现代通信技术8

1、抗干扰通信 基本要求扩频通信的基本概念直接序列扩频系统基本原理直接序列扩频信号的相关解扩跳频扩频跳时系统无线信道抗干扰技术综述扩频技术基础1. 扩频通信的概念扩频技术利用伪随机编码对将要传送的信息数据进行调制，实现频谱扩展后再传输；在接收端，则采用相同的伪随机码进行解调及相关处理，恢复成原始信息数据扩频通信方式具有以下特点(与窄带通信方式相比)：信息的频谱扩展后形成宽带传输相关处理后恢复成窄带信息数据 如果信息带宽为B，扩频信号带宽设为fss，则扩频信号带宽与信息 带宽之比为fss /B， 称为扩频因子。 1fss /B2，即射频信号带宽略大于信息带宽，称为窄带通信； fss /B40，即射频

2、信号带宽大于信息带宽，称为宽带通信； fss /B100，即射频信号带宽远大于信息带宽，称为扩频通信。 2扩频通信的特点（1）抗干扰能力强（2）可随机接入、任意选址 将扩展频谱技术与正交编码方法结合起来，可以构成码分选址通信。 具有公用信道自动选呼能力。 由于组成多址通信时，网内并不需要各电台严格同步 。有效地利用了频带，大大提高了频带的利用率。（3）安全通信 信号功率密度低。 数字信息易加密。 通信信息不易被窃取。 通信不易被破坏。（4）距离分辨率高 （5）信息传输方便灵活3.扩频通信的理论基础C - 信道容量(用传输速率度量)B - 信号频带宽度 S - 信号功率 N - 白噪声功率 根据

3、香农(Shannon)信道容量公式，在速率C不变的条件下,频带宽度W 与信噪比S/N的关系是相反的,即在频带宽度W增加的情况下,可在较低的信噪比下,以不变的传输传递信息。甚至频带宽度足够大,在信号几乎被噪声淹没的情况下,也能可靠地通信。这是扩频与常规无线通信(如AM与FM)的主要区别。扩频通信具有与噪声类似的特性, 故可与常规设备同用一个频段, 而且干扰极小。说明给定的信道容量可以用不同的带宽和信噪比来组合传输；给定信噪比，只要增加用于传输信息的带宽，理论上就可以增加在信道中无误差地传输的信息率；在同样的信道容量下，增大传输带宽可由较小的信号传输功率传送，这表明宽带系统具有较好的抗干扰性（即带

4、宽换功率）扩频技术基础扩频通信的信号特性 扩频技术基础（1）信号的频谱被展宽传输信息需一定带宽（称信息带宽），如语音信息带宽为300 3400 Hz，电视图像信息带宽为6 MHz为充分利用频率资源，常采用基本相当的带宽信号来传输信息。在窄带通信中，用调幅信号来传送语音信息，带宽为语音信息带宽的两倍；电视广播射频信号带宽是视频信号带宽的一倍多；调频信号带宽与信息带宽之比一般低于1020扩频通信的信号带宽与信息带宽之比，则高达100 1000，属于宽带通信扩频技术基础扩频谱通信的基本思想和理论依据：采用信息带宽的100倍（甚至1000倍）以上的宽带信号来传输信息，其目的是为了提高通信的抗干扰能力，

5、即在强干扰条件下保证可靠安全地通信扩频技术基础（2）采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱在时间上有限的信号，其频谱是无限的，如很窄的脉冲信号，其频谱则很宽。信号的频带宽度与其持续时间近似成反比。1 s脉冲的带宽约为1 MHz若用很窄的脉冲序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信号。该脉冲码序列很窄，其码速率很高，称为扩频码序列扩频码序列与所传信息数据无关；与正弦载波信号相同，其不影响信息传输的透明性。扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用 扩频技术基础（3）在接收端应用相关解调来解扩在一般的窄带通信中，已调信号在接收端都要进行解调，以恢复所传的信息。在扩频通信中，接收端采用与发送端相同的扩频码序

6、列，与收到的扩频信号进行相关解调，恢复所传的信息。即相关解调起到了解扩的作用，把扩展以后的信号又恢复成原来所传的信息扩频通信是在发端把窄带信息扩展成宽带信号，而在收端又将其解扩成窄带信息的处理过程 扩频技术基础4. 扩频通信的基本原理在数字扩频系统中，可把周期很长、码元持续时间远小于信息码元间隔的伪随机码序列（PN 码）作为“载波”，载荷信息的 PN 码的带宽比信息码要展宽几十倍到上千倍在由扩频实现的码分复用及多址连接构成的无线移动通信系统中，各用户采用不同的互为正交的伪随机码序列作为地址码，可使大量用户共享数兆赫以上的扩频带宽，且具有极强的抗干扰的能力 扩频技术基础当扩频通信信道容量的要求确

7、定后，可用不同的带宽W和信噪比SN的组合来实现当信噪比太小而不能保证通信质量时，常用增加带宽（展宽频谱）来提高信道容量，以带宽换功率以改善通信质量。扩频通信的信号带宽与信息带宽之比一般高达100 1000 扩频通信将用户信号的频谱扩展后再进行传输，提高了抗干扰能力，在强干扰下仍可保持可靠通信扩频通信用扩展频谱的方法换取信噪比的提高 扩频技术基础5. 扩频通信系统的工作方式 （1）直接序列扩频方式（DS）（2）跳变频率扩频方式（FH）（3）跳变时间扩频方式（TH）（4）混合式扩频方式 直接序列扩频技术直接序列扩频（直扩）方式 ：实现频谱扩展方便；是最典型的扩频系统，关键过程为扩频和解扩扩频：基带

8、信号的信码是需传输的信号，通过速率很高的编码序列进行调制，将其频谱展宽；对频谱展宽后的序列进行射频调制，其输出则是扩展频谱的射频信号，经天线辐射出去解扩：在接收端，射频信号经混频后变为中频信号，与本地的发端相同的编码序列进行反扩展，将宽带信号恢复成窄带信号。解扩后的中频窄带信号经普通信息解调器进行解调，恢复成原始的信息码乘法模式(波形)加法模式(码形)信号功率谱干扰信号噪声信号扩频抗干扰的本质与扩频信号的第一次相乘扩展了信号的带宽；与扩频信号的第二次相乘，再经过滤波可恢复出原始信号；期望得到的数据信号（原始信号）与扩频信号相乘了两次，而干扰信号只乘了一次; 接收端一般使用窄带滤波器提取信号.处

9、理增益与干扰容限处理增益 处理增益的物理意义是敌方采用宽带干扰方式干扰跳频电台时所需的功率，较之干扰一个窄带定频电台所需的功率大出的倍数.也称扩频增益. 可看作频谱扩展前的信息带宽F与频带扩展后的信号带宽W之比： GWF 例:-设某系统输入信噪比为-10dB,扩频后输出信噪比为16dB,则处理增益为 26dB-若某系统处理增益为70 dB，输出信噪比为10dB-？ 干扰容限 在保证系统正常工作的条件下（系统输出信噪比一定），接收机输入端能够承受的干扰比信号高出的分贝数 Mj = G (S/N)out + Ls 其中： Mj - 抗干扰容G - 处理增益 (SN)out - 信息数据被正确解调而

10、要求的最小输出信噪比 Ls - 接收系统的工作损耗扩频序列 M序列GOLD序列非线性扩频序列混沌序列扩频技术（2）跳变频率扩频方式（FH）定频与跳频跳变频率扩频（跳频）：载波频率在很宽的频带范围内，按某种序列进行跳变；即在工作频率范围内，在一个伪随机码（PN）码的控制下，载频的频率按PN码的规律不断地变化在接收端，接收机的接收频率也受伪随机码的控制，保持与发射端的规律一致变化定频干扰只会干扰部分频点，所以跳频是以躲避干扰来提高信噪比 数字信息与二进制伪码序列模二相加后，去离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪码的变化而跳变。 跳变系统可以随机选取的频率数通常是数千到220 个

11、离散频率扩频技术跳频指令（又称为跳频图案）由所传送的信息码与PN码的组合（按模2加规律）来构成由时间和频率组成的该平面称为时频域图；平面中的阴影线即为跳频图案，其表征了在何时以何频率进行通信，通信频率随时间不同而异扩频技术跳频系统指标为跳变速率，可分为慢跳频和快跳频：慢跳频（一跳传输多个码元）：跳速远比信号速率低，数秒至数十秒才跳变一次；易于实现快跳频（一个码元用多跳来传输）：跳速接近信号的最低频率，可达每秒几十跳、上百跳甚至上千跳。如GSM移动通信系统规定的跳频为每秒217跳 扩频技术 快跳频图案 慢跳频图案 扩频技术建立跳频通信示意图 当收发双方在空间上相距一定距离时，若时频域上的跳频图案

12、完全重合，表示收发双方可建立同步跳频通信 扩频技术跳频系统发送端的信息码与伪随机码调制后，按不同跳频指令去控制频率合成器，发射机输出频率在宽范围内随机改变，使射频载波也在宽范围内变化，形成一个宽带离散谱。在接收端，收发跳频必须同步，以保证通信的建立为了对输入信号进行解扩（即解跳），需要有与发端相同的跳频指令去控制频率合成器，使其输出的跳频信号在混频器中，能与接收到的跳频信号差频出一个固定中频信号；经中频放大器后，送到解调器恢复出原基带数据信号信息扩频技术跳频系统原理框图 扩频技术（3）跳变时间扩频方式（TH）跳变时间扩频（跳时）：已调载波在 PN 码的控制下，伪随机地在一帧的不同时隙内以时发信

13、号形式发送；由于在时隙中传送的突发信号速率要比原信号高，从而达到扩频的目的（4）混合式扩频方式混合扩频：若系统仅用单一方式不能满足要求时，往往采用两种或两种以上工作方式，如：FSDS，DSTH，FHTH差错控制差错控制编码是在经过信源编码的码元序列中增加一些多余的比特，可发现或纠正传输中发生的错误当差错控制编码只有发现错码能力而不具备纠正错码能力时，需结合其他措施来纠正错码，否则只能将被发现为错码的码元删除，以避免错码引起的负面影响。上述手段统称为差错控制为抑制信道噪声对信号的干扰，还需对信号进行再编码，编码成在接收端不易为干扰所弄错的形式差错控制的概念由于信道传输特性不理想及加性噪声的影响，

14、将导致信号在传输过程中波形失真，接收端会产生错误判决，即产生错码传输错码的原因与解决方法：由乘性干扰引起的码间串扰会造成错码，可采用均衡的方法以减少或消除错码加性干扰将使信噪比降低从而造成错码，可利用提高信噪比的基本方法。但信道编码等差错控制技术在降低误码率方面仍是一种重要的手段差错控制的概念差错的分类：随机差错：由随机噪声导致，表现为独立的、稀疏的和互不相关发生的差错突发差错：相对集中出现，即在短时段内有很多错码出现，而在其间有较长的无错码时间段，例如由脉冲干扰引起的错码 混合差错差错控制的概念在已知信噪比的情况下，为满足一定的误比特率指标，应合理设计基带信号，选择调制和解调方式，采用时域和

15、频域均衡，或增加发送功率，尽量减小干扰的影响在差错控制编码技术中，编码器根据输入信息码元产生相应的监督码元，实现对差错进行控制，译码器主要进行检错与纠错 差错控制的概念差错控制编码具备检错和纠错能力，是因为在被传输的信息中附加了一些冗余码（即监督码元），在两者之间建立了某种校验关系。该校验关系若因传输错误而受到破坏，则可被发现并予以纠正检错和纠错能力用信息量的冗余度换取，通过降低信息传输的有效性换取可靠性的提高 差错控制编码1. 差错控制编码分类（1）按编码的不同功能分类检错码：能发现错误，但仅能检错纠错码：在检错的同时还能纠正误码纠删码：不仅具有纠错的功能，还能对不可纠正的码元进行简单的删除

16、 差错控制编码（2）按信息码元和附加监督码元间的检验关系分类线性码：信息码元与监督码元间为线性关系（即满足一组线性方程组）非线性码：信息码元与监督码元间为非线性关系差错控制编码（3）按信息码元和附加监督码元间的约束关系分类分组码：监督码元仅与本组的信息有关卷积码：监督码元既与本组的信息有关，也与以前码组的信息有约束关系，各组之间具有相关性差错控制编码2. 差错控制编码的基本原理 000 晴 001 云 010 阴 011 雨 100 雪 101 霜 110 雾 111 雹 000 晴 011 云 101 阴 110 雨 000 晴 111 雨差错控制编码差错控制编码3. “分组”概念的建立上例

17、中，4种信息只需要2个比特就能表示为纠错，增加了监督位接收为：信息码+监督码监督位加在一组信息上构成了具有纠错能力的独立码组，且监督位只监督本组信息元差错控制编码 在分组码中，监督码仅监督本码组中的信息码元。与分组码相对应，存在非分组码，如卷积码。在非分组码中，监督码元除了与本组信息元有关，还与其它组的信息码元有关。由于卷积码充分利用了各码组间的相关性，其性能要优于分组码。这里仅讨论分组码。差错控制编码 分组码一般用组合（n ,k）表示，其中k表示每组码二进制信息码元的数目，n是码组的总位数或码组长度，则n-k=r为每组码中的监督码元的数目，因此分组码的结构通常可表示为：码长n=k+rk个信息

18、位r个监督位差错控制编码码重、码距码重W： 分组码中一个码组内“1”的数目码距d： 两个码组之间对应位置上1、0不同的位数，又叫汉明(Hamming)距离。10 1 1 0 码重：301 1 0 0 码重：2 码距：3最小码距d0： 距离的最小值，是衡量码检错、纠错能力的依据。码组的最小距离越大，抗干扰能力越强。差错控制编码纠错能力与最小码距的关系 a、为检查出e个错码，要求最小码距为 d0=e+1 b、为纠正t个错码，要求最小码距为 d0=2t+1 c、为纠正t个错码，或检查出e个错码，要求最小码距为 d0=e+t+1差错控制编码4.编码效率 对于分组码（n,k），编码效率定义为信息位在码字

19、中所占的比重： 在信道中传送n个单位的时间内，传输信息位占k个单位的时间。因此，编码效率可看成是信道传送信息码元的利用率。差错控制编码说明编码效率是衡量码性能的一个重要参量编码效率与抗干扰能力相互矛盾编码的主要任务就是如何找到一种方法，在满足一定编码效率的前提下，使抗干扰能力尽可能大。差错控制编码信道编码定理 有噪信道中信息传输的重要理论-香农编码定理： 对于一个给定的有扰信道，若信道容量为C，只要发送端以低于C的速率R发送信息，则一定存在一种编码方法，使编码错误概率P随着码长n的增加，按指数下降到任意小的值。 E（R）-误差指数差错控制编码5. 常用的差错控制编码 奇偶校验码：属于检错码，其

20、编码规则是先将所要传输的数据码元进行分组，在分组数据后面附加一位监督位，使得该组码连同监督位在内的码组中的“1”的个数为偶数（偶校验）或奇数（奇校验）。 优点：简单 缺点：只能检测出部分传输差错 例：偶监督码 监督元要保证码组中“1”的个数位偶数。 即经编码后的码组（cn-1, cn-2, , c1, c0），其中c0为监督元，则有： cn-1 cn-2 c1 c00 在接收端，按上式计算各码元，若结果为1认为有错；否则无错。 例：11010 - 加 1行列监督码：又称为方阵码、二维奇偶校验码，它是把上述奇偶监督码的若干码组排成矩阵，每一码组写成一行，再按列的方向增加第二维监督位。-能检测部分

21、偶数个错码-适用于检测突发错码，检错能力较强-能纠正部分错码（仅在某一行中有奇数个错码时）差错控制编码差错控制编码例： 若发送码序列为（1100100111 0100011100 0010011110 010101101 11）,求其奇偶监督方阵。 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0发送序列：（ 1100100111001000111000001001111010101

22、0110000011000000111001111100） 行监督码元列监督码元差错控制编码恒比码（等重） 在恒比码中，每个码组均含有相同数目的“1”（和“0”）。由于“1”和“0”的数目之比保持恒定，故得此名。在检测时，只要计算接收码组中的“1”的数目是否对，就知道有无错误。 例:32 码差错控制编码差错控制编码由于长度为5的二进制码组，除了这10种可用码组外，还有22种禁用码组，其多余度较高，因此检错能力较强。能检错所有奇数个码元错误和部分偶数个码元错误。但不能检错码组中“1”变“0”的数目和“0”变“1”的数目相同时的偶数错码。在国际无线电报通信中，广泛采用“7中取3”恒比码。简单，适用

23、于电传机或其它键盘设备产生的字母和符号，对于二进制随机数字序列不适用。差错控制编码群计数码 首先将信息码分组,计算每一组中的1码的个数并用二进制表示.此二进制数作为校验元而附在信息元后传输. 如:1011011, 5个1,用101表示,则传输的码组为101线性分组码 (1) 分组码：先将信息码分组，然后给每组信码附加若干监督码的编码称为分组码，用符号(n ,k) 表示，k是信息码的位数，n是编码组总位数，又称为码长，r=n k 为监督位数。差错控制编码差错控制编码 (2) 代数码：建立在代数学基础上的编码称为代数码。 (3) 线性码：线性码中信息位和监督位是按一组线性方程构成的。线性码是一种代

24、数码。 (4) 线性分组码：信息码分组后，附加的监督码和信息码由一些线性代数方程联系着的编码称为线性分组码。-本节以汉明码为例来说明线性分组码原理。汉明码是一种能够纠正一位错码且编码效率较高的线性分组码。差错控制编码S=an-1+ an-2+ + a0，S为校正子， a0为监督码元 S=0,无错 S=1,有错增加一个监督码元，即可增加一个监督关系式： S1,S2组合数增加为：00 01 10 11再增加 S1,S2, S3: 000 001 010 011 100 101 110 111差错控制编码一般说来，若码长为n，信息位为k，则监督位为r=n-k，如果希望用r个监督位构造出r个监督关系式

25、来指示一位错码的种可能位置，则要求：即：只有当校正子可以指明的数目大于或等于码组长度n时，才能够纠正码组中任意一个位置上的错码。差错控制编码例：监督关系的构成 设计一个能够纠正1个错码的分组码（n,k），给定的码组有4个信息位，即k=4。 由前述，要求r=3，若取r为3，可用a6、a5、 、 a0表示这7个码元。三个校正子可指明7个错码的位置。差错控制编码 r为3，满足前述要求，可以指示7个错码的位置。可以按照下表所示规定校正子与错码的关系。差错控制编码S1要为1，则： a6 a5 a4 a2 有错码S2要为1，则： a6 a5 a3 a1 有错码S3要为1，则： a6 a4 a3 a0 有错

26、码 a6 a5 a4 a3取决于输入信号，是随机的; 而a2a1a0是由监督关系决定的，应保证上述3个式子中的校正子为零,即a6 + a5 + a4 + a2=0a6 + a5 + a3 + a1=0a6 + a4 + a3 + a0=0差错控制编码即看作:a6 + a5 + a4 = a2a6 + a5 + a3 = a1a6 + a4 + a3 = a0若信息位给定,即可由此计算出监督位差错控制编码由此可以计算出监督位差错控制编码接收端: 对每个接收码组，首先计算出S1，S2，S3 然后判断出错码的位置并纠正如： 接收到0000011 011 a3 0100011 101 a4 11101

27、11 ？ 1110101 ？ 注意：以本例所采用的（7，4）码，只能纠正1位错码 若其作检错使用时：能检测出2位错码但不能纠正。差错控制编码编码的效率差错控制编码循环冗余校验（CRC）：常作为检错码，是一种通过多项式除法运算检测错误的方法 CRC码的生成与校验过程可用软件或硬件来实现 CRC码校验能力强，可检测随机差错和突发差错多项式与二进制数码 多项式和二进制数有直接对应关系： -x的最高幂次对应二进制数的最高位，以下各位对应多项式的各幂次，有此幂次项对应1，无此幂次项对应0。可以看出：x的最高幂次为R，转换成对应的二进制数有R+1位。 -多项式包括生成多项式G(x)和信息多项式C(x)。 如: 生成多项式为G(x)=x4+x3+x+1， 可转换为二进制数码1101