擴(kuò)頻通信系統(tǒng)

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)第1頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一4.1擴(kuò)頻通信的基本概念

4.1.1擴(kuò)頻通信的定義 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,并用編碼及調(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。

1.信號(hào)的頻譜被展寬

2.采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制的方式來展寬信號(hào)頻譜

3.在接收端用相關(guān)解調(diào)來解擴(kuò)

第2頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

4.1.2擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ) 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(fW)遠(yuǎn)大于原始信息本身實(shí)際所需的最小(有效)帶寬(fB),其比值稱為處理增益GP:

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申而來的。信息論中關(guān)于信息容量的仙農(nóng)(Shannon)公式為 (4-2)(4-1)第3頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 擴(kuò)頻通信可行性的另一理論基礎(chǔ)是柯捷爾尼可夫關(guān)于信息傳輸差錯(cuò)概率的公式:

式中,Powj為差錯(cuò)概率;E為信號(hào)能量;N0為噪聲功率譜密度。因?yàn)?信號(hào)功率P＝E/T(T為信息持續(xù)時(shí)間),噪聲功率N＝fWN(fW為信號(hào)頻帶寬度),信息帶寬F＝1/T,則式(4-3)可化為(4-3)

(4-4)

第4頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

4.1.3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(SpreadingGain),它定義為頻譜擴(kuò)展前的信息帶寬fB與頻帶擴(kuò)展后的信號(hào)帶寬fW之比(G＝fW/fB)。第5頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

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,定義為Mj=G-［(S/N)out+Ls］,其中,Mj為抗干擾容限,G為處理增益,(S/N)out為信息數(shù)據(jù)被正確解調(diào)而要求的最小輸出信噪比,Ls為接收系統(tǒng)的工作損耗。 擴(kuò)頻通信主要有以下幾項(xiàng)特點(diǎn): 1.易于重復(fù)使用頻率,提高了無線頻譜利用率

2.抗干擾性強(qiáng),誤碼率低

3.隱蔽性好,對(duì)各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小

第6頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 對(duì)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4-1和圖4-2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,如圖4-1所示。第7頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-1擴(kuò)頻系統(tǒng)抗寬帶干擾能力示意圖

(a)接收輸入端;(b)解擴(kuò)后第8頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 對(duì)于脈沖干擾,帶寬將被展寬到fB,而有用信號(hào)恢復(fù)(壓縮)后,保證高于干擾,如圖4-2所示。

第9頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-2擴(kuò)頻系統(tǒng)抗脈沖干擾能力示意圖

(a)接收輸入端;(b)解擴(kuò)后第10頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

4.可以實(shí)現(xiàn)碼分多址

5.抗多徑干擾

6.能精確地定時(shí)和測(cè)距

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)

8.安裝簡(jiǎn)便,易于維護(hù)

4.1.4擴(kuò)頻通信的工作原理 擴(kuò)頻通信的一般工作原理如圖4-3所示。第11頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-3擴(kuò)頻通信的工作原理第12頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

4.1.5擴(kuò)頻通信的工作方式

1.直接序列擴(kuò)頻工作方式 所謂直接序列(DS,DirectSequence)擴(kuò)頻,就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜。

2.跳變頻率工作方式 另外一種擴(kuò)展信號(hào)頻譜的方式稱為跳頻(FH,FrequencyHopping)。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。

圖4-4(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4-4(b)中可以看出頻域上的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。

第13頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-4跳頻系統(tǒng)示意圖第14頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

3.跳變時(shí)間工作方式

圖4-5(a)是跳時(shí)系統(tǒng)的原理方框圖。

第15頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-5跳時(shí)系統(tǒng)示意圖第16頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

4.寬帶線性調(diào)頻工作方式 圖4-6是線性調(diào)頻的示意圖。

第17頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-6線性調(diào)頻示意圖第18頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

5.各種混合方式 但是,不同方式結(jié)合起來的優(yōu)點(diǎn)有時(shí)能得到很好的效果，例如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)，其信號(hào)的頻譜如圖4-7所示。第19頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-7DS/FH系統(tǒng)頻譜圖第20頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一4.2直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)

4.2.1直擴(kuò)系統(tǒng)的組成與原理

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4-8為直擴(kuò)系統(tǒng)的組成與原理方框圖。

第21頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-8直擴(kuò)系統(tǒng)的組成與原理方框圖第22頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-8直擴(kuò)系統(tǒng)的組成與原理方框圖第23頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 綜上所述,直擴(kuò)系統(tǒng)的特點(diǎn)是: (1)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; (2)擴(kuò)頻碼序列多采用偽隨機(jī)碼,也稱為偽噪聲(PN)碼序列; (3)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(jiǎn)單又能抑制載波; (4)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(ΔM);

第24頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

(5)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); (6)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)良的自相關(guān)特性在延遲鎖定環(huán)中實(shí)現(xiàn); (7)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。第25頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

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。圖4-9(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)。

第26頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-9直擴(kuò)信號(hào)的波形與頻譜第27頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

4.2.2幾種常用的偽隨機(jī)碼

1.碼序列的相關(guān)性 隨機(jī)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)的定義為 圖4-10(a)為任一隨機(jī)噪聲的時(shí)間波形及其延遲一段τ后的波形。

圖4-10(b)為其自相關(guān)函數(shù)。如果用+1、-1脈沖分別表示“1”和“0”,則在圖4-10(c)中示出了其波形和它相對(duì)延遲τ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4-10(d)所示。

第28頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-10信號(hào)自相關(guān)圖第29頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-10信號(hào)自相關(guān)圖第30頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 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:第31頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

2.m序列

m序列是最長(zhǎng)線性移位寄存器序列的簡(jiǎn)稱。圖4-11(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。模二加法器的作用為圖4-11(b)所示的運(yùn)算,即0+0＝0,0+1＝1,1+0＝1,1+1＝0。圖4-11(a)中D2、D3輸出的模二和反饋為D1的輸入。在圖4-11(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。第32頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-11m序列發(fā)生器第33頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 一個(gè)碼序列的隨機(jī)性由以下三點(diǎn)來表征: (1)一個(gè)周期內(nèi)“1”和“0”的位數(shù)僅相差1位。

(2)一個(gè)周期內(nèi)長(zhǎng)度為1的游程(連續(xù)為“0”或連續(xù)為“1”)占1/2,長(zhǎng)度為2的游程占1/4,長(zhǎng)度為3的游程占1/8。

(3)一個(gè)周期長(zhǎng)的序列與其循環(huán)移位序列位比較,相同碼的位數(shù)與不相同碼的位數(shù)相差1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1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)“1”和7個(gè)“0”。表4-1中列出了長(zhǎng)為15位的游程分布。

第34頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一表4-1111101011001000游程分布

第35頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

m序列的自相關(guān)函數(shù)由下式計(jì)算:

令p=A+D=2n-1，

則

A為“0”的位數(shù)，D為“1”的位數(shù)第36頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 設(shè)n=3,p=23-1＝7,則

3.Gold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。R.Gold提出了一種基于m序列的碼序列,稱為Gold碼序列。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:

第37頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 圖4-12(a)示出了Gold碼發(fā)生器的原理結(jié)構(gòu)圖。圖4-12(b)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。

第38頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-12Gold碼發(fā)生器原理結(jié)構(gòu)圖第39頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

Gold序列的主要性質(zhì)有以下三點(diǎn): (1)Gold序列具有三值自相關(guān)特性,其旁瓣的極大值滿足上式表示的優(yōu)選對(duì)的條件。

(2)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?n-1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2n＋1個(gè)Gold序列。因此,Gold序列的序列數(shù)比m序列數(shù)多得多。

(3)同類Gold序列互相關(guān)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4-2中列出了m序列和Gold序列互相關(guān)函數(shù)旁瓣的最大值。

第40頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一表4-2m序列和Gold序列特性第41頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

4.R-S序列 利用固定寄存器和m序列發(fā)生器還可以構(gòu)成R-S序列發(fā)生器。它所產(chǎn)生的R-S序列是一種多進(jìn)制的具有最大的最小距離的線性序列。圖4-13給出了R-S序列發(fā)生器的框圖。第42頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-13R-S序列發(fā)生器第43頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

5.M序列 如果反饋邏輯中的運(yùn)算含有乘法運(yùn)算或其他邏輯運(yùn)算,則稱作非線性反饋邏輯。由非線性反饋邏輯和移位寄存器構(gòu)成的序列發(fā)生器所能產(chǎn)生的最大長(zhǎng)度序列,就叫作最大長(zhǎng)度非線性移位寄存器序列,或叫作M序列,M序列的最大長(zhǎng)度是2n。圖4-14給出一個(gè)七級(jí)的M序列發(fā)生器的框圖?？梢钥闯?與線性反饋邏輯不同之處在于增加了“與門”運(yùn)算,與門具有乘法性質(zhì)。第44頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-14M序列發(fā)生器第45頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

4.2.3直擴(kuò)信號(hào)的發(fā)送與接收

1.擴(kuò)頻調(diào)制 如圖4-15(a)所示為一常見的二極管平衡調(diào)制器。 輸出正弦波相位改變的情況如圖4-15(b)所示。 圖4-16后面的三幅圖分別示出了這三種情況的輸出波形。

第46頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-15二極管平衡調(diào)制器第47頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-16實(shí)際平衡調(diào)制器輸出波形第48頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

2.相關(guān)解擴(kuò) 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,可以用外差相關(guān)解擴(kuò),如圖4-17所示。

第49頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-17外差相關(guān)解擴(kuò)第50頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 圖4-18(a)示出一直擴(kuò)接收機(jī)的簡(jiǎn)化方框圖。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。在圖4-18(b)中示出三種信號(hào)的處理過程。

第51頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-18直擴(kuò)接收機(jī)及其頻譜圖第52頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 這同樣是一種“用相片找人”的方法。對(duì)于視頻矩形脈沖序列來說,無源匹配濾波器就是抽頭延遲線加上加法累加器,有時(shí)稱為橫向?yàn)V波器,其結(jié)構(gòu)如圖4-19(a)所示。第53頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-19橫向?yàn)V波器結(jié)構(gòu)圖第54頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

3.射頻系統(tǒng)

直擴(kuò)射頻系統(tǒng)的特點(diǎn)如下:

直擴(kuò)發(fā)射機(jī)常見的中頻是70MHz,此時(shí)調(diào)制信號(hào)的帶寬不超過20MHz。射頻頻率由中頻變頻得到,而不用倍頻,因?yàn)楸额l能使相位關(guān)系產(chǎn)生變化,會(huì)改變或甚至完全去掉DS調(diào)制。對(duì)于末級(jí)功率放大器,則要求其要有足夠的帶寬,以允許直擴(kuò)信號(hào)可以順利地通過。第55頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

4.2.4直擴(kuò)系統(tǒng)的同步

1.同步原理 引起不確定性的因素主要有以下一些: (1)收發(fā)信機(jī)的距離會(huì)引起傳播的延遲產(chǎn)生相位差; (2)收發(fā)信機(jī)相對(duì)不穩(wěn)定性引起的頻差; (3)收發(fā)信機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多卜勒頻移; (4)多徑傳播引起中心頻率的改變。第56頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 同步過程一般包含兩個(gè)階段: (1)接收機(jī)在一開始并不知道對(duì)方是否發(fā)送了信號(hào),因此,需要有一個(gè)搜捕過程,即在一定的頻率和時(shí)間范圍內(nèi)搜索和捕獲有用信號(hào)。這一階段也稱為起始同步或粗同步,也就是把對(duì)方發(fā)來的信號(hào)與本地信號(hào)在相位方面的差異納入同步保持范圍內(nèi),即在PN碼一個(gè)時(shí)片內(nèi)。

(2)一旦完成這一階段,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,無論由于何種因素使兩端的頻率和相位發(fā)生偏移,同步系統(tǒng)都能加以調(diào)整,使收發(fā)信號(hào)仍然保持同步。

圖4-20為同步系統(tǒng)搜捕和跟蹤原理圖。

第57頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-20同步系統(tǒng)搜捕和跟蹤原理圖第58頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

2.起始同步——搜捕搜捕的作用就是在頻率和時(shí)間(相位)不確定的范圍內(nèi)捕獲有用的PN碼信號(hào)使本地PN碼信號(hào)與其同步。下面介紹三種常用的搜捕方法。

1)滑動(dòng)相關(guān)搜捕法 圖4-21(a)為滑動(dòng)相關(guān)器的方框圖，圖4-21(b)為滑動(dòng)相關(guān)器的流程圖。

第59頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-21滑動(dòng)相關(guān)搜索法(a)滑動(dòng)相關(guān)器的方框圖;(b)滑動(dòng)相關(guān)器的流程圖第60頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

2)序貫估值搜捕法 為了解決長(zhǎng)碼搜捕時(shí)間過長(zhǎng)的問題,一種快速搜捕的方法引起了人們的重視,這就是序貫估值器搜捕法,圖4-22為其原理方框圖。

第61頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-22序貫估值器搜捕法原理圖第62頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

3)匹配濾波器搜捕法 因?yàn)槠ヅ錇V波器有識(shí)別碼序列的功能,可以利用它進(jìn)行快速捕獲。圖4-23示出幾種匹配濾波器。第63頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-23幾種匹配濾波器延遲線匹配濾波器第64頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-23幾種匹配濾波器

(b)帶通型匹配濾波器；

(c)低通型匹配濾波器第65頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 圖4-24為其結(jié)構(gòu)示意圖。因它可以起到可編程匹配濾波器的作用,現(xiàn)已受到廣泛的重視。第66頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-24SAW卷積結(jié)構(gòu)示意圖第67頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

3.保持同步――跟蹤 圖4-25(a)示出一種工作在中頻的非相干DS擴(kuò)頻信號(hào)BPSK調(diào)制的延遲鎖定環(huán)。圖4-25(b)是這些曲線構(gòu)成的情況。

第68頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-25延遲鎖定環(huán)及其鑒相特性第69頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-25延遲鎖定環(huán)及其鑒相特性第70頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 圖4-26(a)示出一種跟蹤作用相同,但結(jié)構(gòu)上只用一個(gè)相關(guān)器的較為簡(jiǎn)化的τ抖動(dòng)環(huán)。但它多了一個(gè)τ抖動(dòng)信號(hào)發(fā)生器。τ抖動(dòng)信號(hào)為一正負(fù)方波。用此方波去控制壓控鐘源使PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的本地PN碼在相位上有一個(gè)提前或遲后,從而使相關(guān)器輸出有一附加的振幅調(diào)制。圖4-26(b)為其相關(guān)特性。

第71頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-26τ抖動(dòng)環(huán)及其相關(guān)特性第72頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-26τ抖動(dòng)環(huán)及其相關(guān)特性第73頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

4.2.5直擴(kuò)系統(tǒng)的性能

1.直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾性 直擴(kuò)系統(tǒng)最重要的應(yīng)用就是在軍事通信中作為一種具有很強(qiáng)抗干擾性的通信手段。圖4-27是這幾種干擾的頻譜圖。

第74頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-27干擾頻譜圖第75頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 現(xiàn)把直擴(kuò)系統(tǒng)對(duì)這幾種干擾信號(hào)的抗干擾性簡(jiǎn)述如下:

對(duì)于寬帶噪聲,在圖4-28(a)中示出,經(jīng)過解擴(kuò)與本地PN碼相乘后的相關(guān)輸出仍然是寬帶噪聲,且噪聲功率譜密度不變。但是經(jīng)窄帶濾波后,輸出信息的信噪比,還是改善了處理增益的分貝數(shù)。故直擴(kuò)系統(tǒng)有足夠高的Gp時(shí),對(duì)寬帶噪聲是有很好的抗干擾作用的。對(duì)于部分頻帶噪聲干擾,由于能量相對(duì)集中,對(duì)直擴(kuò)系統(tǒng)的危害比寬帶噪聲要大一些。換句話說,直擴(kuò)系統(tǒng)對(duì)其抗干擾性低于對(duì)寬帶噪聲的抗干擾性。對(duì)于單頻及多頻載波干擾,圖4-28(b)和(c)示出了其解擴(kuò)處理情況。

第76頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-28寬帶噪聲解擴(kuò)處理圖

(a)寬帶噪聲；(b)單頻載波；第77頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-28寬帶噪聲解擴(kuò)處理圖

(c)多頻載波第78頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-28寬帶噪聲解擴(kuò)處理圖

(d)寬帶信號(hào)第79頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

2.直擴(kuò)系統(tǒng)的抗截獲性

3.直擴(kuò)系統(tǒng)的碼分多址性能

4.直擴(kuò)系統(tǒng)的抗多徑干擾性能

5.直擴(kuò)系統(tǒng)的測(cè)距定時(shí)特性

第80頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一4.3跳頻系統(tǒng)

4.3.1跳頻系統(tǒng)概述

1.跳頻概念

通常我們所接觸到的無線通信系統(tǒng)都是載波頻率固定的通信系統(tǒng),如無線對(duì)講機(jī),汽車移動(dòng)電話等,都是在指定的頻率上進(jìn)行通信,所以也稱作定頻通信。這種定頻通信系統(tǒng),一旦受到干擾就將使通信質(zhì)量下降,嚴(yán)重時(shí)甚至使通信中斷。

第81頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

2.跳頻圖案 跳頻通信中載波頻率改變的規(guī)律,叫作跳頻圖案。 圖4-29所示為一個(gè)跳頻圖案，圖中橫軸為時(shí)間,縱軸為頻率。這個(gè)時(shí)間與頻率的平面叫作時(shí)頻域。 圖4-29(a)所示為一快跳頻圖案,它是在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)傳送一個(gè)碼位(比特)的信息。通常稱此時(shí)間段為跳頻的駐留時(shí)間,稱頻率段為信道帶寬。圖4-29(b)所示則是一慢跳頻圖案,它是在一個(gè)跳頻駐留時(shí)間內(nèi)傳送多個(gè)(此處3個(gè))碼位(比特)的信息。

第82頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-29跳頻圖案(a)快跳頻圖案；(b)慢跳頻圖案第83頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

圖4-30所示就是建立跳頻通信的示意圖,其中t表示時(shí)間,s表示空間,f表示頻率,當(dāng)收、發(fā)雙方在空間上相距一定距離時(shí),只要時(shí)頻域上的跳頻圖案完全重合,就表示收、發(fā)雙方可建立同步跳頻通信。第84頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-30建立跳頻通信示意圖第85頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

3.抗干擾方式 通信收、發(fā)雙方的跳頻圖案是事先約定好的,或者是由發(fā)方通知收方的。這個(gè)跳頻圖案是其他人所不知道的。若想干擾跳頻通信,有幾種策略可供選擇: (1)干擾方式1。在某一個(gè)頻率上施放長(zhǎng)時(shí)間的大功率的干擾,即單頻干擾; (2)干擾方式2。在某幾個(gè)頻率上施放長(zhǎng)時(shí)間的大功率的干擾,即多頻干擾;

第86頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

(3)干擾方式3。在連續(xù)的幾個(gè)頻帶上施放長(zhǎng)時(shí)間的大功率的干擾,稱作部分頻帶干擾; (4)干擾方式4。在不同時(shí)間內(nèi)在不同的頻率上施放大功率的干擾; (5)干擾方式5。依照跳頻圖案的規(guī)律跟蹤施放大功率的干擾。第87頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-31方式1和方式4的干擾策略與跳頻圖案第88頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 跟蹤式干擾的有效干擾是有條件的,這個(gè)條件除功率因素外,還應(yīng)當(dāng)滿足干擾橢圓的要求,如圖4-32所示。第89頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-32干擾橢圓第90頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

4.跳頻技術(shù)指標(biāo)與抗干擾的關(guān)系 考察一個(gè)系統(tǒng)的跳頻技術(shù)性能,應(yīng)注意下列各項(xiàng)指標(biāo):跳頻帶寬、跳頻頻率的數(shù)目、跳頻的速率、跳頻碼的長(zhǎng)度(周期)、跳頻系統(tǒng)的同步時(shí)間。

5.跳頻系統(tǒng)的主要特點(diǎn) 跳頻系統(tǒng)的特點(diǎn),在很大程度上取決于它的擴(kuò)展頻譜機(jī)理。跳頻擴(kuò)展頻譜在機(jī)理上與直接序列擴(kuò)展頻譜大不相同。由于跳頻速率很快,從而在宏觀上實(shí)現(xiàn)了頻譜的擴(kuò)展。圖4-33所示是從頻譜儀上觀察到的跳頻信號(hào)的頻譜。

第91頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-33跳頻信號(hào)的頻譜第92頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 圖4-34給出了單頻干擾和部分頻帶干擾對(duì)跳頻信號(hào)影響的示意圖。第93頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-34受干擾后的跳頻信號(hào)頻譜圖第94頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 如果多個(gè)跳頻通信所采用的跳頻圖案在時(shí)頻域“棋盤”上相互不發(fā)生重疊,則稱它們?yōu)檎惶l網(wǎng);如果發(fā)生重疊,則稱為非正交跳頻網(wǎng)，如圖4-35所示。第95頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-35正交、非正交跳頻圖案(a)正交；(b)非正交第96頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

4.3.2跳頻信號(hào)的發(fā)送與接收

1.跳頻信號(hào)的產(chǎn)生 在傳統(tǒng)的定頻通信系統(tǒng)中,發(fā)射機(jī)中的主振蕩器的振蕩頻率是固定設(shè)置的,因而它的載波頻率是固定的。為了得到載波頻率是跳變的跳頻信號(hào),要求主振蕩器的頻率應(yīng)能遵照控制指令而改變。這種產(chǎn)生跳頻信號(hào)的裝置叫跳頻器。通常,跳頻器是由頻率合成器和跳頻指令發(fā)生器構(gòu)成的,如圖4-36(a)所示。第97頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-36跳頻器方框圖

(a)發(fā)送第98頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-36跳頻器方框圖

(b)接收第99頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

2.跳頻信號(hào)的接收 在定頻信號(hào)的接收設(shè)備中,一般都采用超外差式的接收方法,即接收機(jī)本地振蕩器的頻率比所接收的外來信號(hào)的載波頻率相差一個(gè)中頻,經(jīng)過混頻后產(chǎn)生一個(gè)固定的中頻信號(hào)和混頻產(chǎn)生的組合波頻率成分。

3.接收跳頻信號(hào)的條件 跳頻系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)正常的跳頻通信,且能正確接收跳頻信號(hào)就必須滿足接收、發(fā)送端同步這一基本條件。系統(tǒng)的同步包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容:收端和發(fā)端產(chǎn)生的跳頻圖案相同,即有相同的跳頻規(guī)律。圖4-37示出跳頻同步的幾種情況。

第100頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-37跳頻同步的幾種情況第101頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

4.跳頻信號(hào)的波形 圖4-38給出了頻率合成器的換頻過程和載波信號(hào)的波形。

第102頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-38頻率合成器換頻過程和載波信號(hào)的波形第103頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

4.3.3跳頻系統(tǒng)的同步

跳頻系統(tǒng)的同步是關(guān)系到跳頻通信能否建立的關(guān)鍵。

1.跳頻同步信息的基本傳遞方法

(1)獨(dú)立信道法。

(2)前置同步法,也稱同步字頭法。

(3)自同步法,也稱同步信息提取法。

第104頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

2.幾種實(shí)用的同步方法

(1)模擬跳頻系統(tǒng)的同步方法。

(2)帶外單音法。

(3)帶內(nèi)同步頭法。

(4)數(shù)字(數(shù)據(jù))跳頻系統(tǒng)的同步方法。

(5)同步字頭法。 為了保證TOD信息的正確接收,在如圖4-39所示的同步信息數(shù)據(jù)幀格式中必須裝有位同步和幀同步位。

第105頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-39同步信息數(shù)據(jù)幀格式第106頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

(6)參考時(shí)鐘法。

(7)自同步法。圖4-40所示的是等待自同步法的跳頻同步過程。

第107頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一圖4-40等待自同步法的跳頻同步過程第108頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

3.跳頻同步系統(tǒng)的要求衡量同步系統(tǒng)性能的優(yōu)劣,主要應(yīng)考慮兩個(gè)方面:一是跳頻系統(tǒng)同步的可靠性;二是同系統(tǒng)的抗干擾性。

4.3.4跳頻圖案的產(chǎn)生與選擇

1.跳頻圖案的產(chǎn)生

2.跳頻圖案的選擇 一個(gè)好的跳頻圖案應(yīng)考慮以下幾點(diǎn):圖案本身的隨機(jī)性要好,要求參加跳頻的每個(gè)頻率出現(xiàn)的概率相同,隨機(jī)性好,抗干擾能力也強(qiáng)。要求跳頻圖案的數(shù)目要足夠多,這樣抗破譯的能力才會(huì)更強(qiáng)。各圖案之間出現(xiàn)頻率重疊的機(jī)會(huì)要盡量地小,要求圖案的正交性要好,這樣將有利于組網(wǎng)通信和多用戶的碼分多址。

第109頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一4.4混合式擴(kuò)頻系統(tǒng)

4.4.1采用混合式擴(kuò)頻系統(tǒng)的原因

1.直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn) 直接序列擴(kuò)頻的優(yōu)點(diǎn)是: (1)直擴(kuò)信號(hào)的功率譜密度低,具有隱蔽性和低的截獲概率,從而使得抗偵察、抗截獲的能力增強(qiáng)。

(2)直擴(kuò)系統(tǒng)的偽隨機(jī)性和密鑰量使信息具有保密性,即系統(tǒng)本身具有加密的能力。

第110頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

(3)利用直擴(kuò)系統(tǒng)碼型的正交性,就可構(gòu)成直接序列擴(kuò)展頻譜碼分多址系統(tǒng)。

(4)直接擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)具有抗寬帶干擾、抗多頻干擾及單頻干擾的能力。

(5)直接擴(kuò)展頻譜信號(hào)的相關(guān)接收具有抗多徑效應(yīng)的能力。

(6)利用直接擴(kuò)展頻譜信號(hào)可實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)距定位。

(7)直接擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)適用于數(shù)字話音和數(shù)據(jù)信息的傳輸，這是由于擴(kuò)頻系統(tǒng)本身是數(shù)字系統(tǒng)所決定的。第111頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 直接序列擴(kuò)頻的局限性在于:

直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)是寬帶系統(tǒng),雖然可與窄帶系統(tǒng)電磁兼容,但不能與其建立通信。

另外,對(duì)模擬信源(如話音)需作預(yù)先處理(如語聲編碼)后,才可接入直擴(kuò)系統(tǒng)。

2.跳頻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn) 利用偽隨機(jī)序列指令碼對(duì)系統(tǒng)的載波頻率進(jìn)行控制的跳頻系統(tǒng)也具有其獨(dú)特之處和局限性。 其優(yōu)點(diǎn)是: (1)跳頻圖案的偽隨機(jī)性和跳頻圖案的密鑰量使跳頻系統(tǒng)具有保密性。

第112頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

(2)由于載波頻率是跳變的,因此具有抗單頻及部分抗帶寬干擾的能力。

(3)利用載波頻率的快速跳變,跳頻系統(tǒng)具有頻率分集的作用,該作用使得系統(tǒng)具有抗多徑衰落的能力。

(4)利用跳頻圖案的正交性可構(gòu)成跳頻碼分多址系統(tǒng),共享頻譜資源,并具有承受過載的能力。

(5)跳頻系統(tǒng)為瞬時(shí)窄帶系統(tǒng),能與現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)兼容通信。

(6)跳頻系統(tǒng)無明顯的遠(yuǎn)近效應(yīng)。

第113頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 跳頻系統(tǒng)也有其缺點(diǎn)和局限性:

信號(hào)的隱蔽性差。因?yàn)樘l系統(tǒng)的接收機(jī)除跳頻器外與普通超外差式接收機(jī)沒有什么差別,它要求接收機(jī)輸入端的信號(hào)噪聲功率比是正值,而且要求信號(hào)功率遠(yuǎn)大于噪聲功率。 所以在頻譜儀上是能夠明顯地看到跳頻信號(hào)的頻譜。特別是在慢速跳頻時(shí),跳頻信號(hào)容易被對(duì)方偵察、識(shí)別與截獲。 跳頻系統(tǒng)抗多頻干擾及跟蹤式干擾能力有限:當(dāng)跳頻的頻率數(shù)目中有一半的頻率被干擾時(shí),對(duì)通信會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響,甚至中斷通信。

第114頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

3.直接序列擴(kuò)頻與跳頻擴(kuò)頻的互補(bǔ)性 將直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)和跳頻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與局限性作一對(duì)比,便可看出它們的優(yōu)缺點(diǎn)是互補(bǔ)的,如表4-3所示。

第115頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一表4-3兩種系統(tǒng)的對(duì)比第116頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

4.跳時(shí)系統(tǒng)的特點(diǎn) 跳時(shí)系統(tǒng)雖然也是一種擴(kuò)展頻譜技術(shù),但因其抗干擾性能不強(qiáng),通常并不單獨(dú)使用。 在時(shí)分多址通信系統(tǒng)中利用跳時(shí)來減少網(wǎng)內(nèi)干擾,可改善系統(tǒng)中存在的遠(yuǎn)近效應(yīng)。 將跳時(shí)(TH)分別與直接擴(kuò)頻(DS)和跳頻(FH)相結(jié)合則構(gòu)成直擴(kuò)/跳時(shí)(DS/TH)系統(tǒng)和跳頻/跳時(shí)(FH/TH)系統(tǒng)。若將直擴(kuò)、跳頻和跳時(shí)三者結(jié)合在一起則構(gòu)成了直擴(kuò)/跳頻/跳時(shí)(DS/FH/TH)擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)。

5.混合式擴(kuò)頻系統(tǒng)的好處 正如上面所列舉的,每一種擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)都有各自的長(zhǎng)處和短處,優(yōu)點(diǎn)和局限性。第117頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一

4.4.2幾種常用的混合式擴(kuò)頻系統(tǒng)

1.直接序列與跳頻混合式擴(kuò)頻系統(tǒng) 直接序列與跳頻的組合可構(gòu)成直擴(kuò)/跳頻(DS/FH)擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)。直擴(kuò)/跳頻擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)是在直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加載波頻率跳變的功能。它的基本工作方式是直接序列擴(kuò)頻,因此系統(tǒng)的同步也是以直接序列的同步為基礎(chǔ)的。圖4-41分別給出了直接序列/跳頻(DS/FH)混合式擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的發(fā)送與接收端的構(gòu)成及各點(diǎn)信號(hào)的頻譜圖。

第118頁，共128頁，2023年，2月20日，星期一 在圖4-41(a)中,經(jīng)編碼器輸出的信息碼與來自