1、扩频通信第一章 绪论1.1数字通信数字通信与信号的几何表示与信号的几何表示n通信技术的发展趋势：模拟通信技术的发展趋势：模拟数字，固定数字，固定移动，点到点移动，点到点网络网络n数字通信系统（数字通信系统（DCS）的特点：在有限的时间间）的特点：在有限的时间间隔内发送有限波形集合中的一个波形。（模拟是隔内发送有限波形集合中的一个波形。（模拟是从无限个波形中选择一个发送）。从无限个波形中选择一个发送）。n数字通信系统的目标：从受噪声干扰的信号中判数字通信系统的目标：从受噪声干扰的信号中判决出发送端所发送的是那一个波形，而不是精确决出发送端所发送的是那一个波形，而不是精确地再生被传输的波形。差错概
2、率地再生被传输的波形。差错概率(PE)是是DCS中一中一个很重要的系统性能参数。个很重要的系统性能参数。数字通信的优点：n数字电路有更好的抗失真能力和抗干扰能力；数字电路有更好的抗失真能力和抗干扰能力；n数字电路比模拟电路更可靠，且其生产成本比模拟电路低；数字电路比模拟电路更可靠，且其生产成本比模拟电路低；n数字硬件比模拟硬件更具灵活性，如微处理器、数字开关、大规模数字硬件比模拟硬件更具灵活性，如微处理器、数字开关、大规模集成电路等；集成电路等；n时分复用信号比频分复用的模拟信号更简单；时分复用信号比频分复用的模拟信号更简单；n不同类型的数字信号（数据、电报、电话、电视等）在传输和交换不同类型
3、的数字信号（数据、电报、电话、电视等）在传输和交换中都被看成是相同的信号中都被看成是相同的信号bit信号；信号；n为交换方便，还可将数字信号以数据包的形式进行处理；为交换方便，还可将数字信号以数据包的形式进行处理；n长途通信系统中，中继站之间的噪声不积累；长途通信系统中，中继站之间的噪声不积累；n可通过编码纠错；可通过编码纠错；n数字信号能够进行加密处理。数字信号能够进行加密处理。数字通信获得这些优点的代价数字通信获得这些优点的代价：n数字系统需要更多的信号处理技术；数字系统需要更多的信号处理技术；n数字系统都需分配一部分资源用于实现同步；数字系统都需分配一部分资源用于实现同步；n数字通信系统
4、具有数字通信系统具有“门限效应门限效应”(nongracefuldegradation)，即当信噪比下降到一定限度时，即当信噪比下降到一定限度时，通信质量就会急剧下降，而大部分模拟通信系通信质量就会急剧下降，而大部分模拟通信系统的质量下降则比较平滑。统的质量下降则比较平滑。 图1：典型数字通信系统的方框图。图2：基本数字通信变换。 1.2扩频通信概念扩频通信概念n扩频技术是利用与传输数据（信息）无关的伪扩频技术是利用与传输数据（信息）无关的伪随机码对传输信号扩展频谱，使之占有远远超随机码对传输信号扩展频谱，使之占有远远超过原有信息所需的带宽，在接收机中利用本地过原有信息所需的带宽，在接收机中利
5、用本地码对接收信号进行同步相关处理，以解扩和解码对接收信号进行同步相关处理，以解扩和解调数据。调数据。n扩频信号具有以下三个特征：扩频信号具有以下三个特征：1)扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号；扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号；2)传输带宽远大于被传送信息的原始带宽；传输带宽远大于被传送信息的原始带宽；3)接收机中必须有与宽带载波同步的副本。接收机中必须有与宽带载波同步的副本。注：q标准的频率调制、脉冲编码调制也扩展标准的频率调制、脉冲编码调制也扩展了原始信号的频谱，但不完全满足上述了原始信号的频谱，但不完全满足上述条件，不能称为扩频系统。条件，不能称为扩频系统。1.6 扩频通信的发展
6、历史 n有关扩频通信技术的观点是在有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员年由好莱坞女演员HedyLamarr和钢琴家和钢琴家GeorgeAntheil提出的。提出的。 n1949年美国的国家电话电报公司的子公司的联邦电信实验室，年美国的国家电话电报公司的子公司的联邦电信实验室，Derosa和和Rogoff提出设想并生成出伪噪声信号和相干检测的提出设想并生成出伪噪声信号和相干检测的通信系统，成功地工作通信系统，成功地工作在在NewJersey和和California之间的通之间的通信线路上。信线路上。n1950年年Basore首先提出把这种扩频系统称作首先提出把这种扩频系统称作NOM
7、ACS（NoiseModulationandCorrelationDetectionSystem）这个名称被使用相当长的时间。这个名称被使用相当长的时间。n1951年春天，美国陆军通信协会要求年春天，美国陆军通信协会要求MIT电子研究实验室验证电子研究实验室验证一个一个NOMACS系统，目的是在远距离高频无线通信时不再受敌系统，目的是在远距离高频无线通信时不再受敌方的人为干扰。后转入方的人为干扰。后转入MIT的林肯实验室。的林肯实验室。n1952年由林肯实验室研制出年由林肯实验室研制出P9D型型NOMACS系统，并进行了系统，并进行了试验。试验。n1955年生产成功并通过了测试。之后，美国海军
8、和空军开始年生产成功并通过了测试。之后，美国海军和空军开始验证各自的扩频系统，空军使用名称为验证各自的扩频系统，空军使用名称为“Phatom”（鬼怪，（鬼怪，幻影）和幻影）和“Hush-Up”（遮掩），海军使用名称为（遮掩），海军使用名称为“Blades”（浆叶），美国海军采用跳频扩频方案。（浆叶），美国海军采用跳频扩频方案。n1976年第一部扩频通信的概述性专著：年第一部扩频通信的概述性专著：SpreadSpectrumSystems发表。发表。n1978年在日本举行的国际无线通信咨询委员会年在日本举行的国际无线通信咨询委员会(CCIR)全会全会对扩频通信进行专门研究。对扩频通信进行专门研究
9、。n1982年美国第一次军事通信会议展示了扩频通信在军事通年美国第一次军事通信会议展示了扩频通信在军事通信中的主导作用，报告了扩频通信在军事通信各领域的应用，信中的主导作用，报告了扩频通信在军事通信各领域的应用，并开始民用扩频通信的调查。并开始民用扩频通信的调查。n同年第一部扩频通信的理论性专著同年第一部扩频通信的理论性专著CoherentSpreadSpectrum问世。问世。n1985年之后民用扩频通信系统发展。年之后民用扩频通信系统发展。 到八十年代，它已经广泛应用于各种战略和战术通信中，成为到八十年代，它已经广泛应用于各种战略和战术通信中，成为电子战中通信反对抗的一种十分重要的手段。电
10、子战中通信反对抗的一种十分重要的手段。 1.3 扩频的基本原理n仙农（shannon）公式：)/1 (WlogC2NS+C：信道容量：信道容量 W：信道带宽信道带宽 N：噪声功率噪声功率 S：信号信号功率功率含义：一个信道无误差的传输信息的能力取决含义：一个信道无误差的传输信息的能力取决于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽。带宽。 说明：n1.给定的信道容量可以用不同的带宽和信噪比给定的信道容量可以用不同的带宽和信噪比来组合传输；来组合传输；n2.给定信噪比，只要增加用于传输信息的带宽，给定信噪比，只要增加用于传输信息的带宽，理论上就可以增加在信道中
11、无误差地传输的信理论上就可以增加在信道中无误差地传输的信息率；息率；n3.在同样的信道容量下，增大传输带宽可由较在同样的信道容量下，增大传输带宽可由较小的信号传输功率传送，这表明宽带系统具有小的信号传输功率传送，这表明宽带系统具有较好的抗干扰性（通常所谓用带宽换功率）。较好的抗干扰性（通常所谓用带宽换功率）。工程应用工程上实现的一种应用：工程上实现的一种应用： 直接序列扩频处理增益可达到直接序列扩频处理增益可达到70dB，如，如果系统的基带滤波器输出信噪比为果系统的基带滤波器输出信噪比为10dB，那么，那么这个系统的输入端信噪比为这个系统的输入端信噪比为60dB。也就是说，。也就是说，信号功率
12、可以在信号功率可以在低于低于干扰功率干扰功率60dB的恶劣条件的恶劣条件下正常工作。所以扩频系统在深空远距离的通下正常工作。所以扩频系统在深空远距离的通信中占有显著地位。信中占有显著地位。 扩频的一般模型扩频的一般模型1.3 扩频系统的优点 1.3.1干扰抑制干扰抑制n说明：说明：1.1.通信链路中有许多正交信号坐标点或维数可供选择，通信链路中有许多正交信号坐标点或维数可供选择，在任意一时段只选用其中的一个很好的子集。在任意一时段只选用其中的一个很好的子集。2.2.假定干扰者无法确定当前使用的信号子集，对于带假定干扰者无法确定当前使用的信号子集，对于带宽宽W，持续时间，持续时间T的信号，可以证
13、明其信号的维数约的信号，可以证明其信号的维数约为为2WT，而系统的误码率性能只是信噪比的函数。，而系统的误码率性能只是信噪比的函数。3.3.在功率无限的高斯白噪声环境下，扩频在功率无限的高斯白噪声环境下，扩频(增大了增大了2WT的值的值)并没有带来性能的提升。并没有带来性能的提升。4.4.功率固定且有限的干扰台只能在有限的频带内施放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。扩频带来了性能的提升。空间的位置。扩频带来了性能的提升。干扰：干扰台数目有限，功率固定，只能在有限的频干扰：干扰台数目有限
14、，功率固定，只能在有限的频带内施放噪声干扰，不能确定信号坐标点所处的信带内施放噪声干扰，不能确定信号坐标点所处的信号空间的位置。号空间的位置。干扰可能的方式：干扰可能的方式：n1.向系统使用的信号坐标点施放等强度的干扰，结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。果是落在每一坐标点上的干扰噪声功率很小。n2.在某些信号坐标上施放高强度的干扰（也可以理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）。解为在各个坐标点上施加强度不一的干扰）。1.3.2降低能量密度降低能量密度 n低检测概率或低截获概率通信系统低检测概率或低截获
15、概率通信系统：除了既定的除了既定的接收者之外，通信过程不要被其他的系统所侦测接收者之外，通信过程不要被其他的系统所侦测n设计原则：使得除既定接收者以外的任何一方，检设计原则：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。需采用最小的信号功测到信号的难度尽可能地大。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率和最佳的信号方案，使得信号被检测到的概率尽量低。量低。n结论：扩频信号具备低检测概率通信系统的特点，结论：扩频信号具备低检测概率通信系统的特点，即在抗干扰的同时，还具有难以被察觉的优点。对即在抗干扰的同时，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
16、者而言，扩频信号好于不知道同步扩频信号的接收者而言，扩频信号好像像“埋藏在噪声中埋藏在噪声中”一样难以检测。一样难以检测。 辐射仪（辐射仪（radiometerradiometer） 敌方用于功率检测的仪器辐射仪。包括一个通带为敌方用于功率检测的仪器辐射仪。包括一个通带为W W的带通滤波器（的带通滤波器（BPFBPF），一个平方电路将输出变换为正值），一个平方电路将输出变换为正值（以便于度量信号的能量）和一个积分电路，在时刻（以便于度量信号的能量）和一个积分电路，在时刻t = Tt = T，积分器的输出与预设的门限值比较，若积分器的输出大于门积分器的输出与预设的门限值比较，若积分器的输出大于门
17、限值，则判为信号存在；否则认为信号不存在。根据扩频信限值，则判为信号存在；否则认为信号不存在。根据扩频信号自身的特性，可用辐射仪及其他一些更复杂的仪器对其进号自身的特性，可用辐射仪及其他一些更复杂的仪器对其进行检测。行检测。n低定位概率：具有低定位概率：具有低截获概低截获概率（率（LPI）特性的扩频系）特性的扩频系统同时也呈现出低定位概率（统同时也呈现出低定位概率（LowProbabilityofPositionFix，LPPF）的特点，即使敌方检测到了信）的特点，即使敌方检测到了信号的存在，也很难确定信号传输的方向。有些扩频系号的存在，也很难确定信号传输的方向。有些扩频系统还具有统还具有低溯
18、源概率低溯源概率（LowProbabilityofSignalExploitation，LPSE）的特性，及敌方难以确定信号）的特性，及敌方难以确定信号来自何处。来自何处。n此外，通过扩频，可以降低信号能量密度以适应各国此外，通过扩频，可以降低信号能量密度以适应各国的分配规定。比如，卫星的下行传输必须符合地面辐的分配规定。比如，卫星的下行传输必须符合地面辐射电磁能谱密度的国际标准。经过扩频，信号能量分射电磁能谱密度的国际标准。经过扩频，信号能量分布在更宽的频带上，总的传输功率可以增加，因此，布在更宽的频带上，总的传输功率可以增加，因此，在提高性能的同时保证能量密度符合标准。在提高性能的同时保证
19、能量密度符合标准。1.3.3提高时间分辨率提高时间分辨率 n测距和定位：测距和定位：利用脉冲在信道中的传输时延可利用脉冲在信道中的传输时延可以计算出传播时间，时延测量的不确定度与脉以计算出传播时间，时延测量的不确定度与脉冲信号带宽成反比，如图冲信号带宽成反比，如图5所示，不确定度与所示，不确定度与脉冲时间成正比，即与脉冲信号的带宽成反比，脉冲时间成正比，即与脉冲信号的带宽成反比，亦即亦即Wt1图5时延测量t脉 冲 信 号不 确 定 度tWt1脉冲上升时间n结论：带宽越大，测距的精度就越高。结论：带宽越大，测距的精度就越高。在高斯信道中，对单个脉冲的一次性测在高斯信道中，对单个脉冲的一次性测量是
20、不可靠的，扩频技术中采用极性不量是不可靠的，扩频技术中采用极性不断变化的长序列编码信号（如断变化的长序列编码信号（如2BPSK调调制信号）代替单个脉冲。接收端对接收制信号）代替单个脉冲。接收端对接收序列与本地移位序列进行相关检测，即序列与本地移位序列进行相关检测，即可精确测定时延和距离。可精确测定时延和距离。1.3.4多址接入多址接入n扩频可用于多址接入以实现多用户共享通信扩频可用于多址接入以实现多用户共享通信资源的目的。例如码分多址接入资源的目的。例如码分多址接入(CDMA)技技术，同一时间上的每个用户使用各自唯一的术，同一时间上的每个用户使用各自唯一的扩频序列进行通信。此类多址接入技术的另
21、扩频序列进行通信。此类多址接入技术的另一个优点是可以采用不同扩频信号的用户提一个优点是可以采用不同扩频信号的用户提供通信保密，由于所有扩频序列的不同，未供通信保密，由于所有扩频序列的不同，未经授权的用户难以检测到他人通信的内容。经授权的用户难以检测到他人通信的内容。 1.4 扩频技术的种类扩频技术的种类n直接序列（直接序列（DS）系统：用一高速数字编码序）系统：用一高速数字编码序列直接调制发射机载波，由于编码序列的带宽列直接调制发射机载波，由于编码序列的带宽应远大于原始信号带宽，从而扩展了信号频谱；应远大于原始信号带宽，从而扩展了信号频谱；n跳频（跳频（FH）系统：使发射机频率在一组预先）系统
22、：使发射机频率在一组预先指定的频率上按照编码序列所规定的顺序离散指定的频率上按照编码序列所规定的顺序离散的跳变，从而扩展发射波的频谱；的跳变，从而扩展发射波的频谱；nCDMA(CDMA(码分多址码分多址) )和直接序列扩频的和直接序列扩频的CDMACDMA1.5直接序列扩频抗干扰模型直接序列扩频抗干扰模型 图6直接序列扩频系统 滤波器(带宽R)扩频编码信号g(t)码片速率Rch扩频信号带宽RchWss扩频编码信号g(t)码片速率Rch数据信号x(t)数据速率Rn发射时信号能量几乎均匀分布在很宽的频带内；发射时信号能量几乎均匀分布在很宽的频带内；n接收端进行相关处理，当两个信号完全相同时（相关接
23、收端进行相关处理，当两个信号完全相同时（相关性很好）得到最大的相关峰值；性很好）得到最大的相关峰值；n如果除有用信号还有一个功率很强的干扰信号，则在如果除有用信号还有一个功率很强的干扰信号，则在解扩过程中其频谱反而被扩展开来，干扰信号功率谱解扩过程中其频谱反而被扩展开来，干扰信号功率谱密度大大降低，经窄带滤波器后干扰信号功率大为减密度大大降低，经窄带滤波器后干扰信号功率大为减弱；弱；n扩频信号带宽和中频滤波器带宽之比越大，接收机解扩频信号带宽和中频滤波器带宽之比越大，接收机解调器输出的干扰功率就越小，因而输出信噪比越高调器输出的干扰功率就越小，因而输出信噪比越高n如果干扰的相干性越强，解扩后有
24、用信号带宽内残留如果干扰的相干性越强，解扩后有用信号带宽内残留的干扰功率越强，信噪比改善越小。的干扰功率越强，信噪比改善越小。1) 基本概念 所谓直接序列扩频, 就是在发端直接用具有高码率的扩频码序列对信息比特流进行调制, 从而扩展信号的频谱, 在接收端, 用与发送端相同的扩频码序列进行相关解扩, 把展宽的扩频信号恢复成原始信息。 一种直接序列扩频技术是使用异或运算将数字信息流与扩展码位流结合起来. 直接序列扩频直接序列扩频(DSSS)信息流的位信息流的位1 1会使扩展码翻转而直接传输会使扩展码翻转而直接传输. .信息位为信息位为0 0则则使扩展码位不翻转而直接传输使扩展码位不翻转而直接传输.
25、 .DSSS 用BPSK的实现方法n多进制 BPSK signal,sd(t) = A d(t) cos(2 fct) by c(t) takes values +1, -1 to gets(t) = A d(t)c(t) cos(2 fct)nA = amplitude of signalnfc = carrier frequencynd(t) = discrete function +1, -1n在接受端,输入信号再次乘于 c(t)n因为 c(t) x c(t) = 1, ns(t)c(t) = A d(t)c(t) cos(2 fct)c(t)= sd(t) DSSS 用BPSK的实现方
26、法采用二相相移键控的直接序列扩频 直扩及解扩的方法可以采用BPSK(二进制相移键控)、QPSK(正交相移键控)及MSK(最小频移键控) , 现在的无线网络大都采用的是数字方式QPSK调制方式。 如上所述, 直扩系统的接收除了前端的放大变频之外, 还要进行解扩和解调。 最好是先解扩再解调, 因为无线信号在空间传播会有很大的信号衰减。 未解扩前的信噪比很低, 甚至信号被淹没在噪音中。一般解调器难于在很低的信噪比条件下正常解调, 会导致高误码率。 换句话说, 先解扩, 可以通过解扩过程获得扩频增益, 提高接收信号信噪比。然后再进行解调, 就能保证通信的质量和可靠性了。 直接序列扩频直接序列扩频(DS
27、SS) 由以上分析可知, 在接收端的解扩过程中, 由于有用信号与扩频序列码的相关性, 从而使其由宽带解扩为窄带信号, 而由于干扰信号与扩频序列码的非相关性, 使其由窄带信号扩展成了宽带信号, 从而使信噪比大大提高, 获得了扩频增益。 扩频系统中的多址问题的解决也是基于此道理。 由于每个用户都有惟一的一个码序列, 只有当接收到的信号所包含的码序列与自身的相同时, 经过解扩才可能出现峰值, 从而恢复出原始信号。相反地, 如果接收到信号的码序列与自身的不相同, 经过解扩之后其频谱会变得更宽, 就会把该信号作为干扰信号来对待, 更不会恢复出其原始信号形式。 直接序列扩频直接序列扩频(DSSS) 4)
28、优点及缺陷 (1) 直扩信号的功率谱密度低, 具有隐蔽性和低的截获概率, 因此抗侦察、抗截获的能力强; 另外, 功率污染小, 即对其他系统引起的电磁环境污染小, 有利于多种系统共存。 (2) 直扩伪随机序列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。因为用伪随机序列对信息比特流进行扩展频谱, 就相当于对信息的加密; 而所拥有的码型不同的伪随机序列的数目, 就相当于密钥量。当不知道直扩系统所采用的码型时, 就无法破译。 直接序列扩频直接序列扩频(DSSS) (3) 利用直扩伪随机序列码型的正交性, 可构成直接序列扩展频谱码分多址系统。在这样的码分多址系统中, 每个通信站址分配
29、一个地址码(一种伪随机序列), 利用地址码的正交性通过相关接收来识别出来自不同站址的信息。码分多址系统中的用户是共享频谱资源的。 (4) 直接扩展频谱系统具有抗宽带干扰、抗多频干扰及单频干扰的能力, 这是因为直接扩展频谱系统具有很高的处理增益, 对有用信号进行相关接收, 对干扰信号进行频谱扩展, 使其大部分的干扰功率被接收机中频带通滤波器所滤除。 直接序列扩频直接序列扩频(DSSS) (5) 直接扩展频谱信号的相关接收具有抗多径效应的能力。 当直扩伪随机序列的码片宽度(持续时间)小于多径时延时, 利用相关接收可以消除多径时延的影响, 因而直接扩展频谱系统具有抗多径干扰的能力。 (6) 利用直接
30、扩展频谱信号可实现精确的测距定位。直接扩展频谱系统除可进行通信外, 还可利用直接扩展频谱信号的发送时刻与返回时刻的时间差, 测出目标物的距离。 因此, 在同时具有通信和导航能力的综合信息系统中显示了直接扩展频谱系统的优势。 直接序列扩频直接序列扩频(DSSS) (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。 其缺陷在于: (8) 直接序列扩展频谱系统是两个宽带系统, 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(如语音编码)后, 才可接入直扩系统。 直接序列扩频直接序列扩频(DSSS) (9) 直接扩
31、展频谱系统的接收机存在明显的远近效应。所谓远近效应是指大功率的信号(近端的电台)抑制小功率信号(远端的电台)的现象。对此, 需要在系统中采用自动功率控制以保证远端和近端电台到达接收机的有用信号是同等功率的。 这一点, 增加了直接扩展频谱系统在移动通信环境中应用的复杂性。 (10) 直接扩展频谱系统的处理增益受限于码片(chip)速率和信源的比特率, 即码片速率的提高和信源比特率的下降都存在困难。 处理增益受限, 意味着抗干扰能力受限, 多址能力受限。 直接序列扩频直接序列扩频(DSSS) 1) 基本概念 所谓跳频, 简单来讲, 就是用一定的码序列进行选择的多频率频移键控。具体来讲, 跳频就是给
32、载波分配一个固定的宽频段并且把这个宽频段分成若干个频率间隙(称为频道或频隙), 然后用扩频码序列去进行频移键控调制, 使载波频率在这个固定的频段中不断地发生跳变。由于这个跳变的频段范围远大于要传送信息所占的频谱宽度, 故跳频技术也属于扩频。 码序列:所使用的信道顺序.频率跳变频率跳变 由上述可见, 跳频的实质是频移键控, 但又不同于一般的频移键控。简单的频移键控, 如2FSK只有两个频率, 分别代表传号和空号。而跳频系统却可能有几个、几十个、 甚至上千个频率, 由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制, 不断跳变。 另外, 跳频技术也与直接序列扩频技术不同, 是另一种意义上的扩频。它不像直扩技术
33、那样直接对被传送信息进行扩谱, 从而获得处理增益。 跳频相当于瞬时的窄带通信系统, 只是由于跳频速率很快, 跳变的频谱范围比实际信息带宽更宽, 从而在宏观上实现频谱的扩展。 频率跳变频率跳变2) 系统组成系统组成 调制器信息码序列副载波振荡器时钟跳频指令发生器频率合成器混频器跳频器高通滤波器天线(a)同步时钟跳频指令发生器频率合成器混频器跳频器预调滤波器(b)信息码序列天线中频滤波器解调器图 3-8 跳频通信系统原理框图 (a) 发送端； (b) 接收端 以上就是定频信号的发送过程, 由图可见, 频率合成器输出什么频率的载波信号是受跳频指令发生器控制的。 在时钟的作用下, 跳频指令发生器不断地
34、发出控制指令, 控制频率合成器不断地改变其输出载波的频率。从而, 混频器输出的已调波的载波频率也随着指令而不断地跳变, 因而, 再经过高通滤波器和天线发送出去的就是跳频信号, 整个构成的是跳频系统而不是定频系统。由于跳频器输出载波的跳变范围比原已调波信号的带宽要宽得多, 因此跳频系统从宏观上实现了扩频。 频率跳变频率跳变 受时钟控制的跳频指令发生器和频率合成器统称跳频器受时钟控制的跳频指令发生器和频率合成器统称跳频器。 跳频指令发生器常常利用的是伪随机序列发生器, 当然也可以靠软件编程来实现。 由上述分析可知, 跳频系统的关键部件是跳频器, 换句话说, 能产生频谱纯度好的、具有快速切换能力的频
35、率合成器和伪随机性好的跳频指令发生器决定着跳频系统的性能。此外, 从原理上讲, 似乎在原有的定频发送系统中加上一个跳频器就能实现跳频发送系统, 但在实际情况中, 还要具体考虑信道机的通带宽度。 频率跳变频率跳变 3) 跳频图案 跳频系统中载波频率改变的规律, 叫做跳频图案。有什么样的跳频指令就会产生什么样的跳频图案。 在实际通信中, 尤其是在军事通信中, 为了抗干扰和保证通信的隐蔽性, 往往采用具有“伪随机性伪随机性”的跳频图案。所谓“伪随机性”是指不是真的具有随机性, 而是有规律可循, 但是因为兼具一些随机性的特点, 因而要查出其中的规律也很难。只有知道跳频图案的双方才能互相通信, 第三方很
36、难加以干扰或窃听。 频率跳变频率跳变图 3-9 跳频图案(a) 快跳频图案; (b) 慢跳频图案 跳频信道带宽时间跳频驻留时间频率跳频带宽(a)跳频带宽时间跳频驻留时间跳频信道带宽频率(b)频率跳变频率跳变图 3-10 收发双方同步跳频示意图 发射机跳频图案接收机跳频图案stf 一个好的跳频图案应具备以下几点: (1) 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, 抗干扰能力就强。 (2) 图案的密钥量要大, 要求跳频图案的数目要足够多， 这样抗破译的能力强。 (3) 各图案之间出现频率重叠的机会要尽量的小, 要求图案的正交性要好， 这样有利于组网通信和多用户的码
37、分多址。 当跳频信号发生器采用的是伪码序列发生器时, 跳频图案的性质主要依赖于伪码的性质，此时, 选择好的伪码序列成为获得好的跳频图案的关键。 4) 时、频域波形 与定频连续信号波形不同, 跳频信号的波形是不连续的, 这是因为跳频器产生的跳变载波信号之间是不连续的。 频率合成器从接收跳频指令开始到完成频率的跳变需要一定的切换时间。 为了保证其输出的频率纯正而稳定, 防止杂散辐射, 在频率切换的瞬间是抑止发射机末级工作的。 频率合成器从接收指令、开始建立振荡至达到稳定状态的时间叫做建立时间; 稳定状态持续的时间叫驻留时间(记作Td); 从稳定状态到达振荡消失的时间叫消退时间。从建立到消退的整个时
38、间叫做一个跳周期(记作Th)。 建立时间加上消退时间叫做换频时间。只有在驻留时间内才能有效地传送信息。图3-11给出了频率合成器的换频过程及载波信号的时域波形。 图 3-11 频率合成器的换频过程及载波信号的时域波形 包络建立时间消退时间tf3f2f1TdTh频率跳变频率跳变 跳频通信系统为了能更有效地传送信息, 要求频率切换占用的时间越短越好。通常, 换频时间约为跳周期的1/81/10。 比如跳频速率为每秒500跳的系统, 跳周期Th2 ms, 则其换频时间为0.2 ms左右。 图3-12所示是由频谱仪上观察到的跳频信号的频谱。图中箭头所标示的是载波频率跳变的过程。 载波频率之间的频率间隔就
39、是信道带宽, 跳频的载波数目乘上信道带宽就是总的跳频带宽。 由此更加说明了跳频扩频与直接序列扩频机理的不同。 每一个跳频驻留时间的瞬时所占的信道带宽是窄带频谱, 依照跳频图案随时间的变化, 这些瞬时窄带频谱在一个很宽的频带内跳变, 形成一个跳频带宽。由于跳频速率很快, 从而在宏观上实现了频谱的扩展。 图 3-12 跳频信号的频谱 f频率跳变频率跳变 5) 跳频技术指标与抗干扰的关系 (1) 跳频带宽。跳频带宽的大小与抗部分频带的干扰能力有关。 跳频带宽越宽, 抗宽带干扰的能力越强。所以希望能全频段跳频。 例如, 在短波段, 从1.5 MHz到3 MHz全频段跳频; 在甚高频段, 从30 MHz
40、到80 MHz全频段跳频。 (2) 跳频频率的数目。跳频频率的数目与抗单频干扰及多频干扰的能力有关。跳变的频率数目越多, 抗单频、多频以及梳状干扰的能力就越强。在一般的跳频电台中, 跳频的频率数目不超过100个。 频率跳变频率跳变 (3) 跳频的速率。跳频的速率是指每秒钟频率跳变的次数, 它与抗跟踪式干扰的能力有关。 跳频的速率越快, 抗跟踪式干扰的能力就越强。 一般在短波跳频电台中, 目前其跳速不超过100跳秒。在甚高频电台中, 一般跳速在500跳秒。对某些更高频段的跳频系统可工作在每秒几万跳的水平。 (4) 跳频码的长度(周期)。 跳频码的长度决定跳频图案延续时间的长短, 这个指标与抗截获
41、(破译)的能力有关。跳频图案延续时间越长, 敌方破译越困难, 抗截获的能力也越强。跳频码的周期可长达10年甚至更长的时间。 频率跳变频率跳变 (5) 跳频系统的同步时间。跳频系统的同步时间是指系统使收/发双方的跳频图案完全同步并建立通信所需要的时间。 系统同步时间的长短将影响该系统的顽存程度。因为同步过程一旦被破环, 不能实现收/发跳频图案的完全同步, 则将使通信系统瘫痪。因此, 希望同步建立的过程越短越好, 越隐蔽越好。 总的来讲, 希望跳频带宽要宽, 跳频的频率数目要多, 跳频的速率要快, 跳频码的周期要长, 跳频系统的同步时间要短。 当然, 一个跳频系统的各项技术指标应依照使用的目的、要
42、求以及性能价格比等方面综合考虑才能做出最佳的选择。 频率跳变频率跳变 跳频系统具有以下优点: (1) 跳频图案的伪随机性和跳频图案的密钥量使跳频系统具有保密性。即使是模拟话音的跳频通信, 只要不知道所使用的跳频图案，那么它就具有一定的保密能力。 当跳频图案的密钥足够大时, 就具有抗截获的能力。 (2) 由于载波频率是跳变的, 具有抗单频及部分带宽干扰的能力， 因此当跳变的频率数目足够多时, 跳频带宽足够宽时, 其抗干扰能力是很强的。 频率跳变频率跳变优点及缺陷 (3) 利用载波频率的快速跳变和具有频率分集的作用, 可使系统具有抗多径衰落的能力。条件是跳变的频率间隔要大于相关带宽。 (4) 利用
43、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。即当跳频系统处于某一定载频时, 可与现有的定频窄带系统建立通信。另外, 跳频系统对模拟信源和数字信源均适用。 (6) 跳频系统无明显的无近效应，这是因为当大功率信号只在某个频率上产生远近效应, 当载波频率跳变至另一个频率时则不再受其影响。这一点, 使跳频系统在移动通信中易于得到应用与发展频率跳变频率跳变优点及缺陷同时, 跳频系统也具有如下缺陷: (1) 信号的隐蔽性差。 (2) 跳频系统抗多频干扰及跟踪式干扰能力有限。 (3) 快速跳频器的限制。 频率跳变频
44、率跳变优点及缺陷扩频技术的应用 n测距测距 n军用扩频系统组网军用扩频系统组网 n快速跳频电台快速跳频电台 n精确制导精确制导n移动通信移动通信n电子对抗中的扩频技术电子对抗中的扩频技术 n超声多普勒血流成像超声多普勒血流成像 nCDMA扩频通信扩频通信n无线局域网无线局域网n蓝牙蓝牙(BlueTooth)技术技术 测距目标距离目标距离d与时延与时延 的关系的关系：单脉冲测距：测距精度与作用最远距离互为矛盾。单脉冲测距：测距精度与作用最远距离互为矛盾。扩频技术：伪随机编码信号的周期可以做得很长，扩频技术：伪随机编码信号的周期可以做得很长，相关特性尖锐，采用相关检测的方法，使测距相关特性尖锐，采
45、用相关检测的方法，使测距抗干扰能力大大增强，测距精度也得到提高，抗干扰能力大大增强，测距精度也得到提高，测量距离也大大增加。测量距离也大大增加。21cd图 7 应答式直扩伪随机编码测距系统 m序列发生器直扩发射机双工器接收机相关判决器相位调整器本地码发生器比相器至目标时差发钟扩频技术在战术通信中的应用扩频技术在战术通信中的应用 n美军单信道地对空无线电系统（美军单信道地对空无线电系统（SinegarsSinegars- -V V）：一种）：一种VHFVHF跳频电台。跳频电台。 工作频段工作频段303088MHz88MHz，23202320个频率点，频率个频率点，频率间隔间隔25kHz25kHz
46、，采用了微处理技术，可配用自，采用了微处理技术，可配用自适应调零天线。可用于适应调零天线。可用于16kb/s16kb/s数字电话。数字电话。数据传输率可变，最大数据传输率可变，最大16kb/s16kb/s。跳频技术。跳频技术在在8080100100跳跳/s/s之间，跳频工作和传统工作之间，跳频工作和传统工作方式兼容。从方式兼容。从8383年起年起1010年内用年内用2525万台换装，万台换装，耗资约耗资约1010亿美元。亿美元。n英国英国Plessey 4000Plessey 4000电台：工作频段电台：工作频段2 230MHz30MHz与与303088MHz88MHz相结合。积木式结构，相结
47、合。积木式结构，配有自适应调零天线，可用跳频或直接序配有自适应调零天线，可用跳频或直接序列扩频工作。列扩频工作。n以色列以色列TadiranTadiran公司的公司的ShamirShamir系列电台，系列电台，它包括了它包括了VRC-80VRC-80背负式、背负式、VRC-800VRC-800短距离短距离车载式和车载式和VRC-8000VRC-8000远距离车载式电台，这远距离车载式电台，这些电台性能规格与美国些电台性能规格与美国SinegarsSinegars-V-V电台相电台相似。似。20世纪80年代末, 全球范围从模拟向数字蜂窝技术的突然转变, 使欧洲的GSM数字技术得以迅速推广, 占据
48、了无可争议的市场领先地位。几乎与GSM技术同时诞生的还有CDMA技术。与原来模拟通信系统所采用的FDMA技术和GSM系统所采用的TDMA 技术相对应, CDMA是码分多址(Code Division Multiple Access)技术的英文缩写, 它是在数字技术的分支扩频通信技术的基础上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。 正是由于它是以扩频通信技术为基础的, 能够更加充分的利用频谱资源, 更加有效的解决频谱短缺问题, 因此被视为是实现第3代移动通信的首选。 CDMA扩频通信扩频通信图 3-1 CDMA技术标准化发展阶段 IS-95AIS-99、IS657IS-95BIS-95HDR、I
49、S-95CCDMA 2000 1X RTTCDMA 2000 3X RTTCDMA 2000CDMA One CDMA技术的发展, 推进了3G的实现进程。CDMA技术的标准化经历了如下几个阶段(如图3-1所示): IS-95是CDMA One系列标准中最先发布的标准, 真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA 标准是IS-95A, 这一标准支持8K编码话音服务。其后又分别出版了13K话音编码器的TSB74标准, 支持1.9GHz 的CDMA PCS系统的STD-008标准, 其中13K编码话音服务质量已非常接近有线电话的话音质量。随着移动通信对数据业务需求的增长, 1998年, IS-95B 标
50、准应用于CDMA基础平台。 IS-95B可提高CDMA系统性能, 并增加用户移动通信设备的数据流量, 提供对64 kb/s数据业务的支持。 其后, CDMA 2000成为窄带CDMA系统向第三代系统过渡的标准。CDMA 2000在标准研究的前期, 提出了1X和3X的发展策略, 但随后的研究表明, 1X和1X增强型技术代表了未来发展方向。 码分多址的基本原理码分多址的基本原理 模拟系统是靠频率的不同来区别不同用户的, GSM系统靠的是极其微小的时差, 而CDMA则是靠编码的不同来区别不同的用户。由于CDMA系统采用的是二进制编码技术, 编码种类非常多, 而且每个终端的编码还会随时发生变化, 两部
