擴(kuò)頻通信原理

1、擴(kuò)頻通信是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機(jī)編碼(擴(kuò)頻序列：Spread Sequence)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸；接收端則采用相同的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。 這種通信方式與常規(guī)的窄道通信方式是有區(qū)別的： 一是信息的頻譜擴(kuò)展后形成寬帶傳輸； 二是相關(guān)處理后恢復(fù)成窄帶信息數(shù)據(jù)。 正是由于這兩大持點(diǎn)，使擴(kuò)頻通信有如下的優(yōu)點(diǎn)： 抗干擾 抗噪音 抗多徑衰落 具有保密性 功率譜密度低，具有隱蔽性和低的截獲概率 可多址復(fù)用和任意選址 高精度測(cè)量等 正是由于擴(kuò)頻通信技術(shù)具有上述優(yōu)點(diǎn)，自50年代中期美國(guó)軍方便開始研究，一直為軍事通信所獨(dú)占，廣泛應(yīng)用于軍事通信、電子對(duì)抗以及導(dǎo)航、測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域。直

2、到80年代初才被應(yīng)用于民用通信領(lǐng)域。為了滿足日益增長(zhǎng)的民用通信容量的需求和有效地利用頻譜資源，各國(guó)都紛紛提出在數(shù)字峰窩移動(dòng)通信、衛(wèi)星移動(dòng)通信和未來的個(gè)人通信中采用擴(kuò)頻技術(shù)，擴(kuò)頻技術(shù)已廣泛應(yīng)用于蜂窩電話、無繩電話、微波通信、無線數(shù)據(jù)通信、遙測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警等系統(tǒng)中。 2.1 擴(kuò)展頻譜通信的定義 所謂擴(kuò)展頻譜通信，可簡(jiǎn)單表述如下：“擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過一個(gè)獨(dú)立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端則用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)”。 這一定義包含了以下三方面的意思：

3、一、信號(hào)的頻譜被展寬了。 我們知道，傳輸任何信息都需要一定的帶寬，稱為信息帶寬。 例如人類的語音的信息帶寬為300Hz - 3400Hz，電視圖像信息帶寬為數(shù)MHz。為了充分利用頻率資源，通常都是盡量采用大體相當(dāng)?shù)膸挼男盘?hào)來傳輸信息。在無線電通信中射頻信號(hào)的帶寬與所傳信息的帶寬是相比擬的。如用調(diào)幅信號(hào)來傳送語音信息，其帶寬為語音信息帶寬的兩倍；電視廣播射頻信號(hào)帶寬也只是其視頻信號(hào)帶寬的一倍多。這些都屬于窄帶通信。 一般的調(diào)頻信號(hào)，或脈沖編碼調(diào)制信號(hào)，它們的帶寬與信息帶寬之比也只有幾到十幾。擴(kuò)展頻譜通信信號(hào)帶寬與信息帶寬之比則高達(dá)100 - 1000，屬于寬帶通信。 為什么要用這樣寬的頻帶的信

4、號(hào)來傳輸信息呢? 這樣豈不太浪費(fèi)寶貴的頻率資源了嗎? 二、采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制的方式來展寬信號(hào)頻譜。 我們知道，在時(shí)間上有限的信號(hào)，其頻譜是無限的。例如很窄的脈沖信號(hào)，其頻譜則很寬。信號(hào)的頻帶寬度與其持續(xù)時(shí)間近似成反比。1微秒的脈沖的帶寬約為1MHz。因此，如果用限窄的脈沖序列被所傳信息調(diào)制，則可產(chǎn)生很寬頻帶的信號(hào)。 如下面介紹的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)就是采用這種方法獲得擴(kuò)頻信號(hào)。這種很窄的脈沖碼序列，其碼速率是很高的，稱為擴(kuò)頻碼序列。這里需要說明的一點(diǎn)是所采用的擴(kuò)頻碼序列與所傳信息數(shù)據(jù)是無關(guān)的，也就是說它與一般的正弦載波信號(hào)一樣，絲毫不影響信息傳輸?shù)耐该餍浴U(kuò)頻碼序列僅僅起擴(kuò)展信號(hào)頻譜的作用。 三、

5、在接收端用相關(guān)解調(diào)來解擴(kuò) 正如在一般的窄帶通信中，已調(diào)信號(hào)在接收端都要進(jìn)行解調(diào)來恢復(fù)所傳的信息。在擴(kuò)頻通信中接收端則用與發(fā)送端相同的擴(kuò)頻碼序列與收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，恢復(fù)所傳的信息。換句話說，這種相關(guān)解調(diào)起到解擴(kuò)的作用。即把擴(kuò)展以后的信號(hào)又恢復(fù)成原來所傳的信息。這種在發(fā)端把窄帶信息擴(kuò)展成寬帶信號(hào)，而在收端又將其解擴(kuò)成窄帶信息的處理過程，會(huì)帶來一系列好處。弄清楚擴(kuò)頻和解擴(kuò)處理過程的機(jī)制，是理解擴(kuò)頻通信本質(zhì)的關(guān)鍵所在。 2.2 擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ) 長(zhǎng)期以來，人們總是想法使信號(hào)所占領(lǐng)譜盡量的窄，以充分利用十分寶貴的頻譜資源。為什么要用這樣寬頻帶的信號(hào)來傳送信息呢? 簡(jiǎn)單的回答就是主要為了通信的

6、安全可靠。 擴(kuò)頻通信的基本特點(diǎn)，是傳輸信號(hào)所占用的頻帶寬度(W)遠(yuǎn)大于原始信息本身實(shí)際所需的最小(有效)帶寬(DF)，其比值稱為處理增益Gp: Gp = W/DF . (1) 眾所周知，任何信息的有效傳輸都需要一定的頻率寬度，如話音為1.7 - 3.1kHz，電視圖像則寬到數(shù)兆赫。為了充分利用有限的頻率資源，增加通路數(shù)目，人們廣泛選擇不同調(diào)制方式，采用寬頻信道(同軸電纜、微波和光纖等)，和壓縮頻帶等措施，同時(shí)力求使傳輸?shù)拿浇橹袀鬏數(shù)男盘?hào)占用盡量窄的帶寬。因現(xiàn)今使用的電話、廣播系統(tǒng)中，無論是采用調(diào)幅、調(diào)頻或脈沖編碼調(diào)制制式，Gp值一般都在十多倍范圍內(nèi)，統(tǒng)稱為“窄帶通信”。而擴(kuò)頻通信的Gp值，高達(dá)

7、數(shù)百、上千，稱為 “寬帶通信”。 擴(kuò)頻通信的可行性， 是從信息論和抗干擾理論的基本公式中引伸而來的。 信息論中關(guān)于信息容量的仙農(nóng)(Shannon)公式為： C WLog2(1十P/N) . (2) 式中： C - 信道容量(用傳輸速率度量) W - 信號(hào)頻帶寬度 P - 信號(hào)功率 N - 白噪聲功率 式(2)說明，在給定的傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比PN是可以互換的。即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比PN(SN)情況下，傳輸信息。 擴(kuò)展頻譜換取信噪比要求的降低，正是擴(kuò)頻通信的重要特點(diǎn)，并由此為擴(kuò)頻通信的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 擴(kuò)頻通信可行性的另一理論基礎(chǔ)，為柯捷爾尼可夫關(guān)于信息

8、傳輸差錯(cuò)概率的公式： Powj ? f(E/N。) . (3) 式中： Powj - 差錯(cuò)概率 E - 信號(hào)能量 N。- 噪聲功率譜密度 因?yàn)椋?信號(hào)功率 PET (T為信息持續(xù)時(shí)間) 噪聲功率 NWN。 (W為信號(hào)頻帶寬度) 信息帶寬 D FlT 則式(3)可化為： Powj ? f(TW.P/N) = f(P/N.W/D F ) . (4) 式(4)說明，對(duì)于一定帶寬 DF的信息而言，用Gp值較大的寬帶信號(hào)來傳輸，可以提高通信抗干擾能力，保證強(qiáng)干擾條件下， 通信的安全可靠。 亦即式(4)與式(2)一樣，說明信噪比和帶寬是可以互換的。 總之，我們用信息帶寬的100倍，甚至1000倍以上的寬帶

9、信號(hào)來傳輸信息，就是為了提高通信的抗干擾能力，即在強(qiáng)干擾條件下保證可靠安全地通信。這就是擴(kuò)展頻譜通信的基本思想和理論依據(jù)。 2.3 擴(kuò)頻通信的主要性能指標(biāo) 處理增益和抗干擾容限是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的兩個(gè)重要性能指標(biāo)。 處理增益G也稱擴(kuò)頻增益(Spreading Gain) 它定義為頻譜擴(kuò)展前的信息帶寬DF與頻帶擴(kuò)展后的信號(hào)帶寬W之比： GWDF 在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中接收機(jī)作擴(kuò)頻解調(diào)后，只提取偽隨機(jī)編碼相關(guān)處理后的帶寬為DF 的信息，而排除掉寬頻帶W中的外部干擾、噪音和其地用戶的通信影響。因此，處理增益G反映了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)信噪比改善的程度。 抗干擾容限 是指擴(kuò)頻通信系統(tǒng)能在多大干擾環(huán)境下正常工作的能力，定

10、義為： Mj = G (S/N)out + Ls 其中： Mj - 抗干擾容 G - 處理增益 (SN)out - 信息數(shù)據(jù)被正確解調(diào)而要求的最小輸出信噪比 Ls - 接收系統(tǒng)的工作損耗 例如, 一個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益為35dB要求誤碼率小于l05的信息數(shù)據(jù)解調(diào)的最小的輸出信噪比(S/N)out 10 dB，系統(tǒng)損耗Ls3dB，則干擾容限Mj 35 (10 +3) 22dB 這說明，該系統(tǒng)能在干擾輸入功率電平比擴(kuò)頻信號(hào)功率電平高22dB的范圍內(nèi)正常工作，也就是該系統(tǒng)能夠在接收輸入信噪比大于或等于22dB的環(huán)境下正常工作。 于擴(kuò)頻通信能大大擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，發(fā)端用擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，以及在收端

11、用相關(guān)解調(diào)技術(shù)，使其具有許多窄帶通信難于替代的優(yōu)良性能，能在“軍轉(zhuǎn)民”后，迅速推廣到各種公用和專用通信網(wǎng)絡(luò)之中，主要有以下幾項(xiàng)特點(diǎn)： 3.1 易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率 無線頻譜十分寶貴，雖然從長(zhǎng)波到微波都得到了開發(fā)利用，仍然滿足不了社會(huì)的需求。在窄帶通信中，主要依靠波道劃分來防止信道之間發(fā)生干擾。 為此，世界各國(guó)都設(shè)立了頻率管理機(jī)構(gòu)，用戶只能使用申請(qǐng)獲準(zhǔn)的頻率。 擴(kuò)頻通信發(fā)送功率極低(1 - 650mW)，采用了相關(guān)接收這一高技術(shù)，且可工作在信道噪聲和熱噪聲背景中，易于在同一地區(qū)重復(fù)使用同一頻率, 也可與現(xiàn)今各種窄道通信共享同一頻率資源。所以，在美國(guó)及世界絕大多數(shù)國(guó)家，擴(kuò)頻通信不

12、需申請(qǐng)頻率，任何個(gè)人與單位可以無執(zhí)照使用。 3.2 抗干擾性強(qiáng)，誤碼率低 擴(kuò)頻通信在空間傳輸時(shí)所占有的帶寬相對(duì)較寬，而收端又采用相關(guān)檢測(cè)的辦法來解擴(kuò)，使有用寬帶信息信號(hào)恢復(fù)成窄帶信號(hào)，而把非所需信號(hào)擴(kuò)展成寬帶信號(hào)，然后通過窄帶濾波技術(shù)提取有用的信號(hào)。這祥，對(duì)于各種干擾信號(hào)，因其在收端的非相關(guān)性，解擴(kuò)后窄帶信號(hào)中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干擾性強(qiáng)。 如上述例子（第二講）， 當(dāng)Gp = 35dB時(shí)，抗干擾容限Mj = 22dB，即在負(fù)信噪聲比(22dB)條件下，可以將信號(hào)從噪聲的湮滅中提取出來。 在目前商用的通信系統(tǒng)中， 擴(kuò)頻通信是唯一能夠工作于負(fù)信噪比條件下的通信方式。 對(duì)于寬帶干擾和

13、脈沖干擾在擴(kuò)頻設(shè)備中如何被抑制的物理過程，可以用圖3.1和圖3.2加以說明。 對(duì)于各種形式人為的(如電子對(duì)抗中)干擾或其他窄帶或?qū)拵?擴(kuò)頻)系統(tǒng)的干擾， 只要波形、時(shí)間和碼元稍有差異，解擴(kuò)后仍然保持其寬帶性，而有用信號(hào)將被壓縮，見圖3.1所示。 圖3.1 擴(kuò)頻系統(tǒng)抗寬帶干擾能力示意圖 對(duì)于脈沖干擾，帶寬將被展寬到B，而有用信號(hào)恢復(fù)(壓縮)后，保證高于干擾，見圖3.2所示。 圖3.2 擴(kuò)頻系統(tǒng)抗脈沖干擾能力示意圖 由于擴(kuò)頻系統(tǒng)這一優(yōu)良性能，誤碼率很低，正常條件下可低到l 0-10, 最差條件下約10-6，完全能滿足國(guó)內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)對(duì)通道傳輸質(zhì)量的要求。 3.3 隱蔽性好，對(duì)各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小

14、 由于擴(kuò)頻信號(hào)在相對(duì)較寬的頻帶上被擴(kuò)展了，單位頻帶內(nèi)的功率很小，信號(hào)湮沒在噪聲里，一般不容易被發(fā)現(xiàn)，而想進(jìn)一步檢測(cè)信號(hào)的參數(shù)(如偽隨機(jī)編碼序列)就更加困難，因此說其隱蔽性好。 再者，由于擴(kuò)頻信號(hào)具有很低的功率譜密度，它對(duì)目前使用的各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小。 3.4 可以實(shí)現(xiàn)碼分多址 擴(kuò)頻通信提高了抗干擾性能，但付出了占用頻帶寬的代價(jià)。 如果讓許多用戶共用這一寬頻帶，則可大為提高頻帶的利用率。由于在擴(kuò)頻通信中存在擴(kuò)頻碼序列的擴(kuò)頻調(diào)制，充分利用各種不同碼型的擴(kuò)頻碼序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，在接收端利用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò)，則在分配給不同用戶碼型的情況下可以區(qū)分不同用戶的信號(hào)，提取出有

15、用信號(hào)。這樣一來，在一寬頻帶上許多對(duì)用戶可以同時(shí)通話而互不干擾。 3.5 抗多徑干擾 在無線通信的各個(gè)頻段，長(zhǎng)期以來，多徑干擾始終是一個(gè)難以解決的問題之一。在以往的窄帶通信中，采用兩種方法來提高抗多徑干擾的能力： 一是把最強(qiáng)的有用信號(hào)分離出來，排除其他路徑的干擾信號(hào)，即采用分集接收技術(shù)； 二是設(shè)法把不同路徑來的不同延遲、不同相位的倍號(hào)在接收端從時(shí)域上對(duì)齊相加，合并成較強(qiáng)的有用信號(hào)，即采用梳狀濾波器的方法。 這兩種技術(shù)在擴(kuò)頻通信中都易于實(shí)現(xiàn)。利用擴(kuò)頻碼的自相關(guān)特性，在接收端 從多徑信號(hào)中提取和分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，或把多個(gè)路徑來的同一碼序列的波形相加合成，這相當(dāng)于梳狀濾波器的作用。另外，采用頻率

16、跳變擴(kuò)頻調(diào)制方式的擴(kuò)頻系統(tǒng)中，由于用多個(gè)頻率的信號(hào)傳送同一個(gè)信息，實(shí)際上起到了頻率分集的作用。 3.6 能精確地定時(shí)和測(cè)距 我們知道電磁波在空間的傳播速度是固定不變的光速。人們自然會(huì)想到如果能夠精確測(cè)量電磁波在兩個(gè)物體之間傳播的時(shí)間，也就等于測(cè)量?jī)蓚€(gè)物體之間的距離。 在擴(kuò)頻通信中如果擴(kuò)展頻譜很寬，則意味著所采用的擴(kuò)頻碼速率很高，每個(gè)碼片占用的時(shí)間就很短。當(dāng)發(fā)射出去的擴(kuò)頻信號(hào)在被測(cè)物體反射回來后，在接收端解調(diào)出擴(kuò)頻碼序列，然后比較收發(fā)兩個(gè)碼序列相位之差，就可以精確測(cè)出擴(kuò)頻信號(hào)往返的時(shí)間差，從而算出二者之間的距離。測(cè)量的精度決定于碼片的寬度，也就是擴(kuò)展頻譜的寬度。碼片越窄，擴(kuò)展的頻譜越寬，精度越高

17、。 3.7 適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務(wù) 擴(kuò)頻通信一般都采用數(shù)字通信、碼分多址技術(shù)，適用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，適合于數(shù)據(jù)和圖象傳輸。 3.8 安裝簡(jiǎn)便，易于維護(hù) 擴(kuò)頻通信設(shè)備是高度集成，采用了現(xiàn)代電子科技的尖端技術(shù)，因此，十分可靠、小巧，大量運(yùn)用后成本低，安裝便捷，易于推廣應(yīng)用。工作原理 擴(kuò)頻通信的一般工作原理如圖4.1所示。 圖4.1 擴(kuò)頻通信工作原理 在發(fā)端輸入的信息先經(jīng)信息調(diào)制形成數(shù)字信號(hào)，然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號(hào)以展寬信號(hào)的頻譜。展寬后的信號(hào)再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。 在接收端收到的寬帶射頻信號(hào)，變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)。

18、再經(jīng)信息解調(diào)、恢復(fù)成原始信息輸出。 由此可見，般的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)都要進(jìn)行三次調(diào)制和相應(yīng)的解調(diào)。一次調(diào)制為信息調(diào)制，二次調(diào)制為擴(kuò)頻調(diào)制，三次調(diào)制為射頻調(diào)制，以及相應(yīng)的信息解調(diào)、解擴(kuò)和射頻解調(diào)。 與一般通信系統(tǒng)比較，擴(kuò)頻通信就是多了擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)部分。 4.2 擴(kuò)頻通信的幾種工作方式 按照擴(kuò)展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可以分為： 4.2.1 直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum)工作方式，簡(jiǎn)稱直擴(kuò)(DS)方式 所謂直接序列(DS-Direct Scquency)擴(kuò)頻，就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜。而在收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去

19、進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息。直接序列擴(kuò)頻的原理如圖41所示。 圖41 例如我們用窄脈沖序列對(duì)某一載波進(jìn)行二相相移鍵控調(diào)制。如果采用平衡調(diào)制器，則調(diào)制后的輸出為二相相移鍵控信號(hào)，它相當(dāng)于載波抑制的調(diào)幅雙邊帶信號(hào)。圖中輸入載波信號(hào)的頻率為fc，窄脈沖序列的頻譜函數(shù)為G(C)，它具有很寬的頻帶。平衡調(diào)制器的輸出則為兩倍脈沖頻譜寬度，而fc被抑制的雙邊帶的展寬了的擴(kuò)頻信號(hào)，其頻譜函數(shù)為fc G(C)。 在接收端應(yīng)用相同的平衡調(diào)制器作為解擴(kuò)器?？蓪㈩l譜為fcG(C) 的擴(kuò)頻信號(hào)，用相同的碼序列進(jìn)行再調(diào)制，將其恢復(fù)成原始的載波信號(hào)fc。 4.2.2 跳變頻率(Frequency Hoppi

20、ng)工作方式，簡(jiǎn)稱跳頻(FH)方式 另外一種擴(kuò)展信號(hào)頻譜的方式稱為跳頻(FHFrequency Hopping)。所謂跳頻，比較確切的意思是：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變，所以稱為跳頻。 簡(jiǎn)單的頻移鍵控如2FSK，只有兩個(gè)頻率，分別代表傳號(hào)和空號(hào)。而跳頻系統(tǒng)則有幾個(gè)、幾十個(gè)、甚至上干個(gè)頻率、由所傳信息與擴(kuò)頻碼的組合去進(jìn)行選擇控制，不斷跳變。 圖42(a)為跳頻的原理示意圖。發(fā)端信息碼序列與擴(kuò)頻碼序列組合以后按照不同的碼字去控制頻率合成器。 從圖42(b)中可以看出在頻域上輸出頻譜在一寬頻帶內(nèi)所選擇的某些頻率隨機(jī)地跳變。在

21、收端，為了解跳跳頻信號(hào)，需要有與發(fā)端完全相同的本地?cái)U(kuò)頻碼發(fā)生去控制本地頻率合成器，使其輸出的跳頻信號(hào)能在混頻器中與接收信號(hào)差頻出固定的中頻信號(hào)，然后經(jīng)中頻帶通濾波器及信息解調(diào)器輸出恢復(fù)的信息。 圖42 (a) , (b) 總之，跳頻系統(tǒng)占用了比信息帶寬要寬得多的頻帶。 4.2.3 跳變時(shí)間(Time Hopping)工作方式，簡(jiǎn)稱跳時(shí)(TH)方式 與跳頻相似，跳時(shí)(THTime Hopping)是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變。首先把時(shí)間軸分成許多時(shí)片。在一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)片發(fā)射信號(hào)由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制?？梢园烟鴷r(shí)理解為：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多時(shí)片的時(shí)移鍵控。 由于采用了窄得很多的時(shí)片去發(fā)送信號(hào)，相對(duì)

22、說來，信號(hào)的頻譜也就展寬了。圖43是跳時(shí)系統(tǒng)的原理方框圖。在發(fā)端，輸入的數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)起來，由擴(kuò)頻碼發(fā)生器的擴(kuò)頻碼序列去控制通斷開關(guān)，經(jīng)二相或四相調(diào)制后再經(jīng)射頻調(diào)制后發(fā)射。在收端，由射頻接收機(jī)輸出的中頻信號(hào)經(jīng)本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列控制通斷開關(guān)，再經(jīng)二相或四相解調(diào)器，送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和再定時(shí)后輸出數(shù)據(jù)。只要收發(fā)兩端在時(shí)間上嚴(yán)格同步進(jìn)行，就能正確地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。 圖43 (a), (b) 跳時(shí)也可以看成是一種時(shí)分系統(tǒng)，所不的地方在于它不是在一幀中固定分配一定位置的時(shí)片，而是由擴(kuò)頻碼序列控制的按一定規(guī)律跳變位置的時(shí)片。跳時(shí)系統(tǒng)的處理增益等于一幀中所分的時(shí)片數(shù)。 由于簡(jiǎn)單的跳時(shí)抗于攏性不強(qiáng)，很少單

23、獨(dú)使用。跳時(shí)通常都與其他方式結(jié)合使用，組成各種混合方式。 4.2.4 寬帶線性調(diào)頻(Chirp Modulation)工作方式，簡(jiǎn)稱Chirp方式 如果發(fā)射的射頻脈沖信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)，其載頻的頻率作線性變化，則稱為線性調(diào)頻。 因?yàn)槠漕l率在較寬的領(lǐng)帶內(nèi)變化，信號(hào)的頻帶也被展寬了。這種擴(kuò)頻調(diào)制方式主要用在雷達(dá)中，但在通信中也有應(yīng)用。圖44是線性調(diào)頻的示意圖。 圖44 發(fā)端有一鋸齒波去調(diào)制壓控振蕩器，從而產(chǎn)生線性調(diào)頻脈沖。它和掃頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)一樣。 在收端，線性調(diào)頻脈沖由匹配濾波器對(duì)其進(jìn)行壓縮，把能量集中在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)輸出，從而提高了信噪比，獲得了處理增益。匹配濾波器可采用色散延遲線，它

24、是一個(gè)存儲(chǔ)和累加器件。其作用機(jī)理是對(duì)不同頻率的延遲時(shí)間不一樣。如果使脈沖前后兩端的頻率經(jīng)不同的延遲后一同輸出，則匹配濾波器起到了脈沖壓縮和能量集中的作用。匹配濾波器輸出信噪比的改善是脈沖寬度與調(diào)頻頻偏乘積的函數(shù)。一般，線性調(diào)頻在通信中很少應(yīng)用。 4.2.5 各種混合方式 在上述幾種基本的擴(kuò)頻方式的基礎(chǔ)上，可以組合起來，構(gòu)成各種混合方式。例如DSFH、DSTH、DSFHTH等等。 一般說來，采用混合方式看起來在技術(shù)上要復(fù)雜一些，實(shí)現(xiàn)起來也要困難一些。但是，不同方式結(jié)合起來的優(yōu)點(diǎn)是有時(shí)能得到只用其中一種方式得不到的特性。例如DSFH系統(tǒng)，就是一種中心頻率在某一領(lǐng)帶內(nèi)跳變的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)。其信號(hào)的

25、頻譜如圖45所示。 圖45 由圖可見，一個(gè)DS擴(kuò)頻信號(hào)在一個(gè)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處理增益之和。因此，有時(shí)采用DS/FH反而比單獨(dú)采用DS或FH獲得更寬的頻譜擴(kuò)展和更大的處理增益。甚至有時(shí)相對(duì)來說，其技術(shù)復(fù)雜性比單獨(dú)用DS來展寬頻譜或用FH在更寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率的跳變還要容易些。 對(duì)于DSTH方式，它相當(dāng)于在擴(kuò)頻方式中加上時(shí)間復(fù)用。采用這種方式可以容納更多的用戶。在實(shí)現(xiàn)上，DS本身已有嚴(yán)格的收發(fā)兩端擴(kuò)頻碼的同步。加上跳時(shí)，只不過增加了一個(gè)通斷開關(guān)，并不增加太多技術(shù)上的復(fù)雜性。 對(duì)于DSFHTH，它把三種擴(kuò)頻方式組合在一起，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上肯定是很復(fù)雜的。但是

26、對(duì)于一個(gè)有多種功能要求的系統(tǒng)，DS、FH、TH可分別實(shí)現(xiàn)各自獨(dú)特的功能。 因此，對(duì)于需要同時(shí)解決諸如抗干擾、多址組網(wǎng)、定時(shí)定位、抗多徑和遠(yuǎn)近問題時(shí)，就不得不同時(shí)采用多種擴(kuò)頻方式。5.1 直擴(kuò)系統(tǒng)的組成與原理 5.1.1 組成與原理 前面已經(jīng)說過：所謂直接序列(DS)擴(kuò)頻，就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜。而在收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息。圖51為直擴(kuò)系統(tǒng)的組成與原理框圖。 圖51 在圖51(a)中，假定發(fā)送的是一個(gè)頻帶限于fin以內(nèi)的窄帶信息。將此信息在信息調(diào)制器中先對(duì)某一副載額fo進(jìn)行調(diào)制(例如進(jìn)行調(diào)幅或窄帶調(diào)頻)，得到一中心頻率

27、為fo而帶寬為2fin的信號(hào)，即通常的窄帶信號(hào)。一般的窄帶通信系統(tǒng)直接將此信號(hào)在發(fā)射機(jī)中對(duì)射頻進(jìn)行調(diào)制后由天線輻射出去。 但在擴(kuò)展頻譜通信中還需要增加一個(gè)擴(kuò)展頻譜的處理過程。常用的一種擴(kuò)展頻譜的方法就是用一高碼率fc的隨機(jī)碼序列對(duì)窄帶信號(hào)進(jìn)行二相相移鍵控調(diào)制見圖51(b)中發(fā)端波形。二相相移鍵控相當(dāng)于載波抑制的調(diào)幅雙邊帶信號(hào)。選擇fc fo fin。這樣得到了帶寬為2fc的載波抑制的寬帶信號(hào)。這一擴(kuò)展了頻譜的信號(hào)再送到發(fā)射機(jī)中去對(duì)射頻fT進(jìn)行調(diào)制后由天線輻射出去。 信號(hào)在射頻信道傳輸過程中必然受到各種外來信號(hào)的干擾。因此，在收端，進(jìn)入接收機(jī)的除有用信號(hào)外還存在干擾信號(hào)。假定干擾為功率較強(qiáng)的窄帶

28、信號(hào)，寬帶有用信號(hào)與干擾信號(hào)同時(shí)經(jīng)變頻至中心頻率為中頻fI輸出。不言而喻，對(duì)這一中頻寬帶信號(hào)必須進(jìn)行解擴(kuò)處理才能進(jìn)行信息解調(diào)。 解擴(kuò)實(shí)際上就是擴(kuò)頻的反變換，通常也是用與發(fā)端相同的調(diào)制器，并用與發(fā)端完全相同的偽隨機(jī)碼序列對(duì)收到的寬帶信號(hào)再一次進(jìn)行二相相移鍵控。 從圖51(b)中收端波形可以看出，再一次的相移鍵控正好把擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)成相移鍵控前的原始信號(hào)。從頻譜上看則表現(xiàn)為寬帶信號(hào)被解擴(kuò)壓縮還原成窄帶信號(hào)。這一窄帶信號(hào)經(jīng)中頻窄帶濾波器后至信息解調(diào)器再恢復(fù)成原始信息。但是對(duì)于進(jìn)入接收機(jī)的變窄帶干擾信號(hào)，在收端調(diào)制器中同樣也受到偽隨機(jī)碼的雙相相移鍵控調(diào)制，它反而使窄帶干擾變成寬度干擾信號(hào)。由于干擾信號(hào)頻

29、譜的擴(kuò)展，經(jīng)過中頻窄帶通濾波作用，只允許通帶內(nèi)的干擾通過，使干擾功率大為減少。由此可見，接收機(jī)輸入端的信號(hào)與噪聲經(jīng)過解擴(kuò)處理，使信號(hào)功率集中起來通過濾波器，同時(shí)使干擾功率擴(kuò)散后被濾波器大量濾除，結(jié)果便大大提高了輸出端的信號(hào)噪聲功率比。 這一過程說明了直擴(kuò)系統(tǒng)的基本原理和它是怎樣通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻與解擴(kuò)處理從而獲得提高輸出信噪比的好處的。它體現(xiàn)了直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾能力。 綜上所述，直擴(kuò)系統(tǒng)的特點(diǎn)是： l 頻譜的擴(kuò)展是直接由高碼率的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行調(diào)制而得到的。 l 擴(kuò)頻碼序列多采用偽隨機(jī)碼，也稱為偽噪聲(PN)碼序列。 l 擴(kuò)頻調(diào)制方式多采用BPSK或QPSK等幅調(diào)制。擴(kuò)頻和解擴(kuò)的調(diào)制解調(diào)器多采用平

30、衡調(diào)制器，制作簡(jiǎn)單又能抑制載被。 l 模擬信息調(diào)制多采用頻率調(diào)制(FM)，而數(shù)字信息調(diào)制多采用脈沖編碼調(diào)制(PCM)或增量調(diào)制(DM)。 l 接收端多采用產(chǎn)生本地偽隨機(jī)碼序列對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，或采用匹配濾波器來解擴(kuò)信號(hào)。 l 擴(kuò)頻和解擴(kuò)的偽隨機(jī)碼序列應(yīng)有嚴(yán)格的同步，碼的搜捕和跟蹤多采用匹配濾波器或利用偽隨機(jī)碼的優(yōu)良的相關(guān)特性在延遲鎖定環(huán)中實(shí)現(xiàn)。 l 一般需要用窄帶通濾波器來排除干擾，以實(shí)現(xiàn)其抗干擾能力的提高。 5.1.2 直擴(kuò)信號(hào)的波形與頻譜 任何周期性的時(shí)間波形都可以看成是許多不同幅度、頻率和相位的正弦波之和。這些不同的頻率成分，在頻譜上占有一定的頻帶寬度。單一頻率的正弦波，在頻譜上只

31、有一條譜線，而周期性的矩形脈沖序列，則有許多譜線。任何周期性的時(shí)間波形，可以用富氏級(jí)數(shù)展開的數(shù)學(xué)方法求出它的頻譜分布圖。 現(xiàn)在以矩形脈沖序列為例來說明其間的關(guān)系。圖52(a)中為一周期性矩形脈沖序列f(t)的波形及其頻譜函數(shù)An(f)。 圖52 (a), (b), (c) 圖中E為脈沖的幅度，to為脈沖的寬度，To為脈沖的重復(fù)周期。設(shè)To 5to，從圖中可以看出f(t)的An(f)分布為一系列離散譜線，由基頻fo及其高次諧波組成。隨著諧波頻率的升高、幅度逐漸衰減。對(duì)于棱角分明的波形，在理論上包含有無限多的頻譜成分。不難證明，時(shí)間有限的波形，在頻譜無限的；相反，頻譜有限的信號(hào)，在時(shí)間上也是無限的

32、。 但一般來說，信號(hào)的能量主要集中在頻譜的主瓣內(nèi)，即頻率從0開始到頻譜經(jīng)過第一個(gè)0點(diǎn)的頻率為止的寬度內(nèi)，稱為信號(hào)的頻帶寬度，以Bf表示。從數(shù)學(xué)分析可知，信號(hào)譜線間隔決定于脈沖序列的重復(fù)周期，即fo1/To。而信號(hào)頻帶寬度取決于脈沖的寬度，即Bo1/to。 在圖52(b)中， l 如果脈沖重復(fù)周期增加一倍，基頻降低一半，譜線間隔也減少一半，譜線密度增加一倍，此時(shí)Bfo不變。 l 如果脈沖重復(fù)周期不變，而脈沖寬度減少一半t1t0/2，則從圖52(c) 可以看出，譜線間隔不變，但信號(hào)的頻帶寬度Bf1增加一倍。此外，從圖中還可以看出，無論是脈沖重復(fù)周期的增加，還是脈沖寬度的減少，頻譜函數(shù)的幅度都降低了

33、。 從上面的討論中可以得出兩個(gè)重要的結(jié)論： 一是為了擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，可以采用窄的脈沖序列去進(jìn)行調(diào)制某一載波，得到一個(gè)很寬的雙邊帶的直擴(kuò)信號(hào)。采用的脈沖越窄，擴(kuò)展的頻譜越寬。 如果脈沖的重復(fù)周期為脈沖寬度的2倍，即T2t，則脈沖寬度變窄對(duì)應(yīng)于碼重復(fù)頻率的提高，即采用高碼率的脈沖序列。 直擴(kuò)系統(tǒng)正是應(yīng)有了這一原理，直接用重復(fù)頻率很高的窄脈沖序列來展寬信號(hào)的頻譜。 二是如果信號(hào)的總能量不變，則頻譜的展寬，使各頻譜成分的幅度下降，換句話說，信號(hào)的功率譜密度降低。這就是為什么可以用擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行隱蔽通信，及擴(kuò)頻信號(hào)具有低的被截獲概率的原故。擴(kuò)頻碼序列 5.2.1 碼序列的相關(guān)性 在擴(kuò)展頻譜通信中需要用高碼

34、率的窄脈沖序列。這是指擴(kuò)頻碼序列的波形而言。并未涉及碼的結(jié)構(gòu)和如何產(chǎn)生等問題。 那么究竟選用什么樣的碼序列作為擴(kuò)頻碼序列呢? 它應(yīng)該具備哪些基本性能呢? 現(xiàn)在實(shí)際上用得最多的是偽隨機(jī)碼，或稱為偽噪聲(PN)碼。 這類碼序列最重要的特性是具有近似于隨機(jī)信號(hào)的性能。因?yàn)樵肼暰哂型耆碾S機(jī)性，也可以說具有近似于噪聲的性能。但是，真正的隨機(jī)信號(hào)和噪聲是不能重復(fù)再現(xiàn)和產(chǎn)生的。我們只能產(chǎn)生一種周期性的脈沖信號(hào)來近似隨機(jī)噪聲的性能，故稱為偽隨機(jī)碼或PN碼。 為什么要選用隨機(jī)信號(hào)或噪聲性能的信號(hào)來傳輸信息呢？許多理論研究表明，在信息傳輸中各種信號(hào)之間的差別性能越大越好。這樣任意兩個(gè)信號(hào)不容易混淆，也就是說，相

35、互之間不易發(fā)生干擾，不會(huì)發(fā)生誤判。理想的傳輸信息的信號(hào)形式應(yīng)是類似噪聲的隨機(jī)信號(hào)，因?yàn)槿∪魏螘r(shí)間上不同的兩段噪聲來比較都不會(huì)完全相似。用它們代表兩種信號(hào)，其差別性就最大。 在數(shù)學(xué)上是用自相關(guān)函數(shù)來表示信號(hào)與它自身相移以后的相似性的。隨機(jī)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)的定義為下列積分： 式中 f(t)為信號(hào)的時(shí)間函數(shù)，t為時(shí)間延遲。 上式的物理概念是f(t)與其相對(duì)延遲的t 的f( t - t)來比較: 如二者不完全重疊，即t 1 0，則乘積的積分 ya(t)為0； 如二者完全重疊，即t0；則相乘積分后ya(0)為一常數(shù)。 因此，ya(t)的大小可用來表征 f(t)與自身延遲后的f( t t)的相關(guān)性，故稱為

36、自相關(guān)函數(shù)。 現(xiàn)在來看看隨機(jī)噪聲的自相關(guān)性。圖53(a)為任一隨機(jī)噪聲的時(shí)間波形及其延遲一段 t 后的波形。圖53(b)為其自相關(guān)函數(shù)。當(dāng)t0時(shí)，兩個(gè)波形完全相同、重疊，積分平均為一常數(shù)。如果稍微延遲一 t，對(duì)于完全的隨機(jī)噪聲，相乘以后正負(fù)抵消，積分為0。因而在以t 為橫座標(biāo)的圖上ya(t)應(yīng)為在原點(diǎn)的一段垂直線。在其他 t 時(shí)，其值為0。這是一種理想的二值自相關(guān)特性。利用這種特性，就很容易地判斷接收到的信號(hào)與本地產(chǎn)生的相同信號(hào)復(fù)制品之間的波形和相位是否完全一致。相位完全對(duì)準(zhǔn)時(shí)有輸出，沒有對(duì)準(zhǔn)時(shí)輸出為0。遺憾的是這種理想的情況在現(xiàn)實(shí)中是不能實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)槲覀儾荒墚a(chǎn)生兩個(gè)完全相同的隨機(jī)信號(hào)。我們所

37、能做到的是產(chǎn)生一種具有類似自相關(guān)特性的周期性信號(hào)。 圖53 PN碼就是一種具有近似隨機(jī)噪聲這種理想二值自相關(guān)特性的碼序列。例如二元碼序列1110l00為碼長(zhǎng)為7位的PN碼。如果用1，1脈沖分別表示“l(fā)”和“0”，則在圖53(c)中示出其波形和它相對(duì)延遲 t 個(gè)時(shí)片的波形。這樣我們很容易求出這兩個(gè)脈沖序列波形的自相關(guān)函數(shù)，如圖53(d)中。自相關(guān)峰值在t 0時(shí)出現(xiàn)，自相關(guān)函數(shù)在 t0/2范圍內(nèi)呈三角形。t0為脈沖寬度。而其它延遲時(shí)，自相關(guān)函數(shù)值為1/7, 即碼位長(zhǎng)的倒數(shù)取負(fù)值。 當(dāng)碼長(zhǎng)取得很大時(shí)，它就越近似于圖53(b)中所示的理想的隨機(jī)噪聲的自相關(guān)特性。自然這種碼序列就被稱為偽隨機(jī)碼或偽噪聲碼

38、。由于這種碼序列具有周期性，又容易產(chǎn)生，它就是下面即將介紹的m序列，成為直擴(kuò)系統(tǒng)中常用的擴(kuò)頻碼序列。 擴(kuò)頻碼序列除自相關(guān)性外，與其他同類碼序列的相似性和相關(guān)性也很重要。例如有許多用戶共用一個(gè)信道，要區(qū)分不同用戶的信號(hào)，就得靠相互之間的區(qū)別或不相似性來區(qū)分。換句話說，就是要選用互相關(guān)性小的信號(hào)來表示不同的用戶。兩個(gè)不同信號(hào)波形f(t)與g(t)之間的相似性用互相關(guān)函數(shù)來表示： 如果兩個(gè)信號(hào)都是完全隨機(jī)的，在任意延遲時(shí)間 t 都不相同，則上式為0。如果有一定的相似性，則不完全為0。兩個(gè)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)為0，則稱之為是正交的。通常希望兩個(gè)信號(hào)的互相關(guān)值越小越好，則它們?cè)饺菀妆粎^(qū)分，且相互之間的干擾也

39、小。 5.2.1 m序列 m序列是最長(zhǎng)線性移位寄存器序列的簡(jiǎn)稱。由于m序列容易產(chǎn)生、規(guī)律性強(qiáng)、有許多優(yōu)良的性能，在擴(kuò)頻通信中最早獲得廣泛的應(yīng)用。 顧名思義，m序列是由多級(jí)移位寄存器或其他延遲元件通過線性反饋產(chǎn)生的最長(zhǎng)的碼序列。在二進(jìn)制移位寄存器發(fā)生器中，若n為級(jí)數(shù)，則所能產(chǎn)生的最大長(zhǎng)度的碼序列為2n1位。 現(xiàn)在來看看如何由多級(jí)移位寄存器經(jīng)線性反饋產(chǎn)生周期性的m序列。圖54(a)為一最簡(jiǎn)單的三級(jí)移位寄存器構(gòu)成的m序列發(fā)生器。 圖54 圖中Dl、D2、D3為三級(jí)移位寄存器，為模二加法器。移位寄存器的作用為在時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下，能將所暫存的“1”或“0”逐級(jí)向右移。模二加法器的作用為圖中(b)所示的運(yùn)算

40、，即0十00，0十11，1十0l，l十10。圖(a)中D2、D3輸出的模二和反饋為Dl的輸入。在圖(c)中示出，在時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下，三級(jí)移位寄存器的暫存數(shù)據(jù)按列改變。D3的變化即輸出序列。如移位寄存器各級(jí)的初始狀態(tài)為111時(shí)，輸出序列為。在輸出周期為23 17的碼序列后，D1、D2、D3又回到111狀態(tài)。在時(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下，輸出序列作周期性的重復(fù)。因7位為所能產(chǎn)生的最長(zhǎng)的碼序列，則為m序列。 這一簡(jiǎn)單的例子說明：m序列的最大長(zhǎng)度決定于移位寄存器的級(jí)數(shù)，而碼的結(jié)構(gòu)決定于反饋抽頭的位置和數(shù)量。不同的抽頭組合可以產(chǎn)生不同長(zhǎng)度和不同結(jié)構(gòu)的碼序列。有的抽頭組合并不能產(chǎn)生最長(zhǎng)周期的序列。對(duì)于何種抽頭能產(chǎn)生何

41、種長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)的碼序列，已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作。現(xiàn)在已經(jīng)得到3 - 100級(jí)m序列發(fā)生器的連接圖和所產(chǎn)生的m序列的結(jié)構(gòu)。 例如4級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的15位的m序列之一為1000。同理我不難得到31、63、127、255、511、l023位的m序列。 一個(gè)碼序列的隨機(jī)性由以下三點(diǎn)來表征： l 一個(gè)周期內(nèi)“l(fā)”和“0”的位數(shù)僅相差1位。 l 一個(gè)周期內(nèi)長(zhǎng)度為 l 的游程(連續(xù)為“0”或連續(xù)為“l(fā)”)占12，長(zhǎng)度為2的游程占l4，長(zhǎng)度3的游程占l8。只有一個(gè)包含n個(gè)“l(fā)”的游程，也只有一個(gè)包含(n1)個(gè)“0”的游程。“l(fā)”和“0”的游程數(shù)相等。 l 一個(gè)周期長(zhǎng)的序列與其循環(huán)移位序列遠(yuǎn)位比較，相同碼的位

42、數(shù)與不相同碼的位數(shù)相差 l位。 M序列的一些基本性質(zhì)： 在m序列中一個(gè)周期內(nèi)“1”的數(shù)目比“0”的數(shù)目多 l位。例如上述7位碼中有4個(gè)“1”和3個(gè)“0”。 在15位碼中有8個(gè)“l(fā)”和7個(gè)“0”。 在表51中列出長(zhǎng)為15位的游程分布。 表51 1000游程分布 游程長(zhǎng)度(比特) 游程數(shù)目 所包含的比特?cái)?shù) “1”的 “0”的 1 2 2 4 2 1 1 4 3 0 1 3 4 1 0 4 游程總數(shù)8 合計(jì)15 一般說來，m序列中長(zhǎng)為R(1 R n 2)的游程數(shù)占游程總數(shù)的l2k。 m序列的自相關(guān)函數(shù)由下式計(jì)算： 令p =A + D = 2n 1 則： 設(shè)n = 3, p = 23 1 7， 則：

43、它正是圖53(d)中所示的二值自相關(guān)函數(shù)。 m序列和其移位后的序列逐位模二相加，所得的序列還是m序列，只是相移不同而已。 例如與向右移三位后的序列逐位模二相加后的序列為，相當(dāng)于原序列向右移一位后的序列，仍是m序列。 m序列發(fā)生器中移位寄存器的各種狀態(tài)，除全0狀態(tài)外，其他狀態(tài)只在m序列中出現(xiàn)一次。 如7位m序列中順序出現(xiàn)的狀態(tài)為111，110，101，010，100，00l和011，然后再回到初始狀態(tài)111。 m序列發(fā)生器中，并不是任何抽頭組合都能產(chǎn)生m序列。理論分析指出，產(chǎn)生的m序列數(shù)由下式?jīng)Q定： F(2n 1) / n 其中由F(X)為歐拉數(shù)(即包括1在內(nèi)的小于X并與它互質(zhì)的正整數(shù)的個(gè)數(shù))。

44、例如5級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的 31位m序列只有6個(gè)。 現(xiàn)在讓我們來討論一下m序列的相關(guān)特性。前面已經(jīng)提到過m 5.2.3 GoId碼序列 m序列雖然性能優(yōu)良，但同樣長(zhǎng)度的m序列個(gè)數(shù)不多，且序列之間的互相關(guān)值并不都好。RGold提出了一種基于m序列的碼序列,稱為Gold碼序列。這種序列有較優(yōu)良的自相關(guān)和互相關(guān)特性，構(gòu)造簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的序列數(shù)多，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。 如有兩個(gè)m序列，它們的互相關(guān)函數(shù)的絕對(duì)值有界，且滿足以下條件： 我們稱這一對(duì)m序列為優(yōu)選對(duì)。它們的互相關(guān)函數(shù)如圖5-5(實(shí)線)，由小于某一極大值的旁瓣構(gòu)成。如果把兩個(gè)m序列發(fā)生器產(chǎn)生的優(yōu)選對(duì)序列模二相加，則產(chǎn)生一個(gè)新的碼序列，即Gold 序

45、列。圖56(a)中示出Gold碼發(fā)生器的的原理結(jié)構(gòu)圖。 圖5-5 圖56(b)中為兩個(gè)5級(jí)m序列優(yōu)選對(duì)構(gòu)成的Gold碼發(fā)生器。這兩個(gè)m序列雖然碼長(zhǎng)相同，但相加以后并不是m序列，也不具備m序列的性質(zhì)。 圖5-6 Gold序列的主要性質(zhì)有以下三點(diǎn)： Gold序列具有三值自相關(guān)特性，類似圖5-5中的自相關(guān)與互相關(guān)特性。其旁辯的極大值滿足上式表示的優(yōu)選對(duì)的條件。 兩個(gè)m序列優(yōu)選對(duì)不同移位相加產(chǎn)生的新序列都是Gold序列。因?yàn)榭偣灿?n1個(gè)不同的相對(duì)位移，加上原來的兩個(gè)m序列本身，所以，兩個(gè)m級(jí)移位寄存器可以產(chǎn)生2n1個(gè)Gold序列。 因此，Gold序列的序列數(shù)比m序列數(shù)多得多。 同類Gold序列互相關(guān)

46、特性滿足優(yōu)選對(duì)條件，其旁瓣的最大值不超過上式的計(jì)算值。 在表22中列出m序列和Gold序列互相關(guān)函數(shù)旁瓣的最大值。 從上表中明顯的看出Gold序列的互相關(guān)峰值和主瓣與旁瓣之比都比m序列小得多。這一特性在實(shí)現(xiàn)碼分多址時(shí)非常有用。 5.3 直擴(kuò)信號(hào)的發(fā)送與接收 在圖5l中所示出的直擴(kuò)系統(tǒng)發(fā)送接收系統(tǒng)的原理方框中，在發(fā)端輸入信息要經(jīng)過信息調(diào)制“擴(kuò)頻和射頻調(diào)制”，在收端接收到的信號(hào)要經(jīng)過變頻、解擴(kuò)和信息解調(diào)。與一般模擬或數(shù)字通信系統(tǒng)比較，信息識(shí)別與解調(diào)、射頻的上變頻和下變頻，情況基本相同。 直擴(kuò)通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于直擴(kuò)信號(hào)的產(chǎn)生，即擴(kuò)頻調(diào)制和直擴(kuò)信號(hào)的接收，即相關(guān)解擴(kuò)。 5.3.1 擴(kuò)頻調(diào)制 通過對(duì)

47、擴(kuò)頻信號(hào)波形與頻譜關(guān)系的分析和對(duì)PN碼序列性能的了解，來說明獲得擴(kuò)頻信號(hào)的調(diào)制方法就比較容易了。一般說來，都是用高碼率的PN碼脈沖序列去進(jìn)行調(diào)制擴(kuò)展信號(hào)的頻譜的。 通常采用的調(diào)制方式為BPSK，輸入信號(hào)與PN 碼在平衡調(diào)制器調(diào)制而輸出展寬的擴(kuò)頻信號(hào)；圖5-2中已經(jīng)表示出直擴(kuò)擴(kuò)頻調(diào)制的原理圖。圖中平衡調(diào)制器的輸出信號(hào)的中心頻率位置決定于輸入的載波頻率，在這里是載頻抑制的。而兩個(gè)邊帶則為展寬的頻譜，它決定于調(diào)制PN碼脈沖的寬度。PN碼碼率越高，或脈沖寬度越窄，擴(kuò)展的頻譜越寬。 那么這一擴(kuò)頻調(diào)制的原理是如何具體實(shí)現(xiàn)的呢? 圖5-7(a)中為一常見的二極管平衡調(diào)制器。它的作用原理是：左端上面輸入為正弦

48、載波信號(hào)，下面輸入的是PN碼脈沖信號(hào)。4個(gè)二極管起作開關(guān)的作用。當(dāng)脈沖信號(hào)為正D2、D3導(dǎo)通，此時(shí)輸出變壓器中載波信號(hào)電流是向上的。脈沖輸入信號(hào)變負(fù)時(shí)，Dl，D4導(dǎo)通，此時(shí)輸出變壓器中載波電流是向下的。換句話說，隨著脈沖信號(hào)極性的不同，輸出載波信號(hào)的相位改變180。因此，平衡調(diào)制器起到了二相相移鍵控(BPSK)調(diào)制器的作用。輸出正弦波相位改變的情況如圖57(b)中所示。 平衡調(diào)制器的一個(gè)重要特性是輸出的調(diào)制信號(hào)是載波抑制的。這對(duì)于擴(kuò)頻通信是很重要的。無載波發(fā)射，既可節(jié)省功率，又可使擴(kuò)頻信號(hào)更加隱蔽，不易被 發(fā)覺。平衡調(diào)制器對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)來說相當(dāng)于乘法器。 如果載波信號(hào)用Acosvct表示，脈沖

49、信號(hào)用m(t)表示，則輸出信號(hào)為二者乘積： Am(t)cosvct 如果m(t)取值為土l，則輸出信號(hào)根據(jù)三角公式可分解為相位相差180的兩個(gè)分量之和如圖57(c)所示，它相當(dāng)于只有兩個(gè)邊頻而無載波。但在直擴(kuò)系統(tǒng) 中，調(diào)制脈沖不是周期性的規(guī)則脈沖，而是PN碼脈沖序列。 圖5-7 在圖52中已示出周期性的脈沖序列的頻譜，而是呈(sinx/x)2型的分布。因此，實(shí)際PN碼調(diào)制載波獲得的功率譜邊呈(sinx/x)2型分布，如圖58(a)所示，它好像是分布為 (sinx)/x2的噪聲一樣。圖中這一波型是比較理想的平衡調(diào)制器的波型。實(shí)際的平衡調(diào)制器，有時(shí)不能做到真正平衡。因此，可能出現(xiàn)載波不能完全抑制，

50、或調(diào)制的PN脈沖信號(hào)有泄漏，以及鐘脈沖信號(hào)泄漏到輸出端的情況。圖58(b)，(c)，(d)分別示出這三種情況的輸出波形。當(dāng)然，它們都是我們所不希望的和應(yīng)盡量想法避免的。 圖58 除了BPSK調(diào)制獲得擴(kuò)頻信號(hào)外，還可以采用QPSK及MSK調(diào)制來進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。 5.3.2 相關(guān)解擴(kuò) 前面說了直擴(kuò)系統(tǒng)在發(fā)端用PN碼進(jìn)行調(diào)制以擴(kuò)展信號(hào)頻譜。那么在收端又如何解擴(kuò)呢? 也就是如何從頻譜已經(jīng)擴(kuò)展的信號(hào)中把要傳的基帶有用信息解調(diào)出來呢? 一般采用相關(guān)檢測(cè)或匹配濾波的方法來解擴(kuò)。 所謂相關(guān)檢測(cè)，一個(gè)簡(jiǎn)單的譬喻就是用像片去對(duì)照找人。如果想在一群人中去尋找某個(gè)不相識(shí)的人，最簡(jiǎn)單有效的方法就是手里有一張某人的照片，然

51、后用照片一個(gè)一個(gè)的對(duì)比，這樣下去，自然能夠找到某人。同理，當(dāng)你想檢測(cè)出所需要的有用信號(hào)，有效的方法是在本地產(chǎn)生一個(gè)相同的信號(hào)，然后用它與接收到的信號(hào)對(duì)比，求其相似性。換句話說，就是用本地產(chǎn)生的相同的信號(hào)與接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，其中相關(guān)函數(shù)最大的就最可能是所要的有用信號(hào)。 圖52中已表示出基本的解擴(kuò)過程。也就是在收端產(chǎn)生與發(fā)端完全相同的PN碼，對(duì)收到的擴(kuò)頻信號(hào)，在平衡調(diào)制器中再一次進(jìn)行二相相移鍵控調(diào)制。在圖51(b)中可以看出發(fā)端相移鍵控調(diào)制后的信號(hào)在收端又被恢復(fù)成原來的載波信號(hào)。當(dāng)然一個(gè)必要的條件是本地的PN碼信號(hào)的相位必須和收到的相移后的信號(hào)在相移點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，才能正確地將相移后的信號(hào)再翻轉(zhuǎn)過

52、來。由此可見，收發(fā)兩端信號(hào)的同步十分重要。下面我們將進(jìn)一步較詳細(xì)地加以討論。 另外從圖52(b)中的頻譜圖上也可以看出，平衡調(diào)制器把收到的展寬的信號(hào)解擴(kuò)成信息調(diào)制的載波。最后經(jīng)帶通濾波器輸出。以上所述就是所謂的相關(guān)解擴(kuò)過程。通常為了處理方便，大多在中頻進(jìn)行。也就是接收到的擴(kuò)頻信號(hào)，先在變頻器中先變換到中頻，再進(jìn)入到平衡調(diào)制器中解擴(kuò)。其后接中頻帶通濾波器輸出。有時(shí)為了避免強(qiáng)干擾信號(hào)從平衡調(diào)制器的輸入端繞過它而泄漏到輸出端去，可以來用外差相關(guān)解擴(kuò)，如圖59所示。 圖59 本地產(chǎn)生的PN碼先與本地振蕩器產(chǎn)生的與接收信號(hào)差一個(gè)中頻信號(hào)的本地振蕩信號(hào)在下面一個(gè)平衡調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生本地參考信號(hào)。它是一

53、個(gè)展寬了的信號(hào)。然后，此本地參考信號(hào)與接收的信號(hào)在上面一個(gè)平衡調(diào)制器調(diào)制成中頻輸出信號(hào)。這時(shí)平衡調(diào)制器實(shí)際上起的是混頻器的作用。由于它的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)不同，也就不會(huì)發(fā)生強(qiáng)干擾信號(hào)直接繞過去的泄漏了。并且后面還有一個(gè)中頻帶通濾波器，可以起到濾除干擾的作用。 相關(guān)解擴(kuò)過程對(duì)擴(kuò)頻通信至關(guān)重要。正是這一解擴(kuò)過程大大提高了系統(tǒng)的抗擾能力。 圖510(a)示出一直擴(kuò)接收機(jī)的簡(jiǎn)化框圖。輸入信號(hào)除直擴(kuò)信號(hào)外，還有連續(xù)載波干擾和寬帶信號(hào)干擾。圖510(b)中示出三種信好的處理過程。由于解擴(kuò)相關(guān)器對(duì)連續(xù)載波起作擴(kuò)頻的作用，把它變換成展寬的直擴(kuò)信號(hào)。同理，對(duì)輸入的不是相同PN碼調(diào)制的寬帶信號(hào)也進(jìn)一步展寬2倍。這兩種信號(hào)經(jīng)窄帶濾波器后，只剩下一小部分干擾信號(hào)能量。與解擴(kuò)出的信息調(diào)制載波相比較，輸出的信噪比大大提高了。由此可見，頻帶展得越寬，功率譜密度越低，經(jīng)窄帶濾波后殘余的干擾信號(hào)能量就更小了。