擴(kuò)頻技術(shù)及其理論基礎(chǔ)

2.1擴(kuò)頻技術(shù)的理論基礎(chǔ)2.1.1Shannon公式Shannon定理指出:在高斯白噪聲干擾條件下,通信系統(tǒng)的極限傳輸速率(或稱信道容量)為(2-1)式中:B為信號(hào)帶寬;S為信號(hào)平均功率;N為噪聲功率。目前一頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)若白噪聲的功率譜密度為n0,噪聲功率N＝n0B,則信道容量C可表示為(2-2)目前二頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)由上式可以看出,B、n0、S確定后,信道容量C就確定了。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,通過(guò)編碼,信源的信息能以任意小的差錯(cuò)概率通過(guò)信道傳輸。為使信源產(chǎn)生的信息以盡可能高的信息速率通過(guò)信道,提高信道容量是人們所期望的。目前三頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)由Shannon公式可以看出:(1)要增加系統(tǒng)的信息傳輸速率,則要求增加信道容量。(2)信道容量C為常數(shù)時(shí),帶寬B與信噪比S／N可以互換,即可以通過(guò)增加帶寬B來(lái)降低系統(tǒng)對(duì)信噪比S／N的要求;也可以通過(guò)增加信號(hào)功率,降低信號(hào)的帶寬,這就為那些要求小的信號(hào)帶寬的系統(tǒng)或?qū)π盘?hào)功率要求嚴(yán)格的系統(tǒng)找到了一個(gè)減小帶寬或降低功率的有效途徑。(3)當(dāng)B增加到一定程度后,信道容量C不可能無(wú)限地增加。目前四頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)令x=S/n0B,對(duì)式(2-3)有故(2-5)信道容量和帶寬關(guān)系S/n0S/n0BCt1.44(S/n0)目前五頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)由上面的結(jié)論,可以推導(dǎo)出信息速率R達(dá)到極限信息速率,即R＝Rmax＝C,且?guī)払→∞時(shí),信道要求的最小信噪比Eb/n0的值。Eb為碼元能量,可得由此可得信道要求的最小信噪比為(2-6)目前六頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.1.2信號(hào)帶寬與信噪比的互換由Shannon公式可知,在一定的信道容量條件下,可通過(guò)增加信號(hào)帶寬來(lái)減小發(fā)送信號(hào)功率,也可通過(guò)增加發(fā)送信號(hào)功率來(lái)減小信號(hào)帶寬。也就是說(shuō),在信道容量不變的條件下,信號(hào)功率和信號(hào)帶寬可以互換。那么,這兩者相對(duì)變化的速率如何呢？下面的例子會(huì)給出這個(gè)問(wèn)題的結(jié)論。目前七頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)例2-1某一系統(tǒng)的信號(hào)帶寬為8kHz,信噪比為7,求信道容量C。在C不變的情況下,信號(hào)帶寬分別增加一倍和減小一半,求此信號(hào)功率的相對(duì)變化為多少？帶寬減小一半帶寬增加一倍功率減小為原來(lái)的一半功率增加為原來(lái)的4.5倍目前八頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-1信噪比與帶寬互換關(guān)系曲線(a)S/N~B曲線；(b)S/S0~B曲線目前九頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)1.理想帶通系統(tǒng)的B與S／N互換能夠?qū)崿F(xiàn)極限信息速率傳輸且能達(dá)到任意小差錯(cuò)概率的通信系統(tǒng)稱為理想帶通系統(tǒng)。理想帶通系統(tǒng)是一個(gè)編碼系統(tǒng),而編碼系統(tǒng)的帶寬與信噪比的互換要比非編碼系統(tǒng)的優(yōu)越,因?yàn)榫幋a系統(tǒng)的帶寬可以比非編碼系統(tǒng)的帶寬寬得多。圖2-2是理想帶通系統(tǒng)的原理框圖。目前十頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-2理想帶通系統(tǒng)原理框圖目前十一頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)假定輸入信號(hào)速率為fm,經(jīng)過(guò)編碼調(diào)制后的帶寬為B,則到達(dá)解調(diào)器的信息速率為(2-7)式中:Si為解調(diào)器輸入信號(hào)功率;Ni為解調(diào)器輸入噪聲功率。目前十二頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)解調(diào)器把帶寬為B的信號(hào)解調(diào)為速率為f′m=fm的信息,帶寬為BH。解調(diào)器輸出的信息速率為(2-8)式中:So為解調(diào)器輸出信號(hào)的功率;No為解調(diào)器輸出噪聲的功率。目前十三頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)由于解調(diào)前后信息速率不變,則有Ri=Ro,或(2-9)若Si/Ni>>1和So/No>>1,則有(2-10)目前十四頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.非編碼系統(tǒng)一般調(diào)制系統(tǒng)可分為編碼系統(tǒng)和非編碼系統(tǒng)兩大類。所謂非編碼系統(tǒng)是指系統(tǒng)中消息空間的某一個(gè)符號(hào),可以變換為調(diào)制信號(hào)空間的一個(gè)特定的符號(hào)。調(diào)幅系統(tǒng)和調(diào)頻系統(tǒng)均屬于非編碼系統(tǒng)。如在調(diào)幅系統(tǒng)中,原始信號(hào)的每一個(gè)可能的值,都可以變換為已調(diào)信號(hào)的一個(gè)確定的振幅值,已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)與原始信號(hào)成線性關(guān)系。目前十五頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)1)調(diào)幅系統(tǒng)(AM系統(tǒng))AM信號(hào)的表達(dá)式為s(t)=［A+f(t)］cosω0t(2-11)式中:A為信號(hào)振幅;f(t)為調(diào)制信號(hào),|f(t)|≤A。目前十六頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)到達(dá)接收機(jī)解調(diào)器的信號(hào)包括有用信號(hào)s(t)和噪聲n(t)。對(duì)調(diào)幅信號(hào)，一般采用大信號(hào)包絡(luò)檢波的方法，可得包絡(luò)檢波器輸出信噪比So/No的表達(dá)式為由此可見，AM系統(tǒng)的輸出信噪比So/No與輸入信噪比Si/Ni成正比，而與信號(hào)帶寬無(wú)關(guān)。因此，不存在帶寬與信噪比的互換關(guān)系。

目前十七頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2)調(diào)頻系統(tǒng)(FM系統(tǒng))調(diào)頻信號(hào)的表達(dá)式為(2-13)式中:

A為信號(hào)振幅;f(t)為調(diào)制信號(hào)；kf為調(diào)制系數(shù)或調(diào)制靈敏度。式中，mf=Δfm/fm為調(diào)頻指數(shù)；Δfm為調(diào)頻信號(hào)的最大頻偏；fm為調(diào)制信號(hào)f(t)的最高頻率。目前十八頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)

mf=B/BH

若增加B，BH不變，則mf增加，即寬帶調(diào)頻，這樣So/No將隨mf的三次方增加，信噪比將大大改善，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。如當(dāng)mf=3時(shí)，So/No＝108(Si/Ni)，現(xiàn)增加B為原來(lái)的二倍，則mf=6，有So/No＝756(Si/Ni)，So/No迅速提高，當(dāng)然付出的代價(jià)是帶寬增加一倍。目前十九頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.1.3擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型圖2-3為擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。擴(kuò)頻系統(tǒng)可以認(rèn)為是擴(kuò)頻和解擴(kuò)的變換對(duì)。要傳輸?shù)男盘?hào)s(t)經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻變換,將頻帶較窄的信號(hào)s(t)擴(kuò)展到一很寬的頻帶B上去,發(fā)射的信號(hào)為Ss［s(t)］。目前二十頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-3擴(kuò)頻通信系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型目前二十一頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.1.4擴(kuò)頻系統(tǒng)的物理模型圖2-4為擴(kuò)頻系統(tǒng)的物理模型,信源產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)第一次調(diào)制——信息調(diào)制(如信源編碼)成為一數(shù)字信號(hào),再進(jìn)行第二次調(diào)制——擴(kuò)頻調(diào)制,即用一擴(kuò)頻碼將數(shù)字信號(hào)擴(kuò)展到很寬的頻帶上,然后進(jìn)行第三次調(diào)制,把經(jīng)擴(kuò)頻調(diào)制的信號(hào)搬移到射頻上發(fā)送出去。目前二十二頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-4擴(kuò)頻系統(tǒng)物理模型(a)發(fā)射；(b)接收目前二十三頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)24雙極性不歸零矩形信號(hào)功率譜單極性不歸零矩形信號(hào)功率譜雙極性歸零矩形信號(hào)功率譜單極性歸零矩形信號(hào)功率譜τ=Ts/2目前二十四頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.2直接序列擴(kuò)頻2.2.1直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的組成

圖2-5為直擴(kuò)系統(tǒng)的組成原理框圖。由信源輸出的信號(hào)a(t)是碼元持續(xù)時(shí)間為Ta的信息流,偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼為c(t),每一偽隨機(jī)碼碼元寬度或切普(chip)寬度為Tc。目前二十五頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-5直擴(kuò)系統(tǒng)組成框圖(a)發(fā)射;(b)接收目前二十六頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.2.2直擴(kuò)系統(tǒng)的信號(hào)分析信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)a(t)為信息流,碼元速率Ra,碼元寬度Ta,Ta＝1／Ra,則a(t)為式中:an為信息碼,以概率P?。?和以概率1－P?。?,即以概率P以概率1-P

0≤t≤Ta

0其它為門函數(shù)。

目前二十七頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)式中，cn為偽隨機(jī)碼碼元，取值+1或-1；gc(t)為門函數(shù)。擴(kuò)頻過(guò)程實(shí)質(zhì)上是信息流a(t)與偽隨機(jī)序列c(t)的模2加或相乘的過(guò)程。偽隨機(jī)碼速率Rc比信息速率Ra大得多，一般Rc/Ra的比值為整數(shù)，且Rc/Ra>>1，所以擴(kuò)展后的序列的速率仍為偽隨機(jī)碼速率Rc，擴(kuò)展的序列d(t)為目前二十八頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)用擴(kuò)展后的序列去調(diào)制載波，將信號(hào)搬移到載頻上去。用于直擴(kuò)系統(tǒng)的調(diào)制，原則上講，大多數(shù)數(shù)字調(diào)制方式均可，但應(yīng)視具體情況，根據(jù)系統(tǒng)的性能要求來(lái)確定，用得較多的調(diào)制方式有BPSK、MSK、QPSK、TFM等。采用PSK調(diào)制，調(diào)制后得到的信號(hào)s(t)為

式中，ω0為載波頻率。

目前二十九頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)接收端得到包括以下幾部分的信號(hào)：有用信號(hào)sI(t)、信道噪聲nI(t)、干擾信號(hào)JI(t)和其它網(wǎng)的擴(kuò)頻信號(hào)sJ(t)等，即收到的信號(hào)(經(jīng)混頻后)為接收端的偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列與發(fā)送端產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列相同，但起始時(shí)間或初始相位可能不同，為c′(t)。解擴(kuò)的過(guò)程與擴(kuò)頻過(guò)程相同，用本地的偽隨機(jī)序列c′(t)與接收到的信號(hào)相乘，相乘后為目前三十頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)若本地產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列c′(t)與發(fā)端產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列c(t)同步，有c(t)=c′(t)，則c(t)c′(t)=1，這樣，信號(hào)分量sI′

(t)為后面所接濾波器的頻帶正好能讓信號(hào)通過(guò)，因此可以進(jìn)入解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)，將有用信號(hào)解調(diào)出來(lái)。

目前三十一頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)nI(t)分量一般為高斯帶限白噪聲，因而用c′(t)處理后，譜密度基本不變(略有降低)，但相對(duì)帶寬改變，因而噪聲功率降低。目前三十二頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)JI(t)分量是人為干擾引起的。由于與偽隨機(jī)碼不相關(guān)，因此，相乘過(guò)程相當(dāng)于頻譜擴(kuò)展過(guò)程，將干擾信號(hào)功率分散到一個(gè)很寬的頻帶上，譜密度降低，相乘器后接的濾波器的頻帶只能讓有用信號(hào)通過(guò)，這樣，能夠進(jìn)入到解調(diào)器輸入端的干擾功率只能是與信號(hào)頻帶相同的那一部分。解擴(kuò)后干擾功率大大降低，提高了解調(diào)器輸入端的信干比，從而提高了系統(tǒng)抗干擾的能力。目前三十三頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)不同網(wǎng)的信號(hào)sJ(t)，由于不同網(wǎng)所用的擴(kuò)頻序列也不同，這樣對(duì)于不同網(wǎng)的擴(kuò)頻信號(hào)而言，相當(dāng)于再次擴(kuò)展，從而降低了不同網(wǎng)信號(hào)的干擾。目前三十四頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-6擴(kuò)頻系統(tǒng)波形圖目前三十五頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-5直擴(kuò)系統(tǒng)組成框圖(a)發(fā)射;(b)接收目前三十六頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-7擴(kuò)頻系統(tǒng)頻譜示意圖目前三十七頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)直擴(kuò)信號(hào)的功率譜

發(fā)送端發(fā)送的信號(hào)s(t)為

對(duì)s(t)求自相關(guān)函數(shù)，有由于a(t)與c(t)是由兩個(gè)不同的信號(hào)源產(chǎn)生的，因而是相互獨(dú)立的，則有目前三十八頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)式中，Ra(τ)和Rc(τ)分別為a(t)與c(t)的自相關(guān)函數(shù)；c(t)是長(zhǎng)度為N的周期性偽隨機(jī)序列，故其自相關(guān)函數(shù)也是周期為N的周期性函數(shù)，為

其波形如圖所示。對(duì)Rc(τ)進(jìn)行傅里葉變換，得到c(t)的功率譜密度為

目前三十九頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-4Rc(τ)波形圖目前四十頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)由此式可知，偽隨機(jī)序列的功率譜是以ω1=2π/(NTc)為間隔的離散譜，其幅度Sa2(ωTc/2)確定，如圖所示。由傅里葉變換的性質(zhì)可求出擴(kuò)頻信號(hào)s(t)的譜密度為將式代入，并且考慮單邊譜，則

目前四十一頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-5擴(kuò)頻信號(hào)功率譜(a)c(t)的功率譜，(b)s(t)的功率譜如圖所示。由圖可見，N越大，Gc(ω)譜線越密，Tc越小，功率譜的帶寬越寬，譜密度越低，c(t)越接近白噪聲。

目前四十二頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.1.3處理增益與干擾容限

1.處理增益

在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，傳輸信號(hào)在擴(kuò)頻和解擴(kuò)的處理過(guò)程中，擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能得到提高，這種擴(kuò)頻處理得到的好處，就稱之為擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益。其義為接收相關(guān)處理器輸出與輸入信噪比的比值，即輸出信噪比與輸入信噪比的比值，

即一般用分貝表示，為

目前四十三頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)設(shè)一個(gè)干擾信號(hào)與信號(hào)的頻率關(guān)系相同，干擾譜密度為A，功率為PJ，經(jīng)接收機(jī)c(t)擴(kuò)展到f0-fc～f0+fc的頻帶上，帶寬B=2fc，干擾功率譜密度為A′，降低為原來(lái)的1/N，如圖2-6所示。對(duì)于直擴(kuò)系統(tǒng)，解擴(kuò)器的輸出信號(hào)功率不變，但對(duì)于干擾信號(hào)而言，由于解擴(kuò)過(guò)程相當(dāng)于干擾信號(hào)的擴(kuò)展過(guò)程，干擾功率被分散到很寬的頻帶上，進(jìn)入解調(diào)器輸入端的干擾功率相對(duì)解擴(kuò)器輸入端下降很大，即干擾功率在解擴(kuò)前后發(fā)生了變化。因此，對(duì)于直擴(kuò)系統(tǒng)而言，其處理增益就是干擾功率減小的倍數(shù)。

目前四十四頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-6干擾功率譜變化(a)擴(kuò)展前；(b)擴(kuò)展后目前四十五頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)擴(kuò)展前后的干擾功率不變，即有可得

進(jìn)入信號(hào)頻帶(f0-fc~f0+fc)內(nèi)的干擾功率為

則系統(tǒng)的處理增益為

目前四十六頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)一般情況下，發(fā)送信息的帶寬是不變的，要提高擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力，就應(yīng)提高擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益，也就是要提高擴(kuò)頻用的偽隨機(jī)碼的速率。當(dāng)碼速率增加到一定程度后，會(huì)受到許多客觀因素的影響。例如，一直擴(kuò)系統(tǒng)，信息碼元

速率Ra為16kb/s，偽隨機(jī)碼速率Rc為50Mc/s，則帶寬為100MHz，系統(tǒng)的處理增益為如果帶寬加大到200MHz，則偽隨機(jī)碼速率為100Mc/s，此時(shí)的系統(tǒng)處理增益為

目前四十七頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)目前采用的話音調(diào)制多采用16kb/s或32kb/s的增量調(diào)制，如果采用語(yǔ)音壓縮技術(shù)、線性預(yù)測(cè)編碼、矢量量化編碼等技術(shù)，可降低信息速率。如國(guó)外研制出的2.4kb/s的線性預(yù)測(cè)編碼(LPC)器，600b/s的矢量量化編碼器等，都會(huì)使系統(tǒng)的處理增益大大提高。在JTIDS（美國(guó)三軍聯(lián)合信息分發(fā)系統(tǒng)）中，采用線性

預(yù)測(cè)編碼，Ra＝2.4kb/s，有目前四十八頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.干擾容限

所謂干擾容限，是指在保證系統(tǒng)正常工作的條件下，接收機(jī)能夠承受的干擾信號(hào)比有用信號(hào)高出的分貝數(shù)，用MJ表示，有式中，Ls為系統(tǒng)內(nèi)部損耗；(S/N)o為系統(tǒng)正常工作時(shí)要求的最小輸出信噪比，即相關(guān)器的輸出信噪比或解調(diào)器的輸入信噪比；GP為系統(tǒng)的處理增益。干擾容限直接反映了擴(kuò)頻系統(tǒng)接收機(jī)可能抵抗的極限干擾強(qiáng)度，即只有當(dāng)干擾機(jī)的干擾功率超過(guò)干擾容限后，才能對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)形成干擾。因而，干擾容限往往比處理增益能更確切地反映系統(tǒng)的抗干擾能力。

目前四十九頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.2.4軟擴(kuò)頻在一些系統(tǒng)中,如TDMA、CDMA、無(wú)線局域網(wǎng)等,由于數(shù)據(jù)率很高,其速率可達(dá)每秒數(shù)兆比特甚至更高,為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能,應(yīng)采用擴(kuò)頻技術(shù)。若采用一般的擴(kuò)頻技術(shù),其偽隨機(jī)碼速率就很高,射頻帶寬就非常寬,在一些頻帶受限的情況下難以滿足系統(tǒng)的要求,故多采用一種軟擴(kuò)頻技術(shù)。目前五十頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)所謂的軟擴(kuò)頻又稱為緩擴(kuò)頻,即進(jìn)行頻譜的某種緩慢擴(kuò)展變化。與上面講的直擴(kuò)技術(shù)有如下不同之處:一般的直擴(kuò)實(shí)現(xiàn)是將信息碼與偽隨機(jī)碼進(jìn)行模2加來(lái)獲得擴(kuò)展后的序列,并且一般的擴(kuò)頻偽隨機(jī)碼的切普速率Rc遠(yuǎn)大于信息碼元速率Ra,Rc／Ra＝N為整數(shù)。而軟擴(kuò)頻則不然,軟擴(kuò)頻一般采用編碼的方法來(lái)完成頻譜的擴(kuò)展,即用幾位信息碼元對(duì)應(yīng)一條偽隨機(jī)碼,擴(kuò)展的倍數(shù)不大且不一定是整倍數(shù)。圖2-11為軟擴(kuò)頻的實(shí)現(xiàn)框圖。目前五十一頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-11軟擴(kuò)頻實(shí)現(xiàn)框圖目前五十二頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)如美國(guó)的JTIDS為(32，5)，擴(kuò)頻系數(shù)為6.4，它是由一條長(zhǎng)為32chip的偽隨碼去對(duì)應(yīng)位信息碼。一條長(zhǎng)為32chip的偽隨機(jī)碼的32條位移序列，正好對(duì)應(yīng)5位信息碼的32個(gè)狀態(tài)，即偽隨機(jī)碼的32條位移序列與5位信息碼的32個(gè)狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)。由此可見，軟擴(kuò)頻就是實(shí)現(xiàn)(N，k)的編碼，用k位信息碼的狀態(tài)，去確定這k位信息碼的狀態(tài)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)為N的偽隨機(jī)碼，不同的狀態(tài)對(duì)應(yīng)于不同的偽隨機(jī)碼，從而完成擴(kuò)頻。目前五十三頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.2.5直擴(kuò)系統(tǒng)的特點(diǎn)和用途直擴(kuò)系統(tǒng)的特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面:(1)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。(2)具有很強(qiáng)的隱蔽性和抗偵察、抗竊聽、抗測(cè)向的能力。(3)具有選址能力,可實(shí)現(xiàn)碼分多址。(4)抗衰落,特別是抗頻率選擇性能好。(5)抗多徑干擾。(6)可進(jìn)行高分辨率的測(cè)向、定位。目前五十四頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.3跳頻2.3.1跳頻系統(tǒng)的組成跳頻系統(tǒng)的組成如圖2-12所示。用信源產(chǎn)生的信息流a(t)去調(diào)制頻率合成器產(chǎn)生的載頻,得到射頻信號(hào)。頻率合成器產(chǎn)生的載頻受偽隨機(jī)碼的控制,按一定規(guī)律跳變。跳頻系統(tǒng)的解調(diào)多采用非相干解調(diào),因而調(diào)制方式多用

FSK、ASK等可進(jìn)行非相干解調(diào)的調(diào)制方式。目前五十五頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-12跳頻系統(tǒng)組成框圖目前五十六頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.3.2跳頻系統(tǒng)的信號(hào)分析設(shè)信源產(chǎn)生的信號(hào)a(t)為雙極性數(shù)字信號(hào),則(2-46)式中:an為信息碼,取值＋1或－1。0≤t≤Ta

其它(2-47)Ta為信息碼元寬度。目前五十七頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-13跳頻系統(tǒng)頻譜圖(a)頻率合成器頻譜圖;(b)跳頻信號(hào)頻譜圖目前五十八頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-14跳頻圖案目前五十九頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.3.3跳頻系統(tǒng)的特點(diǎn)和用途跳頻系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下:(1)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。(2)易于組網(wǎng),實(shí)現(xiàn)碼分多址,頻譜率利用高。(3)易兼容。(4)解決了“遠(yuǎn)-近”問(wèn)題。(5)采用快跳頻和糾錯(cuò)編碼系統(tǒng)用的偽隨機(jī)碼速率比直擴(kuò)系統(tǒng)的低得多,同步要求比直擴(kuò)系統(tǒng)的低,因而時(shí)間短、入網(wǎng)快。目前六十頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.4跳時(shí)跳時(shí)系統(tǒng)是用偽隨機(jī)碼去控制信號(hào)發(fā)送時(shí)刻及發(fā)送時(shí)間的長(zhǎng)短。它和跳頻的差別在于一個(gè)控制的是頻率,而另一個(gè)控制的是時(shí)間。目前六十一頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-15跳時(shí)系統(tǒng)原理框圖在時(shí)間跳變中,將一個(gè)信號(hào)分為若干個(gè)時(shí)隙,由偽隨機(jī)碼控制在哪個(gè)時(shí)隙發(fā)送信碼。時(shí)隙選擇、持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短也是由偽隨機(jī)碼控制的。因此,信號(hào)是在開通的很短的時(shí)隙中,以較高的峰值功率傳輸?shù)?。目前六十二?yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-16跳時(shí)信號(hào)波形目前六十三頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)跳時(shí)系統(tǒng)的處理增益為(2-59)跳時(shí)系統(tǒng)的處理增益等于一幀中所分的時(shí)隙數(shù)，或等于占空比的倒數(shù)。目前六十四頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.5線

性

調(diào)

頻線性調(diào)頻又稱為

Chirp系統(tǒng),其發(fā)射脈沖信號(hào)的載頻在信息脈沖持續(xù)時(shí)間T內(nèi)作線性變化,其瞬時(shí)頻率隨時(shí)間線性變化,如圖2-17所示。載波頻率在脈沖起始與終了時(shí)刻的頻

差為Δf=|f1-f2|=B(2-60)目前六十五頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-17線性調(diào)頻信號(hào)波形目前六十六頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)線性調(diào)頻信號(hào)的頻率在信息脈沖持續(xù)時(shí)間T內(nèi)隨時(shí)間線性變化ω(t)=ω0+μt(2-61)式中ω0為載波頻率,μ為一常數(shù),所以線性調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)相位ψ(t)和線性調(diào)頻信號(hào)在信息脈沖持續(xù)時(shí)間T內(nèi)的表達(dá)式s(t)分別為(2-62)(2-63)目前六十七頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)線性調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生方法,可由一個(gè)鋸齒波信號(hào)控制壓控振蕩器(VCO)來(lái)實(shí)現(xiàn)。振蕩頻率隨鋸齒波而變化,因此脈沖信號(hào)的載頻從原來(lái)單一頻率展寬為

ΔF＝B,如圖2-18

所示。圖2-18線性調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生方法目前六十八頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-19線性調(diào)頻信號(hào)頻譜目前六十九頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)線性調(diào)頻信號(hào)不需要用偽隨機(jī)碼控制，由于這種線性調(diào)頻信號(hào)占用的頻帶比信息帶寬大得多，體現(xiàn)了頻譜的擴(kuò)展，因而也有處理增益。其處理增益為信號(hào)帶寬與信息信號(hào)帶寬之比，即GP為目前七十頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)線性調(diào)頻技術(shù)主要用于雷達(dá)中,短波通信中也有應(yīng)用。線性調(diào)頻系統(tǒng)的工作原理

如下:發(fā)射端用一鋸齒波信號(hào)控制壓控振蕩器,就可產(chǎn)生隨鋸齒波斜率變化的線性調(diào)頻信號(hào),如圖2-18所示。線性調(diào)頻信號(hào)的接收解調(diào)器由匹配濾波器來(lái)完成。匹配濾波器由色散延遲線(

DDL)構(gòu)成,這種延遲線對(duì)高頻成分延時(shí)長(zhǎng),對(duì)低頻成分延時(shí)短。因此,頻率由高變低的載波信號(hào)通過(guò)匹配濾波器后,各種頻率幾乎同時(shí)到達(dá)輸出端,這些信號(hào)成分疊加在一起,形成對(duì)脈沖時(shí)間的壓縮,使輸出信號(hào)的幅度增加,能量集中,形成一相關(guān)峰,如圖2-20所示,通過(guò)對(duì)相關(guān)峰的檢測(cè),就可把信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。目前七十一頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-20線性調(diào)頻信號(hào)的接收目前七十二頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)由匹配濾波器理論知,匹配濾波器的沖激響應(yīng)h(t)與信號(hào)s(t)之間的關(guān)系為

h(t)=s(T-t)(2-69)

則匹配濾波器的沖激響應(yīng)h(t)為(2-70)目前七十三頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-21Sa(μTt/2)波形目前七十四頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.6混合擴(kuò)頻系統(tǒng)2.6.1FH／DS系統(tǒng)跳頻和直擴(kuò)系統(tǒng)都具有很強(qiáng)的抗干擾能力,是用得最多的兩種擴(kuò)頻技術(shù)。由前面的分析可知,這兩種方式都有自己的獨(dú)到之處,但也存在著各自的不足,將兩者有機(jī)地結(jié)合起來(lái),可以大大改善系統(tǒng)性能,提高抗干擾能力。FH／DS和FH、DS一樣,是用得最多的擴(kuò)頻方式之一，其原理如圖2-22所示。目前七十五頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-22FH／DS信號(hào)頻譜圖目前七十六頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)需要發(fā)送的信號(hào)首先被偽隨機(jī)碼I擴(kuò)頻,然后去調(diào)制由偽隨機(jī)碼Ⅱ控制的頻率合成器產(chǎn)生的跳變頻率,被放大后發(fā)送出去。接收端首先進(jìn)行解跳,得到一固定中頻的直擴(kuò)信號(hào),然后進(jìn)行解擴(kuò),送至解調(diào)器,將傳送的信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。在這里用了兩個(gè)偽隨機(jī)碼,一個(gè)用于直擴(kuò),一個(gè)用于控制頻率合成器。一般用于直擴(kuò)的偽隨機(jī)碼的速率比用于跳頻的偽隨機(jī)碼的速率要高得多。FH／DS信號(hào)頻譜如圖2-23所示。目前七十七頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-23FH/DS信號(hào)頻譜目前七十八頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)采用FH／DS混合擴(kuò)頻技術(shù),有利于提高系統(tǒng)的抗干擾性能。干擾機(jī)要有效地干擾FH／DS混合擴(kuò)頻系統(tǒng),需要同時(shí)滿足兩個(gè)條件:a.干擾頻率要跟上跳變頻率的變化;b.干擾電平必須超過(guò)直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾容限。否則,就不能對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成威脅。這樣,就加大了干擾機(jī)的干擾難度,從而達(dá)到更有效地抗干擾的目的?；旌舷到y(tǒng)的處理增益為直擴(kuò)和跳頻的處理增益的乘積,即(2-77)目前七十九頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)或(2-78)式中:BDS為直擴(kuò)信號(hào)帶寬;BS為信號(hào)帶寬;N為跳頻的可用頻道數(shù)。目前八十頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.6.2TH／DS系統(tǒng)這種系統(tǒng)是時(shí)分復(fù)用加上直接序列擴(kuò)頻,可以增加多址通信的地址數(shù)。由于直擴(kuò)系統(tǒng)中收發(fā)兩端之間已有準(zhǔn)確的時(shí)間同步(碼元同步),即已經(jīng)有很好的定時(shí),足以保證時(shí)分復(fù)用正常工作,這就為增加跳時(shí)技術(shù)帶來(lái)了方便。因此在直擴(kuò)中增加跳時(shí)功能時(shí),只需要加一個(gè)通斷開關(guān)及有關(guān)的控制電路即可,圖2-24給出了這種系統(tǒng)的原理框圖。目前八十一頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-24TH／DS系統(tǒng)原理框圖(a)發(fā)射;(b)接收

目前八十二頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.6.3TH／FH系統(tǒng)這種系統(tǒng)是解決“遠(yuǎn)-近”問(wèn)題的幾種富有生命力的方法之一。對(duì)于在同一條射頻鏈路上距離和發(fā)射功率有很大變化的雙工、無(wú)線電話交換網(wǎng),如果以隨機(jī)選呼離散地址作為基本的通信方式,則比較適合采用TH/FH系統(tǒng)。首先看通信中的“遠(yuǎn)-近”問(wèn)題,如圖2-25所示。有兩對(duì)收發(fā)信機(jī),接收機(jī)1正常接收發(fā)射機(jī)1的信號(hào)。目前八十三頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)圖2-25“遠(yuǎn)-近”效應(yīng)目前八十四頁(yè)\總數(shù)九十五頁(yè)\編于點(diǎn)2.7各種擴(kuò)頻方式的比較2.7.1FH與DS的比較在通信中,用得最多的擴(kuò)頻方式是直擴(kuò)和跳頻,將這兩種系統(tǒng)進(jìn)行較為全面的比較,分別指出優(yōu)劣,不失為一項(xiàng)有益的工作。