第8章 扩展频谱技术的应用,8.1 地面战术移动通信系统 8.2 卫星通信系统 8.3 民用移动通信系统 8.4 JTIDS系统 8.5 GPS系统 8.6 无线局域网 8.7 蓝牙技术 8.8 测距与测速系统 8.9 其它方面的应用,8.1 地面战术移动通信系统,8.1.1 国外战术跳频电台概况 电子战已成为现代战争的重要组成部分, 而通信对抗是电子战的一个极其重要的分支, 是指挥、 控制、 通信和情报(简称C3I)系统的核心 由于扩频技术具有抗干扰能力强, 保密性能、 抗侦破和抗衰落性能好等特点, 使得扩频技术首先在军事领域得以应用表8 - 1列出了部分国外的扩频电台的主要参数, 以供参考（略）8.1.2 跳频电台中的主要技术问题 1. 跳频速率 跳频电台的抗敌方有意干扰的能力与跳频速率有着密切的关系 跳频速率越高, 抗跟踪干扰的能力就越强, 信号被截获的可能性就越小, 但是实现的技术难度也越大, 成本也就越高在战术电台中, 跳频速率通常是这样化分的: 低于100跳／秒的称为低速跳频, 100~500跳／秒之间的称为中速跳频, 500跳／秒以上的称为高速跳频。
2. 跳频图案 跳频图案是跳频系统的核心 所谓跳频图案, 就是在通信过程中电台频率与时间的变化方案 在一个网络中具有同一跳频图案, 以保证网中各电台的可靠通信 一次通信中, 电台选择一组频率, 不同时间选择不同频率, 这就构成一组图案 对跳频图案的主要要求是保密性和随机性3. 跳频电台的同步问题 跳频电台通常是传送数字话音的, 因此存在着一般数字通信中的各种同步问题 在战术电台中通常采用非相干的调制解调方式, 一般不存在载波同步问题 位同步和数字系统一样, 从信码中提取同步信息 由于跳频速率总是低于或远低于信码速率, 即一跳由许多数据码元构成, 因此一般一跳构成一个自然帧对跳频同步的主要要求是: (1) 能自动和快速地建立起同步 (2) 同步抗干扰性能要好, 既要能抗非人为干扰, 也要能抗人为干扰 (3) 能进行后入网的同步4. 跳频电台的组网问题 组网能力是现代通信的基本要求之一 跳频电台的组网与跳频图案和组网方式有关 而跳频图案又与跳频的频率数密切相关, 因此, 跳频的频率数越多, 跳频组网的数目也越多, 组网时选择的灵活性就越大, 碰撞的概率也越小。
跳频电台组网有两种方式, 即正交和非正交组网 所谓正交组网, 也称为同步组网, 是指各网在同一时钟全同步的情况下, 各网的跳频是等角跳变的, 或者说多个跳频电台所采用的跳频图案在时频矩阵上相互不发生重叠8.1.3 PRC-80跳频电台简介 PRC-80跳频电台是VHF/FM收发信机, 有定频和跳频两种工作模式, 其基本指标列在表8 - 1中, 其跳频部分的参数为: 跳频速率为200 h/s, 跳频频率数为256, 能组128个网, 有迟后入网功能, 跳频图案为复杂非线性, 跳频序列周期大于1011 bit, 跳频密钥量大于264 PRC-80跳频电台由信道单元和跳频/保密单元两部分组成, 其组成框图和跳频/保密单元框图分别示于图8 - 1和图8 - 2中图 8 - 1 PRC-80跳频电台组成框图,由图8 - 1可知， 信道单元由如下模块组成: AMM为天线匹配模块; PA为功放模块; LPF为低通滤波器; TSP为发送信号处理模块; RSP为接收处理模块; CCM为中心控制模块; LOG为逻辑处理模块; SYN为频率合成器模块; TUN为调谐模块; PS为电源模块。
跳频/保密单元由如下模块组成: TC为定时模块; RC为接收模块; SYS为系统模块; SEC为保密模块; BBCC为基带模块图 8 - 2 PRC-80跳频电台跳频/保密单元框图,8.2 卫星通信系统,主要表现在下述几个方面: (1) 与TDMA相比, 不需要各用户间的严格时间同步 (2) 具有随机选址的能力 (3) 卫星转发器的频带可以得到有效利用, 不需要设立保护频带 (4) 对卫星转发器和地面接收机的G／T值的要求低(G为天线增益, T为接收机噪声温度), 终端设备比较简单VSAT系统可以容纳低通信业务量的成千上万个用户站 在美国, 1989年就已设置了48 000 个VSAT站, 广泛应用于商业、 银行、 宾馆、 能源和交通业等部门 VAST网结构如图8 - 3所示图 8 - 3 VAST网示意图,8.3 民用移动通信系统,蜂窝式公众移动通信系统是20世纪80年代发展起来的, 集无线、 有线、 传输、 交换和处理等技术于一身的现代移动通信系统, 是典型的民用移动通信系统 移动通信的发展趋势必然是数字化, 考虑到与ISDN的联接, 采用时分制是必要的。
但在移动通信中采用时分制, 有两个制约因素, 即传播时延和多径干扰CD900系统是一个有中心的时分多路(TDM)／时分多址(TDMA)系统, 其中还使用了(32, 12)的软扩频 该系统工作于900 MHz, 每个小区的时分数据信包帧结构如图8 - 4所示图 8 - 4 CD900系统小区帧结构,GSM系统仍采用CCITT建议的公用陆地移动网(PLMN)的体系结构和接口命令, 但接口协议及信令有所不同 GSM系统组成如图8 - 5所示, 它由移动站(MS)、 基站子系统(BSS)、网络子系统(NSS)及操作和维护子系统(OSS)组成图 8 - 5 GSM系统组成,图 8 - 6 GSM系统业务信道帧结构,由图8 - 6可知, 8.25 bit的保护时间为30 μs, 这相当于电波传播9 km 因此, 如果小区半径不超过9 km, 则移动台不论在小区内的任何地方, 这个保护时间足以保证基台收到的用户信息不会重叠8.4 JTIDS系统,1. JTIDS／TDMA系统结构及参数 JTIDS系统是一个时分多址(TDMA)接入、 无中心和信息共享的多用户系统 图8 - 7是其工作示意图。
图中的信息分发系统就是将各用户要传送的信息组织在一个周期性的时间分隔的系统中, 各用户根据需要从此系统中得到其他用户的信息 它的时间分隔系统可以从图8 - 8的信号格式中看出图 8 - 7 JTIDS系统工作示意图,图 8 - 8 JTIDS的信号格式,2. JTIDS的功能 JTIDS的通信功能是JTIDS系统的基本功能, 从上述介绍中可以很容易地看出这一点 JTIDS的导航功能是建立在网内各对象之间的相对定位基础上的下面结合本系统采用的一种有源同步(精同步的一种)法说明其定位功能 有源同步法又叫RTT法, 此时要实现精同步的成员向某一已实现精同步的成员(donor)发出询问信号(这是通信的一种格式), 回答信号中包括收到的时间和发射回答的时间, 即图8 - 9上的TOAD和TR, 这样, 询问者便能根据收到回答信号的时间TOAU等, 由下两式决定自己发送的准确时刻ε和传播时延TP: TOAD=ε+TP (8 - 1) TOAU+ε=TR+TP (8 - 2),图 8 - 9 JTIDS的有源同步法,3. JTIDS中保密、 抗干扰的考虑 由于战场环境复杂, JTIDS系统在设计时就对抗干扰和保密方面作了许多考虑, 采取了一些有效措施来加以解决。
(1) 信息保密 在传送的数据中进行数字加密, 跳频中的跳频图案也是加密的 (2) 采用DS-FH混合扩频方式 这是系统中抗各种干扰, 特别是抗有意干扰的主要措施 (3) 抗多径及多卜勒效应的考虑4) 信道编码 JTIDS是以传输数据为主设计的 (5) 抗跟踪和转发干扰的考虑 在FH系统中跳频速率是抗拒跟踪干扰和转发干扰的重要参数8.5 GPS 系 统,8.5.1 系统概况 全球定位系统主要由三大部分组成, 即空间星座部分、 地面监控部分和用户设备部分 1. 空间星座部分 GPS系统的空间星座部分由24颗导航卫星(Navstar)组成, 其中包括3颗备用卫星, 用以必要时代替发生故障的卫星 工作卫星分布在6个轨道面内, 每个轨道面上有4颗卫星2. 地面监控部分 GPS的地面监控部分目前主要由分布在全球的5个地面站组成, 其中包括卫星监测站、 主控站和信息注入站, 它们的任务是跟踪并保证卫星质量 5个地面站均具有监测站的功能, 其中有一个主控站和三个注入站。
3. 用户设备部分 用户设备部分的主要任务是接收GPS卫星发射的信号, 以获得必要的导航和定位信息及观测量, 并经数据处理而完成导航和定位工作图 8 - 10 GPS接收机原理图,1. C／A码(Clear/Acquisition) C／A码是由两个10级反馈移位寄存器相组合而产生的, 其构成如图8 - 11所示 两个移位寄存器于每星期日子夜零时, 在置“1”脉冲作用下全处于1状态, 同时在1.023 MHz 的时钟驱动下, 两个移位寄存器分别产生码长为1023位、 周期为1 ms的m序列G1(t)和G2(t)图 8 - 11 C/A码构成示意图,2. P码(Precise) P码的产生原理与C／A相似, 采用两组各有两个12级的寄存器产生, 码长约为2.35×1014 位, 周期约为267天, 码速为10.23 Mc/s 实际的P码周期被分成38部分, 除1部分闲置外, 其余分给地面监控站和不同的卫星使用 不同卫星使用P码的不同部分, 但都具有相同的码长和周期3. 数据码(D码) 数据码实际上就是导航电文, 它包含了卫星的星历、 工作状态、 时间系统、 卫星运行状态、 轨道摄动改正、 大气折射改正和由C／A码捕获P码等导航信息。
4. GPS卫星的信号 每个GPS卫星都向地面连续发射两种导航信号L1和L2, 它们都采用直接序列扩频, 以增强抗干扰能力L1和L2的载频分别为1575.42 MHz和1227.60 MHz, 它们都从同一个基本频率10.23 MHz(C／A码和P码也由此频率得到)倍频得到, 倍频次数分别为154和120图 8 - 12 GPS卫星信号构成示意图,8.5.3 GPS的定位原理 GPS的定位原理同目前航空控制系统中广泛使用的“罗兰”(LORAN)导航系统的原理类似, 只不过GPS要在三维立体空间内定位 下面以接收C／A码为例, 介绍其定位原理当同步时, 可以得到接收到的时间t2(以目标站的时基为参考), 同时从收到的数据中又得到发送的时间t1(以卫星上的时基为参考) 以系统时间和GPS接收机时间表示的信号发送和接收的时间关系如图8 - 13所示图 8 - 13 GPS定位原理示意图,8.6 无 线 局 域 网,8.6.1 无线局域网的特征 1. 网络拓扑结构 WLAN的拓扑结构可分为无中心(Peer to Peer)和有中心(Hub-Based)两类。
无中心结构的网络要求其中任一节点均可与其它节点通信, 又称自组织网络(Ad hoc) 由于无中心节点控制网络的接入, 各站都可以竞争共用信道, 所以多数无中心结构的WLAN都采用CSMA(Carrier Sense Multiple Access)类型的MAC(Medium Access Control)协议。