擴頻通信技術

現代通信技術進展第二講：擴頻通信技術2/3/202311概述擴展頻譜通信的基本概念擴展頻譜通信模型擴展頻譜系統抗干擾性能分析2/3/202321.1擴展頻譜通信的基本概念擴展頻譜通信系統是指待傳輸信息的頻譜用某個特定的擴頻函數擴展后成為寬頻帶信號，送入信道中傳輸，再利用一定手段將其壓縮，從而獲取傳輸信息的通信系統。在傳輸同樣信息時所需的射頻帶寬，遠比我們已熟知的各種調制方式要求的帶寬要寬得多。擴頻帶寬至少是信息帶寬的幾十至幾萬倍。信息已不再是決定調制信號帶寬的一個重要因素，調制信號的帶寬主要由擴頻函數來決定。

2/3/20233擴展頻譜系統必須滿足以下兩條準則：（1）傳輸帶寬遠遠大于被傳送的原始信息的帶寬；（2）傳輸帶寬主要由擴頻函數決定，擴頻函數常用偽隨機編碼信號。我們已熟知的各種調制方式，如調幅、調頻，數字調制中FSK、PSK、QAM和MSK等都不屬于擴展頻譜系統的范疇。

2/3/20234以偽隨機碼序列作擴頻函數的直接序列擴展頻譜通信為例來研究擴頻系統原理。

編碼器數據源發(fā)射機序列發(fā)生器射頻振蕩器2/3/20235二進制數字信號與一個高速率的二進制偽隨機碼相乘，得到復合信號一般偽隨機碼的速率是Mb/s的量級，有的甚至達到幾百Mb/s。而待傳信息流經編碼器編碼后的碼速率較低，數字話音信號一般為32～64kbps，這就擴展了信息的速率。擴頻后的復合信號對載波調制（直接序列擴頻一般用BPSK調制）后，通過發(fā)射機和天線送入信道中傳輸。的射頻帶寬取決于偽隨機碼的碼速率。在BPSK情況下等于偽隨機碼速率的2倍，而與數字信息流的碼速率幾乎無關。以上處理過程就達到了擴展數字信息流頻譜的目的。

2/3/20236振蕩器序列發(fā)生器射頻濾波器基帶濾波器2/3/20237在接收端用一個和發(fā)射端同步的偽隨機碼所調制的本地振蕩信號，與接收到的信號進行相關處理。相關處理是將兩個信號相乘，然后求其數學期望或求兩個信號瞬時值相乘的積分。當兩個信號完全相同時（或相關性很好），得到最大的相關峰值，經數據檢測器恢復發(fā)射端的信號為。若信道中存在著干擾，這些干擾包括窄帶干擾、單頻干擾、多徑干擾或碼分多址信號。它們和有用信號同時進入接收機。由于窄帶噪聲和多徑干擾與本地擴頻信號不相關，故在相關處理中被削弱，也就是干擾信號的能量被擴展到整個擴頻帶寬內，降低了干擾電平，相關器后的基帶濾波器只輸出基帶信號和處在濾波器通帶內的那部分干擾和噪聲，這樣就大大改善了系統的輸出信噪比。

2/3/20238幾種典型的噪聲2/3/20239信號功率譜干擾信號噪聲信號2/3/202310由上面對擴頻通信系統的定性討論中，我們知道了現代擴頻通信系統從部件或框圖上看，沒有什么新東西。它與常規(guī)通信系統相比，發(fā)射端增加了一個高速率的偽隨機碼，并與數字信號實現波形相乘，接收端增加了一個本地擴頻碼，與接收到的信號進行一次相關解擴。經過這些處理，擴頻系統就比常規(guī)的通信系統具有很強的抗人為干擾、抗窄帶干擾、抗多徑干擾的能力。此外還具有信息隱蔽、低的空間無線電波“通量密度”及多址保密通信等優(yōu)點。

2/3/202311擴展頻譜技術的理論基礎可用Shannon信道容量公式來描述，該公式表明，在高斯信道中當傳輸系統的信號噪聲功率比S／N下降時，可用增加系統傳輸帶寬的辦法來保持信道容量C不變。對于任意給定的信號噪聲功率比，可以用增大傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯率。擴展頻譜技術正是利用這一原理，用高速率的擴頻碼來達到擴展待傳輸的數字信息帶寬。擴頻通信系統的帶寬比常規(guī)通信體制大幾百倍至幾千倍，故在相同的信噪比條件下，具有較強的抗噪聲干擾的能力。

2/3/202312

Shannon還指出：在高斯噪聲的干擾下，在限平均功率的信道上，實現有效和可靠通信的最佳信號是具有白噪聲統計特性的信號。這是因為高斯白噪聲信號具有理想的自相關特性，白噪聲的自相關函數具有函數的特點，說明它具有尖銳的自相關特性。但是對于白噪聲信號的產生、加工和復制至今仍存在著許多技術困難．然而人們已經找到了一些易于產生又便于加工和控制的偽噪聲序列，它們的統計特性逼近于高斯白噪聲的統計特性。2/3/202313早在50年代，哈爾凱維奇就從理論上證明：要克服多徑衰落干擾的影響，信道中傳輸的最佳信號形式也應該是具有白噪聲統計特性的信號形式。擴頻函數（偽碼）逼近白噪聲的統計特性，因而擴頻通信又具有抗多徑干擾的能力。

2/3/202314擴展頻譜通信系統按其工作方式可以分為下列幾種：（l）直接序列擴展頻譜系統（DS－SS）：前面討論過的擴頻通信，就是直接序列擴頻系統。它是由于待傳信息信號與高速率的偽隨機碼波形相乘后，去直接控制射頻信號的某個參量，擴展了傳輸帶寬而得名的。

2/3/202315直接序列擴頻2/3/202316擴頻碼2/3/202317（2）跳頻擴頻系統（FH-SS）：數字信息與二進制偽碼序列模二相加后，去離散地控制射頻載波振蕩器的輸出頻率，使發(fā)射信號的頻率隨偽碼的變化而跳變。跳變系統可以隨機選取的頻率數通常是幾千到個離散頻率。

FH－SS實際上是一個“多頻、選碼和移頻鍵控”系統。在跳頻系統中控制頻率跳變的指令碼的速率，沒有直接序列擴頻中的偽碼速率高，一般為每秒幾十跳到幾萬跳。

FH－SS中擴展頻帶的寬度是由跳變的頻率總數N和頻率跳變的最小間隔來決定的。

2/3/202318跳頻擴頻2/3/202319跳頻擴頻圖案2/3/2023202/3/2023212/3/202322（3）跳時擴頻系統（TH-SS）：跳時是用偽碼序列來啟閉信號的發(fā)射時刻和持續(xù)時間。發(fā)射信號的“有”、“無”同偽碼系列一樣是偽隨機的。跳時一般和跳頻結合起來使用，兩者一起構成一種“時頻跳變”系統。

跳頻信號帶寬2/3/202323跳時擴頻2/3/202324（4）混合式：以上三種基本擴頻方式中的兩種或多種結合起來，便構成了一些混合擴頻體制，如FH／DS、DS／TH、FH／TH等，它們比單一的擴頻、跳頻、跳時體制具有更優(yōu)良的性能。

2/3/202325擴頻通信的主要優(yōu)點：（1）抗干擾性能好它具有極強的抗人為寬帶干擾、窄帶瞄準式干擾、中繼轉發(fā)式干擾的能力，有利于電子反對抗。DS－SS、FH－SS、DS／FH、DS／TH等系統對多徑干擾不敏感，如果再采用自適應對消、自適應天線、自適應濾波，可以使多徑干擾消除，這對軍用和民用移動通信是很有利的。

2/3/202326（2）保密性好由于擴頻系統使用碼周期很長的偽隨機碼，在一個偽碼周期中具有隨機特性，經它調制后的數字信息類似于隨機噪聲。將其用于保密通信中，敵方采用普通偵察手段和破譯方法不易發(fā)現和識別信號。接收端進行解擴時，只有當本地碼和發(fā)射的偽碼完全一致時，才能有效地恢復信息。不易被破密。若要破密，必須準確地知道所用偽隨機碼的種類、碼長和初相，這顯然是比較困難的。2/3/202327（3）低通量密度擴頻通信技術把被傳送的信號帶寬展寬，從而降低了系統在單位帶寬內的電波“通量密度”，這對空間通信大有好處，可以防止對地面通信的干擾。對于無線電波運載的各種信息充塞了有限“時頻空間”的大城市，使用擴展頻譜碼分多址通信技術，可以解決常規(guī)通信中存在的難題—電波擁擠的缺點，故擴頻碼分多址通信在城市移動通信中有著廣闊的應用前景。

2/3/2023282擴展頻譜通信模型

DS－SS中載波調制一般都采用BPSK或DPSK。PSK調制信號可表示為：

2/3/202329可以直接寫出發(fā)射系統的輸出信號的表達式為：

編碼器數據源發(fā)射機序列發(fā)生器射頻振蕩器2/3/202330為了分析方便，設與是相互獨立的，且的碼元寬度是碼元寬度的整數倍。振蕩器序列發(fā)生器射頻濾波器基帶濾波器2/3/202331經由天線輻射到空間，在傳播過程中受空間各種信號和干擾噪聲的污染。有用信號在傳輸過程中一般要產生隨機時延和多普勒頻率及隨機相移，因而進入接收機天線的信號加噪聲為式中表示同一擴頻系統的多址干擾及其他無線電設備發(fā)出的信號。也包括有用信號本身的多徑延遲及人為干擾信號；是信道中的所有加性噪聲；為有用信號。

2/3/202332射頻濾波器后的接收信號表示通過射頻濾波器的帶限加性噪聲；

表示落入射頻濾波器通帶內的干擾信號。2/3/202333接收系統的兩個乘法器分別是相關解擴和解調，是與發(fā)射端同步的本地擴頻碼；本地射頻壓控振蕩器輸出的信號為

設基帶濾波器的沖擊響應為，其帶寬與發(fā)射端數字信息帶寬相同，且射頻濾波器能夠無失真地處理，則基帶濾波器的輸出

2/3/202334如果射頻濾波器和基帶濾波器都是線性的，則我們建立的模型也是線性的，可以利用線性疊加原理進行分析。先對有用信號作分析，假設其他干擾信號和加性噪聲都為零，于是如果接收端擴頻碼碼元同步，則如果接收端頻率和相位分別鎖定，則2/3/202335考慮到容易得到基帶濾波器輸出的有用信號為只要基帶濾波器能無失真?zhèn)魉蛿底中畔?，經基帶數字檢測器處理后，便能恢復出發(fā)射端信源傳來的信息。可見擴展頻譜接收機提取有用信號的功能，是充分發(fā)揮了偽隨機碼尖銳的自相關特性而完成的。對于各種干擾信號，它們與本地偽碼不相關，在相關處理過程中干擾信號能量被擴展到整個擴頻帶寬內，通過基帶濾波器的輸出很小。

2/3/202336跳頻系統模型頻率合成器偽隨機碼數字信息射頻濾波器偽隨機碼頻率合成器中頻濾波器2/3/202337設跳頻頻率合成器能提供的頻率數為N則發(fā)射的信號為跳頻信號經信道傳輸后，受各種干擾信號和噪聲的污染，接收機收到的信號為

2/3/202338經接收機射頻濾波后，經與發(fā)射端同步的本地跳頻頻率合成器的輸出頻率相乘后，中頻濾波器的輸出信號為在理想同步情況下，信號已被解跳，經解調濾波后，即可得到發(fā)射端傳來的信息。式中第2項是干擾信號，只有落入中頻帶寬內的少量干擾信號通過，其余均被濾除。第3項為解跳后的窄帶高斯噪聲。

2/3/2023393擴展頻譜系統抗干擾性能分析

3.1擴頻系統處理增益和干擾容限在信息接收系統中，如果輸入、輸出信噪比分別為和，常用系統處理增益表示系統對信噪比的改善程度。定義2/3/202340假如收到的信號平均功率為，信號帶寬為，則平均功率譜密度為；假設其它信源發(fā)出的干擾信號的平均功率為，則干擾信號的平均功率譜密度為接收信號的輸入信噪比為為噪聲功率密度。

2/3/202341接收機解擴后，能在基帶信號帶寬內獲得全部信號功率，平均功率譜密度為其它干擾信號不被相干解擴壓縮，干擾信號功率仍分布在帶寬內，平均功率譜密度不變，故解擴后輸出信噪比為系統處理增益為

2/3/202342并不是說當干擾信號的功率電平與有用信號的功率電平之比，等于系統的處理增益時，相關處理后還能實現通信功能。干擾容限說明一個可用系統輸出信噪比的要求，考慮了系統內部信噪比損耗（包括：射頻濾波器的損耗，相關處理器的混頻損耗，放大器的信噪比損耗等）。因此干擾容限定義為2/3/2023433.2抗單頻干擾能力假設數據調制和擴頻調制都采用BPSK，干擾信號是對準傳輸帶寬中心頻率的功率為J的單頻干擾。接收信號為：接收信號功率譜為：2/3/202344解擴輸出信號：解擴輸出信號功率譜：2/3/202345通過濾波器的干擾功率為：考慮正負軸對稱性：函數在積分范圍內近似為常數1，于是2/3/2023463.3抗多徑干擾能力多徑干擾是由于電波傳播過程中，遇到各種反射體，如電離層、對流層、高山和建筑物等引起反射或散射，在接收端收到的直接路徑信號與這些群反射信號之間的隨機干涉形成的。由于多徑干擾信號的頻率選擇性衰落和路徑引起的傳播時延，使信號產生嚴重的失真和波形展寬，并導致信息波形重疊，使通信系統發(fā)生嚴重的誤碼。

2/3/202347若發(fā)射信號為：直達接收機的傳播時延為多徑折射的路徑有k條，記為

各個路徑到達接收機的時延為進入接收機的總信號為：2/3/202348接收機與直達信號同步鎖定忽略的高次項，相關器輸出：射頻濾波器2/3/202349在積分期間，為常數同時因此有：假設在積分期間，也為常數擴頻系統使用m序列，m序列自相關函數為：2/3/202350上式第一項是直達信號，已被準確解調；第二項是多徑干擾，由于因此多徑干擾有：下面分區(qū)間討論多徑干擾的影響。2/3/202351如果所有的多徑時延