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1、第5章 扩频抗干扰通信系统,5.1 扩频通信概述 5.2 直接序列扩频系统 5.3 跳频扩频通信系统 5.4 跳时系统 5.5 混合扩展频谱系统,5.1 扩频通信概述,扩频通信是当今国际上高新科技的热点之一，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。,几十年来，通信技术不断发展和演变，从有线（电缆、光纤）到无线（短波、VHF/UHF、微波、卫星）基本上是媒质和信道的变化，而突破性的进展并不多。扩频通信系统的出现，是通信技术的一次重大突破。,有关扩频通信技术的观点最早是在1941年由好莱坞女演员海蒂.拉玛(Hedy Lamarr)和钢琴家George Antheil
2、提出的，并申请了美国专利#2.292.387。不过，当时该技术并没有引起美国军方的重视。,高通（Qualcomm）是一家美国的无线电通信技术研发公司，成立于1985年7月，在以技术创新推动无线通讯向前发展方面扮演着重要的角色，以在CDMA技术方面处于领先地位而闻名，而CDMA技术已成为世界上发展最快的无线技术。,5.1.1 扩频通信的概念,扩频通信就是扩展频谱(SS， Spread Spectrum)通信,所谓扩频通信，是指系统所传输的信号被扩展至一个很宽的频带。 扩频通信所传递信息的信号带宽远远大于原始信息本身的带宽。,通常规定：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
3、带宽之比fSS/B称为扩频因子。 当fSS/B=12，即射频信号带宽略大于信息带宽时，称为窄带通信； 当fSS/B40，即射频信号带宽大于信息带宽时，称为宽带通信； 当fSS/B100，即射频信号带宽远大于信息带宽时，称为扩频通信。,例子： 一个扩频系统的处理增益为35dB，要求误码率小于一定值的情况下信息数据解调的最小输出信噪比小于10dB，系统损耗Ls等于3dB，则干扰容限Mj=35-(10+3)=22dB 这说明，该系统能在干扰输入功率电平比扩频信号功率电平高22dB的范围内正常工作，也就是该系统能够在接收输入信噪比大于或等于22dB的环境下正常工作。,本章研究的扩展频谱是指占用的传输带
4、宽远大于传输同样信息所需的最小带宽的情形。通常所说的扩频系统需要满足以下几个条件：,(1）信号占用的带宽远远超出发送信息所需的最小带宽;,(2）扩频是由扩频信号实现的，扩频信号通常称为编码信号，与数据无关;,(3）接收端解扩是将接收到的扩频信号与扩频信号的同步副本通过相关处理完成的。,扩频通信是用高速码元序列信号调制载波，把信号频谱扩展到更宽的频带，使被传输的信号幅度低于噪声电平，这就大大提高了通信的隐蔽性和抗干扰能力。,例如，高速码元序列的时钟为4MHz，fSS=10MHz，而信息基带为B=10kHz，则fSS/B1000。,由于扩频系统利用了扩展频谱技术，在接收端对干扰频谱能量加以扩散，对
5、信号频谱能量压缩集中，因此，在输出端就得到了信噪比的增益，这样的扩频通信机制，可以在很小的信噪比情况下进行通信，甚至可在信号比干扰信号低得多的条件下实现可靠地通信。这种“去掉干扰”能力的功能，是扩频通信的主要优点之一。,1.抗干扰能力强,5.1.2扩频通信的特点,图51扩频效果示意图 (a)白噪声环境；(b)人为干扰环境,白噪声和人为干扰噪声下的扩频效果,3.安全通信,4.距离分辨率高,5.信息传输方便灵活,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。,1)信号功率密度低 2)数字信息易加密 3)通信信息不易被窃取 4)通信不易被破坏,抵抗频率选择性衰
6、落,5.1.3扩频通信基本理论 扩频技术的基本理论根据是信息论中的香农(Shannon)公式。香农公式在前面已做过论述，它可用于实际的有扰连续信道。当信道受到加性高斯噪声的干扰，且信道传输信号的功率和信道的带宽受限时，无差错传输的最大信息速率C为,(52),香农公式表明了一个信道无误差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。,对于干扰环境中的典型情况，SN1时，,(53),例如，我们希望一个系统工作于干扰比信号大100倍的环境中，即SN=1/100。要求传信率是3000bs，由式(53)可知，系统应有的带宽为,5.1.4扩频通信系统的类型 1.直接序列扩频（
7、DS，DirectSequencing） 要传送的信息经伪随机序列(或称伪噪声码)编码后对载波进行调制。在发信端直接用扩频序列去扩展信号的频谱，在收信端，用相同的扩频码序列进行解扩，将展宽的频谱扩展信号还原成原始信息。因为伪随机序列的速率远大于要传送信息的速率，所以受调信号的频谱宽度将远大于要传送信息的频谱宽度，故称之为扩频。,2.跳频(FH，FrequencyHopping) 荷载信息的信号频率受伪随机序列的控制，快速地在一个频段中跳变，此跳变的频段范围远大于要传送信息所占的频谱宽度，故跳频也属于扩频技术。只要收、发信双方保证时频域上的调频顺序一致，就能确保双方的可靠通信。在每一个跳频时间的
8、瞬时，用户所占用的信道带宽是窄带频谱，随着时间的变换，一系列的瞬时窄带频谱在一个很宽的频带内跳变，形成一个很宽的跳频带宽。,3.跳时(TH，TimeHopping) 把每个信息码元划分成若干个时隙，此信息受伪随机序列的控制，以突发的方式随机地占用其中一个时隙进行传输。因为信号在时域中压缩其传输时间(占空比为1/n)，相应地在频域中要扩展其频谱宽度，故跳时也属于扩频技术。,4.线性调频扩频(Chirp) 线性调频扩频(Chirp)是指在给定脉冲持续间隔内，系统的载频线性地扫过一个很宽的频带。因为频率在较宽的频带内变化，故信号的带宽被展宽。 5.混合扩频 几种不同的扩频方式混合应用，如直扩和跳频的
9、结合(DS/FH)，跳频与跳时的结合(FH/TH)，以及直扩、跳频与跳时的结合(DS/FH/TH)等。 在扩频系统中，直扩(DS)、跳频(FH)是两种最重要的形式，应用得较普遍的是DS和FH以及二者的结合(DS/FH)。,5.2.1扩频通信的基本原理,5.2直接序列扩频系统,直接序列扩频系统：直接用编码序列对载波调制的系统。,要传送的信息经数字化后变成二元数字序列，它和伪随机序列模2相加后成为复合码去调制载波，通常对载波进行相移键控调制。,图5-2 扩频通信系统模型 （a）发射系统；（b）接收系统,图53理想扩展频谱系统波形,图54扩频接收机的基带滤波器输出频谱 (a)接收机输入；(b)混频器
10、输出；(c)窄带滤波器输出,从扩展频谱信号中恢复基带信号d(u，t)，是利用了下列两个基本关系式，即,d(u，t)c(u，t)c*(u，t)d(u，t),(54),其中：d(u，t)c(u，t)是接收到的扩频信号，c*(u，t)是本地扩频码信号，它与c(u，t)共轭。若用序列逻辑运算，可表示为,d(u)c (u)c*(u)=d(u),(55),图55直接序列扩频系统 (a)BPSK直接序列调制发送端；(b)简化的BPSK直接序列发送端； (c)BPSK直接序列扩频接收端,5.2.2直接序列扩频信号,图56直接序列扩频信号传输图,5.2.3直接序列扩频信号的相关解扩,图57直接序列扩频信号的相关
11、接收与解扩,图58数据与扩频信号的功率谱,在CDMA系统中的某个小区中，系统为用户1分配的扩频码为-1 1 -1 1，用户1的话音信号数据为1 -1 -1 1 -1 -1，速率为13kbps,则在发射机端，该话音数据经过扩频后为（每个语音信号比特与扩频码进行相乘）速率为52kChip/s的扩频信号： -1 1 -1 1，1 -1 1 -1，1 -1 1 -1，-1 1 -1 1，1 -1 1 -1，1 -1 1 -1 在接收端，用同样的扩频码-1 1 -1 1进行解扩（对扩频信号做逐码片相乘，然后每4个码片进行求和）：4 -4 -4 4 -4 -4 如果我们用系统分配给用户2的扩频码-1 -1
12、 1 1对用户1的接收信号进行解扩处理，得到的是0 0 0 0 0 0,例子,5.3 跳频扩频通信系统,5.3.1跳频通信的基本原理,跳频通信是指传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式。,通信使用的载波频率被一组高速变化的码控制而随机跳变。这种控制载波变化的规律，通常又叫做“跳频图案”。,图512跳频系统简单原理图,图513跳频时频矩阵图 (a)跳频图案；(b)跳频时频矩阵；(c)跳频频率间隔,s1(t)=m(t)cos(0+nT)t+n,发送的跳频信号：,接收的信号：,sp(t)=(1/2) m(t) cos(I t+i) + cos(0+r +2nT)t+n+r,跳频通信的数
13、学模型,从上述跳频系统的物理概念可以看出，跳频系统也占用了比信息带宽要宽得多的频带。从每一瞬间来看，它只是在单一射频载波上通信。但从总体上看，它所占用带宽BRF=N(1/T)，提供了抗干扰能力。,(522),快跳频图案,慢跳频图案,110100011001,5.3.5跳频通信系统的技术特点,(1)抗干扰能力强。,(2)具有多址组网能力和高的频带利用率。,(3)具有抗衰落能力。,(4)易于与窄带通信系统兼容。,(5)具有一定的保密能力。,跳时即将一个信码的持续时间分成若干时隙，由伪随机编码序列控制信码在不同的时隙中发射。,5.4 跳时系统,跳时系统(TH)也是一种扩展频谱技术，主要用于时分多址(
14、TDMA)通信。,跳时示意图,跳时系统的扩频增益=时隙数目或占空比的倒数,跳时信号波形,图521跳时系统方框图 (a)发送端；(b)接收端,5.5混合扩展频谱系统,单一的扩频系统很难满足扩频增益的要求,例 某系统数据率10kbps，要求扩频增益50dB，试设计一扩展频谱系统。,若采用直接序列扩展频谱系统来满足此项指标要求时，需要产生码片速率1000Mchip/s的伪随机序列，这在技术上是难度极大的。,如果用跳频系统来实现，要求跳频器输出的跳频频率数是100000个。制作10万个输出频率的跳频器在技术上也是很困难的。,DS:,FH:,如果采用直接序列/跳频(DS/FH)扩展频谱系统时，直接序列的码片速率用10Mchip/s，可获得扩频增益30dB，剩下的20dB扩频增益由跳频系统来完成。20dB扩频增益要求跳频器输出的跳频频率数为100个。显然，这种混合式扩展频谱系统既能满足指标要求，系统中的各部件的技术难度又都大大降低了，容易实现。,DS/FH:,DS/FH系统的扩频增益=DS扩频增益与FH扩频增益乘积,5.5.1跳频/直接序列混合系统,图522FH/DS系统框图 (a)发射端；(b)接收端,DS/FH示意图,作业：5-11,5-13,
