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1、序 言一 扩展频谱技术概述概念：所谓扩展频谱技术一般是指用比信号带宽宽得多的频带宽度来传输信息的技术。一种典型的扩展频谱系统如图0-1所示：扩频调制信道载波调制信道编码信源编码信源解扩频符号解调信道译码信源译码信息输 出 图0-1 典型扩展频谱系统框图 它主要由原始信息，信源编译码，信道编译码（差错控制），载波调制与解调，扩频调制与解扩频和信道六大部分组成。信源编码的目的是去掉信息的冗余度，压缩信源的数码率，提高信道的传输效率。差错控制的目的是增加信息在信道传输中的冗余度，使其具有检错或纠错能力，提高信道传输质量。调制部分是为使经信道编码后的符号能在适当的频段传输，如微波频段，短波频段等。扩频
2、调制和解扩是为了某种目的而进行的信号频谱展宽和还原技术。框图中各点信号的时域和频域特性如图0-2所示。与传统通信系统不同的是，在信道中传输的是一个宽带的低谱密度的信号。为什麽要进行扩频？这是因为它具有一些独特的优点。特点： 1) 抗干扰能力强，特别是抗窄带干扰能力。2) 可检性抵，(LPI-Low Probability of Intercept)，不容易被侦破。3) 具有多址能力，易于实现码分多址（CDMA）技术。4) 可抗多径干扰。5) 可抗频率选择性衰落。6) 频谱利用率高，容量大（可有效利用纠错技术、正交波形编码技术、话音激活技术等）。7) 具有测距能力。8) 技术复杂。应用：基于以上
3、这些特点，扩频技术首先应用于军事通信，现在也开始民用和商用。1) 卫星通信（多址，抗干扰，便于保密，降低平均功率谱密度）2) 移动通信（多址，抗干扰，便于保密，抗多径，提高频谱利用率）3) 无线本地环路4) GPS（选址，抗干扰，保密，测距）5) 测试仪，干扰仪测时延，无码测试仪主要缺点：技术复杂，但是随着数字处理技术的发展，集成工艺进步，使扩频系统的实现变的简单，只需对扩展技术有一般的了解就可以从事扩频系统的设计工作。因此，扩频技术在这些年发展非常迅速，由军用到民用，商用，范围很广。理论基础：扩展频谱技术的理论基础是信息论中的香农定理1 其中C-信道容量（比特/秒） N-噪声功率 W-带宽（
4、赫兹） S-信号功率当S/N很小时（0.1）得到：在无差错传输的信息速率C不变时，如N/S很大，则必须使用足够大的带宽W来传输信号。扩展频谱的方式主要有直接序列(DS)，跳频(FH)，跳时(TH)及其的混合。直接序列扩频就是用比信息速率高很多倍的伪随机噪声码(PN)与信号相乘来达到扩展信号的带宽。跳频是使原信号随机的用不同载波传输发送，跳时是使用伪随机码序列来开通或关断发射机，即信号的发射时刻和持续时间是随机的。历史：世界上第一个直接序列扩频系统是在美国的联邦通信实验室(FTL)于1949年由Derosa和Rogoff完成的，成功的工作在New Jersey和California之间的通信线路
5、上。理论研究紧跟其上，1950年Basore首先提出把这种扩频系统称作NOMACS（Noise Modulation And Correlation Detection System）这个名称被使用相当长的时间。1951年后，美国的ASC(Army Signal Corps-陆军通信兵)要求进一步研究NOMACS，想把它应用于高频无线电传通信线路，以对抗敌人的干扰。1952年由Lincoln Laboratory研制出P9D型NOMACS 系统，并进行了试验。以后在1953-1955年Lincoln Lab研制出了F9C型无限电传机系统。很快，美国海军和空军也开始研究他们自己的扩频系统，空军使
6、用名称为“Phatom”（鬼怪，幻影）和 “Hush-Up”（遮掩），海军使用名称为“Blades”（浆叶）。那时设备庞大，是用电子管装的，设备要装几间屋子，使应用受到限制。在晶体管出现后，特别是集成电路出现后，才使扩频系统得到广泛使用。第一本有关扩频系统的专著是R.C.Dixon于1976年出版，是一本IEEE专利，1977年出版。最近的二十几年扩频技术得到越来越广泛的使用。比如美国的全球定位系统(GPS)设备简单，定位精度高，全球使用。通信数据转发卫星系统(TDESS),码分多址(CDMA)卫星通信系统，特别是NASA和军用卫星通信系统几乎都使用扩频技术，码分多址移动通信系统，这些都是DS
7、系统。FH系统如多种跳频电台，如SINCGARS（30-80Mhz）。跳时-跳频混合型如JTIDS系统（Joint Tactical Information Distribution System)。我们正式把扩频技术作为国家主要项目进行研究是在70年代处。以后在卫星通信，数据传输，定位，授时系统中都有使用。今后，在卫星通信，移动通信系统，定位系统等领域将会得到进一步广泛使用。为此，我们开设这门课程，以适应技术发展的需要。二课程内容开这门课程的主要目的是使同学掌握扩频技术的原理和一些专门的知识。考虑到同学关于数字通信方面的知识比较少，在讲扩频技术之前，有必要先讲一下关于数字通信的基础知识。在讲
8、完扩频技术之后（以DS为主）介绍几个具体的应用扩频技术的系统。所以全书包括三大部分：数字通信基础知识，扩频技术，扩频技术的应用。共分十二章讲授。 1 数字通信基础概论，包括四章。第一章：通信系统概述：主要讲通信系统构成，通信系统的噪声和信道。第二章：数字信号的基带传输：主要讲基带数字信号传输的无失真条件和传输的差错率。第三章：信号处理技术：主要讲随机过程通过线性系统，宽带高斯噪声，信号的非线性处理，信号的滤波和数字化。第四章：数字信号的射频传输：主要讲相干解调技术，及抑制载波信号的环路同步技术。2 扩频技术，包括八章。第六章：扩展频谱系统使用的编码：主要讲m序列和复合序列。第七章：扩展频谱系统
9、：简要介绍直扩系统和跳频系统。第八章：DS系统中PIV码的捕获和频率检测：主要介绍方法和性能。第九章：PN码的跟踪：主要介绍各种跟踪方法和性能。第十章：DS信号的解调：主要介绍滤波器的影响及限带，限幅和AGC的影响。第十一章：跳频系统简介。第十二章：扩频技术的应用：主要介绍在卫星通信，移动通信，GPS系统中的应用。三 目的1 使同学熟悉和掌握数字通信系统的基本原理和扩展频谱技术的基础极其应用。2 给出一些很有使用价值的分析结果。四 讲授方法1 重点讲授基本知识，基本系统和一些重要结果。2 结合讲授，自学一些内容，知识的补充，计算推导，知识基础不同，取不同，引用现成结果。3 完成一定的作业。4
10、考试五 参考书目1R.C.Dixon， “Spread Spectrum Systems”，19762G.R.Coooper and L.D.McGillem，“ Modern Communication and Spread Spectrum”， 19863J.K.Holmes，“Coherent Spread Spectrum Systems”，19825 Ziemer，R.E.Z Peterson，“Didital Communication and Spread Spectrum Systems”，Macmillam Publishing Company，New York，19855M
11、.K.Simon，J.K.Omma，R.A.Scholts，and B.K.Leritt，“Spread Spectrum Communication”，Volumn I II III，computer science press，1986 第一部分 数字通信基础概论第一章 数字通信系统的构成1. 1通信系统的构成一般数字通信系统的构成如图1.1所示。它主要由发信端，信道和收信端三部分组成。信源信源编码信道编码调制信道 发信端信息恢 复信源译码信道译码解调 收信端 图1-1 数字通信系统框图发信端通常有信息源，信源编码，信道编码，调制等四个单元组成，收信端由解调，信道译码，信息恢复，信息输出等
12、部分组成。常见的信源有声音，图象，数据等。用适当的传感器，如话筒，摄象机等把原始的声音，图象等信息变成电信号送入信源编码器，信源编码器对输入信号进行A/D变换，压缩编码后形成数据信号，送入信道编码器，在这里可对数字信号进行适当编码（如卷积编码等），增加信号的冗余度，使其具有检错和纠错能力。一般称信道编码后的信号为符号，调制部分是根据信道的特点和要求把信道编码后的符号以适当的方式（相移键控，频移键控等）调制在一定频率的载波上。这里的信道通常是指传输射频信号的多种多样的信道。如微波信道，卫星信道，光纤信道，电台短波信道等。收信端对信号的处理过程与发信端一一对应，但是个反过程，而且前后顺序也相反，先
13、解调，再信道译码，信源译码，最后恢复信息，如声音，图象等。1.2信源和信源编码信源编码的压缩技术对扩频系统是非常重要的。1) 扩频系统带宽宽要求信源速率不能太高。2) 高压缩信源码要求可靠传输 率低。大多数通信系统要传送的原始信号为声音，图象或数字信号（传真，电传，计算机等），这些原始信号是由信源输出的，原始信号所占用的频带称为基带，比如话音信号的基带为300-3400Hz，音响为20-15KHz，电视图象信号为6.5MHz。基带的多少取决于保真度。如zHF (High filelity)10-20Khz。数字信号的基带是信源产生的数据率决定的。如75bit/s，2.4Kbit/s， 9.6K
14、bit/s，6.1 Kbit/s，2.048Mbit/s等。有些通信系统传输的是基带信号，如地区内的电话网，基带数传机等。但基带传输系统一般通信距离较近，远距离通信传送载波调制信号，也称其为射频信号或载波信号。在数字通信系统中传输的必须是数字信号，传真，电传和计算机数据等都是数字信息，可直接在数字信道总传输。把象声音，图象等模拟信息变成数字信号必须先通过抽样，量化。这就是通常所说的A/D变换。比如，话音的带宽为3400Hz，通常采用8KHz 频率抽样，每个样点为8位编码。这样话音信号的数据率为64Kb/s。具体编码方式常用A律或M律。称这样的话音编码方式为PCML(Pulse Code Mod
15、ulation) 。64Kb/s的PCM编码的已作为标准，用在公共通信网中，话音质量可达4.5级。还有常用的话音编码方式是自适应增量调制，即ADM，编码速率可选用32Kb/s，19.2Kb/s，16Kb/s等。根据话音音质中要求而选定，这种编码方式话音质量也不错，而且在误码率相当大的情况下仍可达到相当好的清晰度。84年CCITT建议把ADM 32Kb/s也定为国际标准，话音质量可达4.3级。此外，还有自适应编码（ASBC），自适应差分脉码调制，时域谐波压扩(ADPCM-TDHS)等编码方式，可进一步压缩编码的数据率。8Kb/s的话音编码器的效果很好，估计一两年内将有集成电路投放市场。以上这些编
16、码方式统称为波形编码。另一类编码方式称为参量编码。它是根据话音信号的特征参量进行编码的，通常称这种方式的编码器为声码器（Vocoder），常用的编码速率为4.8Kb/s，2.4Kb/s，1.2Kb/s。具体编码方式有通道声码器(CV)，线性预测声码器(LPC)等，一般来说，声码器的话音质量差些，因为比特率较低，听起来不自然，设备较贵，适合军用。在图象编码方面，由于数字信号处理技术和大规模集成电路技术的发展，数字图象通信正在走向实用。比如，静态图象通信早已应用于可视电话会议（电视会议），原端场景监视和医疗监控等方面。用普通电话线路传一幅图象要十几秒-几十秒。使用的编码技术为高级差值脉冲编码调制(
17、HODPCM)，对于彩色动态图象的压缩编码是一个非常热门的课题。对于图象质量要求不高的情况，主要编码方式有帧间编码技术（IFC），它是清除帧间大量相关的多余信息使比特率得到压缩。这种编码方式适用于会议电话（动作慢，背景静止）。还有一种是动补偿帧见编码技术（MCIFC）,它可以对物体的可动部分进行位移量的预测，因而可用来传输运动较快的画面。采用这种技术可把会议电话图象 的编码压缩到2.048Mb/s。对于高质量的广播电视图象，在帧见，帧内采用自适应预测编码技术，把编码速率压到32Mb/s，图象这里优于一般的调频传输质量。最近传说，一个人把图象数据率压到2.4Kb/s。令人难以相信。信源压缩编码技
18、术，不管在国内还是在国外，都非常受重视，而且不断出现新的令人振奋的成果，并迅速有商用VLSI 片投放市场。其原因是在等通信中最重要的资源一是功率，二是频带宽度。增加有用信号功率可提高信噪比，即提高通信质量。在功率相同的情况下，通信容量只取决于可供使用的频带宽度。如果信源编码很有效，即编码后的数据很低，则传输该信源的信息所占用的带宽就窄，因而使通信变得经济，更加实用。特别是在通信产业非常发达的国家和地区，在有限的频带资源下要想进一步扩大通信容量，一是研究开发新频段，另外就是进行信息的压缩编码研究。1.3 通信系统的噪声噪声一般情况下是通信的大敌，但又逃避不了。凡是对于正确区分各种可能信息的能力起
19、限制作用的信号都可以称作噪声。在信道传输中出现的除了所需要的信号以外的都称为信道噪声。它包括外部噪声和内部噪声两类。对于无线信道，外部噪声是由无线进入系统的，如雷电噪声，伪噪声，工业噪声，其它噪声如雷达，通信机等电磁源干扰。内部噪声是系统内部产生的，如热噪声（由电子器件中自由电子热运动引起）以及散粒噪声，闪烁噪声，非线性处理引入的干扰等，主要是热噪声。噪声的来源和形式是多种多样的，很难使用数学表达式准确的描述它们。但是它们一般是随机的，可用概率特性来描述，即可用概率密度函数(PDF)来描述噪声信号强度的分布特性。根据概率论知识，如知道 p(v)，就可求出随机信号v落在任一区间(v1-v2)内的
20、概率以及它的均值E(v)和均方值。为方便以后把随机变量与其取值用同一符号来表示。对于一个通信系统，如何具体分析噪声（干扰）对系统性能的影响？p(v)只是描述噪声的概率特性，不能给出确切的波形函数，所以从时域分析其影响是困难的。由于无时域的确切波形，也就不存在其付付氏变换。我们一般从噪声的频域特性来进行分析，又由于噪声的特性时间常是无限的，或近似无限，一其能量是无限的，但是其平均功率一般来说都是有限的，即平均功率谱密度是存在的，且又随机过程理论知道，其平均功率谱密度Sn(f)与噪声n(t)的自相关函数Rn ()是一对付氏变换，即-时间平均，如均方连续，则n(t) 可一次实现如果n(t)是各态历经
21、的随机过程，则其中=n(t),n=n(t-), 为联合概率密度下面具体分析几种典型的噪声。1正弦波噪声-随机相位正弦波典型的正弦波噪声是相位在（-，）间均匀分布的随机相位正弦波。-Av1),衰减器件处在室温下，则衰减器的噪声系数和等效噪声温度为：F=L （因为输出信噪比下降了L倍，无源器件输出的热噪声功率为kT0Bn）Te=(L-1)T0 知道衰减系数后，则系统的输出的信噪比就为：例1 计算如图所示系统的噪声系数。G2=90dBF2=12dBG1=10dBF1=6dBL=3dB混频 前置放大 后置放大例2 如图所示高性能卫星接收系统，高增益定向天线的背景噪声的等效温度为，然后经低损耗波导连接到
22、一个低噪声微波？放大器（master），然后接行波管（TWT）、混频和中放（IF）。试计算系统的等效噪声温度。波导L=1.047G3=20dBF3=4dBG2=25dBTe2=6KG4=80dBF4=10dBTe1=15K Ts 低噪放大器 前置放大器 混频、放大解：系统的等效噪声温度Ts=Te+15先把噪声系数变成相应输入端的等效噪声温度： Te=(T0-1)T0 Te3=(2.5-1)290=435 Te4=(10-1)290=2610波导损失系数L=1.047 Te1=(L-1)T0=0.047290=13.6接收机的等效输入噪声温度为：Te=21.4系统的等效噪声温度为：Tsys=15
23、+21.4=36.4K1.4通信信道。 扩频技术在卫星通信和移动通信中的应用主要是在这两种信道：自由空间和多径。 自由空间信道卫星通信 通信信号被发射后，通过各种各样信道，如有线：同轴电缆、光纤；无线：自由空间信道、系统信道我们主要讲无线信道：自由空间信道、多径信道，它们是以射频频率的电磁波在空间传播。假定信号发射源是一个点，定向天线功率，传播空间是自由空间，则与点a距离R的任一点上的功率密度为： a 辐射源如发射天线在某方向的增益为，则在该方向的功率密度增加倍，距离为R的点上为：如果接收天线的有效面积为（垂直电磁波传播方向），则它的接收功率为根据电磁场理论，接收天线的增益与有效面积和工作的电
24、磁波长有关，其中公式称为自由空间传播损耗，只与、R有关。电磁波在空间传播时，空间不是理想的，有大气，假定由大气带来的损耗为，则接收天线接收功率为：收发天线之间总损耗系数为：卫星通信为典型的例子，基本上可认为是自由空间，但有时要考虑对流层吸收的影响，如氧气和水蒸气对20GHz附近的频率有0.20.8dB的衰减（垂直通路时）。云雾衰减，在4000MHz时为1dB；降雨：暴雨开始时为56dB。大气层对电磁波折射也引起衰减。电离层的影响：电波通过电离层的衰减随入射角改变。垂直入射时为50/f(MHz)dB。电波沿地表面传播：广播、移动通信等电离层（ionosphere）当发射和接收天线离地表面很近时，
25、信号由发射天线辐射到接收天线可能多条路径，如图：Troposheric scatter对流层散射空间波（sky wave）ReflectionDirectGround waveGround reflected大致有六种不同类型的路径。具体特性与频率关系很大。20100KHz 特性：地波衰减小，反射的空间波衰减小。远距离时，地波被吸收，只 有空间反射，没有衰落。 用途：导航，时间信号，远距离军用通信。100500KHz 特性：类似超导波信号，地波衰减快，白天长距离通信不可能。 用途：导航，信标。5002000KHz 特性：在距离内，白天和夜间地波都很强，来自E层的空间波夜里很强。 距离远时，信号
26、也强。中间距离在夜间严重衰落（因为空间波与 地波间干扰）。很远的距离也有衰落，因为有多个空波。 用途：广播。230MHz 特性：无地波，只有直接波或空间波。可能发生跳动，在中距离无信号。 用途：短波广播、移动通信、业余波段（Amature，CB(Citizens Band)）、 海上通信等。30MHz 特性：视星通信，对流层散射通信。 用途：TV、FM、Satellite Mobile。30300MHz VHF3001000MHz UHF225390M P350530M J3901550M L15505200 S39006200 C520010900 X10.936G K10.3517.25
27、K3646G Q4656G V56100G W地面反射波对直接波的影响：r2r1hrhtd 如图所示，直接信号和地面反射信号到达接收天线的路径分别为r、r，高度h、h，二者距离d，地面反射波面的入射切角。接收信号为：Er=E11+E22反射系数，取决于表面特性、入射切角、射频频率、极化方向（水平或垂直）。但是，对通信用的通常感兴趣的频率范围内，典型的地表面，反射强度如图所示： | | 0 1 180o 1 -90o -180o水平极化 90o 90o 垂直极化90o 90o 如果入射切角很小，不管水平还是垂直极化。|=1，L=180,则直射与反射波的路径差为： 有人测得移动通信合理覆盖区内典型
28、路径，时延差为0.112s。路径相差反射信号与直射信号幅度相等E=E=E，则接收信号幅度为： Er变化范围02E,取决于。若dht ,hr （如微波接力线路）则：hthr0; P(r) rr0 ,（）; 其中,（方差或均方差）。由各态历经性知，振幅R不仅在时域为随机变量，而且，如距发射天线的距离相等，即使在同一时间测，它也是随机变量（随移动路径），这是因为地形地场在不断变化。由于接收信号幅度大小随机变化，就不能保证任何时候都能是接收机进行可靠接收。为提高通信可靠性。由接收机最低可用灵敏度折算过来的场强要大，即提高灵敏度。另一是提高电场强度的平均值。二者之间的差值定义为衰落裕量。衰落裕量决定了通
29、信可靠度。反过来，由通信的可靠度可对衰落裕量提出要求。如要求可通率为90%，则相应要求衰落裕量为8.2dB。（？）利用瑞利分布计算。 90%接收机灵敏度 均值接收信号的慢衰落在移动通信中，由实测发现，在信号电平发生快速变化的时候，电平的平均值随时间、地点以及移动速度作较缓慢的变化（以秒计），称此种衰落为慢衰落。这是由于在运动时，电波传播的途径发生变化或气候条件等变化引起。经验表明，这种衰落服从对数正态分布，即以分贝表示的信号服从正态分布。此外，电平的均值与到基站距离的4次方成反比（在城市测得）。以上讲的快慢衰落之产生原因与固定移动通信（如微波接力）中的快慢衰落产生原因不同，我们讲的是移动台，与运动有关。信号强度 基站 Mobile Path 慢衰落（粗线） 快衰落 Radio Path 移动台路径 x0记为，Ln(,2),PLn= 0 x0电平平均值 -0。 PLn(x) =0.1 均值= =0.3 方差= =0.5 x天线天线的种类天线的主要性能指标：.输入、输出阻抗 .有效长度（线天线）Le或有效面积（面天线）Ae= .方向性函数D=；：辐射功率为Pi的天线在（，）方向辐射功率密度；：辐射功率为Pi的天线均匀辐射时的功率密度。 .天线增益：G=D，：天线效率；D：方向性表示。 面天线： .极化方式：a).圆：左旋、右旋。 b).线：垂直、水平。 c).椭圆。19
