扩频通信系统工作原理课件

第二章扩频系统的工作原理直接序列（DS）扩频系统（SS）跳频线性跳频扩频系统混合扩频系统第二章扩频系统的工作原理直接序列（DS）扩频系统（SS）12.1直接序列扩频系统直接序列扩频通信系统是目前应用较为广泛的一种扩频系统。对其研究最早，成果较多，如美国的国防卫星通信系统，全球定位系统，航天飞机通信用的跟踪和数据中继卫星系统等。直扩系统是将要发送的信息用伪随机序列（PN）扩展到一个很宽的频带上，在接收端用与发送端相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的信息。2.1直接序列扩频系统直接序列扩频通信系统是目前应用较为广泛22.1.1直扩系统的组成直扩系统组成原理框图2.1.1直扩系统的组成直扩系统组成原理框图3a(t)是信源输出信号，码元持续时间为Ta。c(t)是伪随机码，每一个伪随机码宽度为Tc。将信码与伪随机码进行模2加，产生速率与伪随机码速率相同的扩频序列，再用扩频序列去调制载波，就可以得到已扩频调制的射频信号。在接收端，收到的扩频信号进高放和混频后用与发端同步的伪随机序列对中频的扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复成信息序列a(t)的频带，即中频信号；然后再进行解调，恢复出所传输的信息a(t),从而完成信息的传输。对于干扰信号和噪声，因与伪随机码序列不相关，在相关解扩的作用下，相当于进行了一次扩频。干扰信号和噪声频带被扩展后，谱密度降低，大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪比和信干比提高，从而提高系统抗干扰能力。a(t)是信源输出信号，码元持续时间为Ta。c(t)是伪随机4PN码就是伪随机码，具有与二元随机序列性质相似的周期性码组。是一种预先确定,并可重复实现的具有某种随机特性的码,它仅有2个电平,是具有与白噪声类似的自相关性质的0和1所构成的编码,只是幅度概率分布不再服从高斯分布。PN码就是伪随机码，具有与二元随机序列性质相似的周期性码组。52.1.2直扩系统的信号分析信号源产生的信号a(t)为信息流，码元速率为Ra,码元宽度为Ta，Ta=1/Ra,则信号a(t)为式中an为信息码，以概率P取+1，以1-P取-1。ga(t)为门函数在[0,Ta]上取1，其他取0。2.1.2直扩系统的信号分析信号源产生的信号a(t)为信息流6伪随机序列产生器产生的伪随机序列它的速率为Rc,切普宽度为Tc,Tc=1/Rc,则cn为伪随机码码元，取值+1或-1；gc(t)为门函数。伪随机序列产生器产生的伪随机序列它的速率为Rc,切普宽度为T7扩频过程实质上是消息流a(t)与伪随机码序列c(t)模2或相乘的过程。伪随机码速率Rc比信息速率Ra大得多，一般Rc/Ra>>1且为整数，所以扩频后的序列速率仍为伪随机码速率Rc,扩展的序列d(t)为扩频过程实质上是消息流a(t)与伪随机码序列c(t)模2或相8用此扩展后的序列去调制载波，将信号搬到载频上去。用于直扩系统的调制，原则上大多数数字调制方式均可，但应视具体情况，根据系统的性能要求来确定，较多的用BPSK,MSK,QPSK,TFM等。先对PSK进行分析，用一般的平衡解调器就可以完成PSK调制。调制后的信号s(t)为ω0是载波频率ω0是载波频率9接收端天线上感应的信号经过高放和混频得到以下几部分信号:有用信号SI(t)、信道噪声nI(t)、干扰信号JI(t)和其他网的扩频信号SJ(t)等，即收到的信号（经混频）后为rI(t)=SI(t)+JI(t)+nI(t)+SJ(t)接收端的伪随机码产生器产生的伪随机序列与发送端的相同，但起始时间和初始相位可能不同，为c'(t)。解扩与扩频过程相同，用本地伪随机码序列c'(t)与接收到的信号相乘，相乘后为r'I(t)=rI(t)c'(t)=s'I(t)+n'I(t)+J'I(t)+s'J(t)接收端天线上感应的信号经过高放和混频得到以下几部分信号:有用10先看信号s'I(t),则若本地产生的伪随机码序列c'(t)与发端产生的c(t)同步，有c'(t)=c(t)，则c(t)c'(t)=1，这样分量s'I(t)为后面所接收的滤波器的频带正好能让信号通过，因此可以进入解调器进行解调，将有用信号解调出来。先看信号s'I(t),则若本地产生的伪随机码序列c'(t)与11扩频系统的波形示意图如图2-2所示：图2-2扩频系统的波形示意图如图2-2所示：图2-212下面分析直扩信号的功率谱。发送端发送的信号s(t)为分析方法是求出s(t)的自相关函数再进行傅里叶变换，就可得到s(t)的功率谱密度Gs(f)。对s(t)求自相关函数有由于a(t)和c(t)是由两个不同的信号源产生的，因而是相互独立的，则式中a(t)和c(t)的自相关函数分别为下面分析直扩信号的功率谱。发送端发送的信号s(t)为分析方法13c(t)为长度是N的周期性伪随机序列，故自相关函数也是周期为N的周期性函数，为其波形如图2-3所示：

图2-3的波形图c(t)为长度是N的周期性伪随机序列，故自相关函数也是周期为14对进行傅里叶变换，得到c(t)的功率谱密度为对进行傅里叶变换，得到c(t)的功率谱密度为15功率谱如图图2-4(a)为c(t)的功率谱，(b)为s(t)的功率谱功率谱如图图2-4(a)为c(t)的功率谱，(b)为s(t)162.1.3处理增益与干扰容限1.处理增益在扩频系统中,传输信号在扩频和解扩的处理过程中,扩展频谱系统的抗干扰性能得到提高,这种扩频处理得到的好处,就称之为扩频系统的处理增益,其定义为接收相关处理器输出与输入信噪比的比值,即处理增益与干扰容限是扩频系统的两个重要抗干扰指标下面分别讨论。2.1.3处理增益与干扰容限1.处理增益处理增益与干扰容17一般用分贝表示,为

一般用分贝表示,为18对于直扩系统，解扩器的输出信号功率不变，但对于干扰信号而言，由于解扩过程相当于干扰信号的扩展过程，干扰功率被分散到很宽的频带上，进入解调器输入端的干扰功率相对于解扩器输入端下降很大，即干扰功率在解扩前后发生了变化，因此对于直扩系统处理增益就是干扰功率减小的倍数。对于直扩系统，解扩器的输出信号功率不变，但对于干扰信号而言，19扩频通信系统工作原理课件20则系统的处理增益为可见，直扩系统的处理增益为扩频信号射频带宽与传输的信息带宽的比值，或为伪随机码速率Rc与信息传输速率Ra的比值，也就是直扩系统的扩频倍数。扩频通信系统工作原理课件212.干扰容限所谓干扰容限,是指在保证系统正常工作的条件下,接收机能够承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数,用Mj表示,有式中Ls为系统内部损耗，(S/N)0为系统正常工作时要求的最小输出信噪比，即相关器的输出信噪比或解调器的输入信噪比；Gp为处理增益。2.干扰容限式中Ls为系统内部损耗，(S/N)0为系统正常22干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能抵抗的极限干扰强度，因而干扰往往比处理增益能更确切的反应系统的抗干扰能力。干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能抵抗的极限干扰强度，因而232.1.4直扩系统的主要用途及特点主要特点：（1）具有较强的抗干扰能力。扩频系统经过相关接收，将干扰功率扩展到很宽的频带上去，使进入信号频带内的干扰功率大大降低，提高了解调器输入端的信噪比，从而提高了系统的抗干扰能力。（2）具有很强的隐蔽性和抗侦查、抗窃听、抗侧向的能力。扩频信号的谱密度很低，使信号湮没在噪声之中，不易被敌方截获、侦查、测向和窃听。（3）抗衰落，特别是抗频率选择性能好。直扩信号的频谱很宽，一小部分衰落对整个信号的影响不大。2.1.4直扩系统的主要用途及特点主要特点：24（4）可以提高分辨率的测向、定位。利用直扩系统伪随机码的相关性，可以完成精度很高的测距和定位。（5）具有选址能力，可以实现码分多址。（6）抗多径干扰。直扩系统主要用途：主要用于通信抗干扰、卫星通信、导航、保密通信、测距和定位等方面。（4）可以提高分辨率的测向、定位。利用直扩系统伪随机码的相关252.1.5常用直扩调制方式常用的直扩方式有正交相移键控（QPSK）直接序列扩频和最小频移键控（MSK）。下面具体介绍（QPSK）：1）具有任意数据相位调制的QPSK直接序列扩频系统下图为一般QPSK直接序列扩频系统发端框图。其中数据调制可采用任意数据相位调制方法。正交混合网络将输入功率在两个正交支路中均分。QPSK调制器的输出为2.1.5常用直扩调制方式常用的直扩方式有正交相移键控（QP26式中,c1(t)和c2(t)分别为同相和正交扩频波形，扩频波形的取值为±1。假设这些扩频波形是切普(Chip)同步的，并且彼此独立。上式中两个正交项的功率谱均与BPSK信号的功率谱形式相同，故总QPSK信号的功率谱等于两项功率谱的代数和。这时可通过计算S(t)信号自相关函数来求其功率谱。一般QPSK扩频接收机框图如下图所示。其中带通滤波器的中心频率为ωIF，其带宽足以不失真地通过数据已调信号。利用简单的三角等式变换可得x(t)和y(t)：式中,c1(t)和c2(t)分别为同相和正交扩频波形，扩27如果接收机解扩码相位正确，则因此有用信号被解扩。解扩的有用信号通过带通滤波器，而无用项被滤除，于是

上述过程已假设接收机载波相位已达到正确同步，由z(t)可见数据已调信号已完全恢复。z(t)信号经过解调后即可恢复原始数据如果接收机解扩码相位正确，则因此有用信号被解扩。解扩的有282.2跳频跳频系统的载频受一伪随机码的控制，不间断、随机的跳变，可看成载频按照一定规律变化的多频频移键控（MFSK）。与直扩系统比较，跳频系统中的伪随机码序列并不直接传输，而是用来选择信道。2.2跳频跳频系统的载频受一伪随机码的控制，不间断、随机的跳292.2.1跳频系统的组成跳频系统的组成如图2-8所示：

图2-8跳频系统的组成2.2.1跳频系统的组成跳频系统的组成如图2-8所示：30信源产生的信息流去调制频率合成器产生的载频，得到射频信号。频率合成器产生的载频受伪随机码的控制。跳频系统解调多采用FSK、ASK等进行非相干解调。信源产生的信息流去调制频率合成器产生的载频，得到射频信号。频31２.２.２跳频系统的信号分析设信源产生的信号a(t)为双极性数字信号,则式中:an为信息码,取值＋1或－1。0≤t≤Ta其他

Ta为信息码元宽度。２.２.２跳频系统的信号分析式中:an为信息码,取值＋32跳频系统的频率合成器产生的频谱图和跳频系统的射频信号的频谱图如图２-９所示。理想的频率合成器产生的频谱图为离散的、等间隔的、等幅的线谱，占用的频带为Ｂ＝ｆＮ－ｆ１，每个频率之间的间隔为∆ｆ。某一时刻的频率是Ｎ个频率中的一个，由伪随机码确定如图２-９（ａ）所示。图２-９（ｂ）为跳频信号的频谱图，在某一时刻跳频系统是窄带的，从整个区间看，信号在整个区间跳变，是宽带的。跳频系统的频率合成器产生的频谱图和跳频系统的射频信号的频谱图33

图２-９跳频系统频谱图

(a)频率合成器频谱图;(b)跳频信号频谱图图２-９跳频系统频谱图34跳频系统的抗干扰机理：发送端的载频受伪随机码的控制，不断地、随机的改变，躲避干扰；在接收端，用与发端相同的伪随机码控制本地频率合成器产生的频率，使之与发端的载频同步跳变，混频后使之进入中频频带内；对于干扰信号，由于不知跳频系统载频变化规律，经过接收机接收，不能进入中频频带，也就不能形成干扰。跳频系统的抗干扰机理：发送端的载频受伪随机码的控制，不断地、35跳频系统抗干扰性能指标－处理增益设在一射频频带内射频内，等间隔分为Ｎ个频道，即可用频率数为Ｎ，频率间隔∆ｆ，如图２-９（ａ）所示，信息带宽为。定义跳频系统的处理增益为射频带宽与信息带宽之比，即可见，跳频系统的抗干扰性即处理增益是与跳频系统的可用频道数N成正比的，N越大，射频带宽Ｂ射频越宽，抗干扰性越强。跳频系统抗干扰性能指标－处理增益可见，跳频系统的抗干扰性即处36击中概率若在Ｂ射频内有N个频道和J个固定干扰，这J个干扰频率正好与N个频率中的J个频率相同，且假设N个频率是等概率出现的，那么这个干扰频率将形成一定的干扰。把干扰频率与信号频率相同，且干扰功率超过信号功率形成的干扰成为“击中”，“击中”概率为由此可知为了降低“击中“概率，可以提高可用频道数。击中概率由此可知为了降低“击中“概率，可以提高可用频道数。37频率跳变规律如图2-10所示

图2-10跳频图案

频率跳变规律如图2-10所示38扩频通信系统工作原理课件392.2.3跳频系统的特点及常用非相干跳频系统

跳频系统的主要特点有：具有较强的抗干扰能力、易于组网，实现码分多址，频谱利用率高、易兼容、解决了“远-近”问题、采用快跳频可纠错码系统用的伪随机码速率比直扩系统低得多同步要求低，因而时间短入网快。目前，跳频系统主要用于军事通信，如战术跳频电台、抗干扰等，但也正在迅速的向民用通信渗透，如移动通信、数据传输、计算机无线数据传输、无线局域网等。2.2.3跳频系统的特点及常用非相干跳频系统402.3线性调频扩频系统线性调频又称为

Chirp系统,其发射脉冲信号的载频在信息脉冲持续时间T内作线性变化,其瞬时频率随时间线性变化,如图2-11所示。载波频率在脉冲起始与终了时刻的频

差为

Δf=|f1-f2|=B2.3线性调频扩频系统线性调频又称为Chirp系统,其发41线性调频信号的波形如图2-11所示：

图2-11线性调频信号波形线性调频信号的波形如图2-11所示：42线性调频信号的频率在信息脉冲持续时间T内随时间线性变化,由此可得其瞬时频率与时间的关系为ω(t)=ω0+μt式中ω0为载波频率,μ为一常数,所以线性调频信号的瞬时相位ψ(t)和线性调频信号在信息脉冲持续时间T内的表达式s(t)分别为线性调频信号的频率在信息脉冲持续时间T内随时间线性变化,43线性调频信号的产生方法,可由一个锯齿波信号控制压控振荡器(VCO)来实现。振荡频率随锯齿波而变化,因此脉冲信号的载频从原来单一频率展宽为

ΔF＝B,如图2-12所示。

图2-12线性调频信号产生方法线性调频信号的产生方法,可由一个锯齿波信号控制压控振荡器(44线性调频信号处理增益为信号带宽与信息带宽之比

由s(t)可推导出线性调频系统的频谱表达式。首先把它表示为复信号并对其进行傅里叶变换即可。线性调频信号处理增益为信号带宽与信息带宽之比由s(t)可推导45

图2-13线性调频信号频谱由图可见，信号能量的90%都集中在带宽B内，并且是均匀分布的。图2-13线性调频信号频谱由图46线性调频信号的接收

线性调频技术主要用于雷达中,短波通信中也有应用。线性调频系统的工作原理

如下:发射端用一锯齿波信号控制压控振荡器,就可产生随锯齿波斜率变化的线性调频信号,如图2-12所示。线性调频信号的接收解调器由匹配滤波器来完成。匹配滤波器由色散延迟线(

DDL)构成,这种延迟线对高频成分延时长,对低频成分延时短。线性调频信号的接收47因此,频率由高变低的载波信号通过匹配滤波器后,各种频率几乎同时到达输出端,这些信号成分叠加在一起,形成对脉冲时间的压缩,使输出信号的幅度增加,能量集中,形成一相关峰,如图2-14所示,通过对相关峰的检测,就可把信号检测出来。2-14线性跳频信号的接收因此,频率由高变低的载波信号通过匹配滤波器后,各种频率48由匹配滤波器理论知,匹配滤波器的冲激响应h(t)与信号s(t)之间的关系为

h(t)=s(T-t)则匹配滤波器的冲激响应h(t)为由匹配滤波器理论知,匹配滤波器的冲激响应h(t)与信号s(492.4混合扩频系统1.

FH／DS系统跳频和直扩系统都具有很强的抗干扰能力,是用得最多的两种扩频技术。由前面的分析可知,这两种方式都有自己的独到之处,但也存在着各自的不足,将两者有机地结合起来,可以大大改善系统性能,提高抗干扰能力。FH／DS和FH、DS一样,是用得最多的扩频方式之一，其原理如图2-15所示。2.4混合扩频系统1.FH／DS系统50

图2-15FH／DS信号频谱图图2-1551

需要发送的信号首先被伪随机码I扩频,然后去调制由伪随机码Ⅱ控制的频率合成器产生的跳变频率,被放大后发送出去。接收端首先进行解跳,得到一固定中频的直扩信号,然后进行解扩,送至解调器,将传送的信号恢复出来。在这里用了两个伪随机码,一个用于直扩,一个用于控制频率合成器。一般用于直扩的伪随机码的速率比用于跳频的伪随机码的速率要高得多。FH／DS信号频谱如图2-16所示。

图2-16FH/DS信号频谱需要发送的信号首先被伪随机码I扩频,然后去调制由伪随机码52采用FH／DS混合扩频技术,有利于提高系统的抗干扰性能。干扰机要有效地干扰FH／DS混合扩频系统,需要同时满足两个条件:a.干扰频率要跟上跳变频率的变化;b.干扰电平必须超过直扩系统的干扰容限。否则,就不能对系统构成威胁。这样,就加大了干扰机的干扰难度,从而达到更有效地抗干扰的目的。混合系统的处理增益为直扩和跳频的处理增益的乘积,即采用FH／DS混合扩频技术,有利于提高系统的抗干扰性能。53或式中:BDS为直扩信号带宽;BS为信号带宽;N为跳频的可用频道数。或式中:BDS为直扩信号带宽;BS为信号带宽542.TH／DS系统这种系统是时分复用加上直接序列扩频,可以增加多址通信的地址数。由于直扩系统中收发两端之间已有准确的时间同步(码元同步),即已经有很好的定时,足以保证时分复用正常工作,这就为增加跳时技术带来了方便。因此在直扩中增加跳时功能时,只需要加一个通断开关及有关的控制电路即可,图2-17给出了这种系统的原理框图。2.TH／DS系统55

图2-17TH／DS系统原理框图

(a)发射;(b)接收图2-17TH／DS系统原理框图56这种系统（TH／DS）是解决“远-近”问题的几种富有生命力的方法之一。对于在同一条射频链路上距离和发射功率有很大变化的双工、无线电话交换网,如果以随机选呼离散地址作为基本的通信方式,则比较适合采用TH/FH系统。这种系统（TH／DS）是解决“远-近”问题的几种富有生命力的57

远近效应，是指在移动通信系统中，由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站间的距离也是随机变化的，若各移动用户发射功率一样，那么到达基站的信号强弱不同，离基站近信号强反之则弱，通信系统的非线性则进一步加重，出现强者更强的现象。远近效58各种扩频方式的比较1.FH与DS的比较一、直扩系统的优点与局限优点是：1）具有隐蔽性好和低的截获概率；2）具有保密性；3）具有多址性；4）具有抗宽带干扰、抗多频干扰及单频干扰的能力；5）具有抗多径效应的能力；6）可实现精确的测距定位；7）适用于数字话音和数据信息的传输。各种扩频方式的比较59其局限性是:1）虽然可与窄带系统电磁兼容；但不能与其建立通信；2）存在明显的远近效应；3）处理增益受限于码片(chip)速率和信源的比特率。

其局限性是:60二、跳频系统的扰点与局限其优点是：1）具有保密性；2）具有抗单频及部分带宽干扰的能力；3）具有抗多径衰落的能力；4）可构成跳频码分多址系统；5）能与现有的窄带系统兼容通信；6）无明显的远近效应。其局限性是：1）信号的隐蔽性差；2）跳频系统抗多频干扰及跟踪式干扰能力有限；3）快速跳频器的限制。

二、跳频系统的扰点与局限61表2-1三种扩频体制的比较表2-1三种扩频体制的比较62表2-2各种扩频体制的处理增益表2-2各种扩频体制的处理增益63现在对直扩、慢跳频、快跳频、线性调频进行综合比较。现在对直扩、慢跳频、快跳频、线性调频进行综合比较。64混沌所谓混沌理论：是系统从有序突然变为无序状态的一种演化理论，是对确定性系统中出现的内在“随机过程”形成的途径、机制的研讨。混沌信号具有的随机性、宽带性、似噪声以及对初始条件的极端敏感性的特点。可以用混沌序列取代扩频通信系统中的伪随机码进行扩频通信。混沌所谓混沌理论：是系统从有序突然变为无序状态的一种演化理65从历史上看，将混沌用于通信并引起人们的重视，至少有三大历史事件起着根本性的作用。第一件是20世纪80年代早期实现了用电子电路展示混沌的行为。第二件是1990年Pecora和Carroll发现在适当的耦合或驱动条件下可以实现两个混沌系统同步，这说明有可能实现混沌信号的相干检测，进而说明了实现基于混沌通信的可能性。第三件也是最根本的一步，即人们对非线性（混沌）的进一步认识，人们意识到混沌系统同时具有确定系统和随机系统的性质。20世纪70年代数学家就掌握了这种非线性系统的思想，并将非线性理论的现代分析方法引入到混沌工程中。以上几件事推动了混沌理论在通信系统中的发展。从历史上看，将混沌用于通信并引起人们的重视，至少有三大历史事66混沌的属性为了更好地了解什么是混沌，这里列举了混沌的一些主要特征：1.混沌产生于确定性的非线性过程。2.它的运动看似无组织无规则，实际上它通常可以通过所有的随机检测检验，并具有一个恒定的概率分布。3.混沌行为对初始值得变化（初始变量的微小改动）非常敏感。混沌信号的自相关函数在零点有峰值，并随相关时间快速下降。4.可以从简单的系统中得到混沌。在非自治系统中（自治系统方程中含时间t），甚至在只有一个状态变量的条件下产生混沌。5.混沌并不是由数据不准确而产生的，任何特定的初始条件（正确或错误），只要控制参数在一定的范围内均可以产生混沌。混沌的属性为了更好地了解什么是混沌，这里列举了混沌的一些主要676.虽然混沌自身表现杂乱无章，但是混沌中包含一个或多个有序结构，其相空间轨道可能存在分形性质。（自相似性）7.当控制参数适当的变化时，一个非混沌系统能沿着一些典型的混沌道路通向混沌。6.虽然混沌自身表现杂乱无章，但是混沌中包含一个或多个有序结68混沌通信近年来，个人通信正在迅速发展，它的宗旨是保障移动通信终端之间声音和数据服务的有效性。在有些领域带宽的利用率尤为重要，但是一些应用中带宽的利用率相对较低，因此可以用一种限制了带宽效率的宽带通信技术。传统的解决方案是：用一个同步的伪随机序列将信号的能量扩展在一个更宽的频带上以传输基带信号。传输信号类似于噪声，因此不易被窃听者破获。而且这种信号功率谱密度降低，抗干扰性好。但是随着宽带数据业务和多媒体通信的迅速发展，通信网络资源正在耗尽，传统的通信方案缺点也显露出来。例如为了达到载波及符号的同步，必须要求支扩序列的码分多址系统的扩频序列具有周期性，另外扩频序列的正交性要求在同一频带内的所有扩频序列同步，即整个系统是同步的。这在真实系统中很难达到。混沌通信近年来，个人通信正在迅速发展，它的宗旨是保障移动通信69而混沌信号的特有属性提供了一种使得传输信号噪声化的方法。即不是将待传输符号表示成周期性基底函数的加权和，而是表示成非周期的混沌信号。

而混沌信号的特有属性提供了一种使得传输信号噪声化的方法。即不70混沌同步1990年Ott,Grebogi和Yorke提出了一种控制混沌动力学系统的方法(简称OGY法)，它是建立在混沌吸引子中嵌入有无数不稳定周期轨道的基础上，利用混沌运动对外部扰动很敏感的特点，给混沌系统一个微小的外部扰动，使系统的运动稳定在某一周期轨道上。接着，Pecora和Carroll发现混沌动力学系统具有自同步的性质，即当一个自治的动力学系统至少能分解成两个或两个以上单向耦合的子系统时，其中一个或多个子系统的行为依赖于另一个子系统的行为，前者称为响应系统，后者称为驱动系统。当且仅当响应系统的条件Lyapunov指数全为负时，尽管响应系统与驱动系统的初始条件可能不同，但响应系统的轨道最终要跟踪收敛到与驱动系统完全相同的轨道上。这种同步化法又进一步发展成级联同步化法。混沌同步1990年Ott,Grebogi和Yorke提出了一71混沌通信系统目前研究混沌在通信中的应用的主要分为两大类：一类是利用混沌同步实现通信，另一类是直接利用混沌通信。混沌通信方法主要划分为四大类：（1）混沌掩盖（2）混沌扩频（3）混沌键控（4）混沌参数调制。第一类属于混沌模拟通信，后三类属于混沌数字通信。常见的混沌通信系统有：混沌掩盖通信、混沌扩频通信、混沌键控通信（CSK通信、COOK通信、DCSK通信、FM-DCSK通信、QCSK通信）、混沌参数调制通信。混沌通信系统目前研究混沌在通信中的应用的主要分为两大类：一类72第二章扩频系统的工作原理直接序列（DS）扩频系统（SS）跳频线性跳频扩频系统混合扩频系统第二章扩频系统的工作原理直接序列（DS）扩频系统（SS）732.1直接序列扩频系统直接序列扩频通信系统是目前应用较为广泛的一种扩频系统。对其研究最早，成果较多，如美国的国防卫星通信系统，全球定位系统，航天飞机通信用的跟踪和数据中继卫星系统等。直扩系统是将要发送的信息用伪随机序列（PN）扩展到一个很宽的频带上，在接收端用与发送端相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的信息。2.1直接序列扩频系统直接序列扩频通信系统是目前应用较为广泛742.1.1直扩系统的组成直扩系统组成原理框图2.1.1直扩系统的组成直扩系统组成原理框图75a(t)是信源输出信号，码元持续时间为Ta。c(t)是伪随机码，每一个伪随机码宽度为Tc。将信码与伪随机码进行模2加，产生速率与伪随机码速率相同的扩频序列，再用扩频序列去调制载波，就可以得到已扩频调制的射频信号。在接收端，收到的扩频信号进高放和混频后用与发端同步的伪随机序列对中频的扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复成信息序列a(t)的频带，即中频信号；然后再进行解调，恢复出所传输的信息a(t),从而完成信息的传输。对于干扰信号和噪声，因与伪随机码序列不相关，在相关解扩的作用下，相当于进行了一次扩频。干扰信号和噪声频带被扩展后，谱密度降低，大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪比和信干比提高，从而提高系统抗干扰能力。a(t)是信源输出信号，码元持续时间为Ta。c(t)是伪随机76PN码就是伪随机码，具有与二元随机序列性质相似的周期性码组。是一种预先确定,并可重复实现的具有某种随机特性的码,它仅有2个电平,是具有与白噪声类似的自相关性质的0和1所构成的编码,只是幅度概率分布不再服从高斯分布。PN码就是伪随机码，具有与二元随机序列性质相似的周期性码组。772.1.2直扩系统的信号分析信号源产生的信号a(t)为信息流，码元速率为Ra,码元宽度为Ta，Ta=1/Ra,则信号a(t)为式中an为信息码，以概率P取+1，以1-P取-1。ga(t)为门函数在[0,Ta]上取1，其他取0。2.1.2直扩系统的信号分析信号源产生的信号a(t)为信息流78伪随机序列产生器产生的伪随机序列它的速率为Rc,切普宽度为Tc,Tc=1/Rc,则cn为伪随机码码元，取值+1或-1；gc(t)为门函数。伪随机序列产生器产生的伪随机序列它的速率为Rc,切普宽度为T79扩频过程实质上是消息流a(t)与伪随机码序列c(t)模2或相乘的过程。伪随机码速率Rc比信息速率Ra大得多，一般Rc/Ra>>1且为整数，所以扩频后的序列速率仍为伪随机码速率Rc,扩展的序列d(t)为扩频过程实质上是消息流a(t)与伪随机码序列c(t)模2或相80用此扩展后的序列去调制载波，将信号搬到载频上去。用于直扩系统的调制，原则上大多数数字调制方式均可，但应视具体情况，根据系统的性能要求来确定，较多的用BPSK,MSK,QPSK,TFM等。先对PSK进行分析，用一般的平衡解调器就可以完成PSK调制。调制后的信号s(t)为ω0是载波频率ω0是载波频率81接收端天线上感应的信号经过高放和混频得到以下几部分信号:有用信号SI(t)、信道噪声nI(t)、干扰信号JI(t)和其他网的扩频信号SJ(t)等，即收到的信号（经混频）后为rI(t)=SI(t)+JI(t)+nI(t)+SJ(t)接收端的伪随机码产生器产生的伪随机序列与发送端的相同，但起始时间和初始相位可能不同，为c'(t)。解扩与扩频过程相同，用本地伪随机码序列c'(t)与接收到的信号相乘，相乘后为r'I(t)=rI(t)c'(t)=s'I(t)+n'I(t)+J'I(t)+s'J(t)接收端天线上感应的信号经过高放和混频得到以下几部分信号:有用82先看信号s'I(t),则若本地产生的伪随机码序列c'(t)与发端产生的c(t)同步，有c'(t)=c(t)，则c(t)c'(t)=1，这样分量s'I(t)为后面所接收的滤波器的频带正好能让信号通过，因此可以进入解调器进行解调，将有用信号解调出来。先看信号s'I(t),则若本地产生的伪随机码序列c'(t)与83扩频系统的波形示意图如图2-2所示：图2-2扩频系统的波形示意图如图2-2所示：图2-284下面分析直扩信号的功率谱。发送端发送的信号s(t)为分析方法是求出s(t)的自相关函数再进行傅里叶变换，就可得到s(t)的功率谱密度Gs(f)。对s(t)求自相关函数有由于a(t)和c(t)是由两个不同的信号源产生的，因而是相互独立的，则式中a(t)和c(t)的自相关函数分别为下面分析直扩信号的功率谱。发送端发送的信号s(t)为分析方法85c(t)为长度是N的周期性伪随机序列，故自相关函数也是周期为N的周期性函数，为其波形如图2-3所示：

图2-3的波形图c(t)为长度是N的周期性伪随机序列，故自相关函数也是周期为86对进行傅里叶变换，得到c(t)的功率谱密度为对进行傅里叶变换，得到c(t)的功率谱密度为87功率谱如图图2-4(a)为c(t)的功率谱，(b)为s(t)的功率谱功率谱如图图2-4(a)为c(t)的功率谱，(b)为s(t)882.1.3处理增益与干扰容限1.处理增益在扩频系统中,传输信号在扩频和解扩的处理过程中,扩展频谱系统的抗干扰性能得到提高,这种扩频处理得到的好处,就称之为扩频系统的处理增益,其定义为接收相关处理器输出与输入信噪比的比值,即处理增益与干扰容限是扩频系统的两个重要抗干扰指标下面分别讨论。2.1.3处理增益与干扰容限1.处理增益处理增益与干扰容89一般用分贝表示,为

一般用分贝表示,为90对于直扩系统，解扩器的输出信号功率不变，但对于干扰信号而言，由于解扩过程相当于干扰信号的扩展过程，干扰功率被分散到很宽的频带上，进入解调器输入端的干扰功率相对于解扩器输入端下降很大，即干扰功率在解扩前后发生了变化，因此对于直扩系统处理增益就是干扰功率减小的倍数。对于直扩系统，解扩器的输出信号功率不变，但对于干扰信号而言，91扩频通信系统工作原理课件92则系统的处理增益为可见，直扩系统的处理增益为扩频信号射频带宽与传输的信息带宽的比值，或为伪随机码速率Rc与信息传输速率Ra的比值，也就是直扩系统的扩频倍数。扩频通信系统工作原理课件932.干扰容限所谓干扰容限,是指在保证系统正常工作的条件下,接收机能够承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数,用Mj表示,有式中Ls为系统内部损耗，(S/N)0为系统正常工作时要求的最小输出信噪比，即相关器的输出信噪比或解调器的输入信噪比；Gp为处理增益。2.干扰容限式中Ls为系统内部损耗，(S/N)0为系统正常94干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能抵抗的极限干扰强度，因而干扰往往比处理增益能更确切的反应系统的抗干扰能力。干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能抵抗的极限干扰强度，因而952.1.4直扩系统的主要用途及特点主要特点：（1）具有较强的抗干扰能力。扩频系统经过相关接收，将干扰功率扩展到很宽的频带上去，使进入信号频带内的干扰功率大大降低，提高了解调器输入端的信噪比，从而提高了系统的抗干扰能力。（2）具有很强的隐蔽性和抗侦查、抗窃听、抗侧向的能力。扩频信号的谱密度很低，使信号湮没在噪声之中，不易被敌方截获、侦查、测向和窃听。（3）抗衰落，特别是抗频率选择性能好。直扩信号的频谱很宽，一小部分衰落对整个信号的影响不大。2.1.4直扩系统的主要用途及特点主要特点：96（4）可以提高分辨率的测向、定位。利用直扩系统伪随机码的相关性，可以完成精度很高的测距和定位。（5）具有选址能力，可以实现码分多址。（6）抗多径干扰。直扩系统主要用途：主要用于通信抗干扰、卫星通信、导航、保密通信、测距和定位等方面。（4）可以提高分辨率的测向、定位。利用直扩系统伪随机码的相关972.1.5常用直扩调制方式常用的直扩方式有正交相移键控（QPSK）直接序列扩频和最小频移键控（MSK）。下面具体介绍（QPSK）：1）具有任意数据相位调制的QPSK直接序列扩频系统下图为一般QPSK直接序列扩频系统发端框图。其中数据调制可采用任意数据相位调制方法。正交混合网络将输入功率在两个正交支路中均分。QPSK调制器的输出为2.1.5常用直扩调制方式常用的直扩方式有正交相移键控（QP98式中,c1(t)和c2(t)分别为同相和正交扩频波形，扩频波形的取值为±1。假设这些扩频波形是切普(Chip)同步的，并且彼此独立。上式中两个正交项的功率谱均与BPSK信号的功率谱形式相同，故总QPSK信号的功率谱等于两项功率谱的代数和。这时可通过计算S(t)信号自相关函数来求其功率谱。一般QPSK扩频接收机框图如下图所示。其中带通滤波器的中心频率为ωIF，其带宽足以不失真地通过数据已调信号。利用简单的三角等式变换可得x(t)和y(t)：式中,c1(t)和c2(t)分别为同相和正交扩频波形，扩99如果接收机解扩码相位正确，则因此有用信号被解扩。解扩的有用信号通过带通滤波器，而无用项被滤除，于是

上述过程已假设接收机载波相位已达到正确同步，由z(t)可见数据已调信号已完全恢复。z(t)信号经过解调后即可恢复原始数据如果接收机解扩码相位正确，则因此有用信号被解扩。解扩的有1002.2跳频跳频系统的载频受一伪随机码的控制，不间断、随机的跳变，可看成载频按照一定规律变化的多频频移键控（MFSK）。与直扩系统比较，跳频系统中的伪随机码序列并不直接传输，而是用来选择信道。2.2跳频跳频系统的载频受一伪随机码的控制，不间断、随机的跳1012.2.1跳频系统的组成跳频系统的组成如图2-8所示：

图2-8跳频系统的组成2.2.1跳频系统的组成跳频系统的组成如图2-8所示：102信源产生的信息流去调制频率合成器产生的载频，得到射频信号。频率合成器产生的载频受伪随机码的控制。跳频系统解调多采用FSK、ASK等进行非相干解调。信源产生的信息流去调制频率合成器产生的载频，得到射频信号。频103２.２.２跳频系统的信号分析设信源产生的信号a(t)为双极性数字信号,则式中:an为信息码,取值＋1或－1。0≤t≤Ta其他

Ta为信息码元宽度。２.２.２跳频系统的信号分析式中:an为信息码,取值＋104跳频系统的频率合成器产生的频谱图和跳频系统的射频信号的频谱图如图２-９所示。理想的频率合成器产生的频谱图为离散的、等间隔的、等幅的线谱，占用的频带为Ｂ＝ｆＮ－ｆ１，每个频率之间的间隔为∆ｆ。某一时刻的频率是Ｎ个频率中的一个，由伪随机码确定如图２-９（ａ）所示。图２-９（ｂ）为跳频信号的频谱图，在某一时刻跳频系统是窄带的，从整个区间看，信号在整个区间跳变，是宽带的。跳频系统的频率合成器产生的频谱图和跳频系统的射频信号的频谱图105

图２-９跳频系统频谱图

(a)频率合成器频谱图;(b)跳频信号频谱图图２-９跳频系统频谱图106跳频系统的抗干扰机理：发送端的载频受伪随机码的控制，不断地、随机的改变，躲避干扰；在接收端，用与发端相同的伪随机码控制本地频率合成器产生的频率，使之与发端的载频同步跳变，混频后使之进入中频频带内；对于干扰信号，由于不知跳频系统载频变化规律，经过接收机接收，不能进入中频频带，也就不能形成干扰。跳频系统的抗干扰机理：发送端的载频受伪随机码的控制，不断地、107跳频系统抗干扰性能指标－处理增益设在一射频频带内射频内，等间隔分为Ｎ个频道，即可用频率数为Ｎ，频率间隔∆ｆ，如图２-９（ａ）所示，信息带宽为。定义跳频系统的处理增益为射频带宽与信息带宽之比，即可见，跳频系统的抗干扰性即处理增益是与跳频系统的可用频道数N成正比的，N越大，射频带宽Ｂ射频越宽，抗干扰性越强。跳频系统抗干扰性能指标－处理增益可见，跳频系统的抗干扰性即处108击中概率若在Ｂ射频内有N个频道和J个固定干扰，这J个干扰频率正好与N个频率中的J个频率相同，且假设N个频率是等概率出现的，那么这个干扰频率将形成一定的干扰。把干扰频率与信号频率相同，且干扰功率超过信号功率形成的干扰成为“击中”，“击中”概率为由此可知为了降低“击中“概率，可以提高可用频道数。击中概率由此可知为了降低“击中“概率，可以提高可用频道数。109频率跳变规律如图2-10所示

图2-10跳频图案

频率跳变规律如图2-10所示110扩频通信系统工作原理课件1112.2.3跳频系统的特点及常用非相干跳频系统

跳频系统的主要特点有：具有较强的抗干扰能力、易于组网，实现码分多址，频谱利用率高、易兼容、解决了“远-近”问题、采用快跳频可纠错码系统用的伪随机码速率比直扩系统低得多同步要求低，因而时间短入网快。目前，跳频系统主要用于军事通信，如战术跳频电台、抗干扰等，但也正在迅速的向民用通信渗透，如移动通信、数据传输、计算机无线数据传输、无线局域网等。2.2.3跳频系统的特点及常用非相干跳频系统1122.3线性调频扩频系统线性调频又称为

Chirp系统,其发射脉冲信号的载频在信息脉冲持续时间T内作线性变化,其瞬时频率随时间线性变化,如图2-11所示。载波频率在脉冲起始与终了时刻的频

差为

Δf=|f1-f2|=B2.3线性调频扩频系统线性调频又称为Chirp系统,其发113线性调频信号的波形如图2-11所示：

图2-11线性调频信号波形线性调频信号的波形如图2-11所示：114线性调频信号的频率在信息脉冲持续时间T内随时间线性变化,由此可得其瞬时频率与时间的关系为ω(t)=ω0+μt式中ω0为载波频率,μ为一常数,所以线性调频信号的瞬时相位ψ(t)和线性调频信号在信息脉冲持续时间T内的表达式s(t)分别为线性调频信号的频率在信息脉冲持续时间T内随时间线性变化,115线性调频信号的产生方法,可由一个锯齿波信号控制压控振荡器(VCO)来实现。振荡频率随锯齿波而变化,因此脉冲信号的载频从原来单一频率展宽为

ΔF＝B,如图2-12所示。

图2-12线性调频信号产生方法线性调频信号的产生方法,可由一个锯齿波信号控制压控振荡器(116线性调频信号处理增益为信号带宽与信息带宽之比

由s(t)可推导出线性调频系统的频谱表达式。首先把它表示为复信号并对其进行傅里叶变换即可。线性调频信号处理增益为信号带宽与信息带宽之比由s(t)可推导117

图2-13线性调频信号频谱由图可见，信号能量的90%都集中在带宽B内，并且是均匀分布的。图2-13线性调频信号频谱由图118线性调频信号的接收

线性调频技术主要用于雷达中,短波通信中也有应用。线性调频系统的工作原理

如下:发射端用一锯齿波信号控制压控振荡器,就可产生随锯齿波斜率变化的线性调频信号,如图2-12所示。线性调频信号的接收解调器由匹配滤波器来完成。匹配滤波器由色散延迟线(

DDL)构成,这种延迟线对高频成分延时长,对低频成分延时短。线性调频信号的接收119因此,频率由高变低的载波信号通过匹配滤波器后,各种频率几乎同时到达输出端,这些信号成分叠加在一起,形成对脉冲时间的压缩,使输出信号的幅度增加,能量集中,形成一相关峰,如图2-14所示,通过对相关峰的检测,就可把信号检测出来。2-14线性跳频信号的接收因此,频率由高变低的载波信号通过匹配滤波器后,各种频率120由匹配滤波器理论知,匹配滤波器的冲激响应h(t)与信号s(t)之间的关系为

h(t)=s(T-t)则匹配滤波器的冲激响应h(t)为由匹配滤波器理论知,匹配滤波器的冲激响应h(t)与信号s(1212.4混合扩频系统1.

FH／DS系统跳频和直扩系统都具有很强的抗干扰能力,是用得最多的两种扩频技术。由前面的分析可知,这两种方式都有自己的独到之处,但也存在着各自的不足,将两者有机地结合起来,可以大大改善系统性能,提高抗干扰能力。FH／DS和FH、DS一样,是用得最多的扩频方式之一，其原理如图2-15所示。2.4混合扩频系统1.FH／DS系统122

图2-15FH／DS信号频谱图图2-15123

需要发送的信号首先被伪随机码I扩频,然后去调制由伪随机码Ⅱ控制的频率合成器产生的跳变频率,被放大后发送出去。接收端首先进行解跳,得到一固定中频的直扩信号,然后进行解扩,送至解调器,将传送的信号恢复出来。在这里用了两个伪随机码,一个用于直扩,一个用于控制频率合成器。一般用于直扩的伪随机码的速率比用于跳频的伪随机码的速率要高得多。FH／DS信号频谱如图2-16所示。

图2-16FH/DS信号频谱需要发送的信号首先被伪随机码I扩频,然后去调制由伪随机码124采用FH／DS混合扩频技术,有利于提高系统的抗干扰性能。干扰机要有效地干扰FH／DS混合扩频系统,需要同时满足两个条件:a.干扰频率要跟上跳变频率的变化;b.干扰电平必须超过直扩系统的干扰容限。否则,就不能对系统构成威胁。这样,就加大了干扰机的干扰难度,从而达到更有效地抗干扰的目的。混合系统的处理增益为直扩和跳频的处理增益的乘积,即采用FH／DS混合扩频技术,有利于提高系统的抗干扰性能。125或式中:BDS为直扩信号带宽;BS为信号带宽;N为跳频的可用频道数。或式中:BDS为直扩信号带宽;BS为信号带宽1262.TH／DS系统这种系统是时分复用加上直接序列扩频,可以增加多址通信的地址数。由于直扩系统中收发两端之间已有准确的时间同步(码元同步),即已经有很好的定时,足以保证时分复用正常工作,这就为增加跳时技术带来了方便。因此在直扩中增加跳时功能时,只需要加一个通断开关及有关的控制电路即可,图2-17给出了这种系统的原理框图。2.TH／DS系统127

图2-17TH／DS系统原理框图

(a)发射;(b)接收图2-17TH／DS系统原理框图128这种系统（TH／DS）是解决“远-近”问题的几种富有生命力的方法之一。对于在同一条射频链路上距离和发射功率有很大变化的双工、无线电话交换网,如果以随机选呼离散地址作为基本的通信方式,则比较适合采用TH/FH系统。这种系统（TH／DS）是解决“远-近”问题的几种富有生命力的129

远近效应，是指在移动通信系统中，由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站间的距离也是随机变化的，若各移动用户发射功率一样，那么到达基站的信号强弱不同，离基站近信号强反之则弱，通信系统的非线性则进一步加重，出现强者更强的现象。远近效130各种扩频方式的比较1.FH与DS的比较一、直扩系统的优点与局限优点是：1）具有隐蔽性好和低的截获概率；2）具有保密性；3）具有多址性；4）具有抗宽带干扰、抗多频干扰及单频干扰的能力；5）具有抗多径效应的能力；6）可实现精确的测距定位；7）适用于数字话音和数据信息的传输。各种扩频方式的比较131其局限性是:1）虽然可与窄带系统电磁兼容；但不能与其建立通信；2）存在明显的远近效应；3）处理增益受限于码片(chip)速率和信源的比特率。

其局限性是:132二、跳频系统的扰点与局限其优点是：1）具有保密性；2）具有抗单频及部分带宽干扰的能力；3）具有抗多径