擴(kuò)頻通信的基本基本知識

1、擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)1.1 擴(kuò)頻通信的基本概念通信理論和通信技術(shù)的研究，是圍繞著通信系統(tǒng)的有效性和可靠性這兩個(gè)基 本問題展開的，所以有效性和可靠性是設(shè)計(jì)和評價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)的主要性能指 標(biāo)。通信系統(tǒng)的有效性，是指通信系統(tǒng)傳輸信息效率的高低。這個(gè)問題是討論怎 樣以最合理、最經(jīng)濟(jì)的方法傳輸最大數(shù)量的信息。在模擬通信系統(tǒng)中， 多路復(fù)用 技術(shù)可提高系統(tǒng)的有效性。顯然，信道復(fù)用程度越高，系統(tǒng)傳輸信息的有效性就 越好。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，因此傳輸?shù)挠行允怯脗鬏?速率來衡量的。通信系統(tǒng)的可靠性， 是指通信系統(tǒng)可靠地傳輸信息。 由于信息在傳輸過程中 受到干擾，收到的信息與發(fā)出的信息并不完全相

2、同。 可靠性就是用來衡量收到信 息與發(fā)出信息的符合程度。因此，可靠性決定于系統(tǒng)抵抗干擾的性能，也就是說, 通信系統(tǒng)的可靠性決定于通信系統(tǒng)的抗干擾性能。在模擬通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)目?靠性是用整個(gè)系統(tǒng)的輸出信噪比來衡量的。 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)目煽啃允?用信息傳輸?shù)牟铄e(cuò)率來描述的。擴(kuò)展頻譜通信由于具有很強(qiáng)的抗干擾能力， 首先在軍用通信系統(tǒng)中得到了應(yīng) 用。近年來，擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)的理論和應(yīng)用發(fā)展非常迅速， 在民用通信系統(tǒng)中 也得到了廣泛的應(yīng)用。擴(kuò)頻通信是擴(kuò)展頻譜通信的簡稱。我們知道，頻譜是電信號的頻域描述。承 載各種信息(如語音、圖象、數(shù)據(jù)等)的信號一般都是以時(shí)域來表示的，即信息 信號可表示為一個(gè)

3、時(shí)間的函數(shù) f(t)。信號的時(shí)域表示式 f(t)可以用傅立葉變換得 到其頻域表示式 F(f)。頻域和時(shí)域的關(guān)系由式(1-1)確定：F(f) f(t)ej2ntdtf (t)F(f)ej2ntdf函數(shù) f(t)的傅立葉變換存在的充分條件是f(t)滿足狄里赫萊(Dirichlet)條件，或在區(qū)間(-%,+%)內(nèi)絕對可積，即| f(t)dt 必須為有限值。擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)是指待傳輸信息信號的頻譜用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)(與待傳輸?shù)男畔⑿盘?f(t)無關(guān))擴(kuò)展后成為寬頻帶信號，然后送入信道中傳輸；在接 收端再利用相應(yīng)的技術(shù)或手段將其擴(kuò)展了的頻譜壓縮， 恢復(fù)為原來待傳輸信息信 號的帶寬，從而到達(dá)傳輸信息目的

4、的通信系統(tǒng)。 也就是說在傳輸同樣信息信號時(shí) 所需要的射頻帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被傳輸信息信號所必需的最小的帶寬。擴(kuò)展頻譜后 射頻信號的帶寬至少是信息信號帶寬的幾百倍、幾千倍甚至幾萬倍。信息已不再 是決定射頻信號帶寬的一個(gè)重要因素，射頻信號(1-1)的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)來決定。由此可見，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)有以下兩個(gè)特點(diǎn)：(1)傳輸信號的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被傳輸?shù)脑夹畔⑿盘柕膸挘?2)傳輸信號的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)決定，此擴(kuò)頻函數(shù)通常是偽隨機(jī)(偽噪 聲)編碼信號。以上兩個(gè)特點(diǎn)有時(shí)也稱為判斷擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的準(zhǔn)則。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是其具有很強(qiáng)的抗人為干擾、抗窄帶干擾、抗多徑干擾的能力。這里我們先定性地說明一下擴(kuò)頻通

5、信系統(tǒng)具有抗干擾能力的理論依 據(jù)。擴(kuò)頻通信的基本理論根據(jù)是信息理論中香農(nóng)(CEShannon)的信道容量公式C Blog21(1-2)N式中：C信道容量，b/s;B信道帶寬，Hz;S信號功率，W;N- 噪聲功率，W。香農(nóng)公式表明了一個(gè)信道無差錯(cuò)地傳輸信息的能力同存在于信道中的信噪 比以及用于傳輸信息的信道帶寬之間的關(guān)系。令C是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，對(1-2)式進(jìn)行變換C1.44ln 1 (1-3)BN對于干擾環(huán)境中的典型情況，當(dāng)N1時(shí)，用冪級數(shù)展開(1-3)式,并略去高次項(xiàng)得CS1.44(1-4)BN或B 0.7CN(1-5)S由式(1-4)和(1-5)可看出，對于任意給定的

6、噪聲信號功率比N/S，只要增加 用于傳輸信息的帶寬B,就可以增加在信道中無差錯(cuò)地傳輸信息的速率C?；蛘?說在信道中當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信號噪聲功率比S/N下降時(shí)，可以用增加系統(tǒng)傳輸帶 寬B的辦法來保持信道容量C不變?；蛘哒f對于任意給定的信號噪聲功率比S/N，可以用增大系統(tǒng)的傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯(cuò)率。若N/S 100(20dB)，C 3kb/s，則當(dāng)B 0.7 100 3 210kHz時(shí)，就可 以正常的傳送信息，進(jìn)行可靠的通信了。這就說明了增加信道帶寬B,可以在低的信噪比的情況下，信道仍可在相同 的容量下傳送信息。甚至在信號被噪聲淹沒的情況下，只要相應(yīng)的增加信號帶寬 也能保持可靠的通信。如系統(tǒng)工作

7、在干擾噪聲比信號大100倍的信道上，信息速率R=c=3kb/s，則信息必須在B 210kHz帶寬下傳輸，才能保證可靠的通 信。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)正是利用這一原理，用高速率的擴(kuò)頻碼來擴(kuò)展待傳輸信息信號 帶寬的手段，來達(dá)到提高系統(tǒng)抗干擾能力的目的。 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)通 信系統(tǒng)的帶寬大幾百倍乃至幾萬倍，所以在相同信息傳輸速率和相同信號功率的 條件下，具有較強(qiáng)的抗干擾的能力。香農(nóng)在其文章中指出，在高斯噪聲的干擾情況下，在受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是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號。 這是因?yàn)楦咚拱自肼曅盘柧哂欣硐氲淖韵嚓P(guān)特性，其功率譜密度函數(shù)為S(f)N。2-oof Tb，這樣的頻

8、率跳變系統(tǒng)稱為頻率慢跳變系統(tǒng)?，F(xiàn)舉 例說明頻率慢跳變系統(tǒng)的工作過程，參見圖1-7o圖 1-7頻率慢圖 1-8 頻率快跳變系統(tǒng)頻率跳變示意圖圖1-7中，Bb2/Tb, Tc3Tb, BRF8Bb。數(shù)據(jù)調(diào)制器根據(jù)二進(jìn)制數(shù)據(jù) 信號選擇兩個(gè)頻率中的一個(gè)，即每隔 Tb秒數(shù)據(jù)調(diào)制器從兩個(gè)頻率中選擇一個(gè)。頻率合成器有8個(gè)頻率fl，f6，f7，f3，f8，f2，f4，彳5可供跳變，每傳送3個(gè)比特后跳變到一個(gè)新的頻率。該頻率跳變信號在收信機(jī)中同本地參考振蕩信號 進(jìn)行下變頻，參考本振頻率的集合為flflF，f6flF， f7flF，f3flF，f8flF，f2flF，f4flF，f5G，下變頻后的中頻信號集中在頻

9、率為 S、 寬度為 Bb的頻帶中。在頻率慢跳變系統(tǒng)中，頻率的跳變速度比數(shù)據(jù)調(diào)制器輸出符號的變化速度 慢。若在每個(gè)數(shù)據(jù)符號中，射頻輸出信號的頻率跳變多次，這樣的頻率跳變系統(tǒng) 就叫做頻率快跳變系統(tǒng)。圖1-8給出了頻率快跳變系統(tǒng)輸出射頻信號的頻率。在圖1-8中，TcTb/3，頻率合成器有16個(gè)頻率f5，fn，f7，fl4，fl2， f8，f1， f2，f4，f9， f3， f6， f13， f10， f6， f15，Bb2/Tb，BRF16Bb。123 跳時(shí)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)時(shí)間跳變也是一種擴(kuò)展頻譜技術(shù)，跳時(shí)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)(Time HoppingSpread Spectrum Communication

10、Systems,TH-SS)是時(shí)間跳變擴(kuò)展頻譜 通信系統(tǒng)的簡稱，主要用于時(shí)分多址(TDMA)通信中。與跳頻系統(tǒng)相似，跳時(shí)是 使發(fā)射信號在時(shí)間軸上離散地跳變。我們先把時(shí)間軸分成許多時(shí)隙，這些時(shí)隙在 跳時(shí)擴(kuò)頻通信中通常稱為時(shí)片，若干時(shí)片組成一跳時(shí)時(shí)間幀。在一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)隙 發(fā)射信號由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制。因此，可以把跳時(shí)理解為：用一偽隨機(jī)碼序 列進(jìn)行選擇的多時(shí)隙的時(shí)移鍵控。由于采用了窄得很多的時(shí)隙去發(fā)送信號，相對說來，信號的頻譜也就展寬了。圖1-9是跳時(shí)系統(tǒng)的原理方框圖。(a)(b)圖 1-9 時(shí)間跳變擴(kuò)頻通信系統(tǒng)簡化方框圖(a)發(fā)射系統(tǒng)；(b)接收系統(tǒng)在發(fā)送端，輸入的數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)起來，由擴(kuò)頻碼發(fā)生器

11、產(chǎn)生的擴(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。在接收端，當(dāng)接收機(jī) 的偽碼發(fā)生器與發(fā)端同步時(shí)，所需信號就能每次按時(shí)通過開關(guān)進(jìn)入解調(diào)器。解調(diào) 后的數(shù)據(jù)也經(jīng)過一緩沖存儲(chǔ)器，以便恢復(fù)原來的傳輸速率，不間斷地傳輸數(shù)據(jù)， 提供給用戶均勻的數(shù)據(jù)流。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)。跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)也可以看成是一種時(shí)分系統(tǒng)， 所不同的地方在于它不是在一幀 中固定分配一定位置的時(shí)隙，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) 隙。跳時(shí)系統(tǒng)能夠用時(shí)間的合理分配來避開附近發(fā)射機(jī)的強(qiáng)干擾，是一種理想的多址技術(shù)。 但當(dāng)同一信道中有許多跳時(shí)信號工作時(shí)，某一時(shí)隙內(nèi)可能有幾

12、個(gè)信號 相互重疊，因此，跳時(shí)系統(tǒng)也和跳頻系統(tǒng)一樣，必須采用糾錯(cuò)編碼，或采用協(xié)調(diào) 方式構(gòu)成時(shí)分多址。由于簡單的跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾性不強(qiáng)，很少單獨(dú)使用。跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)通常都與其他方式的擴(kuò)頻系統(tǒng)結(jié)合使用，組成各種混合方式。從抑制干擾的角度來看，跳時(shí)系統(tǒng)得益甚少，其優(yōu)點(diǎn)在于減少了工作時(shí)間的 占空比。一個(gè)干擾發(fā)射機(jī)為取得干擾效果就必須連續(xù)地發(fā)射， 因?yàn)楦蓴_機(jī)不易偵 破跳時(shí)系統(tǒng)所使用的偽碼參數(shù)。跳時(shí)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是對定時(shí)要求太嚴(yán)。124 線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)(Chirp)是指系統(tǒng)的載頻在一給定的脈沖時(shí)間間隔內(nèi)線 性地掃過一個(gè)寬帶范圍，形成一帶寬較寬的掃頻信號，或者說載頻在一給定的時(shí) 間間隔內(nèi)線性

13、增大或減小，使得發(fā)射信號的頻譜占據(jù)一個(gè)寬的范圍。在語音頻段, 線性調(diào)頻聽起來類似于鳥的“啾啾”叫聲，所以線性脈沖調(diào)頻也稱為鳥聲調(diào)制。線性脈沖調(diào)頻是一種不需要用偽隨機(jī)碼序列調(diào)制的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，由于線性脈沖調(diào)頻信號占用的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息帶寬，從而也可獲得較好的抗干擾性能。線性脈沖調(diào)頻，是作為雷達(dá)測距的一種工作方式使用的，其基本原理如圖1-10所示。線性脈沖調(diào)頻信號的產(chǎn)生， 可由一個(gè)鋸齒波信號調(diào)制壓控振蕩器(VCO)來實(shí)現(xiàn)， 如圖1-10(a)所示。發(fā)射波是一個(gè)頻偏為F的寬帶調(diào)頻波，通常是線性調(diào)頻。線性調(diào)頻信號的 特點(diǎn)是，發(fā)射脈沖信號的瞬時(shí)頻率在信息脈沖持續(xù)周期Tb內(nèi)隨時(shí)間作線性變化，在脈沖起始

14、和終止時(shí)刻的頻差Ff fd Be(1-12)式中：f1脈沖起始時(shí)刻的頻率，Hz；f2脈沖終止時(shí)刻的頻率，Hz；F-瞬時(shí)頻率變化范圍，Hz；Be線性調(diào)制后的帶寬，Hz。Tb壓控振蕩器(b)圖 1-10 線性脈沖調(diào)頻原理圖(a)發(fā)射端；(b)接收端在脈沖持續(xù)時(shí)間Tb內(nèi)，信號的瞬時(shí)頻率為ffo tTb線性脈沖調(diào)頻波的時(shí)域表達(dá)式為nF2s(t) Acos 2nttTb線性脈沖調(diào)頻信號的接收解調(diào)可用匹配濾波器來實(shí)現(xiàn)，參見圖 是由色散延遲線構(gòu)成的。這種延遲線對信號的高頻成分延遲時(shí)間長， 延遲時(shí)間短，于是頻率由高到低的載頻信號通過匹配濾波器后， 同時(shí)輸出。這些信號成分疊加在一起， 形成了脈沖時(shí)間的壓縮，增加

15、，能量集中，將有用信號檢出。而與濾波器不匹配的信號在時(shí)間上沒有壓縮， 甚至反被擴(kuò)展。這就完成了和直接序列擴(kuò)頻及跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)類似的過程， 從而獲得輸出信噪比改善的好處。色散延遲線或調(diào)頻脈沖匹配濾波器壓縮掃頻信號，為D= FTb=Tb/。線性脈沖調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)和通信的關(guān)系不大，本書不作討論。1.2.5 混合擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)以上幾種基本的擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，單獨(dú)使用其中一種系統(tǒng)時(shí)有 時(shí)難以滿足要求，將以上幾種擴(kuò)頻方法結(jié)合起來就構(gòu)成了混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。常見的有頻率跳變-直接序列混合系統(tǒng)(FH/DS)，直接序列-時(shí)間跳變混合系統(tǒng)(DS/TH)，頻率跳變-時(shí)間跳變混合系統(tǒng)(HF/TH)等。它們比單一

16、的直接序列、跳 頻、跳時(shí)體制有更優(yōu)良的性能。(1)頻率跳變-直接序列混合系統(tǒng)頻率跳變-直接序列混合系統(tǒng)可看作是一個(gè)載波頻率作周期性跳變的直接序 列擴(kuò)頻系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成方框圖見圖1-11。(1-13)小)(1-14)1-10(b)。它對低頻成分 各頻率成分幾乎 使輸出信號幅度通常(a)(b)圖 1-11 頻率跳變-直接序列混合擴(kuò)頻系統(tǒng)方框圖(a)發(fā)射系統(tǒng)；(b)接收系統(tǒng)采用這種混合方式能夠大大提高擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能，并且有通信隱蔽性好、抗 干擾能力強(qiáng)、頻率跳變系統(tǒng)的載波頻率難于捕捉，便于適應(yīng)于多址通信或離散尋 址和多路復(fù)用等特點(diǎn)，尤其在要求擴(kuò)頻碼速率過高或跳頻數(shù)目過多時(shí)，采用這種混合系統(tǒng)特別有利。(

17、2)時(shí)間跳變-頻率跳變混合系統(tǒng)時(shí)間跳變-頻率跳變混合系統(tǒng)特別適用于大量電臺(tái)同時(shí)工作，其距離或發(fā) 射功率在很大范圍內(nèi)變化，需要解決通信中遠(yuǎn)近效應(yīng)問題的場合。遠(yuǎn)近效應(yīng)是指在同一工作區(qū)域內(nèi)，同一系統(tǒng)中由于接收機(jī)對于不同發(fā)射機(jī)， 電波傳播的距離有遠(yuǎn)近之分，形成電波傳播路徑的衰減不同，近距離發(fā)射機(jī)發(fā)送 來的信號場強(qiáng)要遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)距離發(fā)射機(jī)發(fā)送來的信號場強(qiáng)。在接收機(jī)中強(qiáng)信號將對弱信號產(chǎn)生抑制作用，造成接收機(jī)不能很好地接收遠(yuǎn)距離發(fā)射機(jī)發(fā)送來的信號。這種系統(tǒng)希望利用簡單的編碼作地址碼，主要用于多址和尋址，而擴(kuò)展頻譜不是主要目的。(3)時(shí)間跳變-直接序列混合系統(tǒng)當(dāng)直接序列系統(tǒng)中使用不同擴(kuò)頻碼序列的數(shù)目不能滿足多址或

18、復(fù)用要求時(shí)，增加時(shí)分復(fù)用(TDM)是一種有效的解決辦法。這既可以增加地址數(shù)，又可改善鄰 臺(tái)干擾，組成所謂的時(shí)間跳變-直接序列混合擴(kuò)頻系統(tǒng)。時(shí)間跳變-直接序列混合 擴(kuò)頻系統(tǒng)方框圖見圖1-12。圖 1-12 時(shí)間跳變-直接序列混合擴(kuò)頻系統(tǒng)方框圖(a)發(fā)射系統(tǒng)；(b)接收系統(tǒng)從上面的介紹中，我們可以看出，除在通信中很少使用的線性脈沖調(diào)頻方式 外，其余幾種擴(kuò)頻方式可以任意組合來組成混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。從理論角度講， 這是毫無疑義的，但在工程實(shí)現(xiàn)上還是存在某些需要解決的問題，如在頻率跳變-直接序列混合擴(kuò)頻系統(tǒng)中，由于直接序列系統(tǒng)中擴(kuò)頻碼的同步捕獲時(shí)間不可能 太短，這就限制了頻率跳變系統(tǒng)的頻率跳變速率，而在頻率跳變系統(tǒng)中很難保證 跳變載波相位的連續(xù)性，這進(jìn)一步增加了直接序列系統(tǒng)擴(kuò)頻碼序列的同步捕獲時(shí) 間。又比如由時(shí)間跳變系統(tǒng)組成的混合擴(kuò)頻系統(tǒng)的高頻開關(guān)問題，在圖1-9中我們并沒有畫出