擴頻通信第1章

1、1 1 1第1章擴頻通信的理論基礎(chǔ)序 發(fā)展歷史二十世紀40年代，理論的提出二十世紀50年代中期，美國麻省理工學(xué)院研究成功NOMAC系統(tǒng)，Noise Modulation and Correlation System二十世紀60年代，擴頻通信理論、方法、技術(shù)等各方面的研究發(fā)展和應(yīng)用普及1976年RCDixon Spread Spectrum Systems1982年JKHolmes Coherent Spread Spectrum Systems1985年MKSimon Spread Spectrum Communications Handbook1990年1月，CCIR研究未來公眾陸地移動通信

2、系統(tǒng)(FPLMTS：Future Public Land Mobil Telecommunication System)的第八工作組提出的實現(xiàn)FPLMTS計劃的技術(shù)報告中，明確建議采用擴頻通信技術(shù)2序 課程安排 (1)擴頻通信的基本理論；(2)擴頻通信系統(tǒng)的性能分析；(3)偽隨機編碼理論；(4)擴頻信號的產(chǎn)生與調(diào)制（發(fā)射機）；(5)擴頻信號的解擴與解調(diào)（接收機）；(6)擴頻碼的同步捕獲；(7)擴頻碼的同步跟蹤。3序 教材及參考書目教材田日才.擴頻通信.清華大學(xué)出版社，2007參考書目1 查光明，熊賢祚.擴頻通信，西安電子科技大學(xué)出版社，19902 朱近康.擴展頻譜通信及其應(yīng)用，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

3、出版社，1993年3 M K Simon.Spread Spectrum Communications Handbook人民郵電出版社，20024 R CDixon.Spread Spectrum System. John Wiley & Sons, 19866 林可祥，汪一飛.偽隨機碼的原理與應(yīng)用，人民郵電出版社，19787 (美)J K霍姆斯.相干擴展頻譜系統(tǒng)，梁振興譯，國防工業(yè)出版社，1991451.1 擴頻通信的基本概念設(shè)計和評價通信系統(tǒng)性能的主要指標 有效性有效性； 可靠性可靠性；有效性有效性指通信系統(tǒng)傳輸信息效率的高低。怎樣以最合理、最經(jīng)濟的方法傳輸最大數(shù)量的信息。模擬通信

4、系統(tǒng)中，多路復(fù)用技術(shù)可提高系統(tǒng)的有效性。信道復(fù)用程度越高，系統(tǒng)傳輸信息的有效性就越好。數(shù)字通信系統(tǒng)中，傳輸有效性用傳輸速率來衡量?？煽啃钥煽啃灾竿ㄐ畔到y(tǒng)可靠地傳輸信息。模擬通信系統(tǒng)，傳輸?shù)目煽啃杂幂敵鲂旁氡葋砗饬康?。?shù)字通信系統(tǒng)，用信息傳輸?shù)牟铄e率來描述?？煽啃允怯脕砗饬渴盏叫畔⑴c發(fā)出信息的符合程度。因此，通信系統(tǒng)的可靠性取決于通信系統(tǒng)的抗干擾能力。61.1 擴頻通信的基本概念擴展頻譜通信擴展頻譜通信（擴頻通信/擴譜通信）是圍繞提高信息傳輸?shù)目煽啃远岢龅囊环N有別于常規(guī)通信系統(tǒng)的新調(diào)制理論和技術(shù)。描述描述 擴頻通信系統(tǒng)是指待傳輸信息信號的頻譜用某個特定的擴頻函數(shù)（與信息信號無關(guān)）擴展頻譜后成為

5、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)或手段將擴展了的頻譜進行壓縮，恢復(fù)為原來待傳輸信息信號的帶寬，從而達到傳輸信息目的的通信系統(tǒng)。特點特點 傳輸同樣信息所需帶寬遠遠大于常規(guī)通信系統(tǒng)的帶寬。帶寬至少是信息信號帶寬的幾百倍、幾千倍甚至幾萬倍。信息已不再是決定傳輸信號帶寬的一個重要因素，傳輸信號傳輸信號的帶寬主要由擴頻函數(shù)來決定的帶寬主要由擴頻函數(shù)來決定。71.1 擴頻通信的基本概念u特點特點（判斷擴頻通信系統(tǒng)的準則判斷擴頻通信系統(tǒng)的準則）u獲得的好處獲得的好處（1）傳輸信號的帶寬遠遠大于被傳輸?shù)脑夹畔⑿盘柕膸挘唬?）傳輸信號的帶寬主要由擴頻函數(shù)決定，此擴頻函數(shù)通常是偽隨機（

6、偽噪聲）編碼信號。具有很強的抗人為干擾、抗窄帶干擾、抗多徑干擾的能力。 81.1 擴頻通信的基本概念表明了一個信道無差錯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。u擴頻系統(tǒng)具有抗干擾能力的理論基礎(chǔ)擴頻系統(tǒng)具有抗干擾能力的理論基礎(chǔ) 根據(jù)信息理論香農(nóng)(CEShannon)信道容量公式 NSBC1log2令C是希望具有的信道容量，即信息速率，有 NSBC1ln44. 1對于典型干擾環(huán)境，有 ，冪級數(shù)展開得/1S N91.1 擴頻通信的基本概念u擴頻系統(tǒng)具有抗干擾能力的理論基礎(chǔ)擴頻系統(tǒng)具有抗干擾能力的理論基礎(chǔ) 1.44CSBN0.7NBCS或?qū)τ谌我饨o定的噪聲信號功率比

7、 ，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地傳輸信息的速率C。在信道中當傳輸系統(tǒng)的信號噪聲功率比S/N下降時，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，而C是系統(tǒng)無差錯傳輸信息的速率。也就是說對于任意給定的信息傳輸速率C，當信號噪聲功率比S/N下降時，可以用增大系統(tǒng)的傳輸帶寬B來獲得較低的信息差錯率。說明說明101.1 擴頻通信的基本概念u擴頻系統(tǒng)具有抗干擾能力的理論基礎(chǔ)擴頻系統(tǒng)具有抗干擾能力的理論基礎(chǔ) 增加信道帶寬后，在低的信噪比情況下，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)的增加傳輸信號的帶寬也能保持可靠的通信。進一步說明進一步說明

8、擴頻通信系統(tǒng)正是利用這一原理，用高速率的擴頻碼來擴展待傳輸信息信號帶寬的手段，來達到提高系統(tǒng)抗干擾能力的目的。111.1 擴頻通信的基本概念u最佳信號形式最佳信號形式 香農(nóng)指出：【在高斯白噪聲干擾情況下在高斯白噪聲干擾情況下】，在平均功率受限的信道上，實現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號最佳信號是具有白噪聲統(tǒng)白噪聲統(tǒng)計特性的信號計特性的信號。因為白噪聲信號具有理想的自相關(guān)特性，其功率譜密度函數(shù)為:0( ) 2NS ff 自相關(guān)函數(shù)： j20( )( )ed( )2fNR S ff 對白噪聲信號處理困難。使用偽噪聲碼序列偽噪聲碼序列代替白噪聲，它們的統(tǒng)計特性相近。偽噪聲序列是接近于高斯信道要求的最佳信號

9、形式。 1101( )10NiiiR ccNN10( )100R NN 12上世紀50年代，哈爾凱維奇(俄)在理論上證明1.1 擴頻通信的基本概念u最佳信號形式最佳信號形式從克服多徑干擾的角度 要克服多徑干擾的影響，信道中傳輸?shù)淖罴研盘栃我朔鄰礁蓴_的影響，信道中傳輸?shù)淖罴研盘栃问綉?yīng)該是具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號形式。式應(yīng)該是具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號形式。偽噪聲碼很接近白噪聲的統(tǒng)計特性，因而擴頻通信系統(tǒng)又具有抗多徑干擾的能力。13u 擴頻通信系統(tǒng)基本原理擴頻通信系統(tǒng)基本原理（直接序列擴頻系統(tǒng)為例）1.1 擴頻通信的基本概念14u 擴頻通信系統(tǒng)基本原理擴頻通信系統(tǒng)基本原理（直接序列擴頻系統(tǒng)為例）

10、1.1 擴頻通信的基本概念2022年4月23日哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信技術(shù)研究所15u 擴頻通信系統(tǒng)基本原理擴頻通信系統(tǒng)基本原理（直接序列擴頻系統(tǒng)為例）1.1 擴頻通信的基本概念射頻信號s(t)的帶寬取決于偽噪聲碼c(t)的碼速率Rc。在PSK調(diào)制的情況下，s(t)的帶寬等于偽噪聲碼速率的2倍，即BRF=2Rc，而幾乎與數(shù)字信號d(t)的速率無關(guān)。射頻帶寬的變化射頻帶寬的變化哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信技術(shù)研究所161.1 擴頻通信的基本概念假設(shè)有用信號的功率為P1P0，碼分多址干擾信號的功率P2P0，多徑干擾信號的功率P3=P0，其他進入接收機的干擾和噪聲信號功率N=P0。再假設(shè)所有信號的功率譜是均勻分布在

11、BRF=2Rc帶寬之內(nèi)。171.1 擴頻通信的基本概念相關(guān)解擴后，有用信號的頻帶變窄，無失真地通過帶寬為Bb=2Rb 的中頻濾波器。其他信號與本地參考偽噪聲碼無關(guān)，頻帶被展寬，大部分能量落在中頻濾波器的通頻帶之外，被中頻濾波器濾除了。因此，解擴前后的信噪比發(fā)生了顯解擴前后的信噪比發(fā)生了顯著的改變著的改變。181.2 擴頻通信系統(tǒng)的分類根據(jù)擴頻信號的產(chǎn)生方式擴頻信號的產(chǎn)生方式，分為 直接序列系統(tǒng)； 頻率跳變系統(tǒng)； 時間跳變系統(tǒng)； 線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)； 混合擴頻通信系統(tǒng)； (1) 頻率跳變-直接序列混合擴頻系統(tǒng)； (2) 時間跳變-頻率跳變混合擴頻系統(tǒng)； (3) 時間跳變-直接序列混合擴頻系統(tǒng)；19

12、p 名稱名稱直接序列調(diào)制擴展頻譜通信系統(tǒng)（Direct Sequence Spread Spectrum Communication System，DS-SS），簡稱直接序列直接序列系統(tǒng)系統(tǒng)或直擴系統(tǒng)直擴系統(tǒng)。1.2.1 直接序列系統(tǒng)p 工作原理工作原理待傳信息信號與高速率的偽噪聲（偽隨機）碼波形相乘后，去直接控制載波信號的某個參量，來擴展傳輸信號的帶寬。用于頻譜擴展的偽隨機序列稱為擴頻碼序列。201.2.1 直接序列系統(tǒng)21p 調(diào)制方式的選取調(diào)制方式的選取在直接序列系統(tǒng)中，通常進行相移鍵控（PSK）調(diào)制。由于PSK信號可以等效為抑制載波的雙邊帶調(diào)幅波，因此直接序列系統(tǒng)常采用平衡調(diào)制方式。抑制

13、載波的平衡調(diào)制不僅節(jié)約了發(fā)射功率與提高了發(fā)射機的工作效率，而且對提高擴頻信號的抗偵破能力也有利。1.2.1 直接序列系統(tǒng)22p 名稱名稱頻率跳變擴展頻譜通信系統(tǒng)（Frequency Hopping Spread Spectrum Communication System，F(xiàn)H-SS）的簡稱，簡稱跳頻系統(tǒng)。1.2.2 頻率跳變系統(tǒng)p 功能描述功能描述用二進制偽隨機碼序列去控制射頻載波振蕩器輸出信號的頻率，使發(fā)射信號的載波頻率隨偽隨機碼的變化而跳變?？晒╇S機選取的載波頻率數(shù)通常是幾千幾萬個離散頻率，在如此多的離散頻率中，每次輸出哪一個由偽隨機碼決定。231.2.2 頻率跳變系統(tǒng)24p 與常規(guī)通信系

14、統(tǒng)的區(qū)別 最大的差別在于發(fā)射機的載波發(fā)生器和接收機中的本地振蕩器。頻率跳變通信系統(tǒng)中這二者輸出信號的頻率是跳變的。在頻率跳變系統(tǒng)中發(fā)射機的載波發(fā)生器和接收機中的本地振蕩器主要由偽隨機碼發(fā)生器與頻率合成器兩部分組成。快速響應(yīng)的頻率合成器是頻率跳變系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵部件。p 工作原理 頻率跳變系統(tǒng)中發(fā)信機的發(fā)射載波頻率，在一個預(yù)定的頻率集內(nèi)由偽隨機碼序列控制頻率合成器(偽)隨機的由一個跳到另一個。收信機中的頻率合成器也按照相同的順序跳變，產(chǎn)生一個和接收信號頻率相差 fIF(中頻頻率)的參考本振信號，經(jīng)混頻后得到頻率固定的中頻信號，此過程稱為對跳頻信號的解跳解跳。解跳后的中頻信號經(jīng)放大后送到解調(diào)器解調(diào)，

15、恢復(fù)出傳輸?shù)男畔ⅰ?.2.2 頻率跳變系統(tǒng)25p 分類分類根據(jù)跳頻速率的不同，可以將頻率跳變擴頻系統(tǒng)分為 頻率慢跳變系統(tǒng)頻率慢跳變系統(tǒng)； 頻率快跳變系統(tǒng)頻率快跳變系統(tǒng)； p 速率速率控制頻率跳變的指令碼(偽隨機碼)的速率，沒有直接序列擴頻系統(tǒng)中的高，一般為幾十比特每秒幾千比特每秒。 p 調(diào)制方式調(diào)制方式對于FH系統(tǒng)，常用的數(shù)據(jù)調(diào)制方式是多進制（多進制（M-ary）頻移）頻移鍵控鍵控。 1.2.2 頻率跳變系統(tǒng)哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信技術(shù)研究所26 頻率頻率慢慢跳變系統(tǒng)跳變系統(tǒng)假設(shè)數(shù)據(jù)調(diào)制采用二進制頻移鍵控調(diào)制，Tb是一個信息碼元比特寬度，每Tb秒數(shù)據(jù)調(diào)制器輸出兩個頻率中的一個。每隔 Tc秒系統(tǒng)輸出信

16、號的射頻頻率跳變到一個新的頻率上。若TcTb，則稱為頻率慢跳變系統(tǒng)頻率慢跳變系統(tǒng)。1.2.2 頻率跳變系統(tǒng)27 頻率頻率快快跳變系統(tǒng)跳變系統(tǒng)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。若在每個數(shù)據(jù)符號中，射頻輸出信號的載波頻率跳變多次，則稱為頻率快跳變系統(tǒng)頻率快跳變系統(tǒng)。 n 快跳頻的一個明顯好處快跳頻的一個明顯好處可以在每個發(fā)射符號上得到頻率分集增益可以在每個發(fā)射符號上得到頻率分集增益。在部分頻帶被干擾時，或者在微波移動電話應(yīng)用中，當傳輸信道導(dǎo)致快速信號衰落時，這一點特別有意義。1.2.2 頻率跳變系統(tǒng)哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信技術(shù)研究所28 頻率頻率快快跳變系統(tǒng)跳變系統(tǒng)1.

17、2.2 頻率跳變系統(tǒng)291.2.3 時間跳變系統(tǒng)p 名稱名稱時間跳變擴展頻譜通信系統(tǒng)（Time Hopping Spread Spectrum Communication System，TH-SS）的簡稱，主要用于時分多址（TDMA）通信中。p 功能描述時間跳變系統(tǒng)是使發(fā)射信號在時間軸上離散地跳變。把時間軸分成許多時隙，這些時隙在時跳通信中通常稱為時片，若干時片組成一跳時時間幀，在一時間幀內(nèi)哪個時隙發(fā)射信號由擴頻碼序列去進行控制。因此，可理解為：用一偽隨機碼序列進行選擇的多時隙的時移鍵控。由于采用了窄得很多的時隙去發(fā)送信號，相對說來，信號的頻譜也就展寬了。 30發(fā)送端發(fā)送端 數(shù)據(jù)先存儲起來，偽

18、隨機碼序列控制存儲器的輸出與高頻開關(guān)通斷，經(jīng)調(diào)制后的信號由高頻開關(guān)經(jīng)天線發(fā)射。接收端接收端 當接收機的偽碼發(fā)生器與發(fā)端同步時，所需信號就能每次按時通過高頻開關(guān)進入接收機。接收機中解調(diào)后的數(shù)據(jù)也經(jīng)過一緩沖存儲器，以便恢復(fù)原來的均勻數(shù)據(jù)流?！緱l件條件】只要收發(fā)兩端在時間上嚴格地保持同步，就能正確地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。 1.2.3 時間跳變系統(tǒng)31p可看成時分系統(tǒng)時分系統(tǒng)，區(qū)別：不是在時間幀中固定分配時隙，而由擴頻碼序列控制按一定規(guī)律位置跳變的時隙。p通過時間合理分配來避開強干擾，一種理想的多址技術(shù)。當同一信道中有許多跳時信號時，同一時隙內(nèi)可能有信號相互重疊。因此，與頻率跳變系統(tǒng)一樣，必須設(shè)計好偽隨機碼，

19、或采用協(xié)調(diào)方式構(gòu)成時分多址系統(tǒng)。p簡單的時間跳變系統(tǒng)抗干擾性不強，故很少單獨使用。常與其他方式結(jié)合使用，組成混合擴頻方式。p從抑制干擾角度看，該系統(tǒng)得益甚少，其優(yōu)點在于減少了工作時間的占空比。系統(tǒng)的偽隨機碼參數(shù)不易被偵破。主要缺點：對定時要求嚴格。1.2.3 時間跳變系統(tǒng)321.2.4 線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)p 概念概念線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)（Chirp）是指系統(tǒng)的工作頻率在一給定的脈沖時間間隔內(nèi)線性地掃過一個很寬的頻帶，形成一帶寬很寬的掃頻信號，或者說工作頻率在一給定的時間間隔內(nèi)線性增大或減小，使發(fā)射信號頻譜占據(jù)很寬的范圍。在語音頻段，線性調(diào)頻聽起來類似鳥的“啾啾”叫聲，故也稱為鳥聲調(diào)制。p 特點特點線

20、性脈沖調(diào)頻是一種不需要用偽隨機碼序列調(diào)制的擴頻調(diào)制技術(shù)，由于其信號占用的頻帶寬度遠遠大于信息帶寬，從而也可獲得較好的抗干擾性能。33工作原理工作原理1.2.4 線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)34（2）脈沖持續(xù)時間Tb內(nèi)，信號瞬時頻率為線性調(diào)頻信號特點線性調(diào)頻信號特點0 22bbbTTFffttT （3）時域表達式為2002( )cos 2 22bbbTTFs tAf tttT （1）發(fā)射脈沖信號的瞬時頻率在信息脈沖持續(xù)時間Tb內(nèi)隨時間作線性變化，頻差為cBffF211.2.4 線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)35可用匹配濾波器來實現(xiàn)。由色散延遲線構(gòu)成。對低頻成分延遲時間長，對高頻成分延遲時間短，于是頻率由低到高的調(diào)頻信號通

21、過匹配濾波器后，各頻率分量幾乎同時輸出，信號疊加在一起，形成了脈沖時間的壓縮，使輸出信號幅度增加，能量集中，將有用信號檢出。而不匹配的信號在時間上沒有壓縮，甚至反被擴展。接收解調(diào)接收解調(diào)1.2.4 線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)36p 頻率跳變-直接序列混合擴頻系統(tǒng)(FH/DS)；p 直接序列-時間跳變混合擴頻系統(tǒng)(DS/TH)；p 頻率跳變-時間跳變混合擴頻系統(tǒng)(HF/TH)；p 常用系統(tǒng)常用系統(tǒng)1.2.5 混合擴頻通信系統(tǒng)注意注意：比單一的直接序列、頻率跳變、時間跳變體制有更優(yōu)良的性能。37特點特點：能夠大大提高擴頻系統(tǒng)的性能，且通信隱蔽性好、抗干擾能力強、頻率跳變系統(tǒng)的載波頻率難于捕捉、適應(yīng)于多址通信

22、或離散尋址和多路復(fù)用。 （1） 頻率跳變頻率跳變-直接序列混合擴頻系統(tǒng)直接序列混合擴頻系統(tǒng)1.2.5 混合擴頻通信系統(tǒng)38特別適用于大量電臺同時工作，其距離或發(fā)射功率在很大范圍內(nèi)變化，需要解決通信中遠近效應(yīng)問題的場合，主要用于多址和尋址，擴展頻譜不是其主要目的。（2）時間跳變）時間跳變-頻率跳變混合擴頻系統(tǒng)頻率跳變混合擴頻系統(tǒng) n 適用場合指在同一工作區(qū)域內(nèi)，同一系統(tǒng)中由于接收機對于不同位置的發(fā)射機，電波傳播的距離有遠近之分，形成電波傳播路徑的衰減不同，近距離發(fā)射機發(fā)送來的信號場強要遠大于遠距離發(fā)射機發(fā)送來的信號場強。在接收機中強信號將對弱信號產(chǎn)生抑制作用，造成接收機不能很好地接收遠距離發(fā)射機

23、發(fā)送來的信號。n 遠近效應(yīng)1.2.5 混合擴頻通信系統(tǒng)39（3）時間跳變）時間跳變-直接序列混合擴頻系統(tǒng)直接序列混合擴頻系統(tǒng) 當直接序列系統(tǒng)中可使用的擴頻碼序列的數(shù)目不能滿足多址或復(fù)用要求時，增加時分復(fù)用(TDM)是一種有效的解決辦法。既可增加的地址數(shù)，又可改善鄰臺的干擾性能。 1.2.5 混合擴頻通信系統(tǒng)401.3 擴頻通信系統(tǒng)的模型1.3.1 直接序列系統(tǒng)的模型41)2cos()()(0tftAmtf1( )0( )1( )mmtm tt假設(shè)調(diào)制方式為PSK)()(2cos)(00tttfAtfm)2cos()()()(0tftctAdts1.3.1 直接序列系統(tǒng)的模型42 假設(shè)條件假設(shè)條

24、件 （1） 相互獨立； ( )d tc t和（2）碼元寬度是碼元寬度的整數(shù)倍； 傳輸影響傳輸影響 一般情況：隨機延時、多普勒頻移 和隨機相移 。不考慮信號電平衰減 接收信號模型接收信號模型 dddd0ddd( )()( )()() ()cos2()( )()iiiir ts tTN ts tTAd tT c tTfftN ts tT1.3.1 直接序列系統(tǒng)的模型43去除擴頻碼去除擴頻碼 相關(guān)技術(shù)相關(guān)技術(shù) 解擴解擴去除載波去除載波相干技術(shù)相干技術(shù) 解調(diào)解調(diào)設(shè)基帶濾波器h(t) 帶寬與信息帶寬相同，射頻濾波器無失真?zhèn)鬏斝盘?，則基帶濾波器輸出為d0dd( )2()cos2() ()d( )rv t

25、c Tff trhdd0dd( )() ()cos2()r tAd tT c tTff t1.3.1 直接序列系統(tǒng)的模型44dd0dd0dd( )2()cos2()cos()2() ()d(sdrv tAd Tff ff h tc Tc T擴頻碼同步擴頻碼同步載波同步載波同步 dddd ()()rTTc tTc tTdddd, ff基帶濾波器輸出基帶濾波器輸出d( )() ()dsv tAd T h t (1-16)只要基帶濾波器能無失真?zhèn)鬏敂?shù)字信息，則收信端即可恢復(fù)出發(fā)信端傳輸?shù)男畔ⅰ?.3.1 直接序列系統(tǒng)的模型451.3.2 頻率跳變系統(tǒng)的模型fCffkk0圖1-14 頻率跳變系統(tǒng)的數(shù)學(xué)

26、模型(a) 發(fā)射系統(tǒng)；(b) 接收系統(tǒng)46n 頻率合成器輸出信號頻率合成器輸出信號( )cos 2()ckkTcka tAf tgtkT離散頻率由于受偽碼控制，故具有周期性，序列周期為N，故有Nkkff1( )cos 2()()cNkkTcckma tAf tgtkTtmNT (1-19)n 跳頻發(fā)射機輸出信號1( )cos(2)()cNkkTcckms tAf tgtkTtmNTd t1.3.2 頻率跳變系統(tǒng)的模型47n 接收信號dd1( )()cos 2()( )( )cNkkTckcmr tAd tTf tgtkTTtmNTJ tN tn 本地頻率合成器輸出IFd1( )2cos 2()

27、()()cNkkTcckmb tfftgtTkTtmNTn 混頻器輸出dd1IF1d( )()cos(2)()()2cos 2()()()ccNkkTckNciimiTccnu tAd tTf tgtTkTtmNTfftgtTiTtnNT (1-20)1.3.2 頻率跳變系統(tǒng)的模型48偽隨機編碼理論偽隨機編碼理論 兩周期序列的復(fù)合序列的周期為兩個子序列周期的最小公倍數(shù)。d1IFd1( )2()cos(2)()2cos 2()()()ccNdkkTckNiiTccimu tAd tTf tgtTkTfftgtTiTtmNT假設(shè)中頻濾波器為理想窄帶帶通濾波器20221)(IFIFIFIFBffBf

28、ffH中頻濾波器輸出為d)()()(thutv1.3.2 頻率跳變系統(tǒng)的模型49假設(shè)接收機已同步中頻濾波器輸出為dd, , , kkkkffTTd1IFd1()cos 2()cos 2(2()d)(ccNkkTcdkNiiTcimscAdTfgkTTffgv th tiTTmNT 由于 kikikTtgiTtgkTtgcTcTcTccc0)()()(d1d1d1d1( )()cos 2( - )()d()cos 2 2()()dccNsTcckmNkTcckmv tAdTh tgkTTmNTAdTgkTfTmNfT h tf IFIFk+2則有1.3.2 頻率跳變系統(tǒng)的模型50選擇各頻點，使其

29、具有由于22IFBBfbk物理含義物理含義：混頻后的和頻信號分量都遠遠落在中頻濾波器通帶外。濾波器輸出為 d1d1()()cos 2(- )()dcNsTcckmv tAdThtgkT TmNfT IFdIF( )()cos 2()dsv tAdTfh td1()1cNTcckmgtkTTtmNT則有只要 ，解跳后的中頻信號就可無失真通過中頻濾波器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，最后恢復(fù)出發(fā)射信號 。bBB2IF1.3.2 頻率跳變系統(tǒng)的模型511.4 擴頻系統(tǒng)處理增益與主要特點1.4.1 擴頻系統(tǒng)的處理增益n 目的 衡量擴頻通信系統(tǒng)抗干擾能力的優(yōu)劣；n 定義 接收機解擴(跳)器(相關(guān)器)的輸出信噪比與輸入

30、信噪比之比。outpin/S NGS N輸出信號噪聲功率比輸入信號噪聲功率比n 物理意義表示經(jīng)過擴頻接收機處理后，使信號增強的同時抑制輸入到接收機干擾信號能力的大小。處理增益越大，則系統(tǒng)抗干擾能力越強。(1) 處理增益Gp 概念Niitsts1)()(NEttssid)(2Mkkikitsts1)()(jijitttki01d)()(Mktk1),(521.4.1 擴頻系統(tǒng)的處理增益一個總能量為 Es的N維信號(1-27)每一個分量的能量為用M維信號空間的正交函數(shù)集來表示為(1-28)其中1.4.1 擴頻系統(tǒng)的處理增益假設(shè)一個分布于M維空間的均值為零的加性干擾信號為NiMkkiktsts11)

31、()()(tsiMlkNilklkNMEsssilik,110MkkktJtJ1)()(53將(1-28)式代入(1-27)式得假設(shè)信號的M個基本方向上，且使每一個分量的平均值為零，則的能量均勻地分布在M維信號空間相互正交1.4.1 擴頻系統(tǒng)的處理增益 第i個相關(guān)器輸出的方差為MkikkikiisJsttstrv12)(d)()( NEsvsMkiki12E 2222211DEEEiiiMMsJsikkikimm imkmvvvEE EsJ ssJ sNNM54接收機采用相關(guān)技術(shù)，接收信號和某個信號相關(guān)，第i個相關(guān)器的輸出為第i個相關(guān)器輸出的均值為1.4.1 擴頻系統(tǒng)的處理增益 NiMkikk

32、ikNiisJsvv1121 sNiiEvv1EE 22211DEEENNJsijsijvvvNE EvvEM55接收機的輸出信號為輸出信號的均值為輸出信號的方差(噪聲功率)為1.4.1 擴頻系統(tǒng)的處理增益22outE ( )D( )sssJJEESvMNE ENvENMoutpinsJsJEMSENMNGSNENE56接收機輸出信號的信噪比為處理增益為上式給出了經(jīng)過接收系統(tǒng)的相關(guān)處理后，輸出信號噪聲功率比相對于輸入信號噪聲功率比得到的增益為M/N。1.4.1 擴頻系統(tǒng)的處理增益 信號的空間維數(shù) 是未經(jīng)擴頻處理前信號所占有的頻帶寬度。 經(jīng)過擴頻處理后，信號所占有的頻帶寬度為 ，即原始信號的空間

33、維數(shù)為N，經(jīng)過擴頻處理后，信號的空間維數(shù)為M，這個信號空間也正是干擾信號企圖占有的空間。 這樣擴頻通信系統(tǒng)的處理增益為bBBN信息ssBBM擴頻57sspbBBMGNBB擴頻信息n 事實上事實上 若進入接收機解擴器的干擾與噪聲的功率譜密度均勻分布，譜密度為N0，則有Nin=N0Bss581.4.1 擴頻系統(tǒng)的處理增益in0ssSPNN B解擴器輸入信噪比接收機解擴器相關(guān)處理接收機解擴器相關(guān)處理（1）信號無失真通過，功率不變，為P；（2）干擾和噪聲只有少部分通過濾波器（帶寬Rb），大部分被濾除；解擴器輸出干擾與噪聲功率為bBNN0out解擴器輸出信噪比 bBNPNS0out591.4.1 擴頻系

34、統(tǒng)的處理增益0outsspin0ssbbPSN BBNGSBPNN B說明擴頻接收機處理增益與擴頻信號帶寬Bss（解擴前信號帶寬）成正比，與信息信號帶寬Bb（解擴后信號帶寬）成反比。擴頻處理增益擴頻處理增益601.4.1 擴頻系統(tǒng)的處理增益pGNsspcbbBRGBR直接序列系統(tǒng)Rb為信息碼的碼速率， Rc為擴頻碼的碼速率。在直接序列系統(tǒng)中，碼片速率通常是信息碼速率的整數(shù)倍，即 ，N為擴頻碼的長度或周期，有 bcNRR 頻率跳變系統(tǒng)pssbBGNBN為頻率跳變系統(tǒng)可用的載波頻率數(shù)。 條件 在頻率跳變時不存在各頻點間的頻譜重疊，即ssbBNB且bfB1.4.1 擴頻系統(tǒng)的處理增益時間跳變系統(tǒng)p1

35、G 幀內(nèi)所有的時片數(shù)發(fā)射信號所占用的時片數(shù)發(fā)射機工作時間的占空比 時間跳變系統(tǒng)的處理增益等于一幀中所分的時片數(shù)和發(fā)射信號所占用的時片數(shù)的比值，或時間跳變系統(tǒng)發(fā)射機工作時間的占空比的倒數(shù)61混合擴頻系統(tǒng)混合擴頻系統(tǒng)，其擴頻處理增益的計算要從接收機輸入信號的帶寬和輸出信號的帶寬著手進行。 1.4.1 擴頻系統(tǒng)的處理增益如一個DS-FH混合擴頻系統(tǒng)，信息碼的碼速率為Rb，進行直接序列擴頻時，擴頻碼的碼速率為Rc，bcRNR1則DS系統(tǒng)的擴頻處理增益為 pDS1cbRGNR，62進行頻率跳變擴頻時，系統(tǒng)有N2個可用頻率數(shù)，且各頻點間的頻譜相互不重疊(即各頻點的頻率間隔不小于2Rc)，則頻率跳變系統(tǒng)的擴頻處理增益為Gp，F(xiàn)H = N2DS-FH混合系統(tǒng)的擴頻處理增益為 p12pDSpFHbssBGN NGGB， 干擾容限（Jamming Margin），表示擴頻系統(tǒng)在干擾環(huán)境中的工作能力，定義為 pjsysoutGMSLN式中，outNSMj 擴頻系統(tǒng)的干擾容限；Gp 擴頻系統(tǒng)的處理增益；Lsys 擴頻系統(tǒng)的執(zhí)行損耗或?qū)崿F(xiàn)損耗； 相關(guān)解擴器輸出的信噪比，也即 系統(tǒng)要求基帶濾波器或中頻濾波 器輸出的信噪比。631.4.2 擴頻系統(tǒng)的干擾容限(1-34) 式(1-34)在實際應(yīng)用中很不