擴(kuò)頻通信技術(shù)

現(xiàn)代通信技術(shù)進(jìn)展第二講：擴(kuò)頻通信技術(shù)2/3/202311概述擴(kuò)展頻譜通信的基本概念擴(kuò)展頻譜通信模型擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)抗干擾性能分析2/3/202321.1擴(kuò)展頻譜通信的基本概念擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)是指待傳輸信息的頻譜用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)擴(kuò)展后成為寬頻帶信號(hào)，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(tǒng)。在傳輸同樣信息時(shí)所需的射頻帶寬，遠(yuǎn)比我們已熟知的各種調(diào)制方式要求的帶寬要寬得多。擴(kuò)頻帶寬至少是信息帶寬的幾十至幾萬(wàn)倍。信息已不再是決定調(diào)制信號(hào)帶寬的一個(gè)重要因素，調(diào)制信號(hào)的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)來(lái)決定。

2/3/20233擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)必須滿足以下兩條準(zhǔn)則：（1）傳輸帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被傳送的原始信息的帶寬；（2）傳輸帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)決定，擴(kuò)頻函數(shù)常用偽隨機(jī)編碼信號(hào)。我們已熟知的各種調(diào)制方式，如調(diào)幅、調(diào)頻，數(shù)字調(diào)制中FSK、PSK、QAM和MSK等都不屬于擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的范疇。

2/3/20234以偽隨機(jī)碼序列作擴(kuò)頻函數(shù)的直接序列擴(kuò)展頻譜通信為例來(lái)研究擴(kuò)頻系統(tǒng)原理。

編碼器數(shù)據(jù)源發(fā)射機(jī)序列發(fā)生器射頻振蕩器2/3/20235二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)與一個(gè)高速率的二進(jìn)制偽隨機(jī)碼相乘，得到復(fù)合信號(hào)一般偽隨機(jī)碼的速率是Mb/s的量級(jí)，有的甚至達(dá)到幾百M(fèi)b/s。而待傳信息流經(jīng)編碼器編碼后的碼速率較低，數(shù)字話音信號(hào)一般為32～64kbps，這就擴(kuò)展了信息的速率。擴(kuò)頻后的復(fù)合信號(hào)對(duì)載波調(diào)制（直接序列擴(kuò)頻一般用BPSK調(diào)制）后，通過(guò)發(fā)射機(jī)和天線送入信道中傳輸。的射頻帶寬取決于偽隨機(jī)碼的碼速率。在BPSK情況下等于偽隨機(jī)碼速率的2倍，而與數(shù)字信息流的碼速率幾乎無(wú)關(guān)。以上處理過(guò)程就達(dá)到了擴(kuò)展數(shù)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(gè)和發(fā)射端同步的偽隨機(jī)碼所調(diào)制的本地振蕩信號(hào)，與接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理。相關(guān)處理是將兩個(gè)信號(hào)相乘，然后求其數(shù)學(xué)期望或求兩個(gè)信號(hào)瞬時(shí)值相乘的積分。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)完全相同時(shí)（或相關(guān)性很好），得到最大的相關(guān)峰值，經(jīng)數(shù)據(jù)檢測(cè)器恢復(fù)發(fā)射端的信號(hào)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(hào)。它們和有用信號(hào)同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)。由于窄帶噪聲和多徑干擾與本地?cái)U(kuò)頻信號(hào)不相關(guān)，故在相關(guān)處理中被削弱，也就是干擾信號(hào)的能量被擴(kuò)展到整個(gè)擴(kuò)頻帶寬內(nèi)，降低了干擾電平，相關(guān)器后的基帶濾波器只輸出基帶信號(hào)和處在濾波器通帶內(nèi)的那部分干擾和噪聲，這樣就大大改善了系統(tǒng)的輸出信噪比。

2/3/20238幾種典型的噪聲2/3/20239信號(hào)功率譜干擾信號(hào)噪聲信號(hào)2/3/202310由上面對(duì)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的定性討論中，我們知道了現(xiàn)代擴(kuò)頻通信系統(tǒng)從部件或框圖上看，沒(méi)有什么新東西。它與常規(guī)通信系統(tǒng)相比，發(fā)射端增加了一個(gè)高速率的偽隨機(jī)碼，并與數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)波形相乘，接收端增加了一個(gè)本地?cái)U(kuò)頻碼，與接收到的信號(hào)進(jìn)行一次相關(guān)解擴(kuò)。經(jīng)過(guò)這些處理，擴(kuò)頻系統(tǒng)就比常規(guī)的通信系統(tǒng)具有很強(qiáng)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(wú)線電波“通量密度”及多址保密通信等優(yōu)點(diǎn)。

2/3/202311擴(kuò)展頻譜技術(shù)的理論基礎(chǔ)可用Shannon信道容量公式來(lái)描述，該公式表明，在高斯信道中當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信號(hào)噪聲功率比S／N下降時(shí)，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬的辦法來(lái)保持信道容量C不變。對(duì)于任意給定的信號(hào)噪聲功率比，可以用增大傳輸帶寬來(lái)獲得較低的信息差錯(cuò)率。擴(kuò)展頻譜技術(shù)正是利用這一原理，用高速率的擴(kuò)頻碼來(lái)達(dá)到擴(kuò)展待傳輸?shù)臄?shù)字信息帶寬。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)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(qiáng)的抗噪聲干擾的能力。

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Shannon還指出：在高斯噪聲的干擾下，在限平均功率的信道上，實(shí)現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號(hào)是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)。這是因?yàn)楦咚拱自肼曅盘?hào)具有理想的自相關(guān)特性，白噪聲的自相關(guān)函數(shù)具有函數(shù)的特點(diǎn)，說(shuō)明它具有尖銳的自相關(guān)特性。但是對(duì)于白噪聲信號(hào)的產(chǎn)生、加工和復(fù)制至今仍存在著許多技術(shù)困難．然而人們已經(jīng)找到了一些易于產(chǎn)生又便于加工和控制的偽噪聲序列，它們的統(tǒng)計(jì)特性逼近于高斯白噪聲的統(tǒng)計(jì)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?shù)淖罴研盘?hào)形式也應(yīng)該是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)形式。擴(kuò)頻函數(shù)（偽碼）逼近白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，因而擴(kuò)頻通信又具有抗多徑干擾的能力。

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

2/3/202315直接序列擴(kuò)頻2/3/202316擴(kuò)頻碼2/3/202317（2）跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)（FH-SS）：數(shù)字信息與二進(jìn)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(hào)的頻率隨偽碼的變化而跳變。跳變系統(tǒng)可以隨機(jī)選取的頻率數(shù)通常是幾千到個(gè)離散頻率。

FH－SS實(shí)際上是一個(gè)“多頻、選碼和移頻鍵控”系統(tǒng)。在跳頻系統(tǒng)中控制頻率跳變的指令碼的速率，沒(méi)有直接序列擴(kuò)頻中的偽碼速率高，一般為每秒幾十跳到幾萬(wàn)跳。

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

2/3/202318跳頻擴(kuò)頻2/3/202319跳頻擴(kuò)頻圖案2/3/2023202/3/2023212/3/202322（3）跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)（TH-SS）：跳時(shí)是用偽碼序列來(lái)啟閉信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間。發(fā)射信號(hào)的“有”、“無(wú)”同偽碼系列一樣是偽隨機(jī)的。跳時(shí)一般和跳頻結(jié)合起來(lái)使用，兩者一起構(gòu)成一種“時(shí)頻跳變”系統(tǒng)。

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

2/3/202325擴(kuò)頻通信的主要優(yōu)點(diǎn)：（1）抗干擾性能好它具有極強(qiáng)的抗人為寬帶干擾、窄帶瞄準(zhǔn)式干擾、中繼轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的能力，有利于電子反對(duì)抗。DS－SS、FH－SS、DS／FH、DS／TH等系統(tǒng)對(duì)多徑干擾不敏感，如果再采用自適應(yīng)對(duì)消、自適應(yīng)天線、自適應(yīng)濾波，可以使多徑干擾消除，這對(duì)軍用和民用移動(dòng)通信是很有利的。

2/3/202326（2）保密性好由于擴(kuò)頻系統(tǒng)使用碼周期很長(zhǎng)的偽隨機(jī)碼，在一個(gè)偽碼周期中具有隨機(jī)特性，經(jīng)它調(diào)制后的數(shù)字信息類(lèi)似于隨機(jī)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(xiàn)和識(shí)別信號(hào)。接收端進(jìn)行解擴(kuò)時(shí)，只有當(dāng)本地碼和發(fā)射的偽碼完全一致時(shí)，才能有效地恢復(fù)信息。不易被破密。若要破密，必須準(zhǔn)確地知道所用偽隨機(jī)碼的種類(lèi)、碼長(zhǎng)和初相，這顯然是比較困難的。2/3/202327（3）低通量密度擴(kuò)頻通信技術(shù)把被傳送的信號(hào)帶寬展寬，從而降低了系統(tǒng)在單位帶寬內(nèi)的電波“通量密度”，這對(duì)空間通信大有好處，可以防止對(duì)地面通信的干擾。對(duì)于無(wú)線電波運(yùn)載的各種信息充塞了有限“時(shí)頻空間”的大城市，使用擴(kuò)展頻譜碼分多址通信技術(shù)，可以解決常規(guī)通信中存在的難題—電波擁擠的缺點(diǎn)，故擴(kuò)頻碼分多址通信在城市移動(dòng)通信中有著廣闊的應(yīng)用前景。

2/3/2023282擴(kuò)展頻譜通信模型

DS－SS中載波調(diào)制一般都采用BPSK或DPSK。PSK調(diào)制信號(hào)可表示為：

2/3/202329可以直接寫(xiě)出發(fā)射系統(tǒng)的輸出信號(hào)的表達(dá)式為：

編碼器數(shù)據(jù)源發(fā)射機(jī)序列發(fā)生器射頻振蕩器2/3/202330為了分析方便，設(shè)與是相互獨(dú)立的，且的碼元寬度是碼元寬度的整數(shù)倍。振蕩器序列發(fā)生器射頻濾波器基帶濾波器2/3/202331經(jīng)由天線輻射到空間，在傳播過(guò)程中受空間各種信號(hào)和干擾噪聲的污染。有用信號(hào)在傳輸過(guò)程中一般要產(chǎn)生隨機(jī)時(shí)延和多普勒頻率及隨機(jī)相移，因而進(jìn)入接收機(jī)天線的信號(hào)加噪聲為式中表示同一擴(kuò)頻系統(tǒng)的多址干擾及其他無(wú)線電設(shè)備發(fā)出的信號(hào)。也包括有用信號(hào)本身的多徑延遲及人為干擾信號(hào)；是信道中的所有加性噪聲；為有用信號(hào)。

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

表示落入射頻濾波器通帶內(nèi)的干擾信號(hào)。2/3/202333接收系統(tǒng)的兩個(gè)乘法器分別是相關(guān)解擴(kuò)和解調(diào)，是與發(fā)射端同步的本地?cái)U(kuò)頻碼；本地射頻壓控振蕩器輸出的信號(hào)為

設(shè)基帶濾波器的沖擊響應(yīng)為，其帶寬與發(fā)射端數(shù)字信息帶寬相同，且射頻濾波器能夠無(wú)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(jìn)行分析。先對(duì)有用信號(hào)作分析，假設(shè)其他干擾信號(hào)和加性噪聲都為零，于是如果接收端擴(kuò)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(hào)為只要基帶濾波器能無(wú)失真?zhèn)魉蛿?shù)字信息，經(jīng)基帶數(shù)字檢測(cè)器處理后，便能恢復(fù)出發(fā)射端信源傳來(lái)的信息。可見(jiàn)擴(kuò)展頻譜接收機(jī)提取有用信號(hào)的功能，是充分發(fā)揮了偽隨機(jī)碼尖銳的自相關(guān)特性而完成的。對(duì)于各種干擾信號(hào)，它們與本地偽碼不相關(guān)，在相關(guān)處理過(guò)程中干擾信號(hào)能量被擴(kuò)展到整個(gè)擴(kuò)頻帶寬內(nèi)，通過(guò)基帶濾波器的輸出很小。

2/3/202336跳頻系統(tǒng)模型頻率合成器偽隨機(jī)碼數(shù)字信息射頻濾波器偽隨機(jī)碼頻率合成器中頻濾波器2/3/202337設(shè)跳頻頻率合成器能提供的頻率數(shù)為N則發(fā)射的信號(hào)為跳頻信號(hào)經(jīng)信道傳輸后，受各種干擾信號(hào)和噪聲的污染，接收機(jī)收到的信號(hào)為

2/3/202338經(jīng)接收機(jī)射頻濾波后，經(jīng)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(hào)為在理想同步情況下，信號(hào)已被解跳，經(jīng)解調(diào)濾波后，即可得到發(fā)射端傳來(lái)的信息。式中第2項(xiàng)是干擾信號(hào)，只有落入中頻帶寬內(nèi)的少量干擾信號(hào)通過(guò)，其余均被濾除。第3項(xiàng)為解跳后的窄帶高斯噪聲。

2/3/2023393擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)抗干擾性能分析

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

2/3/202341接收機(jī)解擴(kuò)后，能在基帶信號(hào)帶寬內(nèi)獲得全部信號(hào)功率，平均功率譜密度為其它干擾信號(hào)不被相干解擴(kuò)壓縮，干擾信號(hào)功率仍分布在帶寬內(nèi)，平均功率譜密度不變，故解擴(kuò)后輸出信噪比為系統(tǒng)處理增益為

2/3/202342并不是說(shuō)當(dāng)干擾信號(hào)的功率電平與有用信號(hào)的功率電平之比，等于系統(tǒng)的處理增益時(shí)，相關(guān)處理后還能實(shí)現(xiàn)通信功能。干擾容限說(shuō)明一個(gè)可用系統(tǒng)輸出信噪比的要求，考慮了系統(tǒng)內(nèi)部信噪比損耗（包括：射頻濾波器的損耗，相關(guān)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(shè)數(shù)據(jù)調(diào)制和擴(kuò)頻調(diào)制都采用BPSK，干擾信號(hào)是對(duì)準(zhǔn)傳輸帶寬中心頻率的功率為J的單頻干擾。接收信號(hào)為：接收信號(hào)功率譜為：2/3/202344解擴(kuò)輸出信號(hào)：解擴(kuò)輸出信號(hào)功率譜：2/3/202345通過(guò)濾波器的干擾功率為：考慮正負(fù)軸對(duì)稱性：函數(shù)在積分范圍內(nèi)近似為常數(shù)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(guò)程中，遇到各種反射體，如電離層、對(duì)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(hào)與這些群反射信號(hào)之間的隨機(jī)干涉形成的。由于多徑干擾信號(hào)的頻率選擇性衰落和路徑引起的傳播時(shí)延，使信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真和波形展寬，并導(dǎo)致信息波形重疊，使通信系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的誤碼。

2/3/202347若發(fā)射信號(hào)為：直達(dá)接收機(jī)的傳播時(shí)延為多徑折射的路徑有k條，記為

各個(gè)路徑到達(dá)接收機(jī)的時(shí)延為進(jìn)入接收機(jī)的總信號(hào)為：2/3/202348接收機(jī)與直達(dá)信號(hào)同步鎖定忽略的高次項(xiàng)，相關(guān)器輸出：射頻濾波器2/3/202349在積分期間，為常數(shù)同時(shí)因此有：假設(shè)在積分期間，也為常數(shù)擴(kuò)頻系統(tǒng)使用m序列，m序列自相關(guān)函數(shù)為：2/3/202350上式第一項(xiàng)是直達(dá)信號(hào)，已被準(zhǔn)確解調(diào)；第二項(xiàng)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(shí)延