
用于dsss系统的pn码必须具备良好的自相关性、互相关性并保持一定的随机性。dsss接收机使用一个与发端完全相同的pn码进行相关解扩。
下面讨论几类相关性较好的pn码,主要讨论每周期7个码片和15个码片的巴克码、willard码以及m序列,这几种码在hsp3824芯片中都可以实现。
1. pn码
具备dsss要求的数学性能,能够用于dsss系统的pn码有最大长度序列。
最大长度序列(m序列)的周期为(n为整数),可以由移位寄存器外加或门产生,其形式由产生它的本原多项式决定。m序列不但具有很好的随机性而且具有双值自相关函数特性。
例如,7位的m序列pn码是由本原多项式发生器:
产生的,输出码片
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