扩频通信系统的工作原理.ppt课件.ppt

1、 扩频通信系统的工作原理v2.1 扩频技术的理论基础扩频技术的理论基础 v2.2 直接序列扩频直接序列扩频 v2.3 跳频跳频 v2.4 跳时跳时 v2.5 线性调频线性调频 v2.6 混合扩频系统混合扩频系统 v2.7 各种扩频方式的比较各种扩频方式的比较?2.1 扩频技术的理论基础 v 2.1.1 Shannon公式公式v Shannon定理指出:在高斯白噪声干扰条件下,通信系统的极限传输速率(或称信道容量)为)1Ib(NSBC式中:C为信道容量，单位时间内无差错传输的最大信息量，单位bit/s，B为信号带宽;S为信号平均功率;N为噪声功率。v 若白噪声的功率谱密度为n0,噪声功率Nn0B

2、,则信道容量C可表示为)1Ib(0BnSBCv 由上式可以看出,B、n0、S确定后,信道容量C就确定了。由Shannon第二定理知,若信源的信息速率R小于或等于信道容量C,通过编码,信源的信息能以任意小的差错概率通过信道传输。v为使信源产生的信息以尽可能高的信息速率通过信道,提高信道容量是人们所期望的。v由Shannon公式可以看出:v (1)要增加系统的信息传输速率,则要求增加信道容量。v(2)信道容量C为常数时,带宽带宽B与信噪比与信噪比SN可以互换可以互换,即可以通过增加带宽B来降低系统对信噪比SN的要求;也可以通过增加信号功率,降低信号的带宽,这就为那些要求小的信号带宽的系统或对信号功

3、率要求严格的系统找到了一个减小带宽减小带宽或降低功率降低功率的有效途径。v(3)当B增加到一定程度后,信道容量C不可能无限地增加。v 对公式两边取极限,有44.1eIb)1Ib(1lim)1Ib(limlim0 xxBnSBCBBB考虑到极限 v令x=S/n0B0000eIb)()1Ib(limlimnSnSBnSSBnCBB故 044.1limnSCB由此可见，在信号功率由此可见，在信号功率S和噪声功率谱密度和噪声功率谱密度n0一定时，信道容量一定时，信道容量C是有限的。是有限的。v 由上面的结论,可以推导出信息速率R达到极限信息速率,即RRmaxC,且带宽 B时,信道要求的最小信噪比Eb/

4、n0的值。Eb为码元能量,S=Eb R max0max44.1limnSRCB 可得 44.110max0nERnSb由此可得，信道要求的最小信噪比为 dB6.1694.044.11)(min0nEbv 2.1.2 信号带宽与信噪比的互换信号带宽与信噪比的互换v 由Shannon公式可知,在一定的信道容量条件下,可通过增加B来减小发送信号功率S,也可通过增加S来减小信号带宽B。也就是说,在信道容量不变的条件下,信号功率S和信号带宽B可以互换。那么,这两者相对变化的速率如何呢？v 例例 2-1：某一系统的信号带宽为8 kHz,信噪比为7,求信道容量C。在C不变的情况下,信号带宽分别增加一倍和减小

5、一半,求此信号功率的相对变化为多少？1.求信道容量C：2.将信号带宽增加1倍即16kHz,C不变信道噪声变化比 由此可得，信号功率的相对变化为 同理可算得：信号带宽减小1倍，保持C不变，功需增加到原来的4.5倍skbNSBIbC/24)1(83.112211BCNS20101BnBnNN523.0783.1783.1/1111NNSSNSNSv 1.理想带通系统的理想带通系统的B与与SN互换互换v理想带通系统能够实现极限信息速率传输且能达到任意小差错概率的通信系统 v理想带通系统是一个编码系统,而编码系统的带宽与信噪比的互换要比非编码系统的优越,因为编码系统的带宽可以比非因为编码系统的带宽可以

6、比非编码系统的带宽宽得多。编码系统的带宽宽得多。v理想带通系统原理框图调制器(编码器)信 道解调器(译码器)输入fmBSi,NiBSo,Nom,BH输出f v假定输入信号速率为fm,经过编码调制后的带宽为B,则到达解调器的信息速率为)1Ib(iiiNSBR式中:Si为解调器输入信号功率;Ni为解调器输入噪声功率。v 解调器把带宽为B的信号解调为速率为fm=fm的信息,带宽为BH。解调器输出的信息速率为)1Ib(0ooHNSBR 式中:So为解调器输出信号的功率;No为解调器输出噪声的功率。v由于解调前后信息速率不变,则有Ri=Ro,或 HBBiiooooHiiNSNSNSBNSB/)1Ib()

7、1Ib()1Ib()1Ib(若 Si/Ni1和So/No1,则有HBBiiooNSNS/)(v由此可见，在理想带通系统中，输出信噪比So/No随着带宽B/BH的比值按指数规律增加，带宽的增加能明显地提高系统的输出信噪比，使系统的性能得到提高。v增加带宽的有效途径是通过编码或调制的方增加带宽的有效途径是通过编码或调制的方法，增加信号的冗余度，从而使带宽增大法，增加信号的冗余度，从而使带宽增大。v2.非编码系统非编码系统v一般调制系统可分为编码系统和非编码系统两大类。所谓非编码系统是指系统中消息空间的某一个符号消息空间的某一个符号,可以变换为调可以变换为调制信号空间的一个特定的符号制信号空间的一个

8、特定的符号。调幅系统和调频系统均属于非编码系统。如在调幅系统中,原始信号的每一个可能的值,都可以变换为已调信号的一个确定的振幅值v(1)调幅系统(AM系统)AM信号的表达式为 s(t)=A+f(t)cos0t式中:A为信号振幅;f(t)为调制信号,|f(t)|A。v调幅系统的信噪比 一般采用大信号包络检波，可得包络检波器的输出信噪比为iiNStfAtfNS)()(222200v(2)调频系统(FM系统)调频信号的表达式为tfttfktAts00d)(cos)(式中:A为信号振幅;f(t)为调制信号；kf为调制系数或调制灵敏度。v调频系统的信噪比 一般采用鉴频器鉴频器解调，可得输出信噪比为iif

9、fNSmmNS)1(3200v 2.1.3 扩频通信系统的数学模型扩频通信系统的数学模型v扩频系统可以认为是扩频和解扩的变换对。要传输的信号s(t)经过扩频变换,将频带较窄的信号s(t)扩展到一很宽的频带B上去,发射的信号为Sss(t)。v 2.1.4 扩频系统的物理模型扩频系统的物理模型 (b)信息调制基带信号扩 频调 制放 大扩频码振荡器(a)高 放混 频解 扩BPF本 振扩频码解 调基带恢复信号同 步v扩频系统物理模型 (a)发射；(b)接收2.2 直接序列扩频 v 2.2.1 直接序列扩频系统的组成直接序列扩频系统的组成(a)(b)高 放混 频解 扩解 调本 振PN码同 步rI(t)f

10、L)(Itr)(ta)(tc信 源扩 频调 制PN码振荡器a(t)d(t)s(t)c(t)f0 v 2.2.2 直扩系统的信号分析直扩系统的信号分析v信号源产生的信号a(t)为信息流,码元速率Ra,码元宽度Ta,Ta1Ra,则a(t)为0)()(naannTtgata式中:an为信息码,以概率P取1和以概率（1P）取1（正电压表示0，负电压表示1）,即 11na以概率P以概率1-P 01)(tga 0tTa 0 其它)()(10ccNnnnTtgctccn为随机码码元，取值+1或-1；gc(t)为门函数；扩频过程即扩频过程即为为a(t)与与c(t)模模2加或相乘过程。加或相乘过程。伪随机码的速

11、率Rc远大于信息速率Ra，比值常取整数（远大于1），故扩频后的序列速率仍为Rc，扩展的序列为d(t).)()()()(0ccnnnTtgdtctatdccnnnnnnTtTncacad)1()(1)(1用此扩展后的序列去调制载波，将信号搬移到载频上去。ttctattdts00cos)()(cos)()(接收天线上感应的信号经高放、混频后，得到中频信号中频信号)()()()()(tstJtntstrJIIII接收端伪随机码产生器产生与发端相同的PN码，记为c(t)。解扩过程即为c(t)与接收到的信号相乘：ttatstctcttctctatctstststJtntstctrtrIIIIIJIIII

12、Icos)()()()(cos)()()()()()()()()()()()()(进入解调器进行解调进入解调器进行解调(相干解调相干解调)噪声分量nI(t)、干扰JI(t)和不同网干扰sJ(t)，经解扩后均被大大消弱：nI(t)：带限白噪声，功率谱基本不变（略有降低）；JI(t)：人为干扰，与PN码不相关，频谱展宽后，谱密度大大降低；sJ(t)：不同网所用PN序列不同，谱密度一样被大大降低。v中频信号是指高频信号经过变频而获得的一种信号。为了使放大器的稳定的工作和减小干扰。一般的接收机都要将高频信号变为中频信号v电视机的图像中频信号是38MHZ；音频的中频信号是6.5MHZ v中短波调幅收音机

13、的中频信号是465KHz（日本等国外为455KHz）v调频收音机的中频是10.7MHZv扩频系统波形图 a(t)c(t)d(t)s(t)rI(t)(tc)(Itr)(tav扩频系统频谱示意图 a(f)f m f mo f c f c f fod(f)或 c(f)J(f)s(f)f 0 fo f I)(fJ)(fs foo f I)(fJ )(fs fv下面分析直扩信号的功率谱：先求s(t)的自相关函数Rs()，进行傅里叶变换得到功率谱Gs(f)022cos)(21)()(1)(dTTsRdttstsTR)cos)()(0ttdts下面推导求s(t)的自相关函数Rs()va.统计平均的方法0co

14、s)(21)2cos(cos2)()()(coscos)()()()()(0d00000RttdtdEtttdtdEtstsERs（非平稳过程）（非平稳过程）（取时间平均）（取时间平均）vb.时间平均的方法 dtttdtdTRdtttdtdTRTTdTTs)2cos()()(21cos)(21)2cos(cos21)()(1)(0022000022上式后一项取时间平均后为上式后一项取时间平均后为00)(21)(dsRRv因a(t)与c(t)相互独立01011)()()()(1NccNRRRRiNiiccad伪随机序列的伪随机序列的自相关系数，自相关系数，第三章介绍第三章介绍0)(21)(dsR

15、RvRc()波形图（实际不连续）NTc TcTcoNTcRc()1N1v上图可等效为右边 两图之差即：)()()(21cccRRRv对Rc()进行傅里叶变换，可得c(t)的功率谱 推导原则推导原则1.1.周期信号傅里叶变换周期信号傅里叶变换 FnFn为傅里叶级数的系数为傅里叶级数的系数2.2.利用傅里叶变换的微分性质利用傅里叶变换的微分性质3.3.利用傅里叶变换的时移性质利用傅里叶变换的时移性质)()2()(2)2(2)(函数抽样特性单周期TnTFTnnFFTTTFFnn/20,)(0)()()()(Fjdttfdnn0)()(0tjeFttfv举例：举例：2,0).2(20,2).2(2)(

16、TETEtf)2()(2)()2(2)(ttEttEtf)4(24sin8)2cos1(4)()()()()2(2)()(2)2()2(2)(22222222SaEEEtfFFFjeeEtfFtttEtfjj 矩形波频谱为Sa函数；三角波的频谱为Sa函数的平方！v由以上分析，Rc1()的频谱为：Rc2()的频谱为：kcckcccccNTkTSaNNNTkNTTSaNTNRF)2()2(12)2()2()1(2)(2221)(21)(2NRFcv由以上的分析及傅里叶变换的性质，可得c(t)的功率谱为(去掉系数2)(1)2()2(1)(1)()0(1)2()2(1)(1)2()2(1)()2()2

17、(1)(1)(20,22220,2222222NNTkTSNNNSNNNTkTSNNNNTkTSNNGNTkTSNNNGkkccaakkccakccackccac我推导结果为：=2=2/T/Tc c时时SaSa函数为函数为0 0，主瓣宽度（带宽），主瓣宽度（带宽）为为f=1/Tcf=1/Tc即伪随机序列的功率谱是以 为间隔的离散谱。由傅里叶变换的性质可求出扩频信号S(t)的功率谱,由 )/(21cNT*21)(2121ffGGffGttctattdts00cos)()(cos)()(以及)2()(41)(41)()()(81)()(41)(21cos)()(21)(00220200000cak

18、kaccaccaasNTkGNkSaNNGNGGGGGGttcGGG所以，扩频信号S(t)的功率谱为K=N时，时，Sa(x)=0，所以带宽（主瓣宽度）为，所以带宽（主瓣宽度）为f=1/Tcv扩频信号功率谱v(a)c(t)的功率谱 ;(b)s(t)的功率谱 cGs()(b)oGc()cT1cNT21(a)结论：结论：N越大，Gc()谱线越密；Tc越小，带宽越宽，谱密度越低，越接近于白噪声。注意：注意：码平衡码平衡问题，若不平衡（基带信号含直流分量），存在直流分量，会引起载漏，影响保密性。例：标准调幅AM)(21)(cos)(00000 FAttfA载波能量发射不仅会降低发射效率，而且会产生载载波

19、能量发射不仅会降低发射效率，而且会产生载漏，影响保密性。漏，影响保密性。抑制载波，抑制载波，DSBSC调制（调制（A0=0,即基带信号直流即基带信号直流分量为分量为0，平衡调制）注意解调（相干）。，平衡调制）注意解调（相干）。v 2.2.3 处理增益与干扰容限处理增益与干扰容限v 1.处理增益v对于扩频系统,传输信号在扩频和解扩的处理过程中,抗干扰性能抗干扰性能得到提高,这种扩频处理得到的好处称为扩频系统的处理增处理增益益。定义为接收端相关（处理）器输出与输入信噪比的比值,即iiooPNSNSG/输入信噪比输出信噪比v一般用分贝表示,为 BNSNSGiiooPd/lg10直扩系统，解扩器输出信

20、号功率不变，但对于干扰而言，解扩使其频谱展宽很多，干扰功率被分散到很宽的频带上，进入解调器的干扰功率大大下降，故其处理增益就是干扰功率减小的倍数。令干扰信号与信号的频率关系相同，谱密度为A，功率为PJ，扩展后带宽为2fc，密度为Av干扰功率谱变化v(a)扩展前；(b)扩展后 Gs(f)2faAf0f)(fGsAf0ff0 fcf0 fc(a)(b)扩展前后的干扰功率不变，即有)/(22aCcacaJffNNAAffAAfAfP 这里，令带限后，进入信号频带（f0-fa f0+fa）内的干扰功率为acacaaJJJiJPaaJBBffNNAfAfPPPSPSGNAfAfP 22/220即：处理增

21、益即：处理增益=伪码带宽伪码带宽/信息带宽信息带宽v通过提高伪随机码的速率来提高处理增益v当处理增益提高到一定程度时，不能再靠提高伪随机码的速率来提高处理增益，如：可以降低信息速率可以降低信息速率Ba以提高处理增益，且以提高处理增益，且这种方法更有效这种方法更有效v语音压缩技术、线性预测编码、矢量量化编码等技术，可降低信息速率v2.干扰容限（更能确切反映抗干扰性）v在保证系统正常工作的条件下,接收机能够承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数,用Mj表示,有BNSLGMoSPjdLS为系统内部损耗，（S/N)o为系统正常工作时要求的最小输出信噪比，即相关器的输出信噪比或解调器的输入信噪比；Gp为处

22、理增益。2.2.4 QPSK（正交相移键控）直接序列扩频系统v一般数字通信：一般数字通信：QPSK较较DPSK节省频谱，而节省频谱，而误码率相同。误码率相同。v扩频系统：（带宽利用率不是最重要）低概扩频系统：（带宽利用率不是最重要）低概率检测应用中率检测应用中,QPSK直扩更难于检测，且正直扩更难于检测，且正交调制对某些类型的干扰不敏感交调制对某些类型的干扰不敏感。例：例：QPSK调制解调调制解调vv 具有任意数据相位调制的具有任意数据相位调制的QPSK直直接序列扩频系统接序列扩频系统vQPSK直扩系统收发框图为（直扩系统收发框图为（S为总功率）为总功率）：v(a)中的数据调制可采用任意数据相

23、位调制中的数据调制可采用任意数据相位调制方法。正交混合网络将输入功率在两个正方法。正交混合网络将输入功率在两个正交支路中均分。交支路中均分。vQPSK调制器的输出为：调制器的输出为：v式中式中 、分别为同相和正交扩频波形，分别为同相和正交扩频波形，取值取值 ，彼此独立，彼此独立，、的功率谱与的功率谱与BPSK信号功率谱的形式相同，故总的信号功率谱的形式相同，故总的QPSK信号的功率谱等于两项功率谱的代信号的功率谱等于两项功率谱的代数和。数和。)()()(sin)()(cos)()(s0201tbtatttcStttcStdd)(1tc)(2tc1)(tx)(tyv通过计算通过计算 的自相关函数

24、求功率谱的自相关函数求功率谱 v由于由于 、彼此独立且正交，所以上式彼此独立且正交，所以上式后两项等于后两项等于0。)()(baRR)(ta)(tb)()()(tstsERs)()()()()()()()(tatbEtbtaEtbtbEtataE)(tsv在接收系统中：在接收系统中：v如接收机相位正确，则如接收机相位正确，则 v于是于是：v 经解调后可恢复原始数据经解调后可恢复原始数据)(sin)()(2)(cos)()(2)(1211tttctcStttctcStxdIFdddIFdd)(cos)()(2)(sin)()(2)(2221tttctcStttctcStydIFdddIFdd1)

25、()()()(2211ddddtctctctc)(cos2)(ttStzdIF)(tzv 2.2.5 软扩频软扩频v在一些系统中,如 TDMA、CDMA、无线局域网等,由于数据率可达兆比特甚至更高,为了提高系统的抗干扰性能,采用扩频技术。v 若采用一般的扩频技术,PN码速率很高,射频带宽就非常宽,在频带受限的情况下在频带受限的情况下难以满足系统要求。故多采用难以满足系统要求。故多采用软扩频软扩频技技术。术。v软扩频软扩频，又称缓扩频,频谱缓慢扩展。v一般的直扩直扩是将信息码与PN 码进行模2加,且PN码的切普速率Rc远大于信码速率Ra（一般 RcRaN为整数）v 软扩频采用编码编码的方法来扩展

26、频谱，用用几位信息码元对应一条伪随机码（一种几位信息码元对应一条伪随机码（一种状态对应一条状态对应一条PN码），码），扩展的倍数不大且不一定是整倍数v直接序列扩频技术与编码技术的结合v通过由信息空间到伪随机码的空间的映射，不仅使信息的编码获得编码增益编码增益（误码率）（误码率）。而且可以通过对信息序列扩频获得扩频增益（信噪比）扩频增益（信噪比）v软扩频实现框图编 码 器k位移位寄存器a0a1ak1输出 biaiv 2.2.7 直扩系统的特点和用途直扩系统的特点和用途v直扩系统的特点主要有以下几个方面:(1)具有较强的抗干扰能力(相关解扩)。(2)具有很强的隐蔽性和抗侦察、抗窃听、抗测向的能力(

27、信号淹没在噪声中-15-10dB)。(3)具有选址能力,可实现码分多址（不同码则不同网）。(4)抗衰落,特别是抗频率选择性能好（宽带）。(5)抗多径干扰（时延超过1个切普，相关后可消除干扰）。(6)可进行高分辨率的测向、定位（伪随机码的相关性，抗干扰）。v 跳频工作原理：跳频工作原理：用信息流a(t)去调制频率合成器产生的载频，得到射频信号。频率合成器频率合成器产生的载频受载频受PN码控制码控制,频率按一定规律跳变。跳频系统的解调多采用非相干解调非相干解调,因而调制方式多用 FSK、ASK等可进行非相干解调的调制方式。2.3 跳跳 频频 v 2.3.1 跳频系统的组成高 放混 频中 放解 调频

28、率合成器PN码产生器同步系统调 制频率合成器PN码产生器信 源fiv2.3.2 跳频系统的信号分析跳频系统的信号分析v设信源产生的信号a(t)为双极性数字信号,则)()(0anannTtgata式中:an为信息码,取值1或1。01)(tga0tTa 其它 Ta为信息码元宽度。v调制采用FSK调制。频率合成器产生的频率为fi，则 fi（f1，f2，f3，fN）。在（i-1）Tht iTh内，频率取其中之一，由伪随机码确定，Th为每一跳频率的持续时间。v用a(t)去调制调制频率合成器产生的频率fi，得射频信号：v接收端接收到的信号为：ttatsicos)()()()()()()(tstJtntst

29、rJv接收端频率合成器受相同的PN码控制，产生的各频率分别与发端相差一个中频频差，即fi（f1+fI，f2+fI，f3+fI，fN+fI）v混频器中，接收到的信号与本振相乘，得：v经滤波后，得到一个固定中频信号：)cos()cos(21coscos)(cos)()()()()()(cos)(tttatttattstststJtntsttrijijjijJjttattatsIijcos)(21)cos()(21)(经解调后，可恢经解调后，可恢复原始信息复原始信息v对于噪声n(t)，n(t)为白噪声，混频后，无变化，故跳频系统对白噪声无处理增益故跳频系统对白噪声无处理增益v对于干扰J(t)，由于不

30、知道跳频频率变化规律，经混频后，被搬到中频以外，不能进入解调器，不能形成干扰抗干扰（若要有效干扰，抗干扰（若要有效干扰，J(t)必必须与须与s(t)的频率始终相同）的频率始终相同）v对于对于sJ(t),其他网的调频信号干扰。其他网的调频信号干扰。不同网的跳频不同网的跳频图案不同，即频率跳变是正交的，互不重叠，不图案不同，即频率跳变是正交的，互不重叠，不能形成干扰能形成干扰v 跳频系统频谱图v(a)频率合成器频谱图;(b)跳频信号频谱图(a)f1f2f3fifNft时刻频率fNf1f2f3fi(b)fFv跳频图案（跳频系统的频率变化规律）t1t2t3t4t5t6tmtm1f1f2f3fN1fN2

31、.3.3 跳频系统的抗干扰性能处理增益v在射频频带B射频内，等间隔分N个频道，即可用频率数为N，频率间隔F，信息带宽为B=F。定义跳频系统的处理增益为射频带宽与信息带宽之比：v由此可见，跳频系统的抗干扰性即处理增益与可用频道数N成正比，N越大，B射频越宽，抗干扰性越强。NBBGP?若B射频内有N个频道和J个固频干扰，这J个固频干扰正好与N个频率中的J个相同，且假设N个频率等概出现，那么这些个干扰频率将对系统形成干扰v击中击中干扰频率与信号频率相同，且干扰功率超过信号功率形成的干扰v击中的概率击中的概率：为降低击中概率，可提高可用频道数N（设备代价）。也可采用纠错编码技术（增加冗余度）用几个频率

32、（一般取奇数个）传输1比特信息，接收机按多数准则判断。这样，即使某一瞬间某些频率受到干扰，发生了错误，但只要大多数频率正确，通过多数判决就能减少差错率。NJP v 例如，“5中选3”判决，使用5个频率传输1个比特信息，只要接收到3个正确频率，则不管其他两个正确与否，就可以做出正确判决。假定跳频数为N，对于没有增加冗余度的简单跳频系统，其误码率为：(J为功率大于等于信号功率的窄带干扰数目)NJPev在2FSK情况下，1000个跳频频率被分为500对，在任一时刻上选用哪一对频率由伪码发生器的状态决定。而在这些频率中实际发送哪一个频率则由信码是“0”或“1”决定v如，某时刻发一个比特，此时用N个频道

33、中的一个F1发射，而具体是发0还是1，可将F1再细分为一对频率fa和fb，fa代表1，fb代表0。当fa发生时，在fb上存在干扰，若干扰功率大于等于fa上的功率，则认为这时将出现一个错误，错误概率为J/Nv为降低误码率，可增加冗余度，即用多个频率（切普）传送一个代码，最后按多数准则判断。这时跳频系统的误码率可由二项分布的表达式给出：v vp=J/N,为只用一个频率传送时的误码率；N为跳频数；J为被干扰的频道数；r为使一个信码错判所必需的对“切普”的错误判决数；c为传送每比特信息所发送的切普数。mcmmccrmeppCP)1(v例如，若每个信码用3个频率发送，接收机按3中取2的准则判决，则单频道

34、干扰（J=1）引起的误码率为 mmmmeppCP3332)1(v可计算得出结果：增加冗余度前，误码率为1/N(1000)=1/1000 增加冗余度3取2后，误码率为3*10-6。性能提高了3个数量级，代价是跳频速率增加3倍（硬件复杂度）跳频序列的作用：跳频序列的作用：1.控制频率跳变以实现扩频 2.跳频组网时，采用不同的跳频序列作为地址码，当许多用户在同一频段同时跳频工作时，跳频序列是区别每个用户的唯一标志v注：跳频序列的性能对跳频通信系统的性能有着决 定性的影响。如果跳频序列设计得不好，即使硬件电路设计得非常出色，也达不到抗干扰的目的。跳频序列设计的一般要求：跳频序列设计的一般要求：v每个跳

35、频序列都可以使用频隙集合中的所有所有频隙，以实现最大的处理增益v跳频序列集合中的任意两个跳频序列，在所有相对 时延下发生频隙重合重合的次数尽可能少v跳频序列集合中的任意跳频序列，与其平移平移序列的 频隙重合次数尽可能少v为了有更多的跳频序列以提供用户使用，实现多址 通信，要求跳频序列集合中的序列数目尽可能多多v跳频序列族序列族的数量尽可能多，在实际中可以更换使用，这样可以提高系统的保密性能。v某些工程应用中，要求跳频序列能实现宽间隔跳频，即在相邻时隙里发射的两个载波的频率间隔大于某个规定的值v提高抗干扰性，应使各频隙在一个序列周期中的出现次数基本相同均匀性v跳频序列应具有较好的随机性和较大的线

36、性复杂度，以使敌人不能利用以前传输的频率信息来预测当前和以后的频率v跳频序列的产生电路尽可能简单2.3.4 2.3.4 非相干慢跳频系统非相干慢跳频系统v 频率合成器的相位保持相干较难实现（瞬间从一个频率跳变到另一频率），因此多采用非相干式数据调制方案v例：例：数据调制采用M进制进制移频键控的慢跳频 T为信息比特宽度，2k个频段跳频，M=2L，数据调制器LT秒（TS）输出2L个单频中之一，每Tc秒频率从一个频段跳到一个新的频段。（Tc LT）vL=2（4FSK）时：Ws=2kWd 跳频总宽度vWd 一个跳频频段先调制，再跳频！先调制，再跳频！多进制频移键控系统框图多进制频移键控系统框图先调制，

37、再跳频！（先调制，再跳频！（L=2,K=3,4个单频，个单频，8个跳频段）个跳频段）v说明：说明：1.数据调制器可根据二进制码选择4个单频中的一个 2.频率跳变器有k=3，2k=8个频率段可供跳变。3.每传送二个符号或四个比特后跳变到一个新的频率段 4.发送信号在接收机中下变频后输出频率集中在宽度为Wd的频带中，利用一般非相干MFSK检测方法进行解调（包络检波+抽样判决+并/串转换）v 抗干扰性能说明：干扰机将平均功率为J，带宽为Wd的干扰信号，中心频率对准某个载频，干扰功率密度降低的倍数就是跳频处理的增益。kdssdpWWWJWJG2/2.3.5 非相干快跳频系统v 频率跳变速率高于数据调制

38、器输出的符号速率，每个符号有多次频率跳变每个符号有多次频率跳变。快跳频系统的发射信号频率时间关系为：快跳频系统的发射信号频率时间关系为：2.3.6 跳频系统的特点和用途跳频系统的特点和用途 (1)具有较强的抗干扰能力（主动）(2)易于组网,实现码分多址，频谱率利用高（不同的网可得到不同的跳频图案）(3)易兼容（瞬时窄带系统）(4)解决了“远-近”问题 (5)采用快跳频和纠错编码系统用的伪随机码速率比直扩系统的低得多,同步要求比直扩系统的低,因而时间短，入网快 2.4 跳 时 v 跳时系统是用伪随机码去控制信号发送时刻及发送时间的长短，和跳频的差别在于一个控制的是频率，而另一个控制的是时间v在时

39、间跳变中，将一个信号分为若干个时隙，由伪随机码控制在哪个时隙发送信码。时隙选择、持续时间的长短也是由伪随机码控制的v信号是在开通的很短的时隙中，以较高的峰值功率突发式传输的，可以看成一种随机的脉位调制(PPM)和脉宽调制(PWM)。v跳时系统原理框图开 关调 制信 源PN码振荡器门1检 测PN码门2检 测判 决输出系统仅在伪随机序列的“1”“0”跃变时启闭收发信机。输入信号暂时存于寄存器中，待由PN码控制的通断开关接通时，以迸发方式调制载波并发射出去。为了节约频带，高频载波的调制可采用二相或四相调制。当接收机的PN码与发端同步时，发射的信号就分别从“1”门和“0”门进入脉冲检测器，经判决后输出

40、有用信息v跳时信号波形 tv跳时系统的处理增益为 DGP11占空比2.6 混合扩频系统v 2.6.1 FHDS系统v跳频和直扩系统都有很强的抗干扰能力,是用得最多的两种扩频技术。v这两种方式都有自己的独到之处,但也存在着各自的不足,将两者有机地结合起来,可以大大改善系统性能,提高抗干扰能力v FHDS和FH、DS一样,是用得最多的扩频方式之一v需要发送的信号首先被PN1码扩频,然后去调制由PN2码控制的频率合成器产生的跳变频率,被放大后发送出去v接收端首先进行解跳,得到一固定中频的直扩信号,然后进行解扩,送至解调器,将传送的信号恢复出来v用了两个伪随机码,一个用于直扩,一个用于控制频率合成器。

41、一般用于直扩的伪随机码的速率比用于跳频的伪随机码的速率要高得多vFHDS系统框图 高 放混 频解 扩解 调调 制频 合PN码信 源扩 频PN码频 合PN码同 步PN码vFH/DS信号频谱某一时刻的频谱fv采用FHDS混合扩频技术，有利于提高系统的抗干扰性能v干扰机要有效地干扰FHDS混合扩频系统,需要同时满足两个条件：a.干扰频率要跟上跳变频率的变化；b.干扰电平必须超过直扩系统的干扰容限。v加大了干扰机的干扰难度，从而达到更有效地抗干扰的目的v混合系统的处理增益为直扩和跳频的处理增益的乘积,即SDSPBBNBBWG信号射频v或 dBBBNGPSDSlg10lg10(2-78)式中:B DS为

42、直扩信号带宽;BS为信号带宽;N为跳频的可用频道数。2.7 各种扩频方式的比较v 2.7.1 FH与DS的比较 v在通信中,用得最多的扩频方式是直扩和跳频,将这两种系统进行较为全面的比较,分别指出优劣,不失为一项有益的工作 v 抗强固频干扰固频干扰（跳频好）v 抗衰落特别是抗频率选择性衰落频率选择性衰落时直扩优于跳频，这是由于直扩系统的射频带宽很宽，小部分频谱衰落不会使信号产生严重畸变，而跳频系统将导致部分频率受到影响 v抗多径多径（直扩好）v”远远-近近”效应（跳频好）v同步同步（速率差别，跳频好；同步时间秒与毫秒级）FH与与DS的比较（重要！）的比较（重要！）2.7.2 处理增益v各种扩频

43、体制的处理增益均可表示为PG射频带宽射频带宽 信息带宽信息带宽 v三种扩频体制的比较 思考与练习题思考与练习题 v2-1 在高斯白噪声干扰的信道中,信号传输带宽为8 kHz,信噪比为3,求此时对应的信道容量。在信道容量不变的情况下,分别将带宽增大一倍和降低一半,求这两种情况下的信号功率变化量。v2-2 直接序列扩频信号具有Sa2(x)型功率谱,信号的3 dB带宽是多少？与主瓣峰值比较,第一个旁瓣的峰值功率电平是多少？v2-3 在直接序列扩频信号频谱的主瓣中所包含的总信号功率百分比是多少？v 2-4 一个伪随机码速率为50 Mc/s,信息速率为16 kb/s,射频带宽和处理增益各为多少？v acacJJJiJPaaJBBffNPPPSPSGNAfAfP0/22v2-5 要求直扩系统在干扰信号是所要信号250倍的环境下工作,输出信噪比为10 dB,系统内部损耗为2 dB,则要求系统的处理增益至少为何值？v2-6 跳频系统的频率排列是相邻的,数据率为1 kb/s,每一比特发射三个频率,那么这个系统应该用多大的射频带宽？v2-7 伪随机码速率为20 Mc/s,频率数为100,数据率为3 kb/s的跳频直扩系统的处理增益为多少？BNSLGMoSPjdSDSPBBNBBWG信号射频