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1、扩频通信,第一章 绪论,1.1 数字通信与信号的几何表示,通信技术的发展趋势：模拟数字，固定移动，点到点网络 数字通信系统（DCS）的特点：在有限的时间间隔内发送有限波形集合中的一个波形。（模拟是从无限个波形中选择一个发送）。 数字通信系统的目标：从受噪声干扰的信号中判决出发送端所发送的是那一个波形，而不是精确地再生被传输的波形。差错概率(PE)是DCS中一个很重要的系统性能参数。,数字通信的优点：,数字电路有更好的抗失真能力和抗干扰能力； 数字电路比模拟电路更可靠，且其生产成本比模拟电路低； 数字硬件比模拟硬件更具灵活性，如微处理器、数字开关、大规模集成电路等； 时分复用信号比频分复用的模拟
2、信号更简单； 不同类型的数字信号（数据、电报、电话、电视等）在传输和交换中都被看成是相同的信号bit信号； 为交换方便，还可将数字信号以数据包的形式进行处理； 长途通信系统中，中继站之间的噪声不积累； 可通过编码纠错； 数字信号能够进行加密处理。,数字通信获得这些优点的代价：,数字系统需要更多的信号处理技术； 数字系统都需分配一部分资源用于实现同步； 数字通信系统具有“门限效应”(nongraceful degradation)，即当信噪比下降到一定限度时，通信质量就会急剧下降，而大部分模拟通信系统的质量下降则比较平滑。,图1：典型数字通信系统的方框图。 图2：基本数字通信变换。,1.2扩频通
3、信概念,扩频技术是利用与传输数据（信息）无关的伪随机码对传输信号扩展频谱，使之占有远远超过原有信息所需的带宽，在接收机中利用本地码对接收信号进行同步相关处理，以解扩和解调数据。扩频信号具有以下三个特征： 1) 扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号； 2) 传输带宽远大于被传送信息的原始带宽； 3) 接收机中必须有与宽带载波同步的副本。,注：,标准的频率调制、脉冲编码调制也扩展了原始信号的频谱，但不完全满足上述条件，不能称为扩频系统。,1.6 扩频通信的发展历史,有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员Hedy Lamarr 和钢琴家George Antheil提出的。 1949年美国
4、的国家电话电报公司的子公司的联邦电信实验室，Derosa和Rogoff提出设想并生成出伪噪声信号和相干检测的通信系统，成功地工作在New Jersey和California之间的通信线路上。 1950年Basore首先提出把这种扩频系统称作NOMACS（Noise Modulation and Correlation Detection System）这个名称被使用相当长的时间。 1951年春天，美国陆军通信协会要求MIT电子研究实验室验证一个NOMACS系统，目的是在远距离高频无线通信时不再受敌方的人为干扰。后转入MIT的林肯实验室。 1952年由林肯实验室研制出P9D型NOMACS 系统，
5、并进行了试验。,1955年生产成功并通过了测试。之后，美国海军和空军开始验证各自的扩频系统，空军使用名称为“Phatom”（鬼怪，幻影）和 “Hush-Up”（遮掩），海军使用名称为“Blades”（浆叶），美国海军采用跳频扩频方案。 1976年第一部扩频通信的概述性专著：Spread Spectrum Systems发表。 1978年在日本举行的国际无线通信咨询委员会(CCIR)全会对扩频通信进行专门研究。,1982年美国第一次军事通信会议展示了扩频通信在军事通信中的主导作用，报告了扩频通信在军事通信各领域的应用，并开始民用扩频通信的调查。 同年第一部扩频通信的理论性专著Coherent S
6、pread Spectrum 问世。 1985年之后民用扩频通信系统发展。 到八十年代，它已经广泛应用于各种战略和战术通信中，成为电子战中通信反对抗的一种十分重要的手段。,1.3 扩频的基本原理,仙农（shannon）公式：,C：信道容量 W：信道带宽 N：噪声功率 S：信号功率 含义：一个信道无误差的传输信息的能力取决于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽。,说明：,1. 给定的信道容量可以用不同的带宽和信噪比来组合传输； 2. 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； 3. 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
7、宽带系统具有较好的抗干扰性（通常所谓用带宽换功率）。,工程应用,工程上实现的一种应用： 直接序列扩频处理增益可达到70dB，如果系统的基带滤波器输出信噪比为10dB，那么这个系统的输入端信噪比为60dB。也就是说，信号功率可以在低于干扰功率60dB的恶劣条件下正常工作。所以扩频系统在深空远距离的通信中占有显著地位。,扩频的一般模型,1.3 扩频系统的优点,1.3.1 干扰抑制,说明： 1.通信链路中有许多正交信号坐标点或维数可供选择，在任意一时段只选用其中的一个很好的子集。 2.假定干扰者无法确定当前使用的信号子集，对于带宽W，持续时间T的信号，可以证明其信号的维数约为2WT，而系统的误码率性
8、能只是信噪比的函数。 3.在功率无限的高斯白噪声环境下，扩频(增大了2WT的值)并没有带来性能的提升。 4.功率固定且有限的干扰台只能在有限的频带内施放噪声干扰，而且，不能确定信号坐标点所处的信号空间的位置。扩频带来了性能的提升。,干扰：干扰台数目有限，功率固定，只能在有限的频带内施放噪声干扰，不能确定信号坐标点所处的信号空间的位置。 干扰可能的方式： 1.向系统使用的信号坐标点施放等强度的干扰，结果是落在每一坐标点上的干扰噪声功率很小。 2.在某些信号坐标上施放高强度的干扰（也可以理解为在各个坐标点上施加强度不一的干扰）。,1.3.2 降低能量密度,低检测概率或低截获概率通信系统 ：除了既定
9、的接收者之外，通信过程不要被其他的系统所侦测 设计原则：使得除既定接收者以外的任何一方，检测到信号的难度尽可能地大。需采用最小的信号功率和最佳的信号方案，使得信号被检测到的概率尽量低。 结论：扩频信号具备低检测概率通信系统的特点，即在抗干扰的同时，还具有难以被察觉的优点。对于不知道同步扩频信号的接收者而言，扩频信号好像“埋藏在噪声中”一样难以检测。,辐射仪（radiometer）,敌方用于功率检测的仪器辐射仪。包括一个通带为W的带通滤波器（BPF），一个平方电路将输出变换为正值（以便于度量信号的能量）和一个积分电路，在时刻t = T，积分器的输出与预设的门限值比较，若积分器的输出大于门限值，则
10、判为信号存在；否则认为信号不存在。根据扩频信号自身的特性，可用辐射仪及其他一些更复杂的仪器对其进行检测。,低定位概率：具有低截获概率（LPI）特性的扩频系统同时也呈现出低定位概率（Low Probability of Position Fix，LPPF）的特点，即使敌方检测到了信号的存在，也很难确定信号传输的方向。有些扩频系统还具有低溯源概率（Low Probability of Signal Exploitation，LPSE）的特性，及敌方难以确定信号来自何处。 此外，通过扩频，可以降低信号能量密度以适应各国的分配规定。比如，卫星的下行传输必须符合地面辐射电磁能谱密度的国际标准。经过扩频，
11、信号能量分布在更宽的频带上，总的传输功率可以增加，因此，在提高性能的同时保证能量密度符合标准。,1.3.3 提高时间分辨率,测距和定位：利用脉冲在信道中的传输时延可以计算出传播时间，时延测量的不确定度与脉冲信号带宽成反比，如图5所示，不确定度与脉冲时间成正比，即与脉冲信号的带宽成反比，亦即,图5时延测量,结论：带宽越大，测距的精度就越高。在高斯信道中，对单个脉冲的一次性测量是不可靠的，扩频技术中采用极性不断变化的长序列编码信号（如2BPSK调制信号）代替单个脉冲。接收端对接收序列与本地移位序列进行相关检测，即可精确测定时延和距离。,1.3.4 多址接入,扩频可用于多址接入以实现多用户共享通信资
12、源的目的。例如码分多址接入(CDMA)技术，同一时间上的每个用户使用各自唯一的扩频序列进行通信。此类多址接入技术的另一个优点是可以采用不同扩频信号的用户提供通信保密，由于所有扩频序列的不同，未经授权的用户难以检测到他人通信的内容。,1.4 扩频技术的种类,直接序列（DS）系统：用一高速数字编码序列直接调制发射机载波，由于编码序列的带宽应远大于原始信号带宽，从而扩展了信号频谱； 跳频（FH）系统：使发射机频率在一组预先指定的频率上按照编码序列所规定的顺序离散的跳变，从而扩展发射波的频谱； CDMA(码分多址)和直接序列扩频的CDMA,1.5 直接序列扩频抗干扰模型,图6直接序列扩频系统,发射时信
13、号能量几乎均匀分布在很宽的频带内； 接收端进行相关处理，当两个信号完全相同时（相关性很好）得到最大的相关峰值； 如果除有用信号还有一个功率很强的干扰信号，则在解扩过程中其频谱反而被扩展开来，干扰信号功率谱密度大大降低，经窄带滤波器后干扰信号功率大为减弱； 扩频信号带宽和中频滤波器带宽之比越大，接收机解调器输出的干扰功率就越小，因而输出信噪比越高 如果干扰的相干性越强，解扩后有用信号带宽内残留的干扰功率越强，信噪比改善越小。,1) 基本概念所谓直接序列扩频, 就是在发端直接用具有高码率的扩频码序列对信息比特流进行调制, 从而扩展信号的频谱, 在接收端, 用与发送端相同的扩频码序列进行相关解扩,
14、把展宽的扩频信号恢复成原始信息。一种直接序列扩频技术是使用异或运算将数字信息流与扩展码位流结合起来.,直接序列扩频(DSSS),信息流的位1会使扩展码翻转而直接传输.信息位为0则使扩展码位不翻转而直接传输.,DSSS 用BPSK的实现方法,多进制 BPSK signal, sd(t) = A d(t) cos(2 fct) by c(t) takes values +1, -1 to get s(t) = A d(t)c(t) cos(2 fct) A = amplitude of signal fc = carrier frequency d(t) = discrete function +
15、1, -1 在接受端,输入信号再次乘于 c(t) 因为 c(t) x c(t) = 1, s(t)c(t) = A d(t)c(t) cos(2 fct)c(t)= sd(t),DSSS 用BPSK的实现方法 采用二相相移键控的直接序列扩频,直扩及解扩的方法可以采用BPSK(二进制相移键控)、QPSK(正交相移键控)及MSK(最小频移键控) , 现在的无线网络大都采用的是数字方式QPSK调制方式。 如上所述, 直扩系统的接收除了前端的放大变频之外, 还要进行解扩和解调。 最好是先解扩再解调, 因为无线信号在空间传播会有很大的信号衰减。 未解扩前的信噪比很低, 甚至信号被淹没在噪音中。一般解调器
16、难于在很低的信噪比条件下正常解调, 会导致高误码率。 换句话说, 先解扩, 可以通过解扩过程获得扩频增益, 提高接收信号信噪比。然后再进行解调, 就能保证通信的质量和可靠性了。,直接序列扩频(DSSS),由以上分析可知, 在接收端的解扩过程中, 由于有用信号与扩频序列码的相关性, 从而使其由宽带解扩为窄带信号, 而由于干扰信号与扩频序列码的非相关性, 使其由窄带信号扩展成了宽带信号, 从而使信噪比大大提高, 获得了扩频增益。 扩频系统中的多址问题的解决也是基于此道理。 由于每个用户都有惟一的一个码序列, 只有当接收到的信号所包含的码序列与自身的相同时, 经过解扩才可能出现峰值, 从而恢复出原始
17、信号。相反地, 如果接收到信号的码序列与自身的不相同, 经过解扩之后其频谱会变得更宽, 就会把该信号作为干扰信号来对待, 更不会恢复出其原始信号形式。,直接序列扩频(DSSS),4) 优点及缺陷(1) 直扩信号的功率谱密度低, 具有隐蔽性和低的截获概率, 因此抗侦察、抗截获的能力强; 另外, 功率污染小, 即对其他系统引起的电磁环境污染小, 有利于多种系统共存。 (2) 直扩伪随机序列的伪随机性和密钥量使信息具有保密性, 即系统本身具有加密的能力。因为用伪随机序列对信息比特流进行扩展频谱, 就相当于对信息的加密; 而所拥有的码型不同的伪随机序列的数目, 就相当于密钥量。当不知道直扩系统所采用的码型时, 就无法破译。,
