扩频通信的基本原理.docx

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1、扩频通信的理论基础1.1扩频通信的基本概念通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基 本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指 标。通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。这个问题是讨论怎 样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。在模拟通信系统中，多路复用 技术可提高系统的有效性。显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就 越好。在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输 速率来衡量的。通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。由于信息在传输过程中 受到干扰，收到的信息与发出的信息并不完全相同。可靠

2、性就是用来衡量收到信 息与发出信息的符合程度。因此，可靠性决定于系统抵抗干扰的性能，也就是说， 通信系统的可靠性决定于通信系统的抗干扰性能。在模拟通信系统中，传输的可 靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。在数字通信系统中，传输的可靠性是 用信息传输的差错率来描述的。扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了应 用。近年来，扩展频谱通信技术的理论和应用发展非常迅速，在民用通信系统中 也得到了广泛的应用。扩频通信是扩展频谱通信的简称。我们知道，频谱是电信号的频域描述。承 载各种信息(如语音、图象、数据等)的信号一般都是以时域来表示的，即信息 信号可表示为一个时间的函数f (

3、t)。信号的时域表示式f (t)可以用傅立叶变换得 到其频域表示式F(f)。频域和时域的关系由式(1-1)确定：F(f) = f (t)e-jWdt3f (t) = M F(f )ej2nftdf(1-1)3函数f (t)的傅立叶变换存在的充分条件是f (t)满足狄里赫莱(Dirichlet)条 件，或在区间(-8, +8)内绝对可积，即j3 |f (t)dt必须为有限值。3扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数(与待 传输的信息信号f(t)无关)扩展后成为宽频带信号，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其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信 号的带

4、宽，从而到达传输信息目的的通信系统。也就是说在传输同样信息信号时 所需要的射频带宽，远远超过被传输信息信号所必需的最小的带宽。扩展频谱后 射频信号的带宽至少是信息信号带宽的几百倍、几千倍甚至几万倍。信息已不再 是决定射频信号带宽的一个重要因素，射频信号的带宽主要由扩频函数来决定。由此可见，扩频通信系统有以下两个特点：(1) 传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽；(2) 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。以上两个特点有时也称为判断扩频通信系统的准则。扩频通信系统最大的特点是其具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径 干扰的能力。这里我们先定

5、性地说明一下扩频通信系统具有抗干扰能力的理论依 据。扩频通信的基本理论根据是信息理论中香农(C - E - Shannon)的信道容量公 式(1-2)式中：C信道容量，b/s；B信道带宽，Hz；S信号功率，W；N噪声功率，W。香农公式表明了一个信道无差错地传输信息的能力同存在于信道中的信噪 比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。令C是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，对(1-2)式进行变换C(S、一=1.44ln 1 + (1-3)BI N).一 . 一一.对于干扰环境中的典型情况，当N 1时，用幕级数展开(1-3)式，并略去高次项得C=1.44 兰(1-4)BN或B = 0.7C(1-

6、5)S由式(1-4)和(1-5河看出，对于任意给定的噪声信号功率比N/S，只要增加 用于传输信息的带宽B，就可以增加在信道中无差错地传输信息的速率C。或者 说在信道中当传输系统的信号噪声功率比S/N下降时，可以用增加系统传输带 宽B的办法来保持信道容量C不变。或者说对于任意给定的信号噪声功率比 S / N，可以用增大系统的传输带宽来获得较低的信息差错率。若 N / S = 100(20dB)，C = 3kb/s，贝V当 B = 0.7 x 100 x 3 = 210kHz 时，就可以 正常的传送信息，进行可靠的通信了。这就说明了增加信道带宽B，可以在低的信噪比的情况下，信道仍可在相同 的容量下

7、传送信息。甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号带宽 也能保持可靠的通信。如系统工作在干扰噪声比信号大100倍的信道上，信息速 率R=C=3kb/s，则信息必须在B = 210kHz带宽下传输，才能保证可靠的通信。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，来达到提高系统抗干扰能力的目的。扩频通信系统的带宽比常规通 信系统的带宽大几百倍乃至几万倍，所以在相同信息传输速率和相同信号功率的 条件下，具有较强的抗干扰的能力。香农在其文章中指出，在高斯噪声的干扰情况下，在受限平均功率的信道上， 实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。这是因

8、为高斯白 噪声信号具有理想的自相关特性，其功率谱密度函数为对应的自相关函数为其中:-8 f T，这样的频率跳变系统称为频率慢跳变系统。现举 例说明频率慢跳变系统的工作过程，参见图1-7。图1-7频率慢跳变系统频率跳变示意图图1-8频率快跳变系统频率跳变示意图图1-7中，B = 2/T , T = 3T , B = 8B。数据调制器根据二进制数据信 bb c b RFb号选择两个频率中的一个，即每隔T秒数据调制器从两个频率中选择一个。频率 b合成器有8个频率 f，f， f， f， f， f， f， f 可供跳变，每传送316738245个比特后跳变到一个新的频率。该频率跳变信号在收信机中同本地参

9、考振荡信号 进行下变频，参考本振频率的集合为f+f，f + f，f + f，f+f，1 IF 6 IF 7 IF 3 IFf+f，f + f，f+f，f+f ，下变频后的中频信号集中在频率为f、8 IF 2 IF 4 IF 5 IFIF宽度为Bb的频带中。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，射频输出信号的频率跳变多次，这样的频率跳变系统 就叫做频率快跳变系统。图1-8给出了频率快跳变系统输出射频信号的频率。在图1-8中，T = T /3,频率合成器有16个频率f，f，f，f，f， c b51171412f，f，f，f，f，f，f， f，f，

10、f，f ，B = 2/T，B = 16B。812493613101615 bb RFb1.2.3跳时扩频通信系统时间跳变也是一种扩展频谱技术，跳时扩频通信系统(Time Hopping Spread Spectrum Communication Systems，TH-SS)是时间跳变扩展频谱通信系统的简称， 主要用于时分多址(TDMA)通信中。与跳频系统相似，跳时是使发射信号在时间 轴上离散地跳变。我们先把时间轴分成许多时隙，这些时隙在跳时扩频通信中通 常称为时片，若干时片组成一跳时时间帧。在一帧内哪个时隙发射信号由扩频码 序列去进行控制。因此，可以把跳时理解为：用一伪随机码序列进行选择的多时

11、 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。图l-9是跳时系统的原理方框图。数据T存储器伪码 发生器(a)(b)图1-9时间跳变扩频通信系统简化方框图(a)发射系统；(b)接收系统在发送端，输入的数据先存储起来，由扩频码发生器产生的扩频码序列去控 制通-断开关，经二相或四相调制后再经射频调制后发射。在接收端，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开关进入解调器。解调 后的数据也经过一缓冲存储器，以便恢复原来的传输速率，不间断地传输数据， 提供给用户均匀的数据流。只要收发两端在时间上严格同步进行，就能正确地恢 复原始数据。跳时扩频系

12、统也可以看成是一种时分系统，所不同的地方在于它不是在一帧 中固定分配一定位置的时隙，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的时 隙。跳时系统能够用时间的合理分配来避开附近发射机的强干扰，是一种理想的 多址技术。但当同一信道中有许多跳时信号工作时，某一时隙内可能有几个信号相互重叠，因此，跳时系统也和跳频系统一样，必须采用纠错编码，或采用协调 方式构成时分多址。由于简单的跳时扩频系统抗干扰性不强，很少单独使用。跳 时扩频系统通常都与其他方式的扩频系统结合使用，组成各种混合方式。从抑制干扰的角度来看，跳时系统得益甚少，其优点在于减少了工作时间的 占空比。一个干扰发射机为取得干扰效果就必须连续地发射

13、，因为干扰机不易侦 破跳时系统所使用的伪码参数。跳时系统的主要缺点是对定时要求太严。1.2.4线性脉冲调频系统线性脉冲调频系统(Chirp)是指系统的载频在一给定的脉冲时间间隔内线 性地扫过一个宽带范围，形成一带宽较宽的扫频信号，或者说载频在一给定的时 间间隔内线性增大或减小，使得发射信号的频谱占据一个宽的范围。在语音频段， 线性调频听起来类似于鸟的“啾啾”叫声，所以线性脉冲调频也称为鸟声调制。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，由于线性 脉冲调频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。线性脉冲调频，是作为雷达测距的一种工作方式使用的，其基本原

14、理如图 1-10所示。线性脉冲调频信号的产生，可由一个锯齿波信号调制压控振荡器(VCO) 来实现，如图1-10(a)所示。发射波是一个频偏为AF的宽带调频波，通常是线性调频。线性调频信号的 特点是，发射脉冲信号的瞬时频率在信息脉冲持续周期七内随时间作线性变化， 在脉冲起始和终止时刻的频差(a)匹配滤波器式中：fAF =一脉冲起始时刻的频率，f - f1 2Hz；n Bc(1-12)f一脉冲终止时刻的频率，Hz；AF -一瞬时频率变化范围，Hz；Bc一线性调制后的带宽，Hz。(b)图1-10线性脉冲调频原理图(a)发射端；(b)接收端在脉冲持续时间Tb内，信号的瞬时频率为f = f +竺t(T

15、v t 上)0 T22线性脉冲调频波的时域表达式为s(t) = Acosl 2nf t +12 +中I 0 t 0bTT(b V t J b )22线性脉冲调频信号的接收解调可用匹配滤波器来实现，参见图 是由色散延迟线构成的。这种延迟线对信号的高频成分延迟时间长(1-13)(1-14)1-10(b)o它对低频成分延迟时间短，于是频率由高到低的载频信号通过匹配滤波器后，各频率成分几乎 同时输出。这些信号成分叠加在一起，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。而与滤波器不匹配的信号在时间上没有压缩， 甚至反被扩展。这就完成了和直接序列扩频及跳频扩频系统类似的过程，从而

16、获 得输出信噪比改善的好处。色散延迟线或调频脉冲匹配滤波器压缩扫频信号，通常是线性压缩。压缩比 为 D=AFTb = Tb / t。线性脉冲调频扩频技术和通信的关系不大，本书不作讨论。1.2.5混合扩展频谱通信系统以上几种基本的扩展频谱通信系统各有优缺点，单独使用其中一种系统时有 时难以满足要求，将以上几种扩频方法结合起来就构成了混合扩频通信系统。常 见的有频率跳变-直接序列混合系统(FH/DS)，直接序列-时间跳变混合系统 (DS/TH)，频率跳变-时间跳变混合系统(HF/TH)等。它们比单一的直接序列、跳 频、跳时体制有更优良的性能。(1) 频率跳变-直接序列混合系统频率跳变-直接序列混合

17、系统可看作是一个载波频率作周期性跳变的直接序 列扩频系统，其系统组成方框图见图1-11。直扩码 发生器发中频振荡器频率 合成器指令 译码器1译码器跳频码发生器I时钟源I(a)(b)图1-11频率跳变-直接序列混合扩频系统方框图(a)发射系统；(b)接收系统采用这种混合方式能够大大提高扩频系统的性能，并且有通信隐蔽性好、抗 干扰能力强、频率跳变系统的载波频率难于捕捉，便于适应于多址通信或离散寻 址和多路复用等特点，尤其在要求扩频码速率过高或跳频数目过多时，采用这种 混合系统特别有利。(2) 时间跳变-频率跳变混合系统时间跳变-频率跳变混合系统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

18、围内变化，需要解决通信中远近效应问题的场合。远近效应是指在同一工作区域内，同一系统中由于接收机对于不同发射机， 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远距离发射机发送来的信号。这种系统希望利用简单的编码作地址码，主要用于多址和寻址，而扩展频谱 不是主要目的。(3) 时间跳变-直接序列混合系统当直接序列系统中使用不同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(TDM)是一种有效的解决办法。这既可以增加地址数，又可改善邻 台干扰，组成所

19、谓的时间跳变-直接序列混合扩频系统。时间跳变-直接序列混合 扩频系统方框图见图1-12。(a)时钟源直扩码 发生器(b)图1-12时间跳变-直接序列混合扩频系统方框图(a)发射系统；(b)接收系统从上面的介绍中，我们可以看出，除在通信中很少使用的线性脉冲调频方式 外，其余几种扩频方式可以任意组合来组成混合扩频通信系统。从理论角度讲， 这是毫无疑义的，但在工程实现上还是存在某些需要解决的问题，如在频率跳变 -直接序列混合扩频系统中，由于直接序列系统中扩频码的同步捕获时间不可能 太短，这就限制了频率跳变系统的频率跳变速率，而在频率跳变系统中很难保证 跳变载波相位的连续性，这进一步增加了直接序列系统

20、扩频码序列的同步捕获时 间。又比如由时间跳变系统组成的混合扩频系统的高频开关问题，在图1-9中我 们并没有画出发射机的功率放大器，若把高频开关放置在功率放大器的后面，存 在是否能研制出开关时间短而载荷大功率的高频开关，目前国内高频开关的水平 在小功率时开关时间在ns的量级上，几十几百mW的开关时间是几十ns，当 功率在几十几百W时开关时间为sms量级了；若把高频开关放置在功率放大 器的前面，发射机的发射建立时间将加长，这是因为功率放大器输出信号的功率 从无到有是需要时间的，能量的建立不可能在瞬间完成。所以在设计具体系统时，要根据具体问题进行具体分析，而需要考虑的更多 问题是工程上能否实现，一味追求高指标而不顾工程上实现的困难程度，很可能 使得设计出的系统不是最合理或最优的。