无线电抗干扰通信原理及应用

《无线电抗干扰通信原理及应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无线电抗干扰通信原理及应用（337页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第3章 扩展频谱通信系统,3.1 扩展频谱通信概述 3.2 扩展频谱技术原理 3.3 扩展频谱系统的同步 3.4 声表面波器件在扩谱系统中的应用,3.1 扩展频谱通信概述,3.1.1 扩展频谱技术的起源及发展 扩谱是一种信号带宽大于传送信息带宽的传输方法。信号带宽是受某一独立于传送信息的序列控制的，在接收端采用同步的序列来进行解扩及信息恢复。在扩谱理论刚刚形成时，人们将扩谱定义为“信号带宽远大于传送信息带宽”，但是，随着后来扩谱技术的应用，人们发现， 扩谱系统的信号带宽并不一定要远大于所传信息的带宽，甚至在信号带宽只有所传信息带宽的数倍时，仍能够体现扩谱技术的一些特征。因此，这些系统也是扩谱系

2、统。,3.1.2 扩展频谱通信的理论基础 虽然目前人们一般认为扩谱技术的理论基础是香农的信道容量公式，但是扩谱理论实际上是和香农的信息理论几乎在同一时期逐渐发展并建立起来的。香农理论虽然不能直接用到抗干扰研究中，但是它给出的结果确确实实影响了通信工程师们的想法。 香农信道容量公式给出了带限加性高斯白噪声(AWGN， Additive White Gaussian Noise）波形信道的信道容量公式:,(3-1-1),其中: 为信道的信号噪声功率比，简称信噪比；W为信道带宽；N=N0W，N0是噪声功率谱密度。,由式(3-1-1)可知，在信号功率及信道容量不变的情况下， 可以通过加大信号带宽来降低

3、系统对信噪比的要求。在这一理论的鼓舞下， 无线电工程师学会(IRE, the Institute of Radio Engineers）在1953年成立了信息理论专业组(PGIT, Professional Group on Information Theory）， 该组的首任三位主席依次是Nathan Marchand, W.G.Tuller和Louis deRosa。Marchand和deRosa这对密友对扩谱系统在那一时期的发展起到了重要的推动作用。,目前, 在对扩谱通信或CDMA通信的研究中，很多情况下将扩谱伪随机序列称为扩谱向量,即从向量空间的角度来理解扩谱的作用： 扩谱相当于将原来

4、在低维向量空间的信号向量（即常规通信信号）用扩谱向量扩展到高维的信号向量空间，而信号承载的信息量不变。也就是说，扩谱是在用一种高维数的向量来传递低维数的信息，因而大大增加了信号的冗余度。 利用增加的信号冗余度并结合相关处理，最终可达到抗干扰的目的。,3.1.3 扩展频谱技术的特点 （1） 具有低截获概率(LPI, Low Probability of Intercept）特性。 （2） 抗干扰能力强。 （3） 具有高时间分辨率。 （4） 具有信息保密性。 （5） 具有码分多址(CDMA, Code Division Multiple Access）能力。,3.1.4 扩展频谱技术的分类 人们虽

5、然受到香农公式的启发而开始研究扩谱技术，但是香农公式却没有给出扩谱实现的途径。 人们在探索扩谱技术的过程中， 逐渐统一了对扩谱调制体制与常规调制体制的认识， 目前一般认为它们的区别主要体现在两个方面： （1） 扩谱信号的带宽远大于传输信息的带宽。 （2） 扩谱信号的带宽由特定的扩频函数决定。 虽然宽带模拟调频信号的带宽也远大于传输的基带信号带宽，但是，由于其带宽不是由扩频函数决定的，因此不属于扩谱技术。,扩展频谱技术至今已经经历了近60年的发展，今天人们仍然在对扩谱技术进行研究。但是扩谱技术的基本种类却没有什么变化， 人们普遍将扩谱技术分为以下几种： (1) 直接序列(DS, Direct S

6、equence）扩谱。 直接序列扩谱一般简称为直扩，是指直接用双极性或多极性的伪随机序列， 对已调制或未调制信息的载频进行调制，达到扩展信号频谱目的的扩谱技术。 用于直扩的伪随机序列码片速率和扩谱的调制方式决定了直扩系统的信号带宽。 (2) 跳频(FH, Frequency Hopping）。 跳频指采用伪随机序列控制系统发射信号频率，使其按照一定的规律， 在给定的频段内周期地跳变。,(3) 跳时(TH, Time Hopping）。跳时是指采用伪随机序列来控制系统发射信号的有无和持续的时间。在数字通信系统中， 采用跳时方式时，由于发射信号的最小切普持续时间小于信息码元周期，因此发射信号的频谱

7、要宽于未跳时的信号频谱，从而达到频谱扩展的目的。但是由于跳时信号是一种低占空比的信号，其抗干扰能力不能和直扩、跳频技术相比，因此单独采用跳时实现扩谱的系统很少。 因此, 本书在后面介绍扩谱技术时， 不再对跳时进行详细介绍。,(4) 线性调频（Chirp）。 线性调频是指周期性地控制信号频率，使之由高到低或由低到高地变化， 达到扩展信号频谱宽度的技术。 (5) 混合体制。 所谓的混合体制， 是指在一个扩谱系统中采用了两种或两种以上的扩谱技术，以结合各种扩谱技术的优点， 达到更好的性能。 如美军的JTIDS就是一种FH/DS混合扩谱体制的通信系统。,3.2 扩展频谱技术原理,3.2.1 直扩系统（

8、DS-SS） 直接序列扩展频谱系统又称“平均”系统或伪噪声系统， 它是目前应用较广泛的一种扩展频谱系统。 为大家所熟知的GPS（Global Position System）就是一种典型的直扩系统; 在国外已获得成功的空间探测器“喷气推进实验室(JPL)”测距技术中也采用了直接序列扩谱调制; TATS-I军用卫星中的扩展频谱多址(SSMA)系统等都使用DS-SS。 目前，直接序列调制还用于各种测试系统和实验测试设备， 预计它将会被其它领域所采用。,1. 直扩系统的组成 图3-1给出了一种典型的直扩通信系统原理方框图。图中发送的数据经过编码器后，首先进行信息的BPSK调制，然后用产生的伪随机序列

9、对BPSK信号进行直扩调制，扩谱后的宽带信号经功放后由天线发射出去。接收端接收到的信号经过前端射频放大后，用本地伪随机序列对直扩信号完成“逆扩谱调制(解扩)”， 然后信号通过窄带带通滤波器，之后与本地载波相乘去载波，再经过低通滤波、 积分抽样后，送至数据判决器， 恢复出数据。,图3-1 直扩系统原理方框图 （a） 直扩发射机原理方框图； （b）直扩接收机原理方框图,图3 - 1 虚线框中的部分分别完成扩谱调制与解扩的作用。 在该模型中， 扩谱伪随机序列和信息同样采用了BPSK调制方式，扩谱的调制是通过直接对载波的调制来实现的。 直扩信号可以用下式来表示:,其中：P为直扩信号的平均功率；d(t)

10、是双极性单位功率的基带数据信号，取值为1；c(t)是双极性单位功率的伪随机序列信号；0是载频；0是载频的初相。,图3-2给出了系统工作的各部分波形示意图，其中（a）是发射机的工作波形，（b）是接收机的工作波形，图中的基带数据和伪随机序列信号都是单位功率的双极性信号。由图3-2(a) 可见，发射机发送的低速率基带信号经过载波调制后，成为窄带BPSK信号。设基带码速率为Rb，则窄带信号的第一零点带宽为2 Rb 。再经过扩谱调制后，扩谱信号的带宽主要由高速率的扩谱伪随机序列的速率决定。图 3 - 2(a)中给出的是BPSK调制， 如果伪随机序列的速率为Rc，则直扩信号的第一零点带宽则为2 Rc 。一

11、般有Rc Rb，因此，扩谱调制后信号的频谱被大大展宽了。,图3-2 直扩系统的工作波形示意图 （a）直扩发射机工作波形示意图; （b）直扩接收机工作波形示意图,图3-3 直扩接收机解扩处理前后的信号功率谱示意图 （a） 接收机输入信号功率谱; （b） 解扩处理后的信号功率谱; （c）经过窄带滤波器后的信号功率谱,2. 处理增益与干扰容限 前面我们以直扩系统为例定性介绍了扩谱系统的抗干扰原理，实际上任何扩谱系统都有这样一个特性， 即经过解扩器后信干比得到提高。显然，信干比提高的幅度的高低体现了扩谱系统的抗干扰性能。人们将扩谱系统的这一指标定义为扩谱系统的处理增益。 处理增益（Processing

12、 Gain）是指扩谱系统接收机相关检测器（解扩器）输出信噪比与接收机输入信噪比的比值。 处理增益越大，标志着扩谱系统对干扰的抑制能力也越强。 在本书中， 处理增益用GP表示，即,(3-2-2),针对不同的干扰样式，同一个系统的处理增益是不同的。 目前人们一般采用针对高斯白噪声干扰的理论值来定义处理增益， 即将在理想处理情况下，相关解扩器对高斯白噪声干扰信噪比的提高的倍数作为系统的处理增益。 处理增益虽然给出了系统对进入接收机的干扰的抑制能力，但通过处理增益并不能直观地知道扩谱系统的抗干扰能力。由于我们最关心的是系统在接收机输入端所能容忍的最大干扰强度，因此，衡量扩谱抗干扰能力的另一个更直观的指

13、标是干扰容限。,干扰容限定义为扩谱系统在解调性能满足要求的前提下，接收机前端所能容忍的最大干信比，一般用Mj来表示。所谓“解调性能满足要求”, 对于模拟话音通信系统来讲, 是指系统话音可懂度满足一定的要求（如要求话音可懂度在90以上）; 而对数字通信系统来讲, 是指系统的误码率满足一定的要求（如对于数字话音通信系统，一般要求误码率小于10-3; 而对于数据通信系统, 至少要求误码率要小于10-6，甚至更高）。干扰容限综合考虑了影响系统抗干扰能力的各种因素，是一个非常直观的指标。既然干扰容限与处理增益都直接或间接地反映了扩谱系统的抗干扰能力， 那么它们之间必然存在一定的关系，在用分贝表示时，这个

14、关系可以用式(3-2-3)来表示:,3. 直扩信号的频谱 假设扩谱伪随机序列采用的是m序列。定义,则m序列的自相关函数为,(3-2-5),(3-2-4),上式中的第一项可以表示为,由信号与系统的知识可知，其对应的傅氏变换为,式(3-2-4)中的第二项及其对应的傅氏变换为,这样, m序列功率谱密度函数可以表示为,图3-4 m序列功率谱示意图,扩谱与信息调制后的信号频谱为m序列谱与窄带信号谱的卷积，这样直扩信号的功率谱为若干间隔为Rb的窄带信号谱的叠加，其示意图如图3-5所示。当伪随机序列长度为N=Rc/Rb时， 其各个窄带谱是正交叠加的。可见，理想直扩信号的频谱基本受m序列频谱控制，其载波的抑制

15、度也受伪随机序列特性的影响。当伪随机序列的“1”和“0”数量相同， 即为平衡序列时，其序列谱中没有直流分量，理想直扩信号的载波分量为0。当然， 实际信号的谱特性还受到调制器性能等因素的影响，这里不作详细的讨论。 上面讨论的都是基于伪随机序列的长度N=Rc/Rb的情况，这种直扩调制一般被称为短码扩谱调制。如果N=Rc/Rb ， 则被称为长码扩谱调制，此时对扩谱信号频谱特性的分析与上述分析过程类似，但是其窄带谱之间不再是正交叠加的关系。,图 3-5 直扩信号功率谱示意图,4. 直扩系统的抗干扰性能分析 1) 直扩系统的数学模型 由图3-1可知， 发射信号可以表示为,(3-2-7),信号传输要产生时

16、延和多普勒频移d，因此进入接收机的信号为,(3-2-8),其中：n(t)为加性噪声干扰；si (t)为多址干扰和人为干扰。,经过带通滤波后有,(3 - 2 - 9),经过扩频、 解扩同步后， 时延、 多普勒频移、 载波相位都可正确估计出来， 即,滤除上式中二次谐波分量后，假设所有的处理都是线性的， 则送入基带匹配滤波器的信号为,(3 - 2 - 10),(3-2-11),则在不考虑干扰时， 基带匹配滤波器的输出为,式中, h(t)为基带匹配滤波器的冲激响应。,(3-2-12),2) DS系统在广义平稳干扰下的处理增益 接收机接收的信号表示为,(3-2-13),设进入接收机的广义平稳干扰信号为,假设干扰与信号的载波同频同相（即干扰为瞄准式干扰的情况）， 则经过滤波后， 干扰的表示式为,(3-2-14),式中， n(t)是均值为0的基带高斯白噪声干扰。,根据系统的数学模型， 基带匹配后的输出可以表示为,(3-2-15),当只分析干扰输出分量时，上式中的时延不会影响最后输出的干扰能量，因此可以忽略时延，将式(3-2-14)带入上式中， 得到基带匹配滤波输出的干扰信号为,