1、第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统4.1 扩频通信的基本概念扩频通信的基本概念4.2 直接序列扩频系统直接序列扩频系统4.3 跳频系统跳频系统 4.4 混合式扩频系统混合式扩频系统习习 题题 第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统4.1 扩频通信的基本概念扩频通信的基本概念 4.1.1 扩频通信的定义所谓扩展频谱通信,可简单表述如下:“扩频通信技术是一种信息传输方式,其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽;频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成,并用编码及调制的方法来实现的,与所传信息数据无关;在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢
2、复所传信息数据”。这一定义包含了以下三方面的意思。1.信号的频谱被展宽2.采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱3.在接收端用相关解调来解扩 第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统 4.1.2 扩频通信的理论基础扩频通信的基本特点是传输信号所占用的频带宽度(fW)远大于原始信息本身实际所需的最小(有效)带宽(fB),其比值称为处理增益GP:扩频通信的可行性是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引申而来的。信息论中关于信息容量的仙农(Shannon)公式为(4-2)BWpffG(4-1)1(NPlbfCW第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统扩频通信可行性的另一理论基础是柯捷尔尼可夫关于信息传输差错
3、概率的公式:式中,Powj为差错概率;E为信号能量;N0为噪声功率谱密度。因为,信号功率PE/T(T为信息持续时间),噪声功率NfWN(fW为信号频带宽度),信息带宽F1/T,则式(4-3)可化为 )(0NEfPowj(4-3)()(BWWowjffNPfNPTffP(4-4)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统4.1.3 扩频通信的主要性能指标处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。处理增益G也称扩频增益(Spreading Gain),它定义为频谱扩展前的信息带宽fB与频带扩展后的信号带宽fW之比(GfW/fB)。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统抗干扰容限是指扩频通信
4、系统能在多大干扰环境下正常工作的能力,定义为Mj=G-(S/N)out+Ls,其中,Mj为抗干扰容限,G为处理增益,(S/N)out为信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比,Ls为接收系统的工作损耗。扩频通信主要有以下几项特点:1.易于重复使用频率,提高了无线频谱利用率2.抗干扰性强,误码率低3.隐蔽性好,对各种窄带通信系统的干扰很小第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统对于宽带干扰和脉冲干扰在扩频设备中如何被抑制的物理过程,可以用图4-1和图4-2加以说明。对于各种形式人为的(如电子对抗中)干扰或其他窄带或宽带(扩频)系统的干扰,只要波形、时间和码元稍有差异,解扩后仍然保持其宽带性,而有用
5、信号将被压缩,如图4-1所示。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图 4-1 扩频系统抗宽带干扰能力示意图 (a)接收输入端;(b)解扩后第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统对于脉冲干扰,带宽将被展宽到fB,而有用信号恢复(压缩)后,保证高于干扰,如图4-2所示。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图 4-2 扩频系统抗脉冲干扰能力示意图 (a)接收输入端;(b)解扩后第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统4.可以实现码分多址 5.抗多径干扰6.能精确地定时和测距7.适合数字话音和数据传输,以及开展多种通信业务8.安装简便,易于维护4.1.4 扩频通信的工作原理扩频通信的一般工作原理如图
6、4-3所示。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-3 扩频通信的工作原理扩频调制信息调制信息扩频码发生器射频调制射频发生器扩频解调信息解调信息本地扩频码发生器变频本地射频发生器第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统4.1.5 扩频通信的工作方式1.直接序列扩频工作方式所谓直接序列(DS,Direct Sequence)扩频,就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端扩展信号的频谱。2.跳变频率工作方式另 外 一 种 扩 展 信 号 频 谱 的 方 式 称 为 跳 频(F H,Frequency Hopping)。所谓跳频,比较确切的意思是:用一定码序列进行选择的多频率频移键控。图4-4(a)
7、为跳频的原理示意图。发端信息码序列与扩频码序列组合以后按照不同的码字去控制频率合成器。从图4-4(b)中可以看出频域上的输出频谱在一宽频带内所选择的某些频率随机地跳变。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-4 跳频系统示意图频率合成器信息调制信息扩频码发生器射频调制射频发生器中频带通信息解调器信息扩频码发生器变频频率合成器(a)f1f2f3(b)fn1fn第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统3.跳变时间工作方式 图4-5(a)是跳时系统的原理方框图。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-5 跳时系统示意图信息2第一帧存储器通断开关二相或四相调制扩频码发生器通断开关扩频码发生器二相
8、或四相解调存储器再定时信息4第二帧第三帧7第四帧45(a)(b)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统4.宽带线性调频工作方式图4-6是线性调频的示意图。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-6 线性调频示意图锯齿波压控振荡器线性调频脉冲压控振荡器压缩后输出脉冲第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统5.各种混合方式但是,不同方式结合起来的优点有时能得到很好的效果，例如DS/FH系统,就是一种中心频率在某一频带内跳变的直接序列扩频系统，其信号的频谱如图4-7所示。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-7 DS/FH系统频谱图FHDSf第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统4.2 4.
9、2 直接序列扩频系统直接序列扩频系统4.2.1 直扩系统的组成与原理 1.组成与原理前面已经说过,所谓直接序列(DS)扩频,就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端,用相同的扩频码序列去进行解扩,把展宽的扩频信号还原成原始的信息。图4-8为直扩系统的组成与原理方框图。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-8 直扩系统的组成与原理方框图fb信息调制fin扩频f0fcfTfcf0fin发射机接收机解扩滤波器信息解调跳频主振伪码本振伪码f0fcfTfbfc(a)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-8 直扩系统的组成与原理方框图(b)第四章第四章 扩频通信系统扩频
10、通信系统综上所述,直扩系统的特点是:(1)频谱的扩展是直接由高码率的扩频码序列进行调制而得到的;(2)扩频码序列多采用伪随机码,也称为伪噪声(PN)码序列;(3)扩频调制方式多采用BPSK或QPSK等幅调制,扩频和解扩的调制解调器多采用平衡调制器,制作简单又能抑制载波;(4)模拟信息调制多采用频率调制(FM),而数字信息调制多采用脉冲编码调制(PCM)或增量调制(M);第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统(5)接收端多采用产生本地伪随机码序列对接收信号进行相关解扩,或采用匹配滤波器来解扩信号;(6)扩频和解扩的伪随机码序列应有严格的同步,码的搜捕和跟踪多采用匹配滤波器或利用伪随机码的优良的自
11、相关特性在延迟锁定环中实现;(7)一般需要用窄带通滤波器来排除干扰,以实现其抗干扰能力的提高。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统2.直扩信号的波形与频谱 任何周期性的时间波形都可以看成是许多不同幅度、频率和相位的正弦波之和。图4-9(a)中为一周期性矩形脉冲序列f(t)的波形及其频谱函数An(f)。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-9 直扩信号的波形与频谱0f(t)t0t0EEEff0fB0T02T0f(t)tT0f(t)1(a)(b)(c)An(f0)fA(f0)f0A(f0)f1f2121202020T20TfBfB1152E5E52E第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统4
12、.2.2 几种常用的伪随机码1.码序列的相关性 随机信号的自相关函数的定义为图4-10(a)为任一随机噪声的时间波形及其延迟一段后的波形。图4-10(b)为其自相关函数。如果用+1、-1脉冲分别表示“1”和“0”,则在图4-10(c)中示出了其波形和它相对延迟个时片的波形，这样我们很容易求出这两个脉冲序列波形的自相关函数,如图4-10(d)所示。0 0 0)()(1lim)(2/2/当常数当dttftfTTTTn第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-10 信号自相关图tf(t)f(t)t(a)()(b)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-10 信号自相关图111111000(c)
13、(d)()202t20第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统两个不同信号波形f(t)与g(t)之间的相似性用互相关函数来表示:dttftfTTTTc2/2/)()(1lim)(第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统2.m序列 m序列是最长线性移位寄存器序列的简称。图4-11(a)为一最简单的三级移位寄存器构成的m序列发生器。模二加法器的作用为图4-11(b)所示的运算,即0+00,0+11,1+01,1+10。图4-11(a)中D2、D3输出的模二和反馈为D1的输入。在图4-11(c)中示出,在时钟脉冲驱动下,三级移位寄存器的暂存数据按列改变。D3的变化即输出序列。第四章第四章 扩频通信系统扩
14、频通信系统图4-11 m序列发生器D1时钟脉冲输出1110010输入输出00100111D2D3(a)D2D1D31111010010101000111100110(b)(c)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统一个码序列的随机性由以下三点来表征:(1)一个周期内“1”和“0”的位数仅相差1位。(2)一个周期内长度为1的游程(连续为“0”或连续为“1”)占1/2,长度为2的游程占1/4,长度为3的游程占1/8。(3)一个周期长的序列与其循环移位序列位比较,相同码的位数与不相同码的位数相差1位。m序列的一些基本性质:在m序列中一个周期内“1”的数目比“0”的数目多1位。例如上述7位码中有4个“
15、1”和3个“0”。在15位码中有8个“1”和7个“0”。表4-1中列出了长为15位的游程分布。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统表4-1 111101011001000游程分布 第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统m序列的自相关函数由下式计算:令p=A+D=2n-1，则 DADAR)(A为“0”的位数，D为“1”的位数0 10 1)(pR第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统设n=3,p=23-17,则3.Gold码序列 m序列虽然性能优良,但同样长度的m序列个数不多,且序列之间的互相关值并不都好。R.Gold提出了一种基于m序列的码序列,称为Gold码序列。如有两个m序列,它们的互相关
16、函数的绝对值有界,且满足以下条件:0 710 1)(R第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-12(a)示出了Gold码发生器的原理结构图。图4-12(b)为两个5级m序列优选对构成的Gold码发生器。的倍数）为偶数（不是为奇数4 12 12)(2121nnRnn第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-12 Gold码发生器原理结构图时钟源码2码发生器1码发生器2(a)码1(b)1234512345第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统Gold序列的主要性质有以下三点:(1)Gold序列具有三值自相关特性,其旁瓣的极大值满足上式表示的优选对的条件。(2)两个m序列优选对,不同移位相加产
17、生的新序列都是Gold序列。因为总共有2n-1个不同的相对位移,加上原来的两个m序列本身,所以,两个m级移位寄存器可以产生2n1个Gold序列。因此,Gold序列的序列数比m序列数多得多。(3)同类Gold序列互相关特性满足优选对条件,其旁瓣的最大值不超过上式的计算值。在表4-2中列出了m序列和Gold序列互相关函数旁瓣的最大值。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统表4-2 m序列和Gold序列特性第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统4.R-S序列利用固定寄存器和m序列发生器还可以构成R-S序列发生器。它所产生的R-S序列是一种多进制的具有最大的最小距离的线性序列。图4-13给出了R-S序
18、列发生器的框图。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-13 R-S序列发生器R-S 序列AB210210第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统5.M序列如果反馈逻辑中的运算含有乘法运算或其他逻辑运算,则称作非线性反馈逻辑。由非线性反馈逻辑和移位寄存器构成的序列发生器所能产生的最大长度序列,就叫作最大长度非线性移位寄存器序列,或叫作M序列,M序列的最大长度是2n。图4-14给出一个七级的M序列发生器的框图。可以看出,与线性反馈逻辑不同之处在于增加了“与门”运算,与门具有乘法性质。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-14 M序列发生器M 序列非线性反馈逻辑七级位移寄存器1234567
19、与门第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统 4.2.3 直扩信号的发送与接收1.扩频调制 如图4-15(a)所示为一常见的二极管平衡调制器。输出正弦波相位改变的情况如图4-15(b)所示。图4-16后面的三幅图分别示出了这三种情况的输出波形。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-15 二极管平衡调制器载波输入VD11010m(t)001码输入VD2VD3VD4调制输出(a)1800180180(b)(c)t第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-16 实际平衡调制器输出波形 第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统2.相关解扩 有时为了避免强干扰信号从平衡调制器的输入端绕过它而泄漏到输
20、出端去,可以用外差相关解扩,如图4-17所示。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-17 外差相关解扩相关输出至中放f0本地码0fif平衡调制器1f0 fif平衡调制器2本地振荡器f0 fif本地参考信号第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统 图4-18(a)示出一直扩接收机的简化方框图。输入信号除直扩信号外,还有连续载波干扰和宽带信号干扰。在图4-18(b)中示出三种信号的处理过程。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-18 直扩接收机及其频谱图直扩信号本地参考信号有用信号输出加上处理后的干扰相关器输入连续载波干扰宽带信号干扰相关器相关器输出带通滤波器(a)相关器输出带通滤波器输
21、出直扩信号信号调制载波信号调制载波连续载波干扰直扩信号干扰噪声宽带信号干扰干扰噪声两倍带宽(b)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统 这同样是一种“用相片找人”的方法。对于视频矩形脉冲序列来说,无源匹配滤波器就是抽头延迟线加上加法累加器,有时称为横向滤波器,其结构如图4-19(a)所示。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-19 横向滤波器结构图T1输入脉冲序列T2T5T6T7输入移位寄存器模二加法器匹配滤波器输出T2T3T4T5T6T7T1T3T4(a)A/DTnTn参考移位寄存器(b)T1T2T3T1T2T3第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统3.射频系统 直扩射频系统的特点如下
22、:直扩发射机常见的中频是70 MHz,此时调制信号的带宽不超过20 MHz。射频频率由中频变频得到,而不用倍频,因为倍频能使相位关系产生变化,会改变或甚至完全去掉DS调制。对于末级功率放大器,则要求其要有足够的带宽,以允许直扩信号可以顺利地通过。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统4.2.4 直扩系统的同步1.同步原理 引起不确定性的因素主要有以下一些:(1)收发信机的距离会引起传播的延迟产生相位差;(2)收发信机相对不稳定性引起的频差;(3)收发信机相对运动引起的多卜勒频移;(4)多径传播引起中心频率的改变。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统同步过程一般包含两个阶段:(1)接收机在一开
23、始并不知道对方是否发送了信号,因此,需要有一个搜捕过程,即在一定的频率和时间范围内搜索和捕获有用信号。这一阶段也称为起始同步或粗同步,也就是把对方发来的信号与本地信号在相位方面的差异纳入同步保持范围内,即在PN码一个时片内。(2)一旦完成这一阶段,则进入跟踪过程,即继续保持同步,不因外界影响而失去同步。也就是说,无论由于何种因素使两端的频率和相位发生偏移,同步系统都能加以调整,使收发信号仍然保持同步。图4-20为同步系统搜捕和跟踪原理图。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-20 同步系统搜捕和跟踪原理图接收信号输出宽带滤波器PN码发生器解调器搜捕器件压控钟源码跟踪器件第四章第四章 扩频
24、通信系统扩频通信系统2.起始同步搜捕 搜捕的作用就是在频率和时间(相位)不确定的范围内捕获有用的PN码信号使本地PN码信号与其同步。下面介绍三种常用的搜捕方法。1)滑动相关搜捕法 图4-21(a)为滑动相关器的方框图，图4-21(b)为 滑动相关器的流程图。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统 图4-21 滑动相关搜索法(a)滑动相关器的方框图;(b)滑动相关器的流程图搜索控制钟接收信号同步脉冲接收机是否锁定YN失控同步t d )(10PN码发生器门限检测器(a)放慢时钟放慢时钟放慢时钟放慢时钟放慢时钟(b)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统2)序贯估值搜捕法 为了解决长码搜捕时间过长的
25、问题,一种快速搜捕的方法引起了人们的重视,这就是序贯估值器搜捕法,图4-22为其原理方框图。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-22 序贯估值器搜捕法原理图接收码信号门限钟相关器比较器n级PN码发生器收视控制开关PN码检测器第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统 3)匹配滤波器搜捕法 因为匹配滤波器有识别码序列的功能,可以利用它进行快速捕获。图4-23示出几种匹配滤波器。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统 图 4-23 几种匹配滤波器(a)延迟线匹配滤波器接收信号加权dM1dM延迟TM延迟TM1延迟T3延迟T2延迟T1d3d2d1滤波器(a)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统
26、图 4-23 几种匹配滤波器 (b)带通型匹配滤波器；(c)低通型匹配滤波器接收信号码相位判决接收信号码相位判决(b)带通匹配滤波器平方律包络检波器门限器件基带匹配滤波器平方律检波器基带匹配滤波器平方律检波器门限器件(c)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统 图4-24为其结构示意图。因它可以起到可编程匹配滤波器的作用,现已受到广泛的重视。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-24 SAW卷积结构示意图输出信号输入参考输入波束压缩器声终端第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统3.保持同步跟踪 图4-25(a)示出一种工作在中频的非相干DS扩频信号BPSK调制的延迟锁定环。图4-25(b
27、)是这些曲线构成的情况。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-25 延迟锁定环及其鉴相特性接收信号信息输出T/2包络检波器中放解调器包络检波器带通滤波器时钟源n1(a)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-25 延迟锁定环及其鉴相特性相关输出1跟踪点相关输出2合成相关函数(b)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-26(a)示出一种跟踪作用相同,但结构上只用一个相关器的较为简化的抖动环。但它多了一个抖动信号发生器。抖动信号为一正负方波。用此方波去控制压控钟源使PN码发生器产生的本地PN码在相位上有一个提前或迟后,从而使相关器输出有一附加的振幅调制。图4-26(b)为其相关特性
28、。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-26 抖动环及其相关特性接收信号带通滤波器本地振荡器PN码发生器压控钟源包络检波器抖动发生器环路滤波器(a)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-26 抖动环及其相关特性123ababab相关信号幅度抖动信号(b)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统 4.2.5 直扩系统的性能1.直扩系统的抗干扰性 直扩系统最重要的应用就是在军事通信中作为一种具有很强抗干扰性的通信手段。图4-27是这几种干扰的频谱图。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-27 干扰频谱图宽带噪声WssWss部分频带噪声单音载频多音载频WssWss第四章第四章 扩频通
29、信系统扩频通信系统现把直扩系统对这几种干扰信号的抗干扰性简述如下:对于宽带噪声,在图4-28(a)中示出,经过解扩与本地PN码相乘后的相关输出仍然是宽带噪声,且噪声功率谱密度不变。但是经窄带滤波后,输出信息的信噪比,还是改善了处理增益的分贝数。故直扩系统有足够高的Gp时,对宽带噪声是有很好的抗干扰作用的。对于部分频带噪声干扰,由于能量相对集中,对直扩系统的危害比宽带噪声要大一些。换句话说,直扩系统对其抗干扰性低于对宽带噪声的抗干扰性。对于单频及多频载波干扰,图4-28(b)和(c)示出了其解扩处理情况。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统 图 4-28 宽带噪声解扩处理图(a)宽带噪声；(b
30、)单频载波；N()1N0N()N0r(t)n(t)n(t)R()(a)I()0P1()I(t)P1(t)r(t)R()(b)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统 图 4-28 宽带噪声解扩处理图(c)多频载波1P1()I()I(t)r(t)(c)P1(t)R()第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统P1()I()I(t)r(t)P1(t)R()(d)图 4-28 宽带噪声解扩处理图(d)宽带信号第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统2.直扩系统的抗截获性3.直扩系统的码分多址性能 4.直扩系统的抗多径干扰性能 5.直扩系统的测距定时特性 第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统4.3 跳频系统
31、跳频系统 4.3.1 跳频系统概述 1.跳频概念 通常我们所接触到的无线通信系统都是载波频率固定的通信系统,如无线对讲机,汽车移动电话等,都是在指定的频率上进行通信,所以也称作定频通信。这种定频通信系统,一旦受到干扰就将使通信质量下降,严重时甚至使通信中断。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统2.跳频图案 跳频通信中载波频率改变的规律,叫作跳频图案。图4-29所示为一个跳频图案，图中横轴为时间,纵轴为频率。这个时间与频率的平面叫作时频域。图4-29(a)所示为一快跳频图案,它是在一个时间段内传送一个码位(比特)的信息。通常称此时间段为跳频的驻留时间,称频率段为信道带宽。图4-29(b)所示则
32、是一慢跳频图案,它是在一个跳频驻留时间内传送多个(此处3个)码位(比特)的信息。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统 图 4-29 跳频图案(a)快跳频图案；(b)慢跳频图案跳频驻留时间跳频带宽时间频率(a)跳频带宽时间跳频驻留时间频率(b)跳频信道带宽跳频信道带宽第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统 图4-30所示就是建立跳频通信的示意图,其中t表示时间,s表示空间,f表示频率,当收、发双方在空间上相距一定距离时,只要时频域上的跳频图案完全重合,就表示收、发双方可建立同步跳频通信。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-30 建立跳频通信示意图ft接收机跳频图案发射机跳频图案s第四章
33、第四章 扩频通信系统扩频通信系统3.抗干扰方式 通信收、发双方的跳频图案是事先约定好的,或者是由发方通知收方的。这个跳频图案是其他人所不知道的。若想干扰跳频通信,有几种策略可供选择:(1)干扰方式1。在某一个频率上施放长时间的大功率的干扰,即单频干扰;(2)干扰方式2。在某几个频率上施放长时间的大功率的干扰,即多频干扰;第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统(3)干扰方式3。在连续的几个频带上施放长时间的大功率的干扰,称作部分频带干扰;(4)干扰方式4。在不同时间内在不同的频率上施放大功率的干扰;(5)干扰方式5。依照跳频图案的规律跟踪施放大功率的干扰。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图
34、4-31 方式1和方式4的干扰策略与跳频图案1234567891011121314151612345678 9 10 1112 13 14 15 16方式 4 干扰方式 1 干扰时间频率第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统跟踪式干扰的有效干扰是有条件的,这个条件除功率因素外,还应当满足干扰椭圆的要求,如图4-32所示。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-32 干扰椭圆d2发射机d1d3接收机干扰机第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统4.跳频技术指标与抗干扰的关系 考察一个系统的跳频技术性能,应注意下列各项指标:跳频带宽、跳频频率的数目、跳频的速率、跳频码的长度(周期)、跳频系统的同
35、步时间。5.跳频系统的主要特点 跳频系统的特点,在很大程度上取决于它的扩展频谱机理。跳频扩展频谱在机理上与直接序列扩展频谱大不相同。由于跳频速率很快,从而在宏观上实现了频谱的扩展。图4-33所示是从频谱仪上观察到的跳频信号的频谱。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-33 跳频信号的频谱f第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统 图4-34给出了单频干扰和部分频带干扰对跳频信号影响的示意图。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-34 受干扰后的跳频信号频谱图单频干扰跳频信号部分频带干扰幅度频率第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统 如果多个跳频通信所采用的跳频图案在时频域“棋盘”上相
36、互不发生重叠,则称它们为正交跳频网;如果发生重叠,则称为非正交跳频网，如图4-35所示。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图 4-35 正交、非正交跳频图案(a)正交；(b)非正交tfft(a)(b)图案1图案2重叠第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统4.3.2 跳频信号的发送与接收 1.跳频信号的产生 在传统的定频通信系统中,发射机中的主振荡器的振荡频率是固定设置的,因而它的载波频率是固定的。为了得到载波频率是跳变的跳频信号,要求主振荡器的频率应能遵照控制指令而改变。这种产生跳频信号的装置叫跳频器。通常,跳频器是由频率合成器和跳频指令发生器构成的,如图4-36(a)所示。第四章第四章
37、扩频通信系统扩频通信系统图 4-36 跳频器方框图 (a)发送时钟副载波调制器信息码入混频器高通滤波器频率合成器跳频指令发生器跳频器(a)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图 4-36 跳频器方框图 (b)接收输入回路混频器带通滤波器解调器同步指令频率合成器跳频指令发生器跳频器(b)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统2.跳频信号的接收 在定频信号的接收设备中,一般都采用超外差式的接收方法,即接收机本地振荡器的频率比所接收的外来信号的载波频率相差一个中频,经过混频后产生一个固定的中频信号和混频产生的组合波频率成分。3.接收跳频信号的条件 跳频系统要实现正常的跳频通信,且能正确接收跳频信号
38、就必须满足接收、发送端同步这一基本条件。系统的同步包括以下几项内容:收端和发端产生的跳频图案相同,即有相同的跳频规律。图4-37示出跳频同步的几种情况。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-37 跳频同步的几种情况ftfftt(a)(c)(b)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统4.跳频信号的波形 图4-38给出了频率合成器的换频过程和载波信号的波形。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-38 频率合成器换频过程和载波信号的波形f时间f1包络Tu建立时间f2f3Tb消退时间第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统4.3.3 跳频系统的同步 跳频系统的同步是关系到跳频通信能否建立的关
39、键。1.跳频同步信息的基本传递方法(1)独立信道法。(2)前置同步法,也称同步字头法。(3)自同步法,也称同步信息提取法。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统2.几种实用的同步方法 (1)模拟跳频系统的同步方法。(2)带外单音法。(3)带内同步头法。(4)数字(数据)跳频系统的同步方法。(5)同步字头法。为了保证TOD信息的正确接收,在如图4-39 所示的同步信息数据帧格式中必须装有位同步和帧同步位。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-39 同步信息数据帧格式换频位同步帧同步TOD帧第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统(6)参考时钟法。(7)自同步法。图4-40所示的是等待自同步法
40、的跳频同步过程。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图4-40 等待自同步法的跳频同步过程ff6f5f4f3f2f1T2T3T4T5T6T7T8Tt收发同步收端等待频率发端跳频图案等待同步捕捉同步跳频TD跳频驻留时间第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统3.跳频同步系统的要求 衡量同步系统性能的优劣,主要应考虑两个方面:一是跳频系统同步的可靠性;二是同系统的抗干扰性。4.3.4 跳频图案的产生与选择 1.跳频图案的产生 2.跳频图案的选择 一个好的跳频图案应考虑以下几点:图案本身的随机性要好,要求参加跳频的每个频率出现的概率相同,随机性好,抗干扰能力也强。要求跳频图案的数目要足够多,这样抗破
41、译的能力才会更强。各图案之间出现频率重叠的机会要尽量地小,要求图案的正交性要好,这样将有利于组网通信和多用户的码分多址。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统4.4 4.4 混合式扩频系统混合式扩频系统4.4.1 采用混合式扩频系统的原因1.直接序列扩展频谱系统的优点与缺点 直接序列扩频的优点是:(1)直扩信号的功率谱密度低,具有隐蔽性和低的截获概率,从而使得抗侦察、抗截获的能力增强。(2)直扩系统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。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统(3)利用直扩系统码型的正交性,就可构成直接序列扩展频谱码分多址系统。(4)直接扩展频谱系统具有抗
42、宽带干扰、抗多频干扰及单频干扰的能力。(5)直接扩展频谱信号的相关接收具有抗多径效应的能力。(6)利用直接扩展频谱信号可实现精确的测距定位。(7)直接扩展频谱系统适用于数字话音和数据信息的传输，这是由于扩频系统本身是数字系统所决定的。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统直接序列扩频的局限性在于:直接序列扩展频谱系统是宽带系统,虽然可与窄带系统电磁兼容,但不能与其建立通信。另外,对模拟信源(如话音)需作预先处理(如语声编码)后,才可接入直扩系统。2.跳频系统的优点与缺点 利用伪随机序列指令码对系统的载波频率进行控制的跳频系统也具有其独特之处和局限性。其优点是:(1)跳频图案的伪随机性和跳频图案
43、的密钥量使跳频系统具有保密性。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统(2)由于载波频率是跳变的,因此具有抗单频及部分抗带宽干扰的能力。(3)利用载波频率的快速跳变,跳频系统具有频率分集的作用,该作用使得系统具有抗多径衰落的能力。(4)利用跳频图案的正交性可构成跳频码分多址系统,共享频谱资源,并具有承受过载的能力。(5)跳频系统为瞬时窄带系统,能与现有的窄带系统兼容通信。(6)跳频系统无明显的远近效应。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统跳频系统也有其缺点和局限性:信号的隐蔽性差。因为跳频系统的接收机除跳频器外与普通超外差式接收机没有什么差别,它要求接收机输入端的信号噪声功率比是正值,而且要求
44、信号功率远大于噪声功率。所以在频谱仪上是能够明显地看到跳频信号的频谱。特别是在慢速跳频时,跳频信号容易被对方侦察、识别与截获。跳频系统抗多频干扰及跟踪式干扰能力有限:当跳频的频率数目中有一半的频率被干扰时,对通信会产生严重影响,甚至中断通信。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统3.直接序列扩频与跳频扩频的互补性 将直接序列扩频系统和跳频系统的优点与局限性作一对比,便可看出它们的优缺点是互补的,如表4-3所示。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统表4-3 两种系统的对比第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统4.跳时系统的特点 跳时系统虽然也是一种扩展频谱技术,但因其抗干扰性能不强,通常并不单
45、独使用。在时分多址通信系统中利用跳时来减少网内干扰,可改善系统中存在的远近效应。将跳时(TH)分别与直接扩频(DS)和跳频(FH)相结合则构成直扩/跳时(DS/TH)系统和跳频/跳时(FH/TH)系统。若将直扩、跳频和跳时三者结合在一起则构成了直扩/跳频/跳时(DS/FH/TH)扩展频谱系统。5.混合式扩频系统的好处 正如上面所列举的,每一种扩展频谱系统都有各自的长处和短处,优点和局限性。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统4.4.2 几种常用的混合式扩频系统 1.直接序列与跳频混合式扩频系统 直接序列与跳频的组合可构成直扩/跳频(DS/FH)扩展频谱系统。直扩/跳频扩展频谱系统是在直接序列
46、扩展频谱系统的基础上增加载波频率跳变的功能。它的基本工作方式是直接序列扩频,因此系统的同步也是以直接序列的同步为基础的。图4-41分别给出了直接序列/跳频(DS/FH)混合式扩展频谱系统的发送与接收端的构成及各点信号的频谱图。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统在图4-41(a)中,经编码器输出的信息码与来自伪码发生器的伪随机序列(直扩码)在模2加法器中进行模2运算,模2加法器的输出就是扩展频谱信号。因而可将模2加法器和伪码发生器叫作直接序列扩展频谱器(扩频器)。图中标示(1)及(2)处的信号频谱示于图4-41(b)中,分别是信息码频谱和DS信号频谱。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统
47、图 4-41 DS/FH系统频谱图(a)发送时钟(a)频率合成器伪码发生器(3)(4)高通滤波器(2)B信息码入(1)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统 图 4-41 DS/FH系统频谱图 (b)各点的信号谱线;(c)接收信息码出f(3)(c)伪码发生器频率合成器带通滤波器带通滤波器(1)窄带通解调器(4)f9f8f7f6f5f4f3f2f1fff(b)(1)信息码频谱；(2)直接扩频信号频谱；(3)调频信号频谱；(4)DS/FH信号频谱(2)第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统2.直扩/跳时(DS/TH)系统 直扩/跳时系统是在直接序列扩展频谱系统的基础上增加了对射频信号突发时间跳变控
48、制的功能,如图4-42所示。图4-42(a)为发送端方框图,图4-42(b)为接收端方框图。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统图 4-42 DS/TH混合式扩展频谱系统 (a)发送；(b)接收载波TH信号滤波器同步时钟解调器存储器信息码出伪码发生器控制逻辑触发器射频开关DS/TH信号(b)载波(a)存储器信息码入伪码发生器控制逻辑触发器TH信号DS信号射频开关DS/TH信号第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统3.直扩/跳频/跳时(DS/FH/TH)系统 将三种基本扩展频谱系统组合起来构成一个直扩/跳频/跳时混合式扩展频谱系统,其复杂程度是可想而知的。4.4.3 混合式扩频系统的适用环境
49、1.严重干扰环境2.移动通信环境 在移动通信中,移动体的相对运动将引起收、发信机之间电波传播距离的随机变化。当系统内多用户同时工作时,对直扩系统而言,会在接收机输入端产生近距离大功率无用信号抑制远端小功率有用信号的现象,即所谓远近效应。如图4-43所示。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统Tx1Tx2Rx2Rx1图4-43 远近效应第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统3.多径传播环境 多径效应是指电波传播过程中的多条路径使到达接收端的信号产生了衰落与展宽的现象。4.多网工作环境 组网通信中,存在着两个问题:一是网内可容纳的用户地址数目;二是可承受网间干扰的能力。综上所述,混合式扩展频谱系统
50、适用于:(1)抗干扰性能要求高的系统,特别是军事通信系统;(2)抗多径、抗衰落要求高的系统,特别是移动通信和短波通信系统;(3)多网、多用户,卫星通信系统、导航定位系统等。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统习习 题题 1.扩频通信的优点是什么?2.信道带宽与信道容量的区别是什么?3.扩频通信适合于哪些应用场合?4.扩频通信系统有哪几种主要调制方式？5.比较DS和FH系统在抗多径干扰方面的优劣性。6.请写出小m序列的自相关函数。第四章第四章 扩频通信系统扩频通信系统7.请列举当前实际应用中的几种典型扩频通信系统。8.为什么要采用混合式扩频系统？有哪些常用的混合式扩频系统？9.请说明m序列与M
