專題：擴(kuò)頻通信系統(tǒng)相關(guān)課題設(shè)計

擴(kuò)頻通信概述產(chǎn)生背景及歷史回顧擴(kuò)頻通信產(chǎn)生的背景—通信中的抗干擾通信中的干擾類型

1）自然干擾：大氣噪聲熱噪聲多址干擾多徑干擾工業(yè)干擾其他通信設(shè)備的同頻干擾等2）人為干擾在軍事應(yīng)用中，敵對的雙方為了降低對方的通信效能而人為釋放的強(qiáng)干擾。人為干擾主要有:單頻干擾,或稱為固頻干擾。這種干擾的干擾頻率fJ正好對準(zhǔn)對方的通信頻率fs,即fJ=fs,形成同頻干擾。窄帶干擾。這種干擾的干擾頻率fJ對準(zhǔn)對方的通信頻率fs,干擾信號的頻帶很窄,可以與有用信號頻帶相比擬。3)正弦脈沖干擾。這種干擾類似于單頻干擾,不同點在于其發(fā)送是以脈沖形式發(fā)送的,其峰值功率較強(qiáng)。4)跟蹤式干擾。由一個頻率跟蹤系統(tǒng)和干擾機(jī)組成,先測定通信頻率,然后將干擾機(jī)干擾信號頻率對準(zhǔn)通信頻率進(jìn)行干擾。

5)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾。這種干擾首先把有用信號接收下來,再經(jīng)放大和噪聲污染后發(fā)送出去,對有用信號實施干擾。6)寬帶阻塞式干擾。這種干擾是在整個信號的通信頻帶內(nèi)施放很強(qiáng)的干擾信號，其干擾功率與帶寬成正比，使通信一方在整個通信頻帶內(nèi)都無法保證正常的通信。

干擾與抗干擾技術(shù)的發(fā)展通信抗干擾技術(shù)當(dāng)前采用的抗干擾技術(shù)主要有以下幾種。1)擴(kuò)展頻譜技術(shù)擴(kuò)展頻譜技術(shù)具有很強(qiáng)的抗干擾能力,可以抗擊多種人為干擾,是發(fā)展非常迅速的一種抗干擾技術(shù)。2)開發(fā)強(qiáng)方向性的毫米波頻段在毫米波波段，頻段很寬，采用視距傳播，方向性很強(qiáng)，有利于增加抗干擾性能。3)加密技術(shù)加密技術(shù)用于防止傳送的信息被敵方截獲、竊聽，它在保密通信中是一個重要的技術(shù)手段。4)猝發(fā)通信技術(shù)這種通信方式在通信的時間上有很大的隨機(jī)性，在非常短的時間內(nèi)，將要發(fā)送的信號發(fā)送出去，其它時間處于靜止?fàn)顟B(tài)，使干擾機(jī)很難捕捉到這種猝發(fā)信號，因此具有很強(qiáng)的抗干擾的能力。5)天線零相技術(shù)這種技術(shù)是將天線方向圖的零點對準(zhǔn)干擾機(jī),而將主瓣對準(zhǔn)發(fā)信機(jī),這樣,對接收機(jī)而言,既能接收到有用信號,又可將干擾信號大大地衰減,從而達(dá)到抗干擾的目的。6)分集技術(shù)分集技術(shù)包括空間分集、頻率分集、角度分集、極化分集等。其中擴(kuò)頻通信是其中發(fā)展較快應(yīng)用廣泛的一種技術(shù)。什么是擴(kuò)頻通信發(fā)送端將原信號展成帶寬為原信號的成百上千倍的低功率譜密度的寬帶信號，在接收端對接收信號進(jìn)行解擴(kuò)，恢復(fù)出原來的窄帶信號。信號帶寬是信息帶寬的幾百倍至幾千倍。發(fā)送端擴(kuò)頻，接收端解擴(kuò)，在做無用功嗎？擴(kuò)頻通信的發(fā)展經(jīng)歷有關(guān)擴(kuò)頻通信技術(shù)的觀點最早是在1941年由好萊塢女演員海蒂·拉瑪(Hedy

Lamarr)和鋼琴家喬治·安泰爾(GeorgeAntheil)提出的，并申請了美國專利#2.292.387。不過，當(dāng)時該技術(shù)并沒有引起美國軍方的重視。Hedy

Lamarr1949年美國的國家電話電報公司的子公司的聯(lián)邦電信實驗室，Derosa和Rogoff提出設(shè)想并生成出偽噪聲信號和相干檢測的通信系統(tǒng)，成功地工作在NewJersey和California之間的通信線路上。1950年Basore首先提出把這種擴(kuò)頻系統(tǒng)稱作NOMACS（NoiseModulationandCorrelationDetectionSystem）這個名稱被使用相當(dāng)長的時間。1952年由林肯實驗室研制出P9D型NOMACS系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗。1955年生產(chǎn)成功并通過了測試。之后，美國海軍和空軍開始驗證各自的擴(kuò)頻系統(tǒng)，空軍使用名稱為“Phatom”（鬼怪，幻影）和“Hush-Up”（遮掩），海軍使用名稱為“Blades”（漿葉），美國海軍采用跳頻擴(kuò)頻方案。1976年第一部擴(kuò)頻通信的概述性專著：SpreadSpectrumSystems發(fā)表。1978年在日本舉行的國際無線通信咨詢委員會(CCIR)全會對擴(kuò)頻通信進(jìn)行專門研究。

1982年美國第一次軍事通信會議展示了擴(kuò)頻通信在軍事通信中的主導(dǎo)作用，報告了擴(kuò)頻通信在軍事通信各領(lǐng)域的應(yīng)用，并開始民用擴(kuò)頻通信的調(diào)查。同年第一部擴(kuò)頻通信的理論性專著CoherentSpreadSpectrum問世。1985年之后民用擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)展。最近的二十幾年擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用：GPS衛(wèi)星通信系統(tǒng)CDMA擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)香農(nóng)（Shannon）公式信道容量是信道在無差錯傳輸下所能達(dá)到的最大傳輸速率。信道容量具有如下的意義：當(dāng)傳輸速率不大于信道容量時，總可以找到一種方法，實現(xiàn)無差錯的傳輸。但如果想要達(dá)到的傳輸速率大于信道容量，則無論用什么方法，都不可能實現(xiàn)無差錯傳輸。Shannon公式給出了信道容量與帶寬和信噪比之間的關(guān)系。擴(kuò)頻通信的理論依據(jù)

C＝WLog2(1+S/N)

C≈1.44(S/N)W

這說明在一定的信道容量條件下,可通過增加信號帶寬來減小發(fā)送信號功率,也可通過增加發(fā)送信號功率來減小信號帶寬。也就是說,在信道容量不變的條件下,信號功率和信號帶寬可以互換。例1某一系統(tǒng)的信號帶寬為8kHz,信噪比為7,求信道容量C。在C不變的情況下,信號帶寬分別增加一倍和減小一半,求此信號功率的相對變化為多少？例2.信噪比為S/N=-20dB，求帶寬至少為多少時，信道容量可以達(dá)到3kb/s.這道題的結(jié)論說明使用增大信號帶寬的方法，即使在信號功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于噪聲功率的情況下，也完全可以實現(xiàn)無差錯的傳輸。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的分類1.直接序列擴(kuò)頻（directsequencespreadspectrum,DSSS）2.跳頻擴(kuò)頻（frequencyhoppingspreadspectrum,FHSS）3.跳時擴(kuò)頻（timehoppingspreadspectrum,THSS）4.混合擴(kuò)頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與抗干擾原理擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)模型擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾原理LowPowerDensityNOISESIGNALDSRECEIVERNOISESIGNALInterferenceRejectionDSRECEIVERSIGNALINTERFERENCENOISENOISESIGNALINTERFERENCE擴(kuò)頻信號并不能擴(kuò)展噪聲的頻譜可以擴(kuò)展干擾的頻譜香農(nóng)指出：在高斯噪聲的干擾下，在限平均功率的信道上，實現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號是具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號。偽隨機(jī)編碼基本定理

工程上常用二元{0,1}序列表示偽隨機(jī)碼1每一周期0和1出現(xiàn)的次數(shù)近似相等；2每一周期內(nèi)，長度為n比特游程出現(xiàn)的次數(shù)比n+1比特游程次數(shù)多1倍；3序列具有雙值自相關(guān)函數(shù)：

作為擴(kuò)頻函數(shù)的偽隨機(jī)信號，應(yīng)具有下列特點：

1偽隨機(jī)信號必須具有尖銳的自相關(guān)函數(shù)，應(yīng)接近于0；

2有足夠長的碼周期，以確保抗偵破，抗干擾的要求；

3有足夠多的獨立地址數(shù)，以實現(xiàn)碼分多址要求；

4工程上易于產(chǎn)生，復(fù)制和控制。偽隨機(jī)碼分類及構(gòu)造原理幾個基本定義

1,偽隨機(jī)碼：二元域{0,1}或{-1,1}有一定周期的碼序列；

2,相關(guān)函數(shù)：

3,

自相關(guān)函數(shù)：A是對應(yīng)碼元相同數(shù)目；

D是對應(yīng)碼元不同數(shù)目。

4,狹義偽隨機(jī)碼

例：

x={-1,1,1,1,1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1}

可驗證其自相關(guān)函數(shù)為：

{an}……m序列m序列的定義

1,f(x)=c0+c1x+c2x2+…+cnxn

和n級線性反饋移位寄存器的關(guān)系Dn-1Dn-2D0+c0c1c2Cn-1Cn

2,m序列：n級最大周期線性移位寄存器序列，{an}的周期為2n-1。

3,m序列必須對應(yīng)不可約多項式，但不可約多項式不一定產(chǎn)生m序列。

4,產(chǎn)生m序列的連接多項式必須是本原多項式。m序列的性質(zhì)1，每一周期p=2n-1內(nèi)，0出現(xiàn)2n-1-1次，

1出現(xiàn)2n-1次；2，對n>2,kn-2,長為k的游程占游程總數(shù)的1/2k；3，m序列{ak}與其他位移序列{ak-t}的模2和仍是m序列的另一位以序列{ak-t’}{ak}+{ak-t}={ak-t’}m序列的自相關(guān)函數(shù)

m序列的產(chǎn)生

1，根據(jù)不可約多項式表，查找本原多項式，E,F,G,H表示該數(shù)碼對應(yīng)的多項式為本元多項式。每一位代表三位2進(jìn)數(shù)。

2，根據(jù)本原多項式構(gòu)造出m序列移位寄存器（邏輯圖）。

例n=5,p=25-1=31(1)75G,對應(yīng)二進(jìn)數(shù)111，101f(x)=x5+x4+x3+x2+1

其邏輯圖如圖所示

X1X2X3X4X5+++(2)45E對應(yīng)二進(jìn)數(shù)100，101f(x)=x5+x2+1其他的偽隨機(jī)碼有：截斷m序列Gold(格爾德)序列Walsh(沃爾什)序列M序列擴(kuò)頻通信的基本性能參數(shù)1.處理增益(ProcessGain)（又稱擴(kuò)頻增益）定義：接收機(jī)解擴(kuò)器的輸出信噪比(S/N)out與接收機(jī)的輸入信號信噪比(S/N)in的比值。意義：經(jīng)擴(kuò)頻接收機(jī)處理后，使有用信號增強(qiáng)的同時抑制輸入到接收機(jī)的噪聲和干擾能力的大小。處理增益的計算

它定義為頻譜擴(kuò)展后的信息帶寬與頻帶擴(kuò)展前的信號帶寬之比。例3.有一個擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，擴(kuò)頻后帶寬為20MHz，原始信號帶寬為20KHz，求系統(tǒng)的處理增益。2.干擾容限意義：一個擴(kuò)頻系統(tǒng)要正常工作時解擴(kuò)器的輸入端噪聲功率與信號功率的比值不能超過的值。例4.一個擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益是30dB，系統(tǒng)的解調(diào)器要求其輸入信噪比最小為10dB，而系統(tǒng)損耗為4dB，求系統(tǒng)的干擾容限。在實際工程應(yīng)用中，擴(kuò)頻接收機(jī)的相關(guān)解擴(kuò)和解調(diào)器都達(dá)不到理想的線性要求，其非線性及碼元跟蹤誤差將導(dǎo)致信噪比損失。因此，實際工作中擴(kuò)頻接收機(jī)實際上容許的干擾與信號功率的比值比干擾容限還要低。實際允許的輸入干擾電平稱為“干擾門限”在設(shè)計擴(kuò)頻接收機(jī)時，通常要留出至少1dB余量。直接序列擴(kuò)頻直擴(kuò)系統(tǒng)組成框圖(a)發(fā)射(b)接收

發(fā)射端經(jīng)過信道發(fā)送到接收端：直擴(kuò)系統(tǒng)各點的波形對于各種干擾信號，如它們與本地偽碼均不相關(guān)，相關(guān)處理后干擾信號能量被擴(kuò)展到整個擴(kuò)頻帶寬內(nèi)，通過基帶濾波器輸出很小。寬頻干擾部分頻帶干擾單頻多頻載波直擴(kuò)測距定時系統(tǒng)

直擴(kuò)系統(tǒng)的發(fā)展是從測距開始的。電磁波傳播速度固定的，測定了電波傳播的時間，也就測定了距離。對于直擴(kuò)信號，當(dāng)采用一個較長周期的PN碼序列作為發(fā)射信號、用它于目的地反射回來或轉(zhuǎn)發(fā)回來的PN碼序列的相位進(jìn)行比較，計算出其時間差，也就能換算出發(fā)射機(jī)與目的地之間的距離。不難把碼片選得很窄，即碼的鐘速率很高，則可以高精度的測距與定時，基本的分辨率即一個碼片。有了精確的測距的定時系統(tǒng)，不難形成一個精確的定位系統(tǒng)。直擴(kuò)系統(tǒng)的同步

一個相干擴(kuò)頻數(shù)字通信系統(tǒng)，接收端與發(fā)送端必須實現(xiàn)信息碼元同步、PN碼碼元和序列同步和射頻載頻同步。只有實現(xiàn)了這些同步，直擴(kuò)系統(tǒng)才能正常的工作。同步系統(tǒng)的作用就是要實現(xiàn)本地產(chǎn)生的PN碼與接收到的信號中的PN碼同步，即頻率上相同，相位上一致。同步過程一般說來包含兩個階段：

1)接收機(jī)在一開始并不知道對方是否發(fā)送了信號，因此，需要有一個搜捕過程，即在一定的頻率和時間范圍內(nèi)搜索和捕獲用信號。這一階段也稱為起始同步或粗同步，也就是要把對方發(fā)來的信號與本地信號在相位之差納入同步保持范圍內(nèi)，即在PN碼一個時片內(nèi)。(2)一旦完成這一階段后，則進(jìn)入跟蹤過程，即繼續(xù)保持同步，不因外界影響而失去同步。也就是說，無論由于何種因素兩端的頻率和相位發(fā)生偏移，同步系統(tǒng)能加以調(diào)整，使收發(fā)信號仍然保持同步。直擴(kuò)系統(tǒng)的特點和用途(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、抗測向的能力。(3)具有選址能力，可實現(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。跳頻擴(kuò)頻（FH-SS）“多頻、選碼、頻移鍵控”偽隨機(jī)序列——跳頻指令FSK：2個載頻；跳頻擴(kuò)頻：多個載頻跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)方框圖跳頻擴(kuò)頻示意圖瞬間窄帶系統(tǒng)跳頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益GFH=N;例：可供選擇的跳頻數(shù)N=1000；則GFH=30dB跳頻系統(tǒng)可以看成是載頻受偽隨機(jī)碼控制，按一定規(guī)律變化的多頻頻移鍵控?？晒╇S機(jī)選取的載波頻率通常是幾千~幾萬個離散的頻率。控制頻率跳變的偽隨機(jī)碼的速率沒有直擴(kuò)系統(tǒng)中的偽隨機(jī)碼的速率高，一般為幾十b/s~幾kb/s。偽隨機(jī)碼的速率也稱為跳頻系統(tǒng)的跳速。慢跳頻系統(tǒng)跳頻圖案快跳頻系統(tǒng)跳頻圖案抗干擾方式跳頻系統(tǒng)以躲避干擾的方式抗干擾，可以認(rèn)為是一種主動式抗干擾方式。而直擴(kuò)系統(tǒng)用把干擾功率分散的方法來降低干擾功率，提高解調(diào)器的輸入信干比，以此來達(dá)到抗干擾的目的，故可以認(rèn)為是一種被動式的抗干擾方式。跳頻帶寬的范圍，與抗寬帶干擾的能力有關(guān)。跳頻頻率的數(shù)目，與抗單頻干擾及多頻干擾的能力有關(guān)。跳頻的速率，是指每秒鐘頻率跳變的次數(shù)，它與抗跟蹤式干擾的能力有關(guān)。跳頻碼的長度，它將決定跳頻圖案延續(xù)時間的長度，與抗截獲破譯的能力有關(guān)。

跳頻系統(tǒng)的主要特點(1)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。跳頻系統(tǒng)采用躲避干擾的方法來抗干擾，只有當(dāng)干擾信號頻率與跳頻信號頻率相同時，才能形成干擾，因而抗干擾能力較強(qiáng)。跳頻頻率數(shù)N越大，跳頻速率越高，抗干擾性能越強(qiáng)。(2)易于組網(wǎng)，實現(xiàn)碼分多址，頻譜利用率高。不同的碼，可以得到不同的跳頻圖案，從而組成不同的網(wǎng)，頻譜利用率比直擴(kuò)系統(tǒng)略高。

(3)易兼容。目前所有的跳頻電臺兼容性都很強(qiáng)，可在多種模式下工作，如定頻和跳頻、數(shù)字和模擬、話音和數(shù)據(jù)等。(4)解決了“遠(yuǎn)—近”問題?！斑h(yuǎn)—近”問題對直擴(kuò)系統(tǒng)的影響很大，對跳頻系統(tǒng)來說，這種影響就小得多，甚至可以完全克服。(5)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，因而時間短、入網(wǎng)快。

跳頻系統(tǒng)的主要用途

目前，跳頻系統(tǒng)主要用于軍事通信，如戰(zhàn)術(shù)跳頻電臺、抗干擾等，但也正在迅速地向民用通信滲透，如移動通信、數(shù)據(jù)傳輸、計算機(jī)無線數(shù)據(jù)傳輸、無線局域網(wǎng)等。FH與DS的比較(1)抗固頻干擾。在抗強(qiáng)的固頻干擾信號時，跳頻優(yōu)于直擴(kuò)。這是因為直擴(kuò)系統(tǒng)雖然具有一定的處理增益，但對超過干擾容限的干擾就無能為力了；而跳頻系統(tǒng)是采用躲避的方法抗干擾。(2)抗衰落，特別是抗選擇性衰落時直擴(kuò)優(yōu)于跳頻，這是由于直擴(kuò)系統(tǒng)的射頻帶寬很寬，小部分頻譜衰落不會使信號產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，而跳頻系統(tǒng)將導(dǎo)致部分頻率受到影響。

(3)抗多徑。由于直擴(kuò)系統(tǒng)要用偽隨機(jī)碼的相關(guān)接收，只要多徑時延大于一個偽隨機(jī)碼的切普寬度，這種多徑不會對直擴(kuò)系統(tǒng)形成干擾；而跳頻系統(tǒng)由于沒有像直擴(kuò)系統(tǒng)那樣的保護(hù)措施，因而對多徑無能為力。(4)“遠(yuǎn)—近”效應(yīng)?！斑h(yuǎn)—近”效應(yīng)對直擴(kuò)系統(tǒng)影響很大，而對跳頻系統(tǒng)的影響就小得多。(5)同步。由于直擴(kuò)系統(tǒng)的偽隨機(jī)碼速率比跳頻的偽隨機(jī)碼速率要高得多，因此直擴(kuò)系統(tǒng)的同步精度要求高，因而同步時間也長，入網(wǎng)慢。直擴(kuò)同步時間一般在秒級，而跳頻可以在毫秒級完成，因此在同步方面，跳頻優(yōu)于直擴(kuò)。(6)信號處理。直擴(kuò)系統(tǒng)一般采用相干檢測，而跳頻系統(tǒng)由于頻率不斷變化，頻率的跳變需要一定的時間，因而多采用非相干檢測。因此從性能上看，直擴(kuò)系統(tǒng)性能優(yōu)于跳頻；但從實現(xiàn)來看，相干檢測需要恢復(fù)載波，必然增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度，恢復(fù)載波的頻率和相位的偏差，又會降低系統(tǒng)性能，在一些對設(shè)備要求嚴(yán)格的場合，如移動通信等，就難以滿足要求。(7)通信安全保密。直擴(kuò)信號譜密度低，信號淹沒在噪聲之中，可防竊聽、防測向，是不可見的。而跳頻系統(tǒng)雖然在很寬的頻帶上跳變，但其瞬時功率譜是較大的，是可見的，因而性能不如直擴(kuò)的。(8)組網(wǎng)能力。跳頻的組網(wǎng)能力較直擴(kuò)的強(qiáng)，頻譜利用率也較直擴(kuò)的高。(9)兼容。兼容是現(xiàn)代通信必須考慮的問題，而且是對系統(tǒng)提出的一個重要的性能指標(biāo)，在這個問題上，跳頻比直擴(kuò)更為靈活。(10)語言可懂度。跳頻在頻率轉(zhuǎn)換時需調(diào)諧時間，不能傳輸信息。在相同的信息速率情況下，直擴(kuò)優(yōu)于跳頻。跳時擴(kuò)頻（THSS）跳時系統(tǒng)方框圖跳時示意圖跳時信號波形擴(kuò)頻增益等于信碼劃分時隙或占空比倒數(shù)跳時系統(tǒng)的缺點：

1.抗干擾能力不強(qiáng)，不能躲避連續(xù)發(fā)射的干擾。

2.當(dāng)同一信道內(nèi)有多個跳時系統(tǒng)工作時，容易引起相互干擾，增加了設(shè)計擴(kuò)頻碼的難度。

3.發(fā)送端和接收和接收端必須嚴(yán)格同步。跳時系統(tǒng)很少單獨使用，通常都是與其他的擴(kuò)頻方式聯(lián)合使用，組成混合擴(kuò)頻系統(tǒng)?；旌蠑U(kuò)頻前述的每一種擴(kuò)頻系統(tǒng)都有各自的優(yōu)缺點，將兩種以上的擴(kuò)頻系統(tǒng)組合在一起構(gòu)成混合擴(kuò)頻系統(tǒng)則有可能得到只用其中一種方式得不到的特性。常見的混合擴(kuò)頻系統(tǒng)有：直接序列-跳頻混合擴(kuò)頻（DS/FH）系統(tǒng)直接序列-跳時混合擴(kuò)頻（DS/TH）系統(tǒng)跳頻-跳時混合擴(kuò)頻（FH/TH）系統(tǒng)等直接序列-跳頻混合擴(kuò)頻（DS/FH）直接序列-跳頻混合擴(kuò)頻系統(tǒng)可以看成是一個載波頻率作隨機(jī)跳變的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)，通信隱蔽性更好。DS/FH示意圖DS/FH系統(tǒng)就是一種中心頻率在某一頻帶內(nèi)跳變的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)。一個DS擴(kuò)頻信號在一個更寬的頻帶范圍內(nèi)進(jìn)行跳變。DS/FH系統(tǒng)的處理增益為DS和FH處理增益的乘積。采用DS/