擴(kuò)頻技術(shù)講座

1、二OO三年四月六日目 錄第一講擴(kuò)頻通信系統(tǒng)概述4第二講擴(kuò)展頻譜通信的基本概念42.1 擴(kuò)展頻譜通信的定義42.2 擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)52.3 擴(kuò)頻通信的主要性能指標(biāo)7第三講     擴(kuò)展頻譜通信的主要特點(diǎn)73.1 易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率83.2 抗干擾性強(qiáng)，誤碼率低83.3 隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小93.4 可以實(shí)現(xiàn)碼分多址93.5 抗多徑干擾93.6 能精確地定時(shí)和測距103.7 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)103.8 安裝簡便，易于維護(hù)10第四講     擴(kuò)頻通信的工作原理及工作方式1

2、04.1 工作原理104.2 擴(kuò)頻通信的幾種工作方式11第五講直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)165.1 直擴(kuò)系統(tǒng)的組成及原理165.2 擴(kuò)頻碼序列195.3  直擴(kuò)信號的發(fā)送及接收275.4  直擴(kuò)系統(tǒng)的同步335.5  直擴(kuò)系統(tǒng)的性能41第六講     跳頻系統(tǒng)446.1 跳頻系統(tǒng)概述446.2 跳頻信號的發(fā)送及接收526.3 跳頻系統(tǒng)的同步566.4 跳頻圖案的產(chǎn)生60第七講   混合式擴(kuò)頻系統(tǒng)637.1 為什么提出混合式擴(kuò)頻系統(tǒng)？637.2 幾種主要的混合式擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)667.3 混合式擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的適用性69第一講 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)概

3、述擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信(Spread Spectrum Communication)，它及光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時(shí)代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。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)。 這種通信方式及常規(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)：       

4、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

5、測量等 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、電子對抗以及導(dǎo)航、測量等各個(gè)領(lǐng)域。直到80年代初才被應(yīng)用于民用通信領(lǐng)域。為了滿足日益增長的民用通信容量的需求和有效地利用頻譜資源，各國都紛紛提出在數(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、監(jiān)控、報(bào)警等系統(tǒng)中。第二講 擴(kuò)展頻譜通信的基本概念2.1 擴(kuò)展頻譜通信的定義所謂擴(kuò)展頻譜通信，可簡單表述如下：“擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬

6、；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，及所傳信息數(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：一、信號的頻譜被展寬了。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挼男盘杹韨鬏斝畔?。在無線電通信中射頻信號的帶寬及所傳信息的帶寬是相比擬的。如用調(diào)幅信號來傳送語音信息，其帶寬為語音信息帶寬的兩倍；電視廣播射頻信號帶寬也只是其視頻信號帶寬的一倍多。這些都屬于窄帶通信。

7、一般的調(diào)頻信號，或脈沖編碼調(diào)制信號，它們的帶寬及信息帶寬之比也只有幾到十幾。擴(kuò)展頻譜通信信號帶寬及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號來傳輸信息呢? 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頻譜。我們知道，在時(shí)間上有限的信號，其頻譜是無限的。例如很窄的脈沖信號，其頻譜則很寬。信號的頻帶寬度及其持續(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。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。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

8、列。這里需要說明的一點(diǎn)是所采用的擴(kuò)頻碼序列及所傳信息數(shù)據(jù)是無關(guān)的，也就是說它及一般的正弦載波信號一樣，絲毫不影響信息傳輸?shù)耐该餍?。擴(kuò)頻碼序列僅僅起擴(kuò)展信號頻譜的作用。   三、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及發(fā)送端相同的擴(kuò)頻碼序列及收到的擴(kuò)頻信號進(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，而在收端又將其解擴(kuò)成窄帶信息的處理過程，會帶來一系列好

9、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)長期以來，人們總是想法使信號所占領(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來傳送信息呢? 簡單的回答就是主要為了通信的安全可靠。擴(kuò)頻通信的基本特點(diǎn)，是傳輸信號所占用的頻帶寬度(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

10、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)男盘栒加帽M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)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)于信息容量的香農(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 - 信號頻帶寬度P - 信號功率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。

11、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 - 信號能量N。- 噪聲功率譜密度因?yàn)?，信號功?PET (T為信息持續(xù)時(shí)間) 噪聲功率 NWN。 (W為信號頻帶寬度) 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，對于一定帶寬DF的信息而言

12、，用Gp值較大的寬帶信號來傳輸，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)及式(2)一樣，說明信噪比和帶寬是可以互換的?？傊?，我們用信息帶寬的100倍，甚至1000倍以上的寬帶信號來傳輸信息，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及頻帶擴(kuò)展后的信號帶寬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

13、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?？垢蓴_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

14、比擴(kuò)頻信號功率電平高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。第三講     擴(kuò)展頻譜通信的主要特點(diǎn)由于擴(kuò)頻通信能大大擴(kuò)展信號的頻譜，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，雖然從長波到微波都得到了開發(fā)利用，仍然滿足不了社會的需求。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。   

15、 為此，世界各國都設(shè)立了頻率管理機(jī)構(gòu)，用戶只能使用申請獲準(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, 也可及現(xiàn)今各種窄道通信共享同一頻率資源。所以，在美國及世界絕大多數(shù)國家，擴(kuò)頻通信不需申請頻率，任何個(gè)人及單位可以無執(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)所占有的帶寬相對較寬，而收端又采用相關(guān)檢測的辦法來解擴(kuò)，使有用寬帶信息信號恢復(fù)成窄帶信號，而把非所需信號擴(kuò)展成寬帶信號，然后通過窄帶濾波

16、技術(shù)提取有用的信號。這祥，對于各種干擾信號，因其在收端的非相關(guān)性，解擴(kuò)后窄帶信號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。對于寬帶干擾和脈沖干擾在擴(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。對于各種形式人為的(如電子對抗中)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，而有用信號將被壓縮，見圖3.1所示。

17、  圖3.1 擴(kuò)頻系統(tǒng)抗寬帶干擾能力示意圖對于脈沖干擾，帶寬將被展寬到B，而有用信號恢復(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，完全能滿足國內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)對通道傳輸質(zhì)量的要求。   3.3 隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小由于擴(kuò)頻信號在相對較寬的頻帶上被擴(kuò)展了，單位頻帶內(nèi)的功率很小，信號湮沒在噪聲里，一般不容易被發(fā)現(xiàn)，而想進(jìn)一步檢測信號的參數(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)頻信號具有很低的功率譜密度

18、，它對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，提取出有用信號。這樣一來，在一寬頻帶上許多對用戶可以同時(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

19、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)的有用信號分離出來，排除其他路徑的干擾信號，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、不同相位的倍號在接收端從時(shí)域上對齊相加，合并成較強(qiáng)的有用信號，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中提取和分離出最強(qiáng)的有用信號，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)和測距我們知道電磁波在空間的傳播速度是固定不變的光速

20、。人們自然會想到如果能夠精確測量電磁波在兩個(gè)物體之間傳播的時(shí)間，也就等于測量兩個(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)頻信號在被測物體反射回來后，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，就可以精確測出擴(kuò)頻信號往返的時(shí)間差，從而算出二者之間的距離。測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。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

21、。3.8 安裝簡便，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。第四講     擴(kuò)頻通信的工作原理及工作方式4.1 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，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)字信號以展寬信號的頻譜。展寬后的信號再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。在接收端收到的寬帶射頻信號，變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的及發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)。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

22、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)。及一般通信系統(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)頻信號還

23、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，它相當(dāng)于載波抑制的調(diào)幅雙邊帶信號。圖中輸入載波信號的頻率為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，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。可將頻譜為fcG(C) 的擴(kuò)頻信號，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fc。4.2.2 跳變頻率(Frequency Hopping)工作方式，簡稱跳

24、頻(FH)方式另外一種擴(kuò)展信號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。簡單的頻移鍵控如2FSK，只有兩個(gè)頻率，分別代表傳號和空號。而跳頻系統(tǒng)則有幾個(gè)、幾十個(gè)、甚至上干個(gè)頻率、由所傳信息及擴(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)端信息碼序列及擴(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。在收端，為了解跳頻信號，需要有及

25、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能在混頻器中及接收信號差頻出固定的中頻信號，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，簡稱跳時(shí)(TH)方式及跳頻相似，跳時(shí)(THTime Hopping)是使發(fā)射信號在時(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)射信號由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制。可以把跳時(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

26、號，相對說來，信號的頻譜也就展寬了。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)輸出的中頻信號經(jīng)本地產(chǎn)生的及發(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)。由于簡單

27、的跳時(shí)抗于攏性不強(qiáng)，很少單獨(dú)使用。跳時(shí)通常都及其他方式結(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，簡稱Chirp方式如果發(fā)射的射頻脈沖信號在一個(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。它和掃頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號一樣。在收端，線性調(diào)頻脈沖由匹配濾波器對其進(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。

28、匹配濾波器可采用色散延遲線，它是一個(gè)存儲和累加器件。其作用機(jī)理是對不同頻率的延遲時(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及調(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

29、接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)。其信號的頻譜如圖45所示。 圖45 由圖可見，一個(gè)DS擴(kuò)頻信號在一個(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。對于DSFHTH，它把三種擴(kuò)頻方式組合在一起，在

30、技術(shù)實(shí)現(xiàn)上肯定是很復(fù)雜的。但是對于一個(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。第五講 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)5.1 直擴(kuò)系統(tǒng)的組成及原理5.1.1 組成及原理    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)頻信號還原成原始的信息。圖51為直擴(kuò)系統(tǒng)的組成及原理框圖。 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

31、信息。將此信息在信息調(diào)制器中先對某一副載額fo進(jìn)行調(diào)制(例如進(jìn)行調(diào)幅或窄帶調(diào)頻)，得到一中心頻率為fo而帶寬為2fin的信號，即通常的窄帶信號。一般的窄帶通信系統(tǒng)直接將此信號在發(fā)射機(jī)中對射頻進(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)碼序列對窄帶信號進(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。選擇fc fo fin。這樣得到了帶寬為2fc的載波抑制的寬帶信號。這一擴(kuò)展了頻譜的信號再送到發(fā)射機(jī)中去對射頻fT進(jìn)行調(diào)制后由天線輻射出去。信號在射頻信道傳輸過程中必然受到各種外

32、來信號的干擾。因此，在收端，進(jìn)入接收機(jī)的除有用信號外還存在干擾信號。假定干擾為功率較強(qiáng)的窄帶信號，寬帶有用信號及干擾信號同時(shí)經(jīng)變頻至中心頻率為中頻fI輸出。不言而喻，對這一中頻寬帶信號必須進(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，通常也是用及發(fā)端相同的調(diào)制器，并用及發(fā)端完全相同的偽隨機(jī)碼序列對收到的寬帶信號再一次進(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)頻信號恢復(fù)成相移鍵控前的原始信號。從頻譜上看則表現(xiàn)為寬帶信號被解擴(kuò)壓縮還原成窄帶信號。這一窄帶信號經(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。但是對于進(jìn)入接收機(jī)的變窄帶干擾信號，在收端調(diào)制器

33、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。由于干擾信號頻譜的擴(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)輸入端的信號及噪聲經(jīng)過解擴(kuò)處理，使信號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信號進(jìn)行擴(kuò)頻及解擴(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

34、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)器多采用平衡調(diào)制器，制作簡單又能抑制載被。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    &

35、#160;   接收端多采用產(chǎn)生本地偽隨機(jī)碼序列對接收信號進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，或采用匹配濾波器來解擴(kuò)信號。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)信號的波形及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

36、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，可以用富氏級數(shù)展開的數(shù)學(xué)方法求出它的頻譜分布圖?，F(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

37、的波形，在頻譜無限的；相反，頻譜有限的信號，在時(shí)間上也是無限的。但一般來說，信號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)，稱為信號的頻帶寬度，以Bf表示。從數(shù)學(xué)分析可知，信號譜線間隔決定于脈沖序列的重復(fù)周期，即fo1/To。而信號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       

38、 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。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。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的頻譜。  &

39、#160;二是如果信號的總能量不變，則頻譜的展寬，使各頻譜成分的幅度下降，換句話說，信號的功率譜密度降低。這就是為什么可以用擴(kuò)頻信號進(jìn)行隱蔽通信，及擴(kuò)頻信號具有低的被截獲概率的原故。5.2 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)信號和噪聲是不能重

40、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)信號或噪聲性能的信號來傳輸信息呢？許多理論研究表明，在信息傳輸中各種信號之間的差別性能越大越好。這樣任意兩個(gè)信號不容易混淆，也就是說，相互之間不易發(fā)生干擾，不會發(fā)生誤判。理想的傳輸信息的信號形式應(yīng)是類似噪聲的隨機(jī)信號，因?yàn)槿∪魏螘r(shí)間上不同的兩段噪聲來比較都不會完全相似。用它們代表兩種信號，其差別性就最大。在數(shù)學(xué)上是用自相關(guān)函數(shù)來表示信號及它自身相移以后的相似性的。隨機(jī)信號的自相關(guān)函數(shù)的定義為下列積分：  式中 f(t)為信號的時(shí)間函數(shù)，t為時(shí)間延遲。上式的物理概念是

41、f(t)及其相對延遲的t的f( t - t)來比較: 如二者不完全重疊，即t¹ 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)及自身延遲后的f( t t)的相關(guān)性，故稱為自相關(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

42、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及本地產(chǎn)生的相同信號復(fù)制品之間的波形和相位是否完全一致。相位完全對準(zhǔn)時(shí)有輸出，沒有對準(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。我們所能做到的是產(chǎn)生一種具有類似自相關(guān)特性的周期性信號。 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

43、關(guān)峰值在t0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, 即碼位長的倒數(shù)取負(fù)值。當(dāng)碼長取得很大時(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。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，及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，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)性小的信號來表示不同的用戶。兩個(gè)不同信號波形f(t)及g(

44、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)信號的互相關(guān)值越小越好，則它們越容易被區(qū)分，且相互之間的干擾也小。5.2.1 m序列m序列是最長線性移位寄存器序列的簡稱。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序列是由多級移位寄存器或其他延遲元件通過線性反饋產(chǎn)生的最長的碼序列。在二進(jìn)制移位寄存器發(fā)生器中，若n為級數(shù)，則所能產(chǎn)生的最大長度的碼序列為2n1位?，F(xiàn)在來看看如何由多級移

45、位寄存器經(jīng)線性反饋產(chǎn)生周期性的m序列。圖54(a)為一最簡單的三級移位寄存器構(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”逐級向右移。模二加法器的作用為圖中(b)所示的運(yùn)算，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。如移位寄存器各級的初始狀態(tài)為111時(shí)，輸出序列為。在輸出周期為2317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

46、，輸出序列作周期性的重復(fù)。因7位為所能產(chǎn)生的最長的碼序列，則為m序列。這一簡單的例子說明：m序列的最大長度決定于移位寄存器的級數(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)生最長周期的序列。對于何種抽頭能產(chǎn)生何種長度和結(jié)構(gòu)的碼序列，已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作?，F(xiàn)在已經(jīng)得到3 - 100級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級移位寄存器產(chǎn)生的15位的m序列之一為1111。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   

47、60;    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)長度為 l 的游程(連續(xù)為“0”或連續(xù)為“l(fā)”)占12，長度為2的游程占l4，長度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)周期長的序列及其循環(huán)移位序列遠(yuǎn)位比較，相同碼的位數(shù)及不相同碼的位數(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

48、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中列出長為15位的游程分布。表51 1111游程分布游程長度(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 = 2n1 則： 設(shè)n = 3, p = 23 1 7，則： 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

49、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。例如及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并及它互質(zhì)的正整數(shù)的個(gè)數(shù))。例如5級移位寄存器產(chǎn)生的 31位m序列只有6個(gè)?，F(xiàn)在讓我們來討論一下m序

50、列的相關(guān)特性。前面已經(jīng)提到過m5.2.3 GoId碼序列 m序列雖然性能優(yōu)良，但同樣長度的m序列個(gè)數(shù)不多，且序列之間的互相關(guān)值并不都好。R·Gold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)的絕對值有界，且滿足以下條件：    我們稱這一對m序列為優(yōu)選對。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)選對序列模二相加，則產(chǎn)生一個(gè)新的碼序列，即Gold 序列。圖56(a)中示

51、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m序列優(yōu)選對構(gòu)成的Gold碼發(fā)生器。這兩個(gè)m序列雖然碼長相同，但相加以后并不是m序列，也不具備m序列的性質(zhì)。圖5-6Gold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)及互相關(guān)特性。其旁辯的極大值滿足上式表示的優(yōu)選對的條件。兩個(gè)m序列優(yōu)選對不同移位相加產(chǎn)生的新序列都是Gold序列。因?yàn)榭偣灿?n1個(gè)不同的相對位移，加上原來的兩個(gè)m序列本身，所以，兩個(gè)m級移位寄存器可以產(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)特性滿足優(yōu)選對條件，其旁

52、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)峰值和主瓣及旁瓣之比都比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)信號的發(fā)送及接收在圖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要經(jīng)過變頻、解擴(kuò)和信息解調(diào)。及一般模擬或數(shù)字通信系統(tǒng)比較，信息識別及解調(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)信號的產(chǎn)生，即擴(kuò)頻調(diào)制和直擴(kuò)信號的接收，即相關(guān)解擴(kuò)。5.3.1 擴(kuò)頻調(diào)制通過對擴(kuò)頻信號波形

53、及頻譜關(guān)系的分析和對PN碼序列性能的了解，來說明獲得擴(kuò)頻信號的調(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)展信號的頻譜的。通常采用的調(diào)制方式為BPSK，輸入信號及PN 碼在平衡調(diào)制器調(diào)制而輸出展寬的擴(kuò)頻信號；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

54、為正弦載波信號，下面輸入的是PN碼脈沖信號。4個(gè)二極管起作開關(guān)的作用。當(dāng)脈沖信號為正D2、D3導(dǎo)通，此時(shí)輸出變壓器中載波信號電流是向上的。脈沖輸入信號變負(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，隨著脈沖信號極性的不同，輸出載波信號的相位改變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)制信號是載波抑制的。這對于擴(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)頻信號更加隱蔽，不易被發(fā)覺。平衡調(diào)制器對兩個(gè)輸入信號來說相當(dāng)于乘法器。如果載波信號用Acosvc

55、t表示，脈沖信號用m(t)表示，則輸出信號為二者乘積：Am(t)cosvct 如果m(t)取值為土l，則輸出信號根據(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

56、波不能完全抑制，或調(diào)制的PN脈沖信號有泄漏，以及鐘脈沖信號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)檢測或匹配濾波的方法來解擴(kuò)。所謂相關(guān)檢測，一個(gè)簡單的譬喻就是用像片去對照找人。如果想在一群人中去尋找某個(gè)不相識的人，最簡單有效的方法就是手里有

57、一張某人的照片，然后用照片一個(gè)一個(gè)的對比，這樣下去，自然能夠找到某人。同理，當(dāng)你想檢測出所需要的有用信號，有效的方法是在本地產(chǎn)生一個(gè)相同的信號，然后用它及接收到的信號對比，求其相似性。換句話說，就是用本地產(chǎn)生的相同的信號及接收到的信號進(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。圖52中已表示出基本的解擴(kuò)過程。也就是在收端產(chǎn)生及發(fā)端完全相同的PN碼，對收到的擴(kuò)頻信號，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)制后的信號在收端又被恢復(fù)成原來的載波信號。當(dāng)然一個(gè)必要的條件是本地的PN碼信號的相位必須和收到的相移后的信號在相移點(diǎn)對準(zhǔn)，才能正確地將相移

58、后的信號再翻轉(zhuǎn)過來。由此可見，收發(fā)兩端信號的同步十分重要。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，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碼先及本地振蕩器產(chǎn)生的及接收信號差一個(gè)中頻信號的本地振蕩信號在下面一個(gè)平衡調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)

59、生本地參考信號。它是一個(gè)展寬了的信號。然后，此本地參考信號及接收的信號在上面一個(gè)平衡調(diào)制器調(diào)制成中頻輸出信號。這時(shí)平衡調(diào)制器實(shí)際上起的是混頻器的作用。由于它的輸入信號及輸出信號不同，也就不會發(fā)生強(qiáng)干擾信號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)的簡化框圖。輸入信號除直擴(kuò)信號外，還有連續(xù)載波干擾和寬帶信號干擾。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。同理，對輸入的不是相同PN碼調(diào)制的寬帶信號也

60、進(jìn)一步展寬2倍。這兩種信號經(jīng)窄帶濾波器后，只剩下一小部分干擾信號能量。及解擴(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能量就更小了。這里也可以看出，在接收端，窄帶濾波器對提高抗干擾性起作很關(guān)鍵的作用，因而在實(shí)際應(yīng)用中，對其性能指標(biāo)的要求也就很嚴(yán)格。 圖510 相關(guān)解擴(kuò)在性能上固然很好，但總是需要在接收端產(chǎn)生本地PN碼。這一點(diǎn)有時(shí)帶來許多不方便。例如，解決本地信號及接收信號的同步問題就很麻煩，還不能做到實(shí)時(shí)把有用信號檢測出來。因?yàn)槠ヅ錇V波和相關(guān)檢測的作用在本質(zhì)上是一樣的，我們可以用匹配濾波器來解擴(kuò)直擴(kuò)信號。所謂匹配濾波器，就是及信號相匹配的濾波器，它能在多種信號或干擾中把及之匹配的信號檢測出來。這同樣是一