1、2022年11月10日星期四扩频通信技术第扩频通信技术第1章章 发展历史二十世纪二十世纪4040年代，理论的提出年代，理论的提出二十世纪二十世纪5050年代中期，美国麻省理工学院研究成功年代中期，美国麻省理工学院研究成功NOMACNOMAC系统，系统，Noise Noise Modulation and Correlation System(Modulation and Correlation System(噪声调制和相关系统噪声调制和相关系统)二十世纪二十世纪6060年代，扩频通信理论、方法、技术等各方面的研究发展和应年代，扩频通信理论、方法、技术等各方面的研究发展和应用普及用普及19761
2、976年年RCDixon Spread Spectrum Systems(R.C.RCDixon Spread Spectrum Systems(R.C.迪克森扩频系统迪克森扩频系统)19821982年年JKHolmes Coherent Spread Spectrum Systems(J K JKHolmes Coherent Spread Spectrum Systems(J K 霍姆斯相干扩频系统霍姆斯相干扩频系统)19851985年年MKSimon Spread Spectrum Communications HandbookMKSimon Spread Spectrum Commun
3、ications Handbook19901990年年1 1月，月，CCIRCCIR研究未来公众陆地移动通信系统研究未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS(FPLMTS：Future Future Public Land Mobil Telecommunication System)Public Land Mobil Telecommunication System)的第八工作组提出的第八工作组提出的实现的实现FPLMTSFPLMTS计划的技术报告中，明确建议采用扩频通信技术计划的技术报告中，明确建议采用扩频通信技术2课程安排(1)(1)扩频通信的基本理论；扩频通信的基本理论；(2)(2)扩频
4、通信系统的性能分析；扩频通信系统的性能分析；(3)(3)伪随机编码理论；伪随机编码理论；(4)(4)扩频信号的产生与调制（发射机）；扩频信号的产生与调制（发射机）；(5)(5)扩频信号的解扩与解调（接收机）；扩频信号的解扩与解调（接收机）；(6)(6)扩频码的同步捕获与同步跟踪；扩频码的同步捕获与同步跟踪；3教材及参考书目教材教材田日才田日才.扩频通信扩频通信.清华大学出版社清华大学出版社，2007参考书目参考书目1 韦惠民韦惠民 扩频通信技术及其应用，西安电子科技大学出版扩频通信技术及其应用，西安电子科技大学出版社，社，20072 扩频通信导论扩频通信导论 沈丽丽等译沈丽丽等译 电子工业出版
5、社，电子工业出版社，20063 查光明，熊贤祚查光明，熊贤祚.扩频通信，西安电子科技大学出版社，扩频通信，西安电子科技大学出版社，19904朱近康朱近康.扩展频谱通信及其应用，中国科学技术大学出版社扩展频谱通信及其应用，中国科学技术大学出版社，1993年年5 M K Simon.Spread Spectrum Communications Handbook人民邮电出版社人民邮电出版社，20026(美美)J K霍姆斯霍姆斯.相干扩展频谱系统，梁振兴译，国防工业相干扩展频谱系统，梁振兴译，国防工业出版社，出版社，199141.1 扩频通信的基本概念设计和评价通信系统性能的主要指标设计和评价通信系统
6、性能的主要指标 有效性；有效性；可靠性；可靠性；有效性有效性指通信系统传输信息效率的高低。指通信系统传输信息效率的高低。模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就性。信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。越好。数字通信系统中，传输有效性用传输速率来衡量。数字通信系统中，传输有效性用传输速率来衡量。可靠性可靠性指通信系统可靠地传输信息。指通信系统可靠地传输信息。模拟通信系统：用输出信噪比来衡量模拟通信系统：用输出信噪比来衡量数字通信系统：用信息传输的差错率来描述。数字通信系统：用信息传输的差错率来描
7、述。通信系统的可靠性取决于通信系统的抗干扰能力。通信系统的可靠性取决于通信系统的抗干扰能力。1 1、扩展频谱通信（扩频通信、扩展频谱通信（扩频通信/扩谱通信）扩谱通信）是围绕提高是围绕提高信息传输的可靠性而提出的一种有别于常规通信系统的新调信息传输的可靠性而提出的一种有别于常规通信系统的新调制理论和技术。指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频制理论和技术。指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数（与信息信号无关）扩展频谱后成为宽频带信号，然后函数（与信息信号无关）扩展频谱后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将扩展送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将
8、扩展了的频谱进行压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从了的频谱进行压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而达到传输信息目的的通信系统。而达到传输信息目的的通信系统。2 2、特点、特点（判断扩频通信系统的准则判断扩频通信系统的准则）3 3、获得的好处、获得的好处（1 1）传输信号的带宽远远大于被传输的原始）传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽；信息信号的带宽；（2 2）传输信号的带宽主要由扩频函数决定，）传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常是伪随机（伪噪声）编码信号此扩频函数通常是伪随机（伪噪声）编码信号。具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多具有很强的抗人为干扰、抗
9、窄带干扰、抗多径干扰的能力。径干扰的能力。4 4、扩频系统具有抗干扰能力的理论基础、扩频系统具有抗干扰能力的理论基础 根据信息理论香农根据信息理论香农(CEShannon)(CEShannon)信道容量公式信道容量公式 令令C C是希望具有的信道容量，即信息速率，有是希望具有的信道容量，即信息速率，有 对于典型干扰环境，有对于典型干扰环境，有 ，幂级数展开得，幂级数展开得或1 1、对于任意给定的噪声信号功率比、对于任意给定的噪声信号功率比 ，只要增加用于传输，只要增加用于传输信息的带宽信息的带宽B B，就可以增加在信道中无差错地传输信息的速，就可以增加在信道中无差错地传输信息的速率率C C。2
10、 2、在信道中当传输系统的信号噪声功率比、在信道中当传输系统的信号噪声功率比S S/N N下降时，可下降时，可以用增加系统传输带宽以用增加系统传输带宽B B的办法来保持信道容量的办法来保持信道容量C C不变，而不变，而C C是系统无差错传输信息的速率。也就是说对于任意给定的信是系统无差错传输信息的速率。也就是说对于任意给定的信息传输速率息传输速率C C，当信号噪声功率比，当信号噪声功率比S S/N N下降时，可以用增大系下降时，可以用增大系统的传输带宽统的传输带宽B B来获得较低的信息差错率。来获得较低的信息差错率。说说明明或信号带宽与信噪比互换的实例信号带宽与信噪比互换的实例 用扩展频谱的方
11、法换取通信系统接收机输入端对用扩展频谱的方法换取通信系统接收机输入端对C/NC/N（载噪比）或载噪比）或S/NS/N（信噪比）的要求，这对通信设备小型化、（信噪比）的要求，这对通信设备小型化、低功率化，减少通信环境电磁干扰来说是十分重要。以移低功率化，减少通信环境电磁干扰来说是十分重要。以移动通信系统为例，很能说明此问题。第一代蜂窝移动通信动通信系统为例，很能说明此问题。第一代蜂窝移动通信系统采用话音调频系统采用话音调频(FM)(FM)，接收机输入端要求，接收机输入端要求C/N18dBC/N18dB；第；第二代数字蜂窝移动通信系统的二代数字蜂窝移动通信系统的GSMGSM系统采用系统采用TDMA
12、TDMA、GMSKGMSK数数字话音调制，接收机输入端要求信干比字话音调制，接收机输入端要求信干比S S/I I9dB9dB就可以；就可以；采用扩频技术的采用扩频技术的CDMACDMA系统接收机输入端在系统接收机输入端在E Eb b/n n0 0取取4.5dB4.5dB时，时，相当于载干比相当于载干比C C/I I=-15dB=-15dB。增加信道带宽后，在低的信噪比情况下，信道增加信道带宽后，在低的信噪比情况下，信道仍可在相同的容量下传送信息。甚至在信号被噪声仍可在相同的容量下传送信息。甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加传输信号的带宽也淹没的情况下，只要相应的增加传输信号的带宽也能
13、保持可靠的通信。能保持可靠的通信。进一步说明进一步说明 扩频通信系统正是利用这一原理，用高速率的扩频通信系统正是利用这一原理，用高速率的扩频码来扩展待传输信息信号带宽的手段，来达到扩频码来扩展待传输信息信号带宽的手段，来达到提高系统抗干扰能力的目的。提高系统抗干扰能力的目的。最佳信号形式最佳信号形式 香农指出：香农指出：【在高斯白噪声干扰情况下】【在高斯白噪声干扰情况下】，在平均功率，在平均功率受限的信道上，实现有效和可靠通信的受限的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号最佳信号是具有是具有白噪白噪声统计特性的信号声统计特性的信号。因为白噪声信号具有理想的自相关特性，。因为白噪声信号具有理想的自
14、相关特性，其功率谱密度函数为其功率谱密度函数为:自相关函数自相关函数：对白噪声信号处理困难。使用对白噪声信号处理困难。使用伪噪声码序列伪噪声码序列代替白噪声代替白噪声，它们的统计特性相近。伪噪声序列是接近于高斯信道要求，它们的统计特性相近。伪噪声序列是接近于高斯信道要求的最佳信号形式。的最佳信号形式。上世纪上世纪5050年代，哈尔凯维奇年代，哈尔凯维奇(俄俄)在理论上证明在理论上证明最佳信号形式最佳信号形式从克服多径干扰的角度从克服多径干扰的角度 要克服多径干扰的影响，信道中传输的最佳信号要克服多径干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式应该是具有白噪声统计特性的信号形式。形式应该是具有白噪声统计
15、特性的信号形式。伪噪声码很接近白噪声的统计特性，因而扩频通伪噪声码很接近白噪声的统计特性，因而扩频通信系统又具有抗多径干扰的能力。信系统又具有抗多径干扰的能力。扩频通信系统基本原理扩频通信系统基本原理（直接序列扩频系统为例）射频信号射频信号s s(t t)的带宽取决于伪噪声码的带宽取决于伪噪声码c c(t t)的码速率的码速率R Rc c。在在PSKPSK调制的情况下，调制的情况下，s s(t t)的带宽等于伪噪声码速率的的带宽等于伪噪声码速率的2 2倍，倍，即即B BRFRF=2=2R Rc c，而几乎与数字信号，而几乎与数字信号d d(t t)的速率无关。的速率无关。射频带宽的变化射频带宽
16、的变化11/10/2022哈尔滨工业大学通信技术研究所假设有用信号的功率为假设有用信号的功率为P P1 1P P0 0，码分多址干扰信号的功率，码分多址干扰信号的功率P P2 2P P0 0，多径干扰信号的功率，多径干扰信号的功率P P3 3=P P0 0，其他进入接收机的干，其他进入接收机的干扰和噪声信号功率扰和噪声信号功率N N=P P0 0。再假设所有信号的功率谱是均匀。再假设所有信号的功率谱是均匀分布在分布在B BRFRF=2=2R Rc c带宽之内。带宽之内。哈尔滨工业大学通信技术研究所 相关解扩后，有用信号的频带变窄，无失真地通过带相关解扩后，有用信号的频带变窄，无失真地通过带宽为
17、宽为B Bb b=2=2R Rb b 的中频滤波器。其他信号与本地参考伪噪声码的中频滤波器。其他信号与本地参考伪噪声码无关，频带被展宽，大部分能量落在中频滤波器的通频带无关，频带被展宽，大部分能量落在中频滤波器的通频带之外，被中频滤波器滤除了。因此，解扩前后的信噪比发之外，被中频滤波器滤除了。因此，解扩前后的信噪比发生了显著的改变。生了显著的改变。1.2 扩频通信系统的分类根据扩频信号的产生方式扩频信号的产生方式，分为 直接序列系统直接序列系统；频率跳变系统；频率跳变系统；时间跳变系统时间跳变系统；线性脉冲调频系统线性脉冲调频系统；混合扩频通信系统混合扩频通信系统；(1)(1)频率跳变频率跳变
18、-直接序列混合扩频系统直接序列混合扩频系统；(2)(2)时间跳变时间跳变-频率跳变混合扩频系统；频率跳变混合扩频系统；(3)(3)时间跳变时间跳变-直接序列混合扩频系统；直接序列混合扩频系统；1、概念、概念 直接序列调制扩展频谱通信系统（直接序列调制扩展频谱通信系统（Direct Sequence Direct Sequence Spread Spectrum Communication SystemSpread Spectrum Communication System，DS-SSDS-SS），简称），简称直接序列系统或直扩系统。直接序列系统或直扩系统。1.2.1 直接序列系统2 2、工作原
19、理、工作原理 待传信息信号与高速率的伪噪声（伪随机）码波形相待传信息信号与高速率的伪噪声（伪随机）码波形相乘后，去直接控制载波信号的某个参量，来扩展传输信号的乘后，去直接控制载波信号的某个参量，来扩展传输信号的带宽。用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。带宽。用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。3 3、调制方式的选取、调制方式的选取 在直接序列系统中，通常进行在直接序列系统中，通常进行PSKPSK调制。由于调制。由于PSKPSK信号信号可以等效为抑制载波的双边带调幅波，因此直接序列系统常可以等效为抑制载波的双边带调幅波，因此直接序列系统常采用平衡调制方式。抑制载波的平衡调制节约了发射功率
20、，采用平衡调制方式。抑制载波的平衡调制节约了发射功率，提高了发射机的工作效率，而且对提高扩频信号的抗侦破能提高了发射机的工作效率，而且对提高扩频信号的抗侦破能力也有利。力也有利。1 1、概念、概念 频率跳变扩展频谱通信系统（频率跳变扩展频谱通信系统（Frequency Hopping Spread Frequency Hopping Spread Spectrum Communication SystemSpectrum Communication System，FH-SSFH-SS）的简称，简称跳）的简称，简称跳频系统。频系统。1.2.2 频率跳变系统2 2、功能描述、功能描述 用二进制伪随
21、机码序列去控制射频载波振荡器输出信用二进制伪随机码序列去控制射频载波振荡器输出信号的频率，使发射信号的载波频率随伪随机码的变化而跳变号的频率，使发射信号的载波频率随伪随机码的变化而跳变。可供随机选取的载波频率数通常是几千。可供随机选取的载波频率数通常是几千 几万个离散频率几万个离散频率，在如此多的离散频率中，每次输出哪一个由伪随机码决定，在如此多的离散频率中，每次输出哪一个由伪随机码决定。4 4、与常规通信系统的区别、与常规通信系统的区别 最大的差别在于发射机的载最大的差别在于发射机的载波发生器和接收机中的本地振荡器。频率跳变通信系统中这二波发生器和接收机中的本地振荡器。频率跳变通信系统中这二
22、者输出信号的频率是跳变的。者输出信号的频率是跳变的。在频率跳变系统中发射机的载波发生器和接收机中的本地在频率跳变系统中发射机的载波发生器和接收机中的本地振荡器主要由伪随机码发生器与频率合成器两部分组成。快速振荡器主要由伪随机码发生器与频率合成器两部分组成。快速响应的频率合成器是频率跳变系统成败的关键部件。响应的频率合成器是频率跳变系统成败的关键部件。3 3、工作原理、工作原理 频率跳变系统中发信机的发射载波频率频率跳变系统中发信机的发射载波频率，在一个预定的频率集内由伪随机码序列控制频率合成器随，在一个预定的频率集内由伪随机码序列控制频率合成器随机的由一个跳到另一个。收信机中的频率合成器也按照
23、相同机的由一个跳到另一个。收信机中的频率合成器也按照相同的顺序跳变，产生一个和接收信号频率相差的顺序跳变，产生一个和接收信号频率相差 f fIFIF(中频频率中频频率)的参考本振信号，经混频后得到频率固定的中频信号，此过的参考本振信号，经混频后得到频率固定的中频信号，此过程称为对跳频信号的解跳。解跳后的中频信号经放大后送到程称为对跳频信号的解跳。解跳后的中频信号经放大后送到解调器解调，恢复出传输的信息。解调器解调，恢复出传输的信息。7 7、分类、分类 根据跳频速率的不同，可以将频率跳变扩频系统分为根据跳频速率的不同，可以将频率跳变扩频系统分为 频率慢跳变系统；频率慢跳变系统；频率快跳变系统；频
24、率快跳变系统；5 5、速率、速率控制频率跳变的伪随机码的速率，没有直接序列扩频系统控制频率跳变的伪随机码的速率，没有直接序列扩频系统中的高，一般为几十比特每秒中的高，一般为几十比特每秒 几千比特每秒。几千比特每秒。6 6、调制方式、调制方式对于对于FHFH系统，常用的数据调制方式是多进制（系统，常用的数据调制方式是多进制（M M-ary-ary）频移）频移键控。键控。频率慢跳变系统频率慢跳变系统 假设数据调制采用二进制频移键控调制，假设数据调制采用二进制频移键控调制，T Tb b是一个信息是一个信息码元比特宽度，每码元比特宽度，每T Tb b秒数据调制器输出两个频率中的一个。每秒数据调制器输出
25、两个频率中的一个。每隔隔 T Tc c秒系统输出信号的射频频率跳变到一个新的频率上。秒系统输出信号的射频频率跳变到一个新的频率上。若若T Tc cT Tb b，则称为频率慢跳变系统。，则称为频率慢跳变系统。哈尔滨工业大学通信技术研究所 频率快跳变系频率快跳变系统统 在频率慢跳变系统中，频率的跳变速度比数据调制器在频率慢跳变系统中，频率的跳变速度比数据调制器输出符号的变化速度慢。若在每个数据符号中，射频输出信输出符号的变化速度慢。若在每个数据符号中，射频输出信号的载波频率跳变多次，则称为频率快跳变系统。号的载波频率跳变多次，则称为频率快跳变系统。n 快跳频的一个明显好处快跳频的一个明显好处可以在
26、每个发射符号上得到频率分集增益可以在每个发射符号上得到频率分集增益。在部分频带被干扰时，或者在微波移动电话应用中，在部分频带被干扰时，或者在微波移动电话应用中，当传输信道导致快速信号衰落时，这一点特别有意义。当传输信道导致快速信号衰落时，这一点特别有意义。频率快跳变系统频率快跳变系统哈尔滨工业大学通信技术研究所1.2.3 时间跳变系统1、名称、名称时间跳变扩展频谱通信系统（时间跳变扩展频谱通信系统（Time Hopping Spread Time Hopping Spread Spectrum Communication SystemSpectrum Communication System，
27、TH-SSTH-SS）的简称，主要用）的简称，主要用于时分多址（于时分多址（TDMATDMA）通信中。）通信中。2 2、功能描述、功能描述 时间跳变系统是使发射信号在时间轴上离散地跳变。把时间跳变系统是使发射信号在时间轴上离散地跳变。把时间轴分成许多时隙，这些时隙在时跳通信中通常称为时片时间轴分成许多时隙，这些时隙在时跳通信中通常称为时片若干时片组成一跳时间帧，在一时间帧内哪个时隙发射信号若干时片组成一跳时间帧，在一时间帧内哪个时隙发射信号由扩频码序列去进行控制。因此，可理解为：用一伪随机码由扩频码序列去进行控制。因此，可理解为：用一伪随机码序列进行选择的多时隙的时移键控。由于采用了窄得很多的
28、序列进行选择的多时隙的时移键控。由于采用了窄得很多的时隙去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。时隙去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。发送端发送端:数据先存储起来，伪随机码序列控制存储器的输数据先存储起来，伪随机码序列控制存储器的输出与高频开关通断，经调制后的信号由高频开关经天线发射出与高频开关通断，经调制后的信号由高频开关经天线发射。接收端接收端:当接收机的伪码发生器与发端同步时，所需信号当接收机的伪码发生器与发端同步时，所需信号就能每次按时通过高频开关进入接收机。接收机中解调后的就能每次按时通过高频开关进入接收机。接收机中解调后的数据也经过一缓冲存储器，以便恢复原来的均匀数据
29、流。数据也经过一缓冲存储器，以便恢复原来的均匀数据流。【条件】只要收发两端在时间上严格地保持同步，就能正【条件】只要收发两端在时间上严格地保持同步，就能正确地恢复原始数据。确地恢复原始数据。1 1）可看成）可看成时分系统时分系统，区别：不是在时间帧中固定分配时隙，区别：不是在时间帧中固定分配时隙，而由扩频码序列控制按一定规律位置跳变的时隙。，而由扩频码序列控制按一定规律位置跳变的时隙。2 2）通过时间合理分配来避开强干扰，一种理想的多址技术）通过时间合理分配来避开强干扰，一种理想的多址技术。当同一信道中有许多跳时信号时，同一时隙内可能有信。当同一信道中有许多跳时信号时，同一时隙内可能有信号相互
30、重叠。因此，与频率跳变系统一样，必须设计好伪号相互重叠。因此，与频率跳变系统一样，必须设计好伪随机码，或采用协调方式构成时分多址系统。随机码，或采用协调方式构成时分多址系统。3 3）简单的时间跳变系统抗干扰性不强，故很少单独使用）简单的时间跳变系统抗干扰性不强，故很少单独使用。常与其他方式结合使用，组成混合扩频方式。常与其他方式结合使用，组成混合扩频方式。4 4）从抑制干扰角度看，减少了工作时间的占空比。系统）从抑制干扰角度看，减少了工作时间的占空比。系统的伪随机码参数不易被侦破。主要缺点：对定时要求严格的伪随机码参数不易被侦破。主要缺点：对定时要求严格。3 3、特点、特点1.2.4 线性脉冲
31、调频系统1 1、概念、概念 线性脉冲调频系统（线性脉冲调频系统（ChirpChirp）是指系统的工作频率在一）是指系统的工作频率在一给定的脉冲时间间隔内线性地扫过一个很宽的频带，形成一给定的脉冲时间间隔内线性地扫过一个很宽的频带，形成一带宽很宽的扫频信号，或者说工作频率在一给定的时间间隔带宽很宽的扫频信号，或者说工作频率在一给定的时间间隔内线性增大或减小，使发射信号频谱占据很宽的范围。内线性增大或减小，使发射信号频谱占据很宽的范围。在语音频段，线性调频听起来类似鸟的在语音频段，线性调频听起来类似鸟的“啾啾啾啾”叫声，故也叫声，故也称为鸟声调制。称为鸟声调制。2 2、特点、特点 线性脉冲调频是一
32、种不需要用伪随机码序列调制的扩频线性脉冲调频是一种不需要用伪随机码序列调制的扩频调制技术，由于其信号占用的频带宽度远远大于信息带宽，调制技术，由于其信号占用的频带宽度远远大于信息带宽，从而也可获得较好的抗干扰性能。从而也可获得较好的抗干扰性能。3 3、工作原理、工作原理（2 2）脉冲持续时间）脉冲持续时间T Tb b内，信号瞬时频率为内，信号瞬时频率为4 4、线性调频信号特点、线性调频信号特点（3 3）时域表达式为）时域表达式为（1 1）发射脉冲信号的瞬时频率在信息脉冲持续时间）发射脉冲信号的瞬时频率在信息脉冲持续时间T Tb b内随时间作线性变化，频差为内随时间作线性变化，频差为 可用匹配滤
33、波器来实现。由色散延迟线构成。对低频可用匹配滤波器来实现。由色散延迟线构成。对低频成分延迟时间长，对高频成分延迟时间短，于是频率由低成分延迟时间长，对高频成分延迟时间短，于是频率由低到高的调频信号通过匹配滤波器后，各频率分量几乎同时到高的调频信号通过匹配滤波器后，各频率分量几乎同时输出，信号叠加在一起，形成了脉冲时间的压缩，使输出输出，信号叠加在一起，形成了脉冲时间的压缩，使输出信号幅度增加，能量集中，将有用信号检出。而不匹配的信号幅度增加，能量集中，将有用信号检出。而不匹配的信号在时间上没有压缩，甚至反被扩展。信号在时间上没有压缩，甚至反被扩展。5 5、接收解调、接收解调1 1）频率跳变）频
34、率跳变-直接序列混合扩频系统直接序列混合扩频系统(FH/DS)(FH/DS)；2 2）直接序列）直接序列-时间跳变混合扩频系统时间跳变混合扩频系统(DS/TH)(DS/TH)；3 3）频率跳变）频率跳变-时间跳变混合扩频系统时间跳变混合扩频系统(HF/TH)(HF/TH)；1 1、常用系统、常用系统1.2.5 混合扩频通信系统注意注意：比单一的直接序列、频率跳变、时间跳变体制有更优良的性能。特点：能够大大提高扩频系统的性能，且通信隐蔽性好、特点：能够大大提高扩频系统的性能，且通信隐蔽性好、抗干扰能力强、频率跳变系统的载波频率难于捕捉、适应抗干扰能力强、频率跳变系统的载波频率难于捕捉、适应于多址
35、通信或离散寻址和多路复用。于多址通信或离散寻址和多路复用。2 2、频率跳变频率跳变-直接序列混合扩频系统直接序列混合扩频系统 特别适用于大量电台同时工作，其距离或发射功率在特别适用于大量电台同时工作，其距离或发射功率在很大范围内变化，需要解决通信中远近效应问题的场合，很大范围内变化，需要解决通信中远近效应问题的场合，主要用于多址和寻址，扩展频谱不是其主要目的。主要用于多址和寻址，扩展频谱不是其主要目的。3 3、时间跳变、时间跳变-频率跳变混合扩频系统频率跳变混合扩频系统 1 1）适用场合适用场合 指在同一工作区域内，同一系统中由于接收机对于不指在同一工作区域内，同一系统中由于接收机对于不同位置
36、的发射机，电波传播的距离有远近之分，形成电波同位置的发射机，电波传播的距离有远近之分，形成电波传播路径的衰减不同，近距离发射机发送来的信号场强要传播路径的衰减不同，近距离发射机发送来的信号场强要远大于远距离发射机发送来的信号场强。在接收机中强信远大于远距离发射机发送来的信号场强。在接收机中强信号将对弱信号产生抑制作用，造成接收机不能很好地接收号将对弱信号产生抑制作用，造成接收机不能很好地接收远距离发射机发送来的信号。远距离发射机发送来的信号。2 2）远近效应远近效应4 4、时间跳变、时间跳变-直接序列混合扩频系统直接序列混合扩频系统 应用场合：应用场合：当直接序列系统中可使用的扩频码序列的数目
37、当直接序列系统中可使用的扩频码序列的数目不能满足多址或复用要求时，增加时分复用不能满足多址或复用要求时，增加时分复用(TDM)(TDM)是一种有是一种有效的解决办法。既可增加的地址数，又可改善邻台的干扰效的解决办法。既可增加的地址数，又可改善邻台的干扰性能。性能。1.3 扩频通信系统的模型1.3.1 直接序列系统的模型假设调制方式为假设调制方式为PSKPSK1.3.1 直接序列系统的模型发送信号模型发送信号模型 假设条件假设条件（1 1）相互独立；相互独立；（2 2）d(t)d(t)码元宽度码元宽度TbTb是是c(t)c(t)码元宽度码元宽度TcTc的整数倍的整数倍；传输影响传输影响 一般情况
38、：随机延时、多普勒频移、随机相移一般情况：随机延时、多普勒频移、随机相移 。不考虑信号电平衰减不考虑信号电平衰减接收信号模型接收信号模型 去除扩频码去除扩频码 相关技术相关技术 解扩解扩去除载波去除载波相干技术相干技术 解调解调设基带滤波器设基带滤波器h h(t t)带宽与带宽与信息带宽相同，射频滤波器信息带宽相同，射频滤波器无失真传输信号无失真传输信号 ，则基带，则基带滤波器输出为滤波器输出为扩频码同步扩频码同步载波同步载波同步 基带滤波器输出基带滤波器输出(1-16)只要基带滤波器能无失真传输数字信息，则收信端只要基带滤波器能无失真传输数字信息，则收信端即可恢复出发信端传输的信息。即可恢复
39、出发信端传输的信息。1.3.2 频率跳变系统的模型 图图1-14 频率跳变系统的数学模型频率跳变系统的数学模型(a)发射系统；发射系统；(b)接收系统接收系统n 频率合成器输出信号频率合成器输出信号离散频率由于受伪码控制，故具有周期性，序列周期为离散频率由于受伪码控制，故具有周期性，序列周期为N N，故有故有(1-19)n 跳频发射机输出信号跳频发射机输出信号n 接收信号接收信号n 本地频率合成器输出本地频率合成器输出n 混频器输出混频器输出(1-20)两周期序列的复合序列的周期为两个子序列周期的两周期序列的复合序列的周期为两个子序列周期的最小公倍数。最小公倍数。假设中频滤波器为假设中频滤波器
40、为理想窄带带通滤波器理想窄带带通滤波器中频滤波器输出为中频滤波器输出为假设接收机已同步假设接收机已同步中频滤波器输出为中频滤波器输出为由于由于 则有则有选择各频点，使其具有选择各频点，使其具有由于物理含义：混频后的和频信号分量都远远落在中频滤波器物理含义：混频后的和频信号分量都远远落在中频滤波器通带外。滤波器输出为通带外。滤波器输出为 则有只要只要 ，解跳后的中频信号就可无失真通过中频，解跳后的中频信号就可无失真通过中频滤波器，经解调器解调后，最后恢复出发射信号滤波器，经解调器解调后，最后恢复出发射信号 。1.4 扩频系统处理增益与主要特点1.4.1 扩频系统的处理增益n 目的目的 衡量扩频通
41、信系统抗干扰能力的优劣衡量扩频通信系统抗干扰能力的优劣n 定义定义 接收机解扩接收机解扩(跳跳)器器(相关器相关器)的输出信噪比与输入信的输出信噪比与输入信噪比之比。噪比之比。n 物理意义物理意义 表示经过扩频接收机处理后，使信号增强的同时抑制表示经过扩频接收机处理后，使信号增强的同时抑制输入到接收机干扰信号能力的大小。处理增益越大，则系输入到接收机干扰信号能力的大小。处理增益越大，则系统抗干扰能力越强。统抗干扰能力越强。(1)(1)处理增益处理增益G Gp p：信号的空间维数信号的空间维数 是未经扩频处理前信号所是未经扩频处理前信号所占有的频带宽度。占有的频带宽度。经过扩频处理后，信号所占有
42、的频带宽度为经过扩频处理后，信号所占有的频带宽度为 原始信号的空间维数为原始信号的空间维数为N N，经过扩频处理后，信号的空间维数，经过扩频处理后，信号的空间维数为为M M，这个信号空间也正是干扰信号企图占有的空间。，这个信号空间也正是干扰信号企图占有的空间。这样扩频通信系统的处理增益为这样扩频通信系统的处理增益为53n 事实上事实上 若进入接收机解扩器的干扰与噪声的功率谱密度若进入接收机解扩器的干扰与噪声的功率谱密度均匀分布，谱密度为均匀分布，谱密度为N N0 0，则有，则有Nin=N0Bss解扩器输入信噪比解扩器输入信噪比接收机解扩器相关处理接收机解扩器相关处理（1 1）信号无失真通过，功
43、率不变，为）信号无失真通过，功率不变，为P P；（2 2）干扰和噪声只有少部分通过滤波器（带宽）干扰和噪声只有少部分通过滤波器（带宽R Rb b），大），大部分被滤除；部分被滤除；解扩器输出干扰与噪声功率解扩器输出干扰与噪声功率为为解扩器输出信噪比解扩器输出信噪比 说说明明:扩频接收机处理增益与扩频信号带宽扩频接收机处理增益与扩频信号带宽B Bssss（解扩前（解扩前信号带宽）成正比，与信息信号带宽信号带宽）成正比，与信息信号带宽B Bb b（解扩后信号带（解扩后信号带宽）成反比。宽）成反比。扩频处理增益扩频处理增益直接序列系统直接序列系统R Rb b为信息码的码速率为信息码的码速率，R Rc
44、 c为扩频码的码速为扩频码的码速率率。在直接序列系统中，码片速率通常是信息码速率的整在直接序列系统中，码片速率通常是信息码速率的整数倍，即数倍，即 ，N N为扩频码的长度或周期，有为扩频码的长度或周期，有 频率跳变系统N N为频率跳变系统为频率跳变系统可用的载波频率数。可用的载波频率数。条件条件 在频率跳变时不存在各频点间的频谱重叠，即在频率跳变时不存在各频点间的频谱重叠，即且且时间跳变系统 时间跳变系统的处理增益等于一帧中所分的时片数和时间跳变系统的处理增益等于一帧中所分的时片数和发射信号所占用的时片数的比值，或时间跳变系统发射机发射信号所占用的时片数的比值，或时间跳变系统发射机工作时间的占
45、空比的倒数工作时间的占空比的倒数57混合扩频系统 混合扩频系统，其扩频处理增益的计算要从接收机输入混合扩频系统，其扩频处理增益的计算要从接收机输入信号的带宽和输出信号的带宽着手进行。信号的带宽和输出信号的带宽着手进行。如一个如一个DS-FHDS-FH混合扩频系统，信息码的码速率为混合扩频系统，信息码的码速率为R Rb b，进行直接序列扩频时，扩频码的码速率为进行直接序列扩频时，扩频码的码速率为R Rc c，则则DSDS系统的扩频处理增益为系统的扩频处理增益为 58 进行频率跳变扩频时，系统有进行频率跳变扩频时，系统有N N2 2个可用频率数，且各个可用频率数，且各频点间的频谱相互不重叠频点间的
46、频谱相互不重叠(即各频点的频率间隔不小于即各频点的频率间隔不小于2 2R Rc c)，则频率跳变系统的扩频处理增益为则频率跳变系统的扩频处理增益为Gp，FH=N2DS-FHDS-FH混合系统的扩频处理增益为混合系统的扩频处理增益为 干扰容限干扰容限（Jamming Margin），），表示扩频系统在干扰环表示扩频系统在干扰环境中的工作能力，定义为境中的工作能力，定义为 式中，Mj 扩频系统的干扰容限；扩频系统的干扰容限；Gp 扩频系统的处理增益；扩频系统的处理增益；Lsys 扩频系统的执行损耗或实现损耗；扩频系统的执行损耗或实现损耗；相关解扩器输出的信噪比，也即相关解扩器输出的信噪比，也即 系
47、统要求基带滤波器或中频滤波系统要求基带滤波器或中频滤波 器输出的信噪比。器输出的信噪比。591.4.2 扩频系统的干扰容限(1-34)式式(1-34)(1-34)在实际应用中很不方便，工程上更经常用在实际应用中很不方便，工程上更经常用dBdB数来数来表示，将式表示，将式(1-34)(1-34)改写为对数形式改写为对数形式 式中，单位dB；，单位dB；，单位dB；，单位dB。60(1-35)61 干扰容限不仅考虑了一个可用系统对输出信噪比的干扰容限不仅考虑了一个可用系统对输出信噪比的要求，而且顾及了系统内部信噪比损耗要求，而且顾及了系统内部信噪比损耗(包括：射频滤波包括：射频滤波器的损耗，相关处
48、理器的损耗，放大器的信噪比损耗等器的损耗，相关处理器的损耗，放大器的信噪比损耗等)。式式(1-35)(1-35)书写起来比较麻烦，通常将其变量外的方括号书写起来比较麻烦，通常将其变量外的方括号 dBdB省略，如扩频处理增益省略，如扩频处理增益 ，直接写为，直接写为 干扰容限与处理增益是扩频通信系统的两个重要指干扰容限与处理增益是扩频通信系统的两个重要指标，特别是处理增益，在以后本课程的学习中，我们会有标，特别是处理增益，在以后本课程的学习中，我们会有深刻体会的。深刻体会的。(1)(1)抗干扰性能好。抗干扰性能好。扩频通信系统具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准扩频通信系统具有极强的抗人为宽带干扰
49、、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰的能力，有利于电子反对抗，特式干扰、中继转发式干扰的能力，有利于电子反对抗，特别适合军事通信系统中运用。扩频系统对多径干扰不敏感别适合军事通信系统中运用。扩频系统对多径干扰不敏感。(2)(2)选择性寻址能力强，可以用码分多址的方式来组成多址选择性寻址能力强，可以用码分多址的方式来组成多址通信网。通信网。多址通信网内的所有接收机和发射机可以同时使用相多址通信网内的所有接收机和发射机可以同时使用相同的频率工作。对于给定的接收机，当指定了特定的扩频同的频率工作。对于给定的接收机，当指定了特定的扩频码后，该接收机就只能与使用相同扩频码的发射机相联系码后，该接收机就只能与
50、使用相同扩频码的发射机相联系。当网内所有的接收机都指定了不同的扩频码后，网内当网内所有的接收机都指定了不同的扩频码后，网内的任一发射机可通过选择不同的扩频码来与使用相应扩频的任一发射机可通过选择不同的扩频码来与使用相应扩频码的接收机相联系。码的接收机相联系。1.4.3 扩频通信系统的主要特点 62(3)(3)保密性能好，信息隐蔽以防窃取。保密性能好，信息隐蔽以防窃取。扩频信号的频谱结构基本与待传输的信息无关，主要扩频信号的频谱结构基本与待传输的信息无关，主要由扩频码来决定。由扩频码来决定。扩频码通常为威随机码，经过它调制后的数字信息具扩频码通常为威随机码，经过它调制后的数字信息具有类似随机噪声
