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1、第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 6.1 扩频通信概述扩频通信概述 6.2 直接序列直接序列(DS)扩频系统扩频系统6.3 跳频跳频(FH)通信系统通信系统6.4 跳时跳时(TH)通信系统通信系统6.5 混合扩展频谱系统混合扩展频谱系统6.6 多多载载波波正正交交频频分分复复用用（OFDM）调调制制与与解解调调第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 6.1扩频通信概述6.1.1扩频通信的概念扩频通信就是扩展频谱(SpreadSpectrum,SS)通信,它最初应用于军事导航和通信系统中。到了第二次世界大战末期,通过扩展频谱的方法达到抗干扰的目
2、的已成为雷达工程师们熟知的概念。在随后的数年中,出于提高通信系统抗干扰性能的需要,扩频技术的研究得以广泛开展,并且出现了许多其他的应用,例如降低能量密度、高精度测距、多址接入等。第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 传统的无线通信系统的射频信号带宽与信息本身带宽是可以相比拟的,如调幅信号所传送的话音信息,其信号带宽为话音信息带宽的两倍,电视的图像信息带宽虽然是几兆赫,但传输射频信号的带宽也只是信息带宽的一倍多,这些称之为窄带通信。调频信号的频谱包含有载波分量及无穷多的边频分量。边频分量以间隔c对称分布在载频的两侧,具有一定带宽。当调制指数mf=(/m) 1时,调频信号为窄带；当调制指数mf
3、1时,调频信号为宽带。第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 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带宽之比为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/B=50以上,即射频信号带宽大于信息带宽时,称为宽带通信；当fss/B=50=100以上,即射频信号带宽远大于信息带宽时,称为扩频通信。第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 本章研究的扩展频谱是指占用的传输带宽远大于传输同样信息所需的
4、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来完成的。第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 标准的调制方式,如频率调制、脉冲编码调制也扩展了原始信号的频谱,但它们并不完全满足上述条件,因此不能称为扩频系统。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5MHz,则fss=10M
5、Hz；而信息基带为B=10kHz,则fss/B1000。也可以用各种码序列来控制产生载频的频率合成器的频率变化,使电台工作频率在一个较宽频带内随机跳变。扩频通信是经过两次调制、解调而实现的通信,除了必要的传统信息调制外,在高频信道中增加一次码控调制。这样做是使信息被嵌在控制码中,其目的是第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 （1）使电台不仅能传输语音信号,还可以传输数字信号；（2）用数字码调制信息就可以进行信息加密；（3）使传输信息的信号能量分散,这就大大提高了系统的抗干扰能力,增强了通信的隐蔽性；（4）码控二次调制解调过 程可以利用各种码型来进行选址通信,实现个人用户选择通信。第第6章章
6、 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 6.1.2扩频通信的特点1.抗干扰能力强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,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的通信。这种“去掉干扰”能力的功能是扩频通信的主要优点之一,现分析如下：（1）当接收机本地解扩码与收到的信号码完全一致时,所需要的信号恢复到未扩频前的原始带宽,而其他任何不匹配的干扰信号被接收机扩散到更宽的频带,从而使落入到信息带宽范围的干扰强度被大大降低了,当通过窄带滤波器(带宽为信息带宽)时,就全部抑制
7、了滤波器的带外干扰信号。第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 （2）扩频系统的抗干扰性能决定于系统对信号与噪声功率的压缩和扩展处理的比值,该处理增益越大,则系统抗干扰能力就越强。（3）系统对高斯白噪声干扰、正弦波干扰(瞄准式干扰)、邻码干扰以及脉冲干扰均有较强的抵抗能力,对多径效应的影响不敏感。扩频系统对瞄准式干扰有独特的抵抗效能,这对于电子对抗是很有利的。扩频抗干扰系统的思想是这样的：通信链路中有许多正交信号坐标点或维度可供选择,在任一时段只选用其中的一个很小的子集。我们假定干扰者无法确定当前使用的信号子集,比如对于带宽B,持续时间T的信号,可以证明其信号维数约为2BT,而系统的误码率性
8、能只是信噪比SN的函数。第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 在功率无限的高斯白噪声环境下,扩频(增大了2BT的值)并没有带来性能的提升。但是,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,因此只有从下列两种方式中选择其一：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。 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。 第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 图6-1扩频效果示意图(a)白噪声环境；(b)人为干扰环境第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 从图6-1中
9、可看到白噪声和人为干扰噪声下的扩频效果。扩频前的原始信号功率谱密度用G(f)表示,扩频后的扩频信号功率谱密度用Gss(f)表示。如图6-1(a)所示,白噪声的单边功率谱密度N0在扩频(信号带宽由B扩展到fss)之后保持不变,其平均功率(功率谱密度曲线下的面积)是无限的。因此,在这里频谱的扩展并没有带来性能的提升。图6-1(b)的上图是扩频前的信号受到干扰的情形,设接收到的干扰功率为J,则干扰功率谱密度J0=J/B。而在扩频之后,干扰台选择前述的两种方式之一实施干扰,方式的结果是干扰噪声功率谱密度J0在整个扩展频谱上降低(乘以因子Bfss),此时,J0=J/fss称为宽带干扰噪声谱密度；方式使受
10、到干扰的信号坐标数减小,但是,干扰噪声谱密度可能由J0增加到J0（01),是干扰带宽与扩频带宽的比值。如果干扰施放的坐标选择不当,干扰的效果就会大打折扣。第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 通信可选择的信号维数越高(或者说信号坐标范围越大),对干扰者来说,进行有效干扰的难度就越大,因此抗干扰的性能就越好。另外需要指出,上述扩频信号与非扩频信号性能的比较,都是在信号总平均功率相等的前提下完成的。由于功率谱密度(psd)曲线下的面积表示总平均功率,因此在扩频前后psd曲线下的面积应当相等。因此应当注意在图6-1中,图(a)和图(b) 的Gss (f)曲线的坐标比例不同。第第6章章 宽带抗干扰
11、技术宽带抗干扰技术 2.可随机接入,任意选址扩频通信之所以能够迅速得到发展的另一个主要原因,就是可以进行选址通信,组网方便,适合机动灵活的战术通信。（1）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。为了区别不同用户,使用不同的正交地址码,在同一载频、同一时间内,容许多对电台同时工作；或者用数码控制跳频器,随机地变换信号载频。不同的用户,可用不同的载频跳变规律(称为跳频圈)相互区分,故在同一频带内,可容许很多不同地址号码的电台。各电台号码可以随机改变,还可以用微处理机程序进行控制,若想变更电台号码,只要给电台内微处理器送入相应的程序即可。所以,扩频通信是一种多地址通信,而且地址号
12、码可以随机变动。第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 （2）具有共用信道自动选呼能力。每个用户有自己的号码,可以自由选呼其他各个用户,呼叫中自动接续,不需人工交换,如同使用自动电话一样方便。在同一信道内,若几十对电台同时通话,可以做到互不影响。目前国际上已能达到6070个用户同时通话。（3)由于组成多址通信时,网内并不需要各电台严格同步,因此,网内可随机接入电台,增加用户数,随时随地增减电台号码。各个通信系统也便于用微处理机进行信息处理与自动交换控制。（4)如果单纯地从窄带信号被扩展为宽带信号来看,扩频通信似乎频带利用率很低,但实际上,由于扩频码实现了码分多址,地址数可以由几百增加到几千个
13、,虽然每个用户占用的时间是有限的,但是用户对可以同时占用同一频带,这就有效地利用了频带,大大提高了频带的利用率。第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 3.安全通信扩频通信是一种比较安全、可靠的通信,其原因如下：（1)信号功率密度低。扩频发送端对要传送的信息进行了频谱扩展,其频谱分量的能量被扩散,使信号功率密度降低,近似于噪声性能。这个系统可在信噪比低于-15-20dB下进行通信,从而使信号具有低幅度、隐蔽性好的优点。第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 满足这种特殊要求的系统称为低检测概率(LowProbability of Detection,LPD)或 低 截 获 概 率 (Low
14、ProbabilityofIntercept,LPI)通信系统。此类系统的设计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。要实现这样的系统,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。在扩频系统中,与传统的调制方式相比,信号被扩展到很宽的坐标上,信号功率在扩频域内分布较为稀疏并接近均匀,因此,扩频信号在抗干扰的同时,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。第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 （2)数字信息易加密。由于扩频通信可以传送数字信号,当把模拟信号变换成数字信号时,数字信号不但加密很
15、方便,而且加密的密级也较高,保密性能强。（3)通信信息不易被窃取。扩频通信电台地址采用伪随机编码,可以进行数字加密,在收端如不掌握发端信号随机码的规律,是接收不到信号的,收到的只是一片噪声。即便是知道了地址码,解出了加密的发射信息信号,如果不了解密钥,不采取相应的解密措施,也还是听不懂对方的讲话,解不出正确的数字、文字符号,所以扩频系统通信安全性好。第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 （4)通信不易被破坏。扩频通信体制具有很强的抗干扰能力,尤其对瞄准式干扰的抵制特别有效,因此在电子战对抗中就有很强的抗干扰能力,要企图封锁和压制这个系统的通信是比较困难的,所以扩频通信的可靠性好。4.距离分
16、辨率高扩频信号可用于测距和定位。利用脉冲在信道中的传输时延可以计算出传播距离,时延测量的不确定度与脉冲信号带宽成反比。不确定度t与脉冲上升时间成正比,即与脉冲信号带宽W成反比,即(6-1)第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 因此,带宽W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,扩频技术中通常 采 用 极 性 不 断 变 化 的 长 序 列 编 码 信 号 (如2PSK调制信号)代替单个脉冲。接收端对接收序列和本地移位序列进行相关检测,即可精确测定时延和距离。通过对宽带扩频信号的相关检测,可以使扩频系统具有很高的距离鉴别力。众所周知,信号的检测性能决定于信号的能量,扩频信号实质上可看成是连续波信号。因而,扩频信号易于解决作用距离远和距离鉴别力高的矛盾,并且可不模糊测速,可用于抗多路径干扰。第第6章章 宽带抗干扰技术宽带抗干扰技术 5.信息传输方便灵活当扩频通信系统所传输的信号是模拟信号时,对扩频的跳频电台,可以直接调制传输,也可以将模拟信号经AD变换成数字信号,然后送到扩频跳频系统或码分直扩系统传送。利用这样的系统就能够完成通信、自动控制和遥测。扩频通
