擴(kuò)頻通信第1章

1、1 1 1第1章擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)序 發(fā)展歷史二十世紀(jì)40年代，理論的提出二十世紀(jì)50年代中期，美國(guó)麻省理工學(xué)院研究成功NOMAC系統(tǒng)，Noise Modulation and Correlation System二十世紀(jì)60年代，擴(kuò)頻通信理論、方法、技術(shù)等各方面的研究發(fā)展和應(yīng)用普及1976年RCDixon Spread Spectrum Systems1982年JKHolmes Coherent Spread Spectrum Systems1985年MKSimon Spread Spectrum Communications Handbook1990年1月，CCIR研究未來公眾陸地移動(dòng)通信

2、系統(tǒng)(FPLMTS：Future Public Land Mobil Telecommunication System)的第八工作組提出的實(shí)現(xiàn)FPLMTS計(jì)劃的技術(shù)報(bào)告中，明確建議采用擴(kuò)頻通信技術(shù)2序 課程安排 (1)擴(kuò)頻通信的基本理論；(2)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的性能分析；(3)偽隨機(jī)編碼理論；(4)擴(kuò)頻信號(hào)的產(chǎn)生與調(diào)制（發(fā)射機(jī)）；(5)擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò)與解調(diào)（接收機(jī)）；(6)擴(kuò)頻碼的同步捕獲；(7)擴(kuò)頻碼的同步跟蹤。3序 教材及參考書目教材田日才.擴(kuò)頻通信.清華大學(xué)出版社，2007參考書目1 查光明，熊賢祚.擴(kuò)頻通信，西安電子科技大學(xué)出版社，19902 朱近康.擴(kuò)展頻譜通信及其應(yīng)用，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

3、出版社，1993年3 M K Simon.Spread Spectrum Communications Handbook人民郵電出版社，20024 R CDixon.Spread Spectrum System. John Wiley & Sons, 19866 林可祥，汪一飛.偽隨機(jī)碼的原理與應(yīng)用，人民郵電出版社，19787 (美)J K霍姆斯.相干擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)，梁振興譯，國(guó)防工業(yè)出版社，1991451.1 擴(kuò)頻通信的基本概念設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)性能的主要指標(biāo) 有效性有效性； 可靠性可靠性；有效性有效性指通信系統(tǒng)傳輸信息效率的高低。怎樣以最合理、最經(jīng)濟(jì)的方法傳輸最大數(shù)量的信息。模擬通信

4、系統(tǒng)中，多路復(fù)用技術(shù)可提高系統(tǒng)的有效性。信道復(fù)用程度越高，系統(tǒng)傳輸信息的有效性就越好。數(shù)字通信系統(tǒng)中，傳輸有效性用傳輸速率來衡量?？煽啃钥煽啃灾竿ㄐ畔到y(tǒng)可靠地傳輸信息。模擬通信系統(tǒng)，傳輸?shù)目煽啃杂幂敵鲂旁氡葋砗饬康?。?shù)字通信系統(tǒng)，用信息傳輸?shù)牟铄e(cuò)率來描述?？煽啃允怯脕砗饬渴盏叫畔⑴c發(fā)出信息的符合程度。因此，通信系統(tǒng)的可靠性取決于通信系統(tǒng)的抗干擾能力。61.1 擴(kuò)頻通信的基本概念擴(kuò)展頻譜通信擴(kuò)展頻譜通信（擴(kuò)頻通信/擴(kuò)譜通信）是圍繞提高信息傳輸?shù)目煽啃远岢龅囊环N有別于常規(guī)通信系統(tǒng)的新調(diào)制理論和技術(shù)。描述描述 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是指待傳輸信息信號(hào)的頻譜用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)（與信息信號(hào)無關(guān)）擴(kuò)展頻譜后成為

5、寬頻帶信號(hào)，然后送入信道中傳輸；在接收端再利用相應(yīng)的技術(shù)或手段將擴(kuò)展了的頻譜進(jìn)行壓縮，恢復(fù)為原來待傳輸信息信號(hào)的帶寬，從而達(dá)到傳輸信息目的的通信系統(tǒng)。特點(diǎn)特點(diǎn) 傳輸同樣信息所需帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)通信系統(tǒng)的帶寬。帶寬至少是信息信號(hào)帶寬的幾百倍、幾千倍甚至幾萬倍。信息已不再是決定傳輸信號(hào)帶寬的一個(gè)重要因素，傳輸信號(hào)傳輸信號(hào)的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)來決定的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)來決定。71.1 擴(kuò)頻通信的基本概念u特點(diǎn)特點(diǎn)（判斷擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的準(zhǔn)則判斷擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的準(zhǔn)則）u獲得的好處獲得的好處（1）傳輸信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被傳輸?shù)脑夹畔⑿盘?hào)的帶寬；（2）傳輸信號(hào)的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)決定，此擴(kuò)頻函數(shù)通常是偽隨機(jī)（

6、偽噪聲）編碼信號(hào)。具有很強(qiáng)的抗人為干擾、抗窄帶干擾、抗多徑干擾的能力。 81.1 擴(kuò)頻通信的基本概念表明了一個(gè)信道無差錯(cuò)傳輸信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于傳輸信息的信道帶寬之間的關(guān)系。u擴(kuò)頻系統(tǒng)具有抗干擾能力的理論基礎(chǔ)擴(kuò)頻系統(tǒng)具有抗干擾能力的理論基礎(chǔ) 根據(jù)信息理論香農(nóng)(CEShannon)信道容量公式 NSBC1log2令C是希望具有的信道容量，即信息速率，有 NSBC1ln44. 1對(duì)于典型干擾環(huán)境，有 ，冪級(jí)數(shù)展開得/1S N91.1 擴(kuò)頻通信的基本概念u擴(kuò)頻系統(tǒng)具有抗干擾能力的理論基礎(chǔ)擴(kuò)頻系統(tǒng)具有抗干擾能力的理論基礎(chǔ) 1.44CSBN0.7NBCS或?qū)τ谌我饨o定的噪聲信號(hào)功率比

7、 ，只要增加用于傳輸信息的帶寬B，就可以增加在信道中無差錯(cuò)地傳輸信息的速率C。在信道中當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信號(hào)噪聲功率比S/N下降時(shí)，可以用增加系統(tǒng)傳輸帶寬B的辦法來保持信道容量C不變，而C是系統(tǒng)無差錯(cuò)傳輸信息的速率。也就是說對(duì)于任意給定的信息傳輸速率C，當(dāng)信號(hào)噪聲功率比S/N下降時(shí)，可以用增大系統(tǒng)的傳輸帶寬B來獲得較低的信息差錯(cuò)率。說明說明101.1 擴(kuò)頻通信的基本概念u擴(kuò)頻系統(tǒng)具有抗干擾能力的理論基礎(chǔ)擴(kuò)頻系統(tǒng)具有抗干擾能力的理論基礎(chǔ) 增加信道帶寬后，在低的信噪比情況下，信道仍可在相同的容量下傳送信息。甚至在信號(hào)被噪聲淹沒的情況下，只要相應(yīng)的增加傳輸信號(hào)的帶寬也能保持可靠的通信。進(jìn)一步說明進(jìn)一步說明

8、擴(kuò)頻通信系統(tǒng)正是利用這一原理，用高速率的擴(kuò)頻碼來擴(kuò)展待傳輸信息信號(hào)帶寬的手段，來達(dá)到提高系統(tǒng)抗干擾能力的目的。111.1 擴(kuò)頻通信的基本概念u最佳信號(hào)形式最佳信號(hào)形式 香農(nóng)指出：【在高斯白噪聲干擾情況下在高斯白噪聲干擾情況下】，在平均功率受限的信道上，實(shí)現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號(hào)最佳信號(hào)是具有白噪聲統(tǒng)白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)計(jì)特性的信號(hào)。因?yàn)榘自肼曅盘?hào)具有理想的自相關(guān)特性，其功率譜密度函數(shù)為:0( ) 2NS ff 自相關(guān)函數(shù)： j20( )( )ed( )2fNR S ff 對(duì)白噪聲信號(hào)處理困難。使用偽噪聲碼序列偽噪聲碼序列代替白噪聲，它們的統(tǒng)計(jì)特性相近。偽噪聲序列是接近于高斯信道要求的最佳信號(hào)

9、形式。 1101( )10NiiiR ccNN10( )100R NN 12上世紀(jì)50年代，哈爾凱維奇(俄)在理論上證明1.1 擴(kuò)頻通信的基本概念u最佳信號(hào)形式最佳信號(hào)形式從克服多徑干擾的角度 要克服多徑干擾的影響，信道中傳輸?shù)淖罴研盘?hào)形要克服多徑干擾的影響，信道中傳輸?shù)淖罴研盘?hào)形式應(yīng)該是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)形式。式應(yīng)該是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)形式。偽噪聲碼很接近白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，因而擴(kuò)頻通信系統(tǒng)又具有抗多徑干擾的能力。13u 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)基本原理擴(kuò)頻通信系統(tǒng)基本原理（直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)為例）1.1 擴(kuò)頻通信的基本概念14u 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)基本原理擴(kuò)頻通信系統(tǒng)基本原理（直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)為例）

10、1.1 擴(kuò)頻通信的基本概念2022年4月23日哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信技術(shù)研究所15u 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)基本原理擴(kuò)頻通信系統(tǒng)基本原理（直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)為例）1.1 擴(kuò)頻通信的基本概念射頻信號(hào)s(t)的帶寬取決于偽噪聲碼c(t)的碼速率Rc。在PSK調(diào)制的情況下，s(t)的帶寬等于偽噪聲碼速率的2倍，即BRF=2Rc，而幾乎與數(shù)字信號(hào)d(t)的速率無關(guān)。射頻帶寬的變化射頻帶寬的變化哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信技術(shù)研究所161.1 擴(kuò)頻通信的基本概念假設(shè)有用信號(hào)的功率為P1P0，碼分多址干擾信號(hào)的功率P2P0，多徑干擾信號(hào)的功率P3=P0，其他進(jìn)入接收機(jī)的干擾和噪聲信號(hào)功率N=P0。再假設(shè)所有信號(hào)的功率譜是均勻分布在

11、BRF=2Rc帶寬之內(nèi)。171.1 擴(kuò)頻通信的基本概念相關(guān)解擴(kuò)后，有用信號(hào)的頻帶變窄，無失真地通過帶寬為Bb=2Rb 的中頻濾波器。其他信號(hào)與本地參考偽噪聲碼無關(guān)，頻帶被展寬，大部分能量落在中頻濾波器的通頻帶之外，被中頻濾波器濾除了。因此，解擴(kuò)前后的信噪比發(fā)生了顯解擴(kuò)前后的信噪比發(fā)生了顯著的改變著的改變。181.2 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的分類根據(jù)擴(kuò)頻信號(hào)的產(chǎn)生方式擴(kuò)頻信號(hào)的產(chǎn)生方式，分為 直接序列系統(tǒng)； 頻率跳變系統(tǒng)； 時(shí)間跳變系統(tǒng)； 線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)； 混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)； (1) 頻率跳變-直接序列混合擴(kuò)頻系統(tǒng)； (2) 時(shí)間跳變-頻率跳變混合擴(kuò)頻系統(tǒng)； (3) 時(shí)間跳變-直接序列混合擴(kuò)頻系統(tǒng)；19

12、p 名稱名稱直接序列調(diào)制擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)（Direct Sequence Spread Spectrum Communication System，DS-SS），簡(jiǎn)稱直接序列直接序列系統(tǒng)系統(tǒng)或直擴(kuò)系統(tǒng)直擴(kuò)系統(tǒng)。1.2.1 直接序列系統(tǒng)p 工作原理工作原理待傳信息信號(hào)與高速率的偽噪聲（偽隨機(jī)）碼波形相乘后，去直接控制載波信號(hào)的某個(gè)參量，來擴(kuò)展傳輸信號(hào)的帶寬。用于頻譜擴(kuò)展的偽隨機(jī)序列稱為擴(kuò)頻碼序列。201.2.1 直接序列系統(tǒng)21p 調(diào)制方式的選取調(diào)制方式的選取在直接序列系統(tǒng)中，通常進(jìn)行相移鍵控（PSK）調(diào)制。由于PSK信號(hào)可以等效為抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波，因此直接序列系統(tǒng)常采用平衡調(diào)制方式。抑制

13、載波的平衡調(diào)制不僅節(jié)約了發(fā)射功率與提高了發(fā)射機(jī)的工作效率，而且對(duì)提高擴(kuò)頻信號(hào)的抗偵破能力也有利。1.2.1 直接序列系統(tǒng)22p 名稱名稱頻率跳變擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)（Frequency Hopping Spread Spectrum Communication System，F(xiàn)H-SS）的簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱跳頻系統(tǒng)。1.2.2 頻率跳變系統(tǒng)p 功能描述功能描述用二進(jìn)制偽隨機(jī)碼序列去控制射頻載波振蕩器輸出信號(hào)的頻率，使發(fā)射信號(hào)的載波頻率隨偽隨機(jī)碼的變化而跳變。可供隨機(jī)選取的載波頻率數(shù)通常是幾千幾萬個(gè)離散頻率，在如此多的離散頻率中，每次輸出哪一個(gè)由偽隨機(jī)碼決定。231.2.2 頻率跳變系統(tǒng)24p 與常規(guī)通信系

14、統(tǒng)的區(qū)別 最大的差別在于發(fā)射機(jī)的載波發(fā)生器和接收機(jī)中的本地振蕩器。頻率跳變通信系統(tǒng)中這二者輸出信號(hào)的頻率是跳變的。在頻率跳變系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)的載波發(fā)生器和接收機(jī)中的本地振蕩器主要由偽隨機(jī)碼發(fā)生器與頻率合成器兩部分組成?？焖夙憫?yīng)的頻率合成器是頻率跳變系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵部件。p 工作原理 頻率跳變系統(tǒng)中發(fā)信機(jī)的發(fā)射載波頻率，在一個(gè)預(yù)定的頻率集內(nèi)由偽隨機(jī)碼序列控制頻率合成器(偽)隨機(jī)的由一個(gè)跳到另一個(gè)。收信機(jī)中的頻率合成器也按照相同的順序跳變，產(chǎn)生一個(gè)和接收信號(hào)頻率相差 fIF(中頻頻率)的參考本振信號(hào)，經(jīng)混頻后得到頻率固定的中頻信號(hào)，此過程稱為對(duì)跳頻信號(hào)的解跳解跳。解跳后的中頻信號(hào)經(jīng)放大后送到解調(diào)器解調(diào)，

15、恢復(fù)出傳輸?shù)男畔ⅰ?.2.2 頻率跳變系統(tǒng)25p 分類分類根據(jù)跳頻速率的不同，可以將頻率跳變擴(kuò)頻系統(tǒng)分為 頻率慢跳變系統(tǒng)頻率慢跳變系統(tǒng)； 頻率快跳變系統(tǒng)頻率快跳變系統(tǒng)； p 速率速率控制頻率跳變的指令碼(偽隨機(jī)碼)的速率，沒有直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)中的高，一般為幾十比特每秒幾千比特每秒。 p 調(diào)制方式調(diào)制方式對(duì)于FH系統(tǒng)，常用的數(shù)據(jù)調(diào)制方式是多進(jìn)制（多進(jìn)制（M-ary）頻移）頻移鍵控鍵控。 1.2.2 頻率跳變系統(tǒng)哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信技術(shù)研究所26 頻率頻率慢慢跳變系統(tǒng)跳變系統(tǒng)假設(shè)數(shù)據(jù)調(diào)制采用二進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制，Tb是一個(gè)信息碼元比特寬度，每Tb秒數(shù)據(jù)調(diào)制器輸出兩個(gè)頻率中的一個(gè)。每隔 Tc秒系統(tǒng)輸出信

16、號(hào)的射頻頻率跳變到一個(gè)新的頻率上。若TcTb，則稱為頻率慢跳變系統(tǒng)頻率慢跳變系統(tǒng)。1.2.2 頻率跳變系統(tǒng)27 頻率頻率快快跳變系統(tǒng)跳變系統(tǒng)在頻率慢跳變系統(tǒng)中，頻率的跳變速度比數(shù)據(jù)調(diào)制器輸出符號(hào)的變化速度慢。若在每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)中，射頻輸出信號(hào)的載波頻率跳變多次，則稱為頻率快跳變系統(tǒng)頻率快跳變系統(tǒng)。 n 快跳頻的一個(gè)明顯好處快跳頻的一個(gè)明顯好處可以在每個(gè)發(fā)射符號(hào)上得到頻率分集增益可以在每個(gè)發(fā)射符號(hào)上得到頻率分集增益。在部分頻帶被干擾時(shí)，或者在微波移動(dòng)電話應(yīng)用中，當(dāng)傳輸信道導(dǎo)致快速信號(hào)衰落時(shí)，這一點(diǎn)特別有意義。1.2.2 頻率跳變系統(tǒng)哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信技術(shù)研究所28 頻率頻率快快跳變系統(tǒng)跳變系統(tǒng)1.

17、2.2 頻率跳變系統(tǒng)291.2.3 時(shí)間跳變系統(tǒng)p 名稱名稱時(shí)間跳變擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)（Time Hopping Spread Spectrum Communication System，TH-SS）的簡(jiǎn)稱，主要用于時(shí)分多址（TDMA）通信中。p 功能描述時(shí)間跳變系統(tǒng)是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上離散地跳變。把時(shí)間軸分成許多時(shí)隙，這些時(shí)隙在時(shí)跳通信中通常稱為時(shí)片，若干時(shí)片組成一跳時(shí)時(shí)間幀，在一時(shí)間幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)隙發(fā)射信號(hào)由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制。因此，可理解為：用一偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行選擇的多時(shí)隙的時(shí)移鍵控。由于采用了窄得很多的時(shí)隙去發(fā)送信號(hào)，相對(duì)說來，信號(hào)的頻譜也就展寬了。 30發(fā)送端發(fā)送端 數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)起來，偽

18、隨機(jī)碼序列控制存儲(chǔ)器的輸出與高頻開關(guān)通斷，經(jīng)調(diào)制后的信號(hào)由高頻開關(guān)經(jīng)天線發(fā)射。接收端接收端 當(dāng)接收機(jī)的偽碼發(fā)生器與發(fā)端同步時(shí)，所需信號(hào)就能每次按時(shí)通過高頻開關(guān)進(jìn)入接收機(jī)。接收機(jī)中解調(diào)后的數(shù)據(jù)也經(jīng)過一緩沖存儲(chǔ)器，以便恢復(fù)原來的均勻數(shù)據(jù)流?！緱l件條件】只要收發(fā)兩端在時(shí)間上嚴(yán)格地保持同步，就能正確地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。 1.2.3 時(shí)間跳變系統(tǒng)31p可看成時(shí)分系統(tǒng)時(shí)分系統(tǒng)，區(qū)別：不是在時(shí)間幀中固定分配時(shí)隙，而由擴(kuò)頻碼序列控制按一定規(guī)律位置跳變的時(shí)隙。p通過時(shí)間合理分配來避開強(qiáng)干擾，一種理想的多址技術(shù)。當(dāng)同一信道中有許多跳時(shí)信號(hào)時(shí)，同一時(shí)隙內(nèi)可能有信號(hào)相互重疊。因此，與頻率跳變系統(tǒng)一樣，必須設(shè)計(jì)好偽隨機(jī)碼，

19、或采用協(xié)調(diào)方式構(gòu)成時(shí)分多址系統(tǒng)。p簡(jiǎn)單的時(shí)間跳變系統(tǒng)抗干擾性不強(qiáng)，故很少單獨(dú)使用。常與其他方式結(jié)合使用，組成混合擴(kuò)頻方式。p從抑制干擾角度看，該系統(tǒng)得益甚少，其優(yōu)點(diǎn)在于減少了工作時(shí)間的占空比。系統(tǒng)的偽隨機(jī)碼參數(shù)不易被偵破。主要缺點(diǎn)：對(duì)定時(shí)要求嚴(yán)格。1.2.3 時(shí)間跳變系統(tǒng)321.2.4 線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)p 概念概念線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)（Chirp）是指系統(tǒng)的工作頻率在一給定的脈沖時(shí)間間隔內(nèi)線性地掃過一個(gè)很寬的頻帶，形成一帶寬很寬的掃頻信號(hào)，或者說工作頻率在一給定的時(shí)間間隔內(nèi)線性增大或減小，使發(fā)射信號(hào)頻譜占據(jù)很寬的范圍。在語(yǔ)音頻段，線性調(diào)頻聽起來類似鳥的“啾啾”叫聲，故也稱為鳥聲調(diào)制。p 特點(diǎn)特點(diǎn)線

20、性脈沖調(diào)頻是一種不需要用偽隨機(jī)碼序列調(diào)制的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，由于其信號(hào)占用的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息帶寬，從而也可獲得較好的抗干擾性能。33工作原理工作原理1.2.4 線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)34（2）脈沖持續(xù)時(shí)間Tb內(nèi)，信號(hào)瞬時(shí)頻率為線性調(diào)頻信號(hào)特點(diǎn)線性調(diào)頻信號(hào)特點(diǎn)0 22bbbTTFffttT （3）時(shí)域表達(dá)式為2002( )cos 2 22bbbTTFs tAf tttT （1）發(fā)射脈沖信號(hào)的瞬時(shí)頻率在信息脈沖持續(xù)時(shí)間Tb內(nèi)隨時(shí)間作線性變化，頻差為cBffF211.2.4 線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)35可用匹配濾波器來實(shí)現(xiàn)。由色散延遲線構(gòu)成。對(duì)低頻成分延遲時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)高頻成分延遲時(shí)間短，于是頻率由低到高的調(diào)頻信號(hào)通

21、過匹配濾波器后，各頻率分量幾乎同時(shí)輸出，信號(hào)疊加在一起，形成了脈沖時(shí)間的壓縮，使輸出信號(hào)幅度增加，能量集中，將有用信號(hào)檢出。而不匹配的信號(hào)在時(shí)間上沒有壓縮，甚至反被擴(kuò)展。接收解調(diào)接收解調(diào)1.2.4 線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)36p 頻率跳變-直接序列混合擴(kuò)頻系統(tǒng)(FH/DS)；p 直接序列-時(shí)間跳變混合擴(kuò)頻系統(tǒng)(DS/TH)；p 頻率跳變-時(shí)間跳變混合擴(kuò)頻系統(tǒng)(HF/TH)；p 常用系統(tǒng)常用系統(tǒng)1.2.5 混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)注意注意：比單一的直接序列、頻率跳變、時(shí)間跳變體制有更優(yōu)良的性能。37特點(diǎn)特點(diǎn)：能夠大大提高擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能，且通信隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)、頻率跳變系統(tǒng)的載波頻率難于捕捉、適應(yīng)于多址通信

22、或離散尋址和多路復(fù)用。 （1） 頻率跳變頻率跳變-直接序列混合擴(kuò)頻系統(tǒng)直接序列混合擴(kuò)頻系統(tǒng)1.2.5 混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)38特別適用于大量電臺(tái)同時(shí)工作，其距離或發(fā)射功率在很大范圍內(nèi)變化，需要解決通信中遠(yuǎn)近效應(yīng)問題的場(chǎng)合，主要用于多址和尋址，擴(kuò)展頻譜不是其主要目的。（2）時(shí)間跳變）時(shí)間跳變-頻率跳變混合擴(kuò)頻系統(tǒng)頻率跳變混合擴(kuò)頻系統(tǒng) n 適用場(chǎng)合指在同一工作區(qū)域內(nèi)，同一系統(tǒng)中由于接收機(jī)對(duì)于不同位置的發(fā)射機(jī)，電波傳播的距離有遠(yuǎn)近之分，形成電波傳播路徑的衰減不同，近距離發(fā)射機(jī)發(fā)送來的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)要遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)距離發(fā)射機(jī)發(fā)送來的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)。在接收機(jī)中強(qiáng)信號(hào)將對(duì)弱信號(hào)產(chǎn)生抑制作用，造成接收機(jī)不能很好地接收遠(yuǎn)距離發(fā)射機(jī)

23、發(fā)送來的信號(hào)。n 遠(yuǎn)近效應(yīng)1.2.5 混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)39（3）時(shí)間跳變）時(shí)間跳變-直接序列混合擴(kuò)頻系統(tǒng)直接序列混合擴(kuò)頻系統(tǒng) 當(dāng)直接序列系統(tǒng)中可使用的擴(kuò)頻碼序列的數(shù)目不能滿足多址或復(fù)用要求時(shí)，增加時(shí)分復(fù)用(TDM)是一種有效的解決辦法。既可增加的地址數(shù)，又可改善鄰臺(tái)的干擾性能。 1.2.5 混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)401.3 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的模型1.3.1 直接序列系統(tǒng)的模型41)2cos()()(0tftAmtf1( )0( )1( )mmtm tt假設(shè)調(diào)制方式為PSK)()(2cos)(00tttfAtfm)2cos()()()(0tftctAdts1.3.1 直接序列系統(tǒng)的模型42 假設(shè)條件假設(shè)條

24、件 （1） 相互獨(dú)立； ( )d tc t和（2）碼元寬度是碼元寬度的整數(shù)倍； 傳輸影響傳輸影響 一般情況：隨機(jī)延時(shí)、多普勒頻移 和隨機(jī)相移 。不考慮信號(hào)電平衰減 接收信號(hào)模型接收信號(hào)模型 dddd0ddd( )()( )()() ()cos2()( )()iiiir ts tTN ts tTAd tT c tTfftN ts tT1.3.1 直接序列系統(tǒng)的模型43去除擴(kuò)頻碼去除擴(kuò)頻碼 相關(guān)技術(shù)相關(guān)技術(shù) 解擴(kuò)解擴(kuò)去除載波去除載波相干技術(shù)相干技術(shù) 解調(diào)解調(diào)設(shè)基帶濾波器h(t) 帶寬與信息帶寬相同，射頻濾波器無失真?zhèn)鬏斝盘?hào) ，則基帶濾波器輸出為d0dd( )2()cos2() ()d( )rv t

25、c Tff trhdd0dd( )() ()cos2()r tAd tT c tTff t1.3.1 直接序列系統(tǒng)的模型44dd0dd0dd( )2()cos2()cos()2() ()d(sdrv tAd Tff ff h tc Tc T擴(kuò)頻碼同步擴(kuò)頻碼同步載波同步載波同步 dddd ()()rTTc tTc tTdddd, ff基帶濾波器輸出基帶濾波器輸出d( )() ()dsv tAd T h t (1-16)只要基帶濾波器能無失真?zhèn)鬏敂?shù)字信息，則收信端即可恢復(fù)出發(fā)信端傳輸?shù)男畔ⅰ?.3.1 直接序列系統(tǒng)的模型451.3.2 頻率跳變系統(tǒng)的模型fCffkk0圖1-14 頻率跳變系統(tǒng)的數(shù)學(xué)

26、模型(a) 發(fā)射系統(tǒng)；(b) 接收系統(tǒng)46n 頻率合成器輸出信號(hào)頻率合成器輸出信號(hào)( )cos 2()ckkTcka tAf tgtkT離散頻率由于受偽碼控制，故具有周期性，序列周期為N，故有Nkkff1( )cos 2()()cNkkTcckma tAf tgtkTtmNT (1-19)n 跳頻發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)1( )cos(2)()cNkkTcckms tAf tgtkTtmNTd t1.3.2 頻率跳變系統(tǒng)的模型47n 接收信號(hào)dd1( )()cos 2()( )( )cNkkTckcmr tAd tTf tgtkTTtmNTJ tN tn 本地頻率合成器輸出IFd1( )2cos 2()

27、()()cNkkTcckmb tfftgtTkTtmNTn 混頻器輸出dd1IF1d( )()cos(2)()()2cos 2()()()ccNkkTckNciimiTccnu tAd tTf tgtTkTtmNTfftgtTiTtnNT (1-20)1.3.2 頻率跳變系統(tǒng)的模型48偽隨機(jī)編碼理論偽隨機(jī)編碼理論 兩周期序列的復(fù)合序列的周期為兩個(gè)子序列周期的最小公倍數(shù)。d1IFd1( )2()cos(2)()2cos 2()()()ccNdkkTckNiiTccimu tAd tTf tgtTkTfftgtTiTtmNT假設(shè)中頻濾波器為理想窄帶帶通濾波器20221)(IFIFIFIFBffBf

28、ffH中頻濾波器輸出為d)()()(thutv1.3.2 頻率跳變系統(tǒng)的模型49假設(shè)接收機(jī)已同步中頻濾波器輸出為dd, , , kkkkffTTd1IFd1()cos 2()cos 2(2()d)(ccNkkTcdkNiiTcimscAdTfgkTTffgv th tiTTmNT 由于 kikikTtgiTtgkTtgcTcTcTccc0)()()(d1d1d1d1( )()cos 2( - )()d()cos 2 2()()dccNsTcckmNkTcckmv tAdTh tgkTTmNTAdTgkTfTmNfT h tf IFIFk+2則有1.3.2 頻率跳變系統(tǒng)的模型50選擇各頻點(diǎn)，使其

29、具有由于22IFBBfbk物理含義物理含義：混頻后的和頻信號(hào)分量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落在中頻濾波器通帶外。濾波器輸出為 d1d1()()cos 2(- )()dcNsTcckmv tAdThtgkT TmNfT IFdIF( )()cos 2()dsv tAdTfh td1()1cNTcckmgtkTTtmNT則有只要 ，解跳后的中頻信號(hào)就可無失真通過中頻濾波器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，最后恢復(fù)出發(fā)射信號(hào) 。bBB2IF1.3.2 頻率跳變系統(tǒng)的模型511.4 擴(kuò)頻系統(tǒng)處理增益與主要特點(diǎn)1.4.1 擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益n 目的 衡量擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾能力的優(yōu)劣；n 定義 接收機(jī)解擴(kuò)(跳)器(相關(guān)器)的輸出信噪比與輸入

30、信噪比之比。outpin/S NGS N輸出信號(hào)噪聲功率比輸入信號(hào)噪聲功率比n 物理意義表示經(jīng)過擴(kuò)頻接收機(jī)處理后，使信號(hào)增強(qiáng)的同時(shí)抑制輸入到接收機(jī)干擾信號(hào)能力的大小。處理增益越大，則系統(tǒng)抗干擾能力越強(qiáng)。(1) 處理增益Gp 概念Niitsts1)()(NEttssid)(2Mkkikitsts1)()(jijitttki01d)()(Mktk1),(521.4.1 擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益一個(gè)總能量為 Es的N維信號(hào)(1-27)每一個(gè)分量的能量為用M維信號(hào)空間的正交函數(shù)集來表示為(1-28)其中1.4.1 擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益假設(shè)一個(gè)分布于M維空間的均值為零的加性干擾信號(hào)為NiMkkiktsts11)

31、()()(tsiMlkNilklkNMEsssilik,110MkkktJtJ1)()(53將(1-28)式代入(1-27)式得假設(shè)信號(hào)的M個(gè)基本方向上，且使每一個(gè)分量的平均值為零，則的能量均勻地分布在M維信號(hào)空間相互正交1.4.1 擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益 第i個(gè)相關(guān)器輸出的方差為MkikkikiisJsttstrv12)(d)()( NEsvsMkiki12E 2222211DEEEiiiMMsJsikkikimm imkmvvvEE EsJ ssJ sNNM54接收機(jī)采用相關(guān)技術(shù)，接收信號(hào)和某個(gè)信號(hào)相關(guān)，第i個(gè)相關(guān)器的輸出為第i個(gè)相關(guān)器輸出的均值為1.4.1 擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益 NiMkikk

32、ikNiisJsvv1121 sNiiEvv1EE 22211DEEENNJsijsijvvvNE EvvEM55接收機(jī)的輸出信號(hào)為輸出信號(hào)的均值為輸出信號(hào)的方差(噪聲功率)為1.4.1 擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益22outE ( )D( )sssJJEESvMNE ENvENMoutpinsJsJEMSENMNGSNENE56接收機(jī)輸出信號(hào)的信噪比為處理增益為上式給出了經(jīng)過接收系統(tǒng)的相關(guān)處理后，輸出信號(hào)噪聲功率比相對(duì)于輸入信號(hào)噪聲功率比得到的增益為M/N。1.4.1 擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益 信號(hào)的空間維數(shù) 是未經(jīng)擴(kuò)頻處理前信號(hào)所占有的頻帶寬度。 經(jīng)過擴(kuò)頻處理后，信號(hào)所占有的頻帶寬度為 ，即原始信號(hào)的空間

33、維數(shù)為N，經(jīng)過擴(kuò)頻處理后，信號(hào)的空間維數(shù)為M，這個(gè)信號(hào)空間也正是干擾信號(hào)企圖占有的空間。 這樣擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的處理增益為bBBN信息ssBBM擴(kuò)頻57sspbBBMGNBB擴(kuò)頻信息n 事實(shí)上事實(shí)上 若進(jìn)入接收機(jī)解擴(kuò)器的干擾與噪聲的功率譜密度均勻分布，譜密度為N0，則有Nin=N0Bss581.4.1 擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益in0ssSPNN B解擴(kuò)器輸入信噪比接收機(jī)解擴(kuò)器相關(guān)處理接收機(jī)解擴(kuò)器相關(guān)處理（1）信號(hào)無失真通過，功率不變，為P；（2）干擾和噪聲只有少部分通過濾波器（帶寬Rb），大部分被濾除；解擴(kuò)器輸出干擾與噪聲功率為bBNN0out解擴(kuò)器輸出信噪比 bBNPNS0out591.4.1 擴(kuò)頻系

34、統(tǒng)的處理增益0outsspin0ssbbPSN BBNGSBPNN B說明擴(kuò)頻接收機(jī)處理增益與擴(kuò)頻信號(hào)帶寬Bss（解擴(kuò)前信號(hào)帶寬）成正比，與信息信號(hào)帶寬Bb（解擴(kuò)后信號(hào)帶寬）成反比。擴(kuò)頻處理增益擴(kuò)頻處理增益601.4.1 擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益pGNsspcbbBRGBR直接序列系統(tǒng)Rb為信息碼的碼速率， Rc為擴(kuò)頻碼的碼速率。在直接序列系統(tǒng)中，碼片速率通常是信息碼速率的整數(shù)倍，即 ，N為擴(kuò)頻碼的長(zhǎng)度或周期，有 bcNRR 頻率跳變系統(tǒng)pssbBGNBN為頻率跳變系統(tǒng)可用的載波頻率數(shù)。 條件 在頻率跳變時(shí)不存在各頻點(diǎn)間的頻譜重疊，即ssbBNB且bfB1.4.1 擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益時(shí)間跳變系統(tǒng)p1

35、G 幀內(nèi)所有的時(shí)片數(shù)發(fā)射信號(hào)所占用的時(shí)片數(shù)發(fā)射機(jī)工作時(shí)間的占空比 時(shí)間跳變系統(tǒng)的處理增益等于一幀中所分的時(shí)片數(shù)和發(fā)射信號(hào)所占用的時(shí)片數(shù)的比值，或時(shí)間跳變系統(tǒng)發(fā)射機(jī)工作時(shí)間的占空比的倒數(shù)61混合擴(kuò)頻系統(tǒng)混合擴(kuò)頻系統(tǒng)，其擴(kuò)頻處理增益的計(jì)算要從接收機(jī)輸入信號(hào)的帶寬和輸出信號(hào)的帶寬著手進(jìn)行。 1.4.1 擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益如一個(gè)DS-FH混合擴(kuò)頻系統(tǒng)，信息碼的碼速率為Rb，進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻時(shí)，擴(kuò)頻碼的碼速率為Rc，bcRNR1則DS系統(tǒng)的擴(kuò)頻處理增益為 pDS1cbRGNR，62進(jìn)行頻率跳變擴(kuò)頻時(shí)，系統(tǒng)有N2個(gè)可用頻率數(shù)，且各頻點(diǎn)間的頻譜相互不重疊(即各頻點(diǎn)的頻率間隔不小于2Rc)，則頻率跳變系統(tǒng)的擴(kuò)頻處理增益為Gp，F(xiàn)H = N2DS-FH混合系統(tǒng)的擴(kuò)頻處理增益為 p12pDSpFHbssBGN NGGB， 干擾容限（Jamming Margin），表示擴(kuò)頻系統(tǒng)在干擾環(huán)境中的工作能力，定義為 pjsysoutGMSLN式中，outNSMj 擴(kuò)頻系統(tǒng)的干擾容限；Gp 擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益；Lsys 擴(kuò)頻系統(tǒng)的執(zhí)行損耗或?qū)崿F(xiàn)損耗； 相關(guān)解擴(kuò)器輸出的信噪比，也即 系統(tǒng)要求基帶濾波器或中頻濾波 器輸出的信噪比。631.4.2 擴(kuò)頻系統(tǒng)的干擾容限(1-34) 式(1-34)在實(shí)際應(yīng)用中很不