扩频通信的基本原理直接序列扩频、跳频等9页word

1、扩频通信的理论基础1.1扩频通信的基本概念通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个 基本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指 标。通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性 就越好。在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传 输速率来衡量的。通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。由于信息在传输过程中 受到干扰，收到的信息与发出的信息并不完全相同。 可靠性

2、就是用来衡量收到信 息与发出信息的符合程度。因此，可靠性决定于系统抵抗干扰的性能，也就是说， 通信系统的可靠性决定于通信系统的抗干扰性能。在模拟通信系统中，传输的可 靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。 在数字通信系统中，传输的可靠性是 用信息传输的差错率来描述的。扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力， 首先在军用通信系统中得到了应 用。近年来，扩展频谱通信技术的理论和应用发展非常迅速， 在民用通信系统中 也得到了广泛的应用。扩频通信是扩展频谱通信的简称。我们知道，频谱是电信号的频域描述。承 载各种信息(如语音、图象、数据等)的信号一般都是以时域来表示的，即信息 信号可表示为一个时间的函数f

3、(t)。信号的时域表示式f(t)可以用傅立叶变换得 到其频域表示式F(f)。频域和时域的关系由式(1-1)确定：f(t) F(f )ej2 df(1-1)函数f (t)的傅立叶变换存在的充分条件是f(t)满足狄里赫莱(Dirichlet)条件，或在区间(-%,)内绝对可积，即| f(t)dt必须为有限值。扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数(与待传输的信息信号f(t)无关)扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接 收端再利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而到达传输信息目的的通信系统。 也就是说在传输同样信息信号时 所需要的

4、射频带宽，远远超过被传输信息信号所必需的最小的带宽。扩展频谱后 射频信号的带宽至少是信息信号带宽的几百倍、几千倍甚至几万倍。信息已不再 是决定射频信号带宽的一个重要因素，射频信号的带宽主要由扩频函数来决定。由此可见，扩频通信系统有以下两个特点：(1) 传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽；(2) 传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常是伪随机(伪噪 声)编码信号。以上两个特点有时也称为判断扩频通信系统的准则。扩频通信系统最大的特点是其具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的能力。这里我们先定性地说明一下扩频通信系统具有抗干扰能力的理论依扩频通信的基本理论根据是信息理

5、论中香农(C E Shannon)的信道容量公式C Blog 2 1 -S(1-2)式中：C信道容量，b/s；B信道带宽，Hz;S信号功率，W;N噪声功率，W。香农公式表明了一个信道无差错地传输信息的能力同存在于信道中的信噪 比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。令C是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，对 (1-2)式进行变换(1-3)1.44 In 1对于干扰环境中的典型情况，当-1时，用幕级数展开N(1-3)式，并略去高次项得C1.44 (1-4)或BNB0.7CNS(1-5)由式(1-4)和(1-5)可看出，对于任意给定的噪声信号功率比 N/S，只要增加 用于传输信息的带宽B,就可

6、以增加在信道中无差错地传输信息的速率C。或者说在信道中当传输系统的信号噪声功率比 S/N下降时，可以用增加系统传输带 宽B的办法来保持信道容量 C不变。或者说对于任意给定的信号噪声功率比 S/N，可以用增大系统的传输带宽来获得较低的信息差错率。若 N/S 100(20dB), C 3kb/s，则当 B 0.7 100 3 210kHz 时，就可以 正常的传送信息，进行可靠的通信了。这就说明了增加信道带宽B,可以在低的信噪比的情况下，信道仍可在相同 的容量下传送信息。甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号带宽 也能保持可靠的通信。如系统工作在干扰噪声比信号大100倍的信道上，信息速 率

7、R= C = 3kb/s,则信息必须在B 210kHz带宽下传输，才能保证可靠的通信。扩频通信系统正是利用这一原理，用高速率的扩频码来扩展待传输信息信号 带宽的手段，来达到提高系统抗干扰能力的目的。 扩频通信系统的带宽比常规通 信系统的带宽大几百倍乃至几万倍，所以在相同信息传输速率和相同信号功率的 条件下，具有较强的抗干扰的能力。香农在其文章中指出，在高斯噪声的干扰情况下，在受限平均功率的信道上， 实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。 这是因为高斯白 噪声信号具有理想的自相关特性，其功率谱密度函数为S(f)No2< f <x(1-6)第1页对应的自相关函数为第#

8、页R( T其中：为时延，()定义为S(f )ej2五dfNo寸1 T(1-7)(1-8)白噪声的自相关函数具有()函数的特点，说明它具有尖锐的自相关特性。但是对于白噪声信号的产生、加工和复制，迄今为止仍存在着许多技术问题和困难。然而人们已经找到了一些易于产生又便于加工和控制的伪噪声码序列，它们的统计特性近似于或逼近于高斯白噪声的统计特性。伪噪声序列的理论在本书以后的章节中要专门讲述， 这里仅简略引用其统计 特性，借以说明扩频通信系统的实质。通常伪噪声序列是一周期序列。假设某种伪噪声序列的周期 (长度)为N,且 码元°都是二元域 1, 1上的元素。一个周期(或称长度)为 N，码元为Ci

9、的(1-9)伪噪声二元序列g的归一化自相关函是一周期为 N的周期函数，可以表示为R( ) Rc( )( kN)k其中Rc()为伪噪声二元序列Ci 一个周期内的表示式Ci Ci(1-10)式中 0，1, 2, 3,N。当伪噪声序列周期(长度)N取足够长或N-X时，式 (1-10)可简化为1T 0Rc( T丄 0 T 0(1-11)N比较式(1-7)和式(1-11)，看出它们比较接近，当序列周期(长度)足够长时， 式(1-11)就逼近式(1-7)。(式(1-10)是自相关函数归一化的形式，乘周期N后就是一般表达式，在一般表达式中R(0) N )。所以伪噪声序列具有和白噪声相类 似的统计特性，也就是

10、说它很接近于高斯信道要求的最佳信号形式。因此用伪噪声码扩展待传输信息信号频谱的扩频通信系统，优于常规通信系统。哈尔凯维奇(A A XapK?早在上世纪50年代，就已从理论上证明：要 克服多径衰落干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式应该是具有白噪声统计特 性的信号形式。采用伪噪声码的扩频函数很接近白噪声的统计特性，因而扩频通信系统又具有抗多径干扰的能力。下面我们以直接序列扩频通信系统为例，来研究扩频通信系统的基本原理。 图1-1给出了直接序列扩频通信系统的简化原理方框图。由信源产生的信息流an通过编码器变换为二进制数字信号d(t)。二进制数 字信号中所包含的两个符号的先验概率相同，均为1/2，且

11、两个符号相互独立，其波形图如图1-2(a)所示，二进制数字信号d(t)与一个高速率的二进制伪噪声码 c(t)的波形(如图1-2(b)所示，伪噪声码作为系统的扩频码序列)相乘，得到如第3页图1-2(c)所示的复合信号d(t)c(t)，这就扩展了传输信号的带宽。一般伪噪声码 的速率Rc 1/Tc是Mb/s的量级，有的甚至达到几百Mb/s。而待传输的信息流an经编码器编码后的二进制数字信号的码速率Rb 1/Tb较低，如数字话音信号般为16 kb/s 32kb/s，这就扩展了传输信号的带宽。s(t) R(t)射频 r(t)d(t)中频)_滤波器v(t)至数据 检测器接收系统T)r T序別厂|射怦 f

12、cos(2( fo为载波频率)进行调制 盼湄 m序列 射频f »VCO m序列g(直接序列扩频一般采用| PSK调制)，然后通过发射机和天线送入信道中传输 发射机输出的扩频信号用s(t)表示，其示意图如图 V2(d)所示。扩频信 带宽取决于伪噪声码c(t)的码速率Rc。在PSK调制的情况下，射频信号的带宽c(cos(2 fot+套号d(t)c(t)对o号s(t)的等于伪噪声码速率的2倍，即Rrf 2Rc，而几乎与数字信号d(t)的码速率无关。 以上对待传输信号d(t)的处理过程就是对信号d(t)的频谱进行扩展的过程。经过 上述过程的处理，达到了对d(t)扩展频谱的目的。Tb+1(a)

13、 d(t)图1-2理想扩展频谱系统波形示意图在接收端用一个和发射端同步的参考伪噪声码 _ r( Td)所调制的本地参考 振荡信 号 2cos2nf。关处理。相关处理是将 号瞬时值相乘的积分-1 、. . 一.一 .当两个信号完全相同时(或相关性很好)讣到最大的相关峰值，经数据检 测器恢复出发射-10IF?d)t与接收到的 讯相乘，然后求其数学期望(均值)，(f|F为中频頻率)羽的s(t)I进行相扌求两个信f端的信号:彎世2若信道中存在着干扰，这些干扰包括窄带干扰、 人为瞄准式干扰、单頻干扰、多径干扰和码分多址干扰等等，它们和有用信号.S1(t) 同时进入接收机，如图1克(a)所示。图從3中傀为

14、伪噪声码速率,，f°为载波频 率，(efIFd为中頻频率-1图1-3扩频接收机中各点信号的頻谱示意图 亠口I； /带扰(a)接收机输入；(b) 混频器有用信号 (c)中频滤波器输出有用信号由于窄带噪声和多径干扰与本地参考扩频信号不相关，所以在进行相关处理 时被削弱，实际上干扰信号和本地参考扩频信号相关处理后,其频带被扩展，j 就是干噪声宀勿"频率内的能量或功率)，如图多径干3(b)所示。由于有 良好的相关性，在通过相关处理后被压缩到带宽为_器后的中频滤波器通頻带很窄，、通常为FBb2Rb，所以中频滤波器只输出被基带2R窄带干扰"言号的能量被扩展到整个传输频带之断扰

15、降低了干扰信 或功率窄带干扰也 号的电平.多径干扰位 今和本地参考扩频信号有2R3的频带内，因为相关信号 d (t)调制陥中频信号和落在滤波器通频带内的那部分干扰信号和噪声，而 绝大部分的干扰信号和噪声的能量 (功率)被中频滤波器滤除，这样就大大地改 善了系统的输出信噪比，如图1-3(c)所示。关于这一特性，将在扩频通信系统的 性能分析一章中作进一步分析。为了对扩频通信系统的这一特性有一初步了解， 我们以解扩前后信号功率谱密度示意图来说明这一问题。假设有用信号的功率为 R P。，码分多址干扰信号的功率 P2 P。，多径干 扰信号的功率P3 P。，其他进入接收机的干扰和噪声信号功率N P。再假设

16、第5页所有信号的功率谱是均匀分布在 Brf 2Rc的带宽之内。解扩前的信号功率谱见 图1-4中的（a），图中各部分的面积均为Po。解扩后的信号功率谱见图1-4中 的（b），各部分的面积保持不变。通过相关解扩后，有用信号的频带被压缩在很 窄的带宽内，能无失真的通过中频滤波器（滤波器的带宽为Bb 2Rb ）。其他信号和本地参考扩频码无关，频带没有被压缩反而被展宽了，进入中频滤波器的能 量很少，大部分能量落在中频滤波器的通频带之外，被中频滤波器滤除了。我们 可以定性的看出，解扩前后的信噪比发生了显著的改变。图解扩前后信号功率谱密度示意（a）解扩前；（b）解扩后1.2扩频通信系统的分类扩频通信系统的关

17、键问题是在发信机部分如何产生i 机部分如何解调扩频信号。根据通信系统产生扩频信号 种。带的扩频信号， 在收信方式，可以分为下列几Bb。有用信号1.2.1直接直接序列扩展频谱系统Systems, dS-SS）噪声通常简称为直接序 一一、一一一I _I _Lr _I _IIniI _I _I _I _nnI _I _I,/1V / IInI _I _I _I _nI _J _I _号与高速率的伪随机码波形相乘后， 去直接控制射频信号的某个参量， 输信号的带宽。用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。i直接序列扩展频谱 通信系统的简化方框图参见图1-5。在直接序列扩频通信系统中，通常对载波进行相移键

18、控（Phase Shift Keyi ng, PSK）调制。为了节约发射功率和提高发射机的工作效率，扩频通信系统常采用 平衡调制器。抑制载波的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力也有利。在发信机端，待传输的数据信号与伪随机码（扩频码）波形相乘（或与伪随机码 序列模2力卩），形成的复合码对载波进行调制，然后由天线发射出去。在收信机 端，要产生一个和发信机中的伪随机码同步的本地参考伪随机码，对接收信号进行相关处理，这一相关处理过程通常常称为解扩。解扩后的信号送到解调器解调， 恢复出传送的信息。系统Spre址信号peCfUmCmmun icati on系统，是用待传输的勺信息信_ J _I _|_ I

19、 / | V / IInI _I _ I _I _nI _ J _I;来扩展传图1-5直接序列扩频通信系统简化图 4调制器.发射发射系统;（b）_接收混系统-H乘法器逋信系统中频滤波器数据1.2.2跳频扩频!跳频扩频通信系统是生Spectrum Communication Systems FH-SS）的简称，或 统，确切地说应叫做“多频、选码和频移键控通信系统 码序列去离散地控制射频载波振荡器的输出频率，_ 的变化而跳变。跳频系统可供随机选取的频率数通常是几千到' 在如此多的离散频率中，每次输出哪一个是由伪随机码决定的 谱通信系统的简化方框图参见图1-6。+解调器数据发生器=跳变扩展频

20、谱通信系调制器 J F伪码qUW Hoppi ng Spread 称为跳频通信系”。它是用二进制伪随机1发射信号的频率随伪随机码（b） 220个离散频率， 频率跳变扩展频本地 振荡:0数据频率跳变扩频通信系统与常规通信系统相比较， 最大的差别在于发射机的载 波发生器和接收机中的本地振荡器。在常规通信系统中这二者输出信号的频率是 固定不变的，然而在跳频通信系统中这二者输出信号的频率是跳变的。在跳频通信系统中发射机的载波发生器和接收机中的本地振荡器主要由伪随机码发生器 和频率合成器两部分组成。快速响应的频率合成器是跳频通信系统的关键部件。跳频通信系统发信机的发射频率，在一个预定的频率集内由伪随机码

21、序列控 制频率合成器（伪）随机的由一个跳到另一个。收信机中的频率合成器也按照相同 的顺序跳变，产生一个和接收信号频率只差一个中频频率的参考本振信号，经混频后得到一个频率固定的中频信号，这一过程称为对跳频信号的解跳。解跳后的 中频信号经放大后送到解调器解调，恢复出传输的信息。在跳频通信系统中，控制频率跳变的指令码（伪随机码）的速率，没有直接序 列扩频通信系统中的伪随机码速率高，一般为几十b/s-几 kb/s。由于跳频系统中输出频率的改变速率就是扩频伪随机码的速率， 所以扩频伪随机码的速率也称为 跳频速率。根据跳频速率的不同，可以将跳频系统分为频率慢跳变系统和频率快 跳变系统两种。假设数据调制采用

22、二进制频移键控调制，Tb是一个信息码元比特宽度，每Tb 秒数据调制器输出两个频率中的一个。每隔Tc秒系统输出信号的射频频率跳变到一个新的频率上。若Tc > Tb，这样的频率跳变系统称为频率慢跳变系统。现举 例说明频率慢跳变系统的工作过程，参见图1-7。»f8f7f6率I频fbr 图 号选择两 合成器有j 8 个比特后跳变 进行下变频，1-7 中，个频賭 eT f丄_21入I-L每隔:BrFI慢跳变系统频率跳踱刁示意图丰Lr率中选择一个。1rIHJh-L - J个频牛进制数据信I I I _十Lr-f十频率可跳变，每传送 3荡信号fff0 f71f8fIF，-丄if |(!2 频

23、带的集合为三F-工_3IF ?IF1-1在.仁 i 丄 IF，宽度为Bb的在频率慢跳变系统中，频率的跳变速度比数据调制器输岀符号的变化速度 慢。若在每个 就叫做频率快、数在图1忑中,f 1， f2，射频输= q q 1-8 给咻号的频率跳变多次 给给了频率快跳变i系统输这样的频率兆变系统14 ,16Bb。1.2.3跳时扩B频通信系统时间跳变Spectrum Communication Systems TH-SS）是时间跳变扩展频谱通信系统的简称, 主要用于时分多址（TDMA）通信中。与跳频系统相似，跳时是使发射信号在时间5 ?11 ?4 ?13 ?7 ?2/Tb，BRfb/3，频率合成器有16

24、 个频率f10， f16， f15 ， Bb一种扩寸扩频通信系统e Hopp ing Spreadf轴上离散地跳变。我们先把时间轴分成许多时隙，这些时隙在跳时扩频通信中通 常称为时片，若干时片组成一跳时时间帧。在一帧内哪个时隙发射信号由扩频码f序列去进行控制。因此，可以把跳时理解为：用一伪随机码序列进行选择的多时 隙的时移键控。由于采用了窄得很多的时隙去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。图1-9是跳时系统的原理方框图。图1-9时间跳变扩频通信系统简化方框图载波fo载波f 发射系统；e卜接收系统数据步时，码所需信号就能每次按时通过开关进入解调器。解调在发送端入制的1数据先存储起来，扩频石

25、码发生调裁产生的扩频码序列去控 制通-断开关，经二相或四相调制后再经射频调制后发射Y接收端J接收机 的伪码发生器与发端存储器 后的数据也经过一缓冲存储器发生以便恢复原来的传输速率，不间断地传输数据：提供给用户均匀的数据流。（a）只要收发两端在时间上严格同）步进行，就能正确地恢复原始数据。跳时扩频系统也可以看成是一种时分系统， 所不同的地方在于它不是在一帧 中固定分配一定位置的时隙，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的时 隙。跳时系统能够用时间的合理分配来避开附近发射机的强干扰，是一种理想的多址技术。但当同一信道中有许多跳时信号工作时， 某一时隙内可能有几个信号 相互重叠，因此，跳时系统也

26、和跳频系统一样，必须采用纠错编码，或采用协调 方式构成时分多址。由于简单的跳时扩频系统抗干扰性不强，很少单独使用。跳时扩频系统通常都与其他方式的扩频系统结合使用，组成各种混合方式。从抑制干扰的角度来看，跳时系统得益甚少，其优点在于减少了工作时间的 占空比。一个干扰发射机为取得干扰效果就必须连续地发射， 因为干扰机不易侦 破跳时系统所使用的伪码参数。跳时系统的主要缺点是对定时要求太严。1.2.4线性脉冲调频系统线性脉冲调频系统（Chirp）是指系统的载频在一给定的脉冲时间间隔内线 性地扫过一个宽带范围，形成一带宽较宽的扫频信号，或者说载频在一给定的时 间间隔内线性增大或减小，使得发射信号的频谱占

27、据一个宽的范围。在语音频段， 线性调频听起来类似于鸟的“啾啾”叫声，所以线性脉冲调频也称为鸟声调制。线性脉冲调频是一种不需要用伪随机码序列调制的扩频调制技术，由于线性脉冲调频信号占用的频带宽度远远大于信息带宽，从而也可获得较好的抗干扰性能。线性脉冲调频，是作为雷达测距的一种工作方式使用的，其基本原理如图 1-10所示。线性脉冲调频信号的产生，可由一个锯齿波信号调制压控振荡器（VCO） 来实现，如图1-10（a）所示。发射波是一个频偏为 F的宽带调频波，通常是线性调频。线性调频信号的 特点是，发射脉冲信号的瞬时频率在信息脉冲持续周期Tb内随时间作线性变化，在脉冲起始和终止时刻的频差Ff1 脉冲起

28、始时刻的频率,f2脉冲终止时刻的频率, F 瞬时频率变化范围，Bc 线性调制后的带宽，式中:1Hz ；Hz ；Hz;Hz。Bc(1-12)压控振荡器7(a)图1-10线性脉冲调频原理图(a)发射端；(b)接收端在脉冲持续时间Tb内，信号的瞬时频率为0线性脉冲调频波的时域表达式为Tbs(t) Acos 2 n°tFtn F 2t2Tb(1-13)(1-14)f线性脉冲调频信号的接收解调可用匹配滤波器来实现，参见图1-10(b)。它是由色散延迟线构成的。这种延迟线对信号的高频成分延迟时间长，对低频成分 延迟时间短，于是频率由高到低的载频信号通过匹配滤波器后，各频率成分几乎同时输出。这些信

29、号成分叠加在一起，形成了脉冲时间的压缩，使输出信号幅度 增加，能量集中，将有用信号检出。而与滤波器不匹配的信号在时间上没有压缩， 甚至反被扩展。这就完成了和直接序列扩频及跳频扩频系统类似的过程，从而获得输出信噪比改善的好处。通常是线性压缩。压缩比色散延迟线或调频脉冲匹配滤波器压缩扫频信号 为 D= FTb = Tb / 。线性脉冲调频扩频技术和通信的关系不大，本书不作讨论1.2.5混合扩展频谱通信系统以上几种基本的扩展频谱通信系统各有优缺点，单独使用其中一种系统时有 时难以满足要求，将以上几种扩频方法结合起来就构成了混合扩频通信系统。常见的有频率跳变-直接序列混合系统(FH/DS)，直接序列-时间跳变混合系统 (DS/TH)，频率跳变-时间跳变混合系统(HF/TH)等。它们比单一的直接序列、跳 频、跳时体制有更优良的性能。(1)频率跳变-直接序列混合系统 频率跳变-直接序列混合系统可看作是一个载波频率作周期性跳变的直接序 列扩频系统，其系统组成方框图见图 1-11。数据图1-11频率跳变-.-直接序列混合扩频系统方框图 发射系统；()接收系统:方式能傢大大提高扩频系统的性肓|混频器中频数据,.,.并且有通信隐蔽性好、抗干扰能力强、耳率跳变系统的载波频率难于捕捉，便于适应于多址通信或离散寻, 址和多路复用赫 混合系统特别有利时钟源时间跳变-频率跳变混合系统本