擴頻通信的基本基本知識

1、擴頻通信的理論基礎(chǔ)1.1 擴頻通信的基本概念通信理論和通信技術(shù)的研究，是圍繞著通信系統(tǒng)的有效性和可靠性這兩個基 本問題展開的，所以有效性和可靠性是設(shè)計和評價一個通信系統(tǒng)的主要性能指 標。通信系統(tǒng)的有效性，是指通信系統(tǒng)傳輸信息效率的高低。這個問題是討論怎 樣以最合理、最經(jīng)濟的方法傳輸最大數(shù)量的信息。在模擬通信系統(tǒng)中， 多路復用 技術(shù)可提高系統(tǒng)的有效性。顯然，信道復用程度越高，系統(tǒng)傳輸信息的有效性就 越好。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，因此傳輸?shù)挠行允怯脗鬏?速率來衡量的。通信系統(tǒng)的可靠性， 是指通信系統(tǒng)可靠地傳輸信息。 由于信息在傳輸過程中 受到干擾，收到的信息與發(fā)出的信息并不完全相

2、同。 可靠性就是用來衡量收到信 息與發(fā)出信息的符合程度。因此，可靠性決定于系統(tǒng)抵抗干擾的性能，也就是說, 通信系統(tǒng)的可靠性決定于通信系統(tǒng)的抗干擾性能。在模擬通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)目?靠性是用整個系統(tǒng)的輸出信噪比來衡量的。 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)目煽啃允?用信息傳輸?shù)牟铄e率來描述的。擴展頻譜通信由于具有很強的抗干擾能力， 首先在軍用通信系統(tǒng)中得到了應(yīng) 用。近年來，擴展頻譜通信技術(shù)的理論和應(yīng)用發(fā)展非常迅速， 在民用通信系統(tǒng)中 也得到了廣泛的應(yīng)用。擴頻通信是擴展頻譜通信的簡稱。我們知道，頻譜是電信號的頻域描述。承 載各種信息(如語音、圖象、數(shù)據(jù)等)的信號一般都是以時域來表示的，即信息 信號可表示為一個

3、時間的函數(shù) f(t)。信號的時域表示式 f(t)可以用傅立葉變換得 到其頻域表示式 F(f)。頻域和時域的關(guān)系由式(1-1)確定：F(f) f(t)ej2ntdtf (t)F(f)ej2ntdf函數(shù) f(t)的傅立葉變換存在的充分條件是f(t)滿足狄里赫萊(Dirichlet)條件，或在區(qū)間(-%,+%)內(nèi)絕對可積，即| f(t)dt 必須為有限值。擴展頻譜通信系統(tǒng)是指待傳輸信息信號的頻譜用某個特定的擴頻函數(shù)(與待傳輸?shù)男畔⑿盘?f(t)無關(guān))擴展后成為寬頻帶信號，然后送入信道中傳輸；在接 收端再利用相應(yīng)的技術(shù)或手段將其擴展了的頻譜壓縮， 恢復為原來待傳輸信息信 號的帶寬，從而到達傳輸信息目的

4、的通信系統(tǒng)。 也就是說在傳輸同樣信息信號時 所需要的射頻帶寬，遠遠超過被傳輸信息信號所必需的最小的帶寬。擴展頻譜后 射頻信號的帶寬至少是信息信號帶寬的幾百倍、幾千倍甚至幾萬倍。信息已不再 是決定射頻信號帶寬的一個重要因素，射頻信號(1-1)的帶寬主要由擴頻函數(shù)來決定。由此可見，擴頻通信系統(tǒng)有以下兩個特點：(1)傳輸信號的帶寬遠遠大于被傳輸?shù)脑夹畔⑿盘柕膸挘?2)傳輸信號的帶寬主要由擴頻函數(shù)決定，此擴頻函數(shù)通常是偽隨機(偽噪 聲)編碼信號。以上兩個特點有時也稱為判斷擴頻通信系統(tǒng)的準則。擴頻通信系統(tǒng)最大的特點是其具有很強的抗人為干擾、抗窄帶干擾、抗多徑干擾的能力。這里我們先定性地說明一下擴頻通

5、信系統(tǒng)具有抗干擾能力的理論依 據(jù)。擴頻通信的基本理論根據(jù)是信息理論中香農(nóng)(CEShannon)的信道容量公式C Blog21(1-2)N式中：C信道容量，b/s;B信道帶寬，Hz;S信號功率，W;N- 噪聲功率，W。香農(nóng)公式表明了一個信道無差錯地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。令C是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，對(1-2)式進行變換C1.44ln 1 (1-3)BN對于干擾環(huán)境中的典型情況，當N1時，用冪級數(shù)展開(1-3)式,并略去高次項得CS1.44(1-4)BN或B 0.7CN(1-5)S由式(1-4)和(1-5)可看出，對于任意給定的

6、噪聲信號功率比N/S，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地傳輸信息的速率C?；蛘?說在信道中當傳輸系統(tǒng)的信號噪聲功率比S/N下降時，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?；蛘哒f對于任意給定的信號噪聲功率比S/N，可以用增大系統(tǒng)的傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯率。若N/S 100(20dB)，C 3kb/s，則當B 0.7 100 3 210kHz時，就可 以正常的傳送信息，進行可靠的通信了。這就說明了增加信道帶寬B,可以在低的信噪比的情況下，信道仍可在相同 的容量下傳送信息。甚至在信號被噪聲淹沒的情況下，只要相應(yīng)的增加信號帶寬 也能保持可靠的通信。如系統(tǒng)工作

7、在干擾噪聲比信號大100倍的信道上，信息速率R=c=3kb/s，則信息必須在B 210kHz帶寬下傳輸，才能保證可靠的通 信。擴頻通信系統(tǒng)正是利用這一原理，用高速率的擴頻碼來擴展待傳輸信息信號 帶寬的手段，來達到提高系統(tǒng)抗干擾能力的目的。 擴頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)通 信系統(tǒng)的帶寬大幾百倍乃至幾萬倍，所以在相同信息傳輸速率和相同信號功率的 條件下，具有較強的抗干擾的能力。香農(nóng)在其文章中指出，在高斯噪聲的干擾情況下，在受限平均功率的信道上， 實現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號是具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號。 這是因為高斯白噪聲信號具有理想的自相關(guān)特性，其功率譜密度函數(shù)為S(f)N。2-oof Tb，這樣的頻

8、率跳變系統(tǒng)稱為頻率慢跳變系統(tǒng)?，F(xiàn)舉 例說明頻率慢跳變系統(tǒng)的工作過程，參見圖1-7o圖 1-7頻率慢圖 1-8 頻率快跳變系統(tǒng)頻率跳變示意圖圖1-7中，Bb2/Tb, Tc3Tb, BRF8Bb。數(shù)據(jù)調(diào)制器根據(jù)二進制數(shù)據(jù) 信號選擇兩個頻率中的一個，即每隔 Tb秒數(shù)據(jù)調(diào)制器從兩個頻率中選擇一個。頻率合成器有8個頻率fl，f6，f7，f3，f8，f2，f4，彳5可供跳變，每傳送3個比特后跳變到一個新的頻率。該頻率跳變信號在收信機中同本地參考振蕩信號 進行下變頻，參考本振頻率的集合為flflF，f6flF， f7flF，f3flF，f8flF，f2flF，f4flF，f5G，下變頻后的中頻信號集中在頻

9、率為 S、 寬度為 Bb的頻帶中。在頻率慢跳變系統(tǒng)中，頻率的跳變速度比數(shù)據(jù)調(diào)制器輸出符號的變化速度 慢。若在每個數(shù)據(jù)符號中，射頻輸出信號的頻率跳變多次，這樣的頻率跳變系統(tǒng) 就叫做頻率快跳變系統(tǒng)。圖1-8給出了頻率快跳變系統(tǒng)輸出射頻信號的頻率。在圖1-8中，TcTb/3，頻率合成器有16個頻率f5，fn，f7，fl4，fl2， f8，f1， f2，f4，f9， f3， f6， f13， f10， f6， f15，Bb2/Tb，BRF16Bb。123 跳時擴頻通信系統(tǒng)時間跳變也是一種擴展頻譜技術(shù)，跳時擴頻通信系統(tǒng)(Time HoppingSpread Spectrum Communication

10、Systems,TH-SS)是時間跳變擴展頻譜 通信系統(tǒng)的簡稱，主要用于時分多址(TDMA)通信中。與跳頻系統(tǒng)相似，跳時是 使發(fā)射信號在時間軸上離散地跳變。我們先把時間軸分成許多時隙，這些時隙在 跳時擴頻通信中通常稱為時片，若干時片組成一跳時時間幀。在一幀內(nèi)哪個時隙 發(fā)射信號由擴頻碼序列去進行控制。因此，可以把跳時理解為：用一偽隨機碼序 列進行選擇的多時隙的時移鍵控。由于采用了窄得很多的時隙去發(fā)送信號，相對說來，信號的頻譜也就展寬了。圖1-9是跳時系統(tǒng)的原理方框圖。(a)(b)圖 1-9 時間跳變擴頻通信系統(tǒng)簡化方框圖(a)發(fā)射系統(tǒng)；(b)接收系統(tǒng)在發(fā)送端，輸入的數(shù)據(jù)先存儲起來，由擴頻碼發(fā)生器

11、產(chǎn)生的擴頻碼序列去控 制通-斷開關(guān)，經(jīng)二相或四相調(diào)制后再經(jīng)射頻調(diào)制后發(fā)射。在接收端，當接收機 的偽碼發(fā)生器與發(fā)端同步時，所需信號就能每次按時通過開關(guān)進入解調(diào)器。解調(diào) 后的數(shù)據(jù)也經(jīng)過一緩沖存儲器，以便恢復原來的傳輸速率，不間斷地傳輸數(shù)據(jù)， 提供給用戶均勻的數(shù)據(jù)流。只要收發(fā)兩端在時間上嚴格同步進行，就能正確地恢 復原始數(shù)據(jù)。跳時擴頻系統(tǒng)也可以看成是一種時分系統(tǒng)， 所不同的地方在于它不是在一幀 中固定分配一定位置的時隙，而是由擴頻碼序列控制的按一定規(guī)律跳變位置的時 隙。跳時系統(tǒng)能夠用時間的合理分配來避開附近發(fā)射機的強干擾，是一種理想的多址技術(shù)。 但當同一信道中有許多跳時信號工作時，某一時隙內(nèi)可能有幾

12、個信號 相互重疊，因此，跳時系統(tǒng)也和跳頻系統(tǒng)一樣，必須采用糾錯編碼，或采用協(xié)調(diào) 方式構(gòu)成時分多址。由于簡單的跳時擴頻系統(tǒng)抗干擾性不強，很少單獨使用。跳時擴頻系統(tǒng)通常都與其他方式的擴頻系統(tǒng)結(jié)合使用，組成各種混合方式。從抑制干擾的角度來看，跳時系統(tǒng)得益甚少，其優(yōu)點在于減少了工作時間的 占空比。一個干擾發(fā)射機為取得干擾效果就必須連續(xù)地發(fā)射， 因為干擾機不易偵 破跳時系統(tǒng)所使用的偽碼參數(shù)。跳時系統(tǒng)的主要缺點是對定時要求太嚴。124 線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)(Chirp)是指系統(tǒng)的載頻在一給定的脈沖時間間隔內(nèi)線 性地掃過一個寬帶范圍，形成一帶寬較寬的掃頻信號，或者說載頻在一給定的時 間間隔內(nèi)線性

13、增大或減小，使得發(fā)射信號的頻譜占據(jù)一個寬的范圍。在語音頻段, 線性調(diào)頻聽起來類似于鳥的“啾啾”叫聲，所以線性脈沖調(diào)頻也稱為鳥聲調(diào)制。線性脈沖調(diào)頻是一種不需要用偽隨機碼序列調(diào)制的擴頻調(diào)制技術(shù)，由于線性脈沖調(diào)頻信號占用的頻帶寬度遠遠大于信息帶寬，從而也可獲得較好的抗干擾性能。線性脈沖調(diào)頻，是作為雷達測距的一種工作方式使用的，其基本原理如圖1-10所示。線性脈沖調(diào)頻信號的產(chǎn)生， 可由一個鋸齒波信號調(diào)制壓控振蕩器(VCO)來實現(xiàn)， 如圖1-10(a)所示。發(fā)射波是一個頻偏為F的寬帶調(diào)頻波，通常是線性調(diào)頻。線性調(diào)頻信號的 特點是，發(fā)射脈沖信號的瞬時頻率在信息脈沖持續(xù)周期Tb內(nèi)隨時間作線性變化，在脈沖起始

14、和終止時刻的頻差Ff fd Be(1-12)式中：f1脈沖起始時刻的頻率，Hz；f2脈沖終止時刻的頻率，Hz；F-瞬時頻率變化范圍，Hz；Be線性調(diào)制后的帶寬，Hz。Tb壓控振蕩器(b)圖 1-10 線性脈沖調(diào)頻原理圖(a)發(fā)射端；(b)接收端在脈沖持續(xù)時間Tb內(nèi)，信號的瞬時頻率為ffo tTb線性脈沖調(diào)頻波的時域表達式為nF2s(t) Acos 2nttTb線性脈沖調(diào)頻信號的接收解調(diào)可用匹配濾波器來實現(xiàn)，參見圖 是由色散延遲線構(gòu)成的。這種延遲線對信號的高頻成分延遲時間長， 延遲時間短，于是頻率由高到低的載頻信號通過匹配濾波器后， 同時輸出。這些信號成分疊加在一起， 形成了脈沖時間的壓縮，增加

15、，能量集中，將有用信號檢出。而與濾波器不匹配的信號在時間上沒有壓縮， 甚至反被擴展。這就完成了和直接序列擴頻及跳頻擴頻系統(tǒng)類似的過程， 從而獲得輸出信噪比改善的好處。色散延遲線或調(diào)頻脈沖匹配濾波器壓縮掃頻信號，為D= FTb=Tb/。線性脈沖調(diào)頻擴頻技術(shù)和通信的關(guān)系不大，本書不作討論。1.2.5 混合擴展頻譜通信系統(tǒng)以上幾種基本的擴展頻譜通信系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，單獨使用其中一種系統(tǒng)時有 時難以滿足要求，將以上幾種擴頻方法結(jié)合起來就構(gòu)成了混合擴頻通信系統(tǒng)。常見的有頻率跳變-直接序列混合系統(tǒng)(FH/DS)，直接序列-時間跳變混合系統(tǒng)(DS/TH)，頻率跳變-時間跳變混合系統(tǒng)(HF/TH)等。它們比單一

16、的直接序列、跳 頻、跳時體制有更優(yōu)良的性能。(1)頻率跳變-直接序列混合系統(tǒng)頻率跳變-直接序列混合系統(tǒng)可看作是一個載波頻率作周期性跳變的直接序 列擴頻系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成方框圖見圖1-11。(1-13)小)(1-14)1-10(b)。它對低頻成分 各頻率成分幾乎 使輸出信號幅度通常(a)(b)圖 1-11 頻率跳變-直接序列混合擴頻系統(tǒng)方框圖(a)發(fā)射系統(tǒng)；(b)接收系統(tǒng)采用這種混合方式能夠大大提高擴頻系統(tǒng)的性能，并且有通信隱蔽性好、抗 干擾能力強、頻率跳變系統(tǒng)的載波頻率難于捕捉，便于適應(yīng)于多址通信或離散尋 址和多路復用等特點，尤其在要求擴頻碼速率過高或跳頻數(shù)目過多時，采用這種混合系統(tǒng)特別有利。(

17、2)時間跳變-頻率跳變混合系統(tǒng)時間跳變-頻率跳變混合系統(tǒng)特別適用于大量電臺同時工作，其距離或發(fā) 射功率在很大范圍內(nèi)變化，需要解決通信中遠近效應(yīng)問題的場合。遠近效應(yīng)是指在同一工作區(qū)域內(nèi)，同一系統(tǒng)中由于接收機對于不同發(fā)射機， 電波傳播的距離有遠近之分，形成電波傳播路徑的衰減不同，近距離發(fā)射機發(fā)送 來的信號場強要遠大于遠距離發(fā)射機發(fā)送來的信號場強。在接收機中強信號將對弱信號產(chǎn)生抑制作用，造成接收機不能很好地接收遠距離發(fā)射機發(fā)送來的信號。這種系統(tǒng)希望利用簡單的編碼作地址碼，主要用于多址和尋址，而擴展頻譜不是主要目的。(3)時間跳變-直接序列混合系統(tǒng)當直接序列系統(tǒng)中使用不同擴頻碼序列的數(shù)目不能滿足多址或

18、復用要求時，增加時分復用(TDM)是一種有效的解決辦法。這既可以增加地址數(shù)，又可改善鄰 臺干擾，組成所謂的時間跳變-直接序列混合擴頻系統(tǒng)。時間跳變-直接序列混合 擴頻系統(tǒng)方框圖見圖1-12。圖 1-12 時間跳變-直接序列混合擴頻系統(tǒng)方框圖(a)發(fā)射系統(tǒng)；(b)接收系統(tǒng)從上面的介紹中，我們可以看出，除在通信中很少使用的線性脈沖調(diào)頻方式 外，其余幾種擴頻方式可以任意組合來組成混合擴頻通信系統(tǒng)。從理論角度講， 這是毫無疑義的，但在工程實現(xiàn)上還是存在某些需要解決的問題，如在頻率跳變-直接序列混合擴頻系統(tǒng)中，由于直接序列系統(tǒng)中擴頻碼的同步捕獲時間不可能 太短，這就限制了頻率跳變系統(tǒng)的頻率跳變速率，而在頻率跳變系統(tǒng)中很難保證 跳變載波相位的連續(xù)性，這進一步增加了直接序列系統(tǒng)擴頻碼序列的同步捕獲時 間。又比如由時間跳變系統(tǒng)組成的混合擴頻系統(tǒng)的高頻開關(guān)問題，在圖1-9中我們并沒有畫出