《擴頻通信技術及應用》課件第1章

第1章擴頻通信技術原理

1.1擴頻通信的發(fā)展歷程1.2擴頻通信的基本概念和理論基礎1.3擴頻的基本原理和擴頻方式1.4擴頻通信的系統(tǒng)參數(shù)和特點

1.1擴頻通信的發(fā)展歷程

擴頻通信技術是一種非常重要的抗干擾通信技術。它最初是在軍事抗干擾通信中發(fā)展起來的，目前在民用移動通信中也得到了廣泛的應用，處于繁榮階段。它與光纖通信、衛(wèi)星通信一同被稱為進入信息時代的三大高技術通信傳輸方式。早在20世紀20年代中期誕生的RADAR（RadioDetectionandRanging）系統(tǒng)，利用回波證明了電離層的存在，其發(fā)射頻譜寬度大于回波頻譜寬度，具備了擴頻通信系統(tǒng)的基本特征。30年代，德國工程師PaulKotowski和KurtDannehl申請的專利中設計的偽裝語音設備已具有了擴頻通信的一些基本要素。

1948年前后，香農(nóng)（C.E.Shannon）著名的《通信中的數(shù)學理論》等論文的發(fā)表，奠定了信息論的基礎，并且這些理論也成為擴頻技術的理論依據(jù)。1949年，Derosa和Rogoff完成了世界上第一個直接序列擴頻系統(tǒng)。隨后在1950年，美國麻省理工學院在此基礎上成功研制出NOMAC（NoiseModulationandCorrelation）系統(tǒng)，這是一個成熟的擴頻通信系統(tǒng)。而在1941年，HedyK.Markey和GeorgeAntheil提出了

世界上第一個跳頻技術專利，但直到1963年，美國海軍Sylvania的BLADES(BuffaloLaboratoriesApplicationofDigitallyExactSpectra)系統(tǒng)才成為世界上第一個研制成功的跳頻通信系統(tǒng)。進入20世紀60年代以后，隨著科學技術的迅速發(fā)展，特別是在晶體管、集成電路和各種信號處理器問世后，擴頻技術才有了重大的突破和發(fā)展，使擴頻系統(tǒng)得到了廣泛的應用。在軍事通信領域出現(xiàn)了全球定位（GPS）系統(tǒng)、通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星系統(tǒng)（TDESS）、SINCGARS系統(tǒng)及JTIDS系統(tǒng)等。

1985年5月美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）制定了民用公共安全、工業(yè)、科學與醫(yī)療和業(yè)余無線電采用擴頻通信的標準和規(guī)范，從此擴頻技術獲得了更加廣泛的應用。1995年美國Qualcomm公司推出了IS95CDMA系統(tǒng)，首次將直擴技術用于民用的蜂窩移動通信中，獲得了巨大的成功。

2000年，國際電信聯(lián)盟（ITU）接納擴頻技術的CDMA為第三代移動通信的三大主流標準的核心技術，表明擴頻技術已經(jīng)處于其發(fā)展的鼎盛時期。目前除了應用于軍事安全保密通信外，擴頻技術正廣泛應用于衛(wèi)星通信、第三代和未來的第四代移動通信、定位、無線局域網(wǎng)、藍牙及最新的超寬帶（UWB）系統(tǒng)中，顯示出其強大的生命力。

1.2擴頻通信的基本概念和理論基礎

1.2.1擴頻通信的含義

擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，在發(fā)端采用擴頻碼調(diào)制，使信號所占的頻帶寬度遠大于所傳信息需要的帶寬；在收端采用相同的擴頻碼進行相關處理后再進行解調(diào)，以恢復所傳信息數(shù)據(jù)。這一定義其實包含了以下三方面含義：（1）信號的頻譜被展寬了。眾所周知，傳輸任何信息都需要一定的頻帶，稱為信息帶寬或基帶信號頻帶寬度。例如，人類語音的信息帶寬為300～3400Hz，電視圖像的信息帶寬為6MHz。在常規(guī)通信系統(tǒng)中，為了提高頻率利用率，通常都盡量采用帶寬大體相當?shù)男盘杹韨鬏斝畔?，亦即在無線電通信中射頻信號的帶寬與所傳信息的帶寬是相

比擬的，即一般屬于同一個數(shù)量級。如用調(diào)幅(AM)信號來傳送語言信息，其帶寬為語言信息帶寬的兩倍，用單邊帶(SSB)信號來傳輸，其信號帶寬更小，即使是調(diào)頻(FM)或脈沖編碼調(diào)制(PCM)信號，其帶寬也只是信息帶寬的幾倍。擴頻通信的信號帶寬與信息帶寬之比則高達100～1000，屬于寬帶通信，為什么要用頻帶這么寬的信號來傳輸信息呢?這樣豈不是太浪費寶貴的頻率資源嗎?后文將用信息論和抗干擾理論來回答這個問題。（2）采用擴頻碼序列調(diào)制的方式來展寬信號頻譜。由信號理論可知，在時間上有限的信號，其頻譜是無限的。脈沖信號寬度越窄，其頻譜就越寬。作為工程估算，信號的頻帶寬度與其脈沖寬度近似成反比。例如，1μs脈沖的帶寬約為1MHz。因此，如果很窄的脈沖碼序列被所傳信息調(diào)制，則可產(chǎn)生很寬頻帶的信號，這種很窄的脈沖碼序列(其碼速率是很高的)即可作為擴頻碼序列。其他的擴頻系統(tǒng)(如跳頻系統(tǒng))也都是采用擴頻碼調(diào)制的方式來實現(xiàn)信號頻譜擴展的。需要說明的是，所采用的擴頻碼序列與所傳的信息數(shù)據(jù)是無關的，也就是說，它與一般的正弦載波信號是相類似的，絲毫不影響信息傳輸?shù)耐该餍裕瑑H僅起擴展信號頻譜的作用。（3）在接收端用相關處理來解擴。正如在一般的窄帶通信中，已調(diào)信號在接收端都要進行解調(diào)來恢復發(fā)端所傳的信息一樣，在擴頻通信中接收端則用與發(fā)端完全相同的擴頻碼序列與收到的擴頻信號進行相關解擴，然后通過解調(diào)電路恢復出數(shù)據(jù)。1.2.2擴頻的理論基礎

香農(nóng)在其信息論中得出了帶寬與信噪比互換的關系式，即香農(nóng)公式：

C=Blb(1+)(1-1)式中，

C為信道容量，單位為b/s；B為信號頻帶寬度，單位為Hz；S為信號平均功率，單位為W；N為噪聲平均功率，單位為W。香農(nóng)公式指出，在給定信號平均功率S和白噪聲平均功率N的情況下，只要采用某種編碼系統(tǒng)，就能以任意小的差錯概率，以接近于C的傳輸速率來傳送信息。這個公式還暗示，在保持信息傳輸速率C不變的條件下，可以用不同頻帶寬度B和信噪功率比(簡稱信噪比)來傳輸信息。換言之，頻帶B和信噪比是可以互換的。也就是說，如果增加信號頻帶寬度，就可以在較低信噪比的條件下以任意小的差錯概率來傳輸信息。甚至在信號被噪聲淹沒的情況下，只要相應地增加信號帶寬，也能進行可靠的通信。由此可見，擴頻通信系統(tǒng)具有較強的抗噪聲干擾的能力。需要指出的是，當B增加到一定程度后，信道容量C不可能無限地增加。由式(1-1)可知，信道容量C與信號帶寬成正比，增加B，勢必會增加C，但當B增加到一定程度后，C增加緩慢。由于N＝n0B，因而隨著B的增加，N也要增加，從而使信噪比S/N下降，影響到C的增加?？紤]極限情況，令B→∞，我們來看C的極限值：(1-2)考慮到極限(1-3)則可得(1-4)由此可見，在信號功率S和噪聲功率譜密度n0一定時，信道容量C是有限的。由上面的結論，可以推導出信息速率R達到極限信息速率，即R＝Rmax=C，且?guī)払→∞時，信道要求的最小信噪比Eb/n0的值。Eb為碼元能量，S=EbRmax，由式(1-4)知可得(1-5)由此可得信道要求的最小信噪比為用擴展頻譜的方法換取通信系統(tǒng)接收機輸入端對C/N(載噪比)或S/N(信噪比)的要求，這對通信設備小型化、低功率化、減少通信環(huán)境電磁干擾來說是十分重要的。以移動通信系統(tǒng)為例，很能說明問題。第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)采用話音調(diào)頻(FM)；接收機輸入端要求(C/N)

≥18dB；第二代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)的GSM系統(tǒng)采用TDMA、GMSK數(shù)字話音調(diào)制，接收機輸入端信干比要求(S/I)≥9dB就可以；采用擴頻技術的CDMA系統(tǒng)接收機輸入端在Eb/n0取4.5dB時，相當于載干比(C/I)=－15dB。

1.3擴頻的基本原理和擴頻方式

1.3.1擴頻的基本原理

圖1-1(a)為一周期性脈沖序列g(t)的波形及其頻譜函數(shù)A(f)。圖中E為脈沖的幅度，τ0為脈沖寬度，T0為脈沖的

重復周期，并設T0=5τ0。根據(jù)傅氏變換，其頻譜分布為一系列離散譜線，由基波頻率f0及2f0、3f0、…高次諧波所組成。隨著諧波頻率的升高，幅度逐漸減小。對于棱角分明的波形，在理論上包含有無限多的頻譜成分。簡單來說，時間有限的波形，在頻譜上是無限的。反之，頻譜有限的信號，在時間上也是無限的。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到A(f)的第一個零點的頻變?yōu)橹沟膶挾葍?nèi)。這個寬度常稱為信號的頻帶寬度，記作B(或Bf0)。如圖1-1(a)所示的頻帶寬度Bf0為(1-6)信號的頻譜間隔取決于脈沖序列的重復周期，即f0＝1/T0。如圖1-1(a)所示的5條譜線f0、2f0、3f0、4f0和5f0，

相鄰的譜線間隔均為f0。圖1-1(b)中，脈沖寬度仍為τ0，但脈沖周期為2T0=10τ0，即與圖1-1(a)相比較，其脈沖寬度τ0不變，而脈沖周期增加一倍。因此其頻帶寬度不變(頻帶寬度取決于脈沖寬度)，即仍為1/τ0，而基波頻率減半，即為f0/2，各個譜線的頻率分別為f0/2，f0，(3/2)f0，…，5f0共10個。由此可知，脈沖重復周期增加一倍，基頻降低一半，譜線間隔也減小一半，譜線密度增加一倍。圖1-1(c)中，脈沖寬度τ1縮窄一半，即τ1＝τ0/2，

而脈沖重復周期同圖1-1(a)相同，仍為T0。根據(jù)上述分析，脈沖信號的譜線間隔取決于脈沖序列的周期，因此圖1-1(c)的譜線間隔仍為1/T0=f0，而脈沖信號的譜線帶寬取決于脈沖信號寬度，此時帶寬為圖1-1(a)的兩倍，即由圖1-1(c)可見，頻譜線間隔不變，但信號的頻帶寬度增加一倍。此外，由圖1-1還可以看出，無論是脈沖重復周期的增大還是脈沖寬度的減小，都使頻譜函數(shù)的幅度降低了。圖1-1周期性矩形脈沖序列波形及其頻譜(a)脈沖寬度τ0，脈沖周期T0=5τ0;

(b)脈沖寬度τ0，脈沖周期為2T0；(c)脈沖寬度τ0/2，脈沖周期為T0

(1)為了擴展信號的頻譜，可以采用窄的脈沖序列調(diào)制某一載波。采用的脈沖寬度越窄，擴展的頻譜就越寬。如果脈沖的重復周期為脈沖寬度的2倍，即T=2τ，則脈沖寬度縮窄對應于碼重復頻率的提高，即采用高速率的脈沖序列調(diào)制，可獲得擴展頻譜的目的。直接序列擴展頻譜正是應用了這一原理，直接用重復頻率很高的窄脈沖序列來展寬信號的頻譜。

(2)如果信號的總能量不變，則頻譜的展寬勢必使各頻譜成分的幅度下降，換句話說，使信號的功率譜密度降低。這就是為什么可以用擴頻信號進行隱蔽通信，及擴頻信號具有低的被截獲概率的原因。

(3)在較寬的信息周期內(nèi)，如果載送信息的符號波形是一個窄脈沖，那么其信號的頻譜要比所傳信息的帶寬要寬，跳時系統(tǒng)利用的正是這個原理。1.3.2主要的擴頻方式

擴頻通信的一般原理如圖1-2所示。在發(fā)端輸入的信息經(jīng)信息調(diào)制形成數(shù)字信號，然后由擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻碼序列調(diào)制數(shù)字信號以展寬信號的頻譜。由圖1-2可見，擴頻通信系統(tǒng)與普通數(shù)字通信系統(tǒng)相比較，就是多了擴頻調(diào)制和解擴部分。圖1-2擴頻通信原理方框圖

1.直接序列(DS)擴頻

直接序列(DS，DirectSequence)擴頻就是直接用具有高碼率的擴頻碼序列在發(fā)端擴展信號的頻譜。而在收端，用相同的擴頻碼序列進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。直接序列擴頻的原理如圖1-3所示。圖1-3直接序列擴展頻譜原理圖圖1-3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(f)，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被抑制的雙邊帶展寬了擴頻信號，其頻譜函數(shù)為fc+G(f)。以后我們將說明，在接收端應用相同的平衡調(diào)制器作為解擴器，可將頻譜為fc+G(f)的擴頻信號，用相同的碼序列進行再調(diào)制，將其恢復成原始的載波信號fc。關于直接序列擴頻系統(tǒng)的組成和工作原理及抗干擾性能等問題，將在第3章作較為詳細的介紹。

2.跳頻(FH)

跳頻(FH，F(xiàn)requencyHopping)也是一種擴頻方式。所謂跳頻，比較確切的意思是，用一定碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴頻碼序列進行頻移鍵控調(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，只有兩個頻率，分別代表傳號和空號。而跳頻系統(tǒng)則有幾個、幾十個、甚至上千個頻率，由所傳信息與擴頻碼的組合進行選擇控制，不斷跳變。圖1-4(a)為跳頻的原理方框圖。發(fā)端信息碼序列與擴頻碼序列組合以后按照不同的碼字控制頻率合成器。其輸出頻率根據(jù)碼字的改變而改變，形成了頻率的跳變，故稱跳頻。從圖1-4(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地跳變。在收端，為了解調(diào)跳頻信號，需要有與發(fā)端完全相同的本地擴頻碼發(fā)生器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與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)器輸出恢復的信息。從上述作用原理可以看出，跳頻系統(tǒng)也占用了比信息帶寬要寬得多的頻帶。圖1-4跳頻(FS)系統(tǒng)(a)原理方框圖；(b)頻率跳變圖例

3.跳時(TH)

圖1-5是跳時系統(tǒng)的原理框圖和圖例。在發(fā)端，輸入的數(shù)據(jù)先存儲起來，由擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻碼序列控制通—斷開關，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，由射頻接收機輸出的中頻信號經(jīng)本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴頻碼序列控制通—斷開關，再經(jīng)二相或四相解調(diào)器，送到數(shù)據(jù)存儲器并再定時后輸出數(shù)據(jù)。只要收發(fā)兩端在時間上嚴格同步進行，就能正確地恢復原始數(shù)據(jù)。跳時也可以看成是一種時分系統(tǒng)；不同之處在于它不是在一幀中固定分配一定位置的時片，而是由擴頻碼序列控制的按一定規(guī)律跳變位置的時片。跳時系統(tǒng)的處理增益等于一幀中所分的時片數(shù)。由于簡單的跳時抗干擾性不強，因而很少單獨使用。跳時通常都與其他方式結合使用，組成各種混合方式。圖1-5跳時系統(tǒng)(a)原理方框圖；(b)跳時圖例

4.線性調(diào)頻(Chirp)

圖1-6是線性調(diào)頻的示意圖。發(fā)端由一鋸齒波調(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行壓縮，把能量集中在一個很短的時間內(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，它是一個存儲和累加器件。其作用機理是對不同頻率的延遲時間不一樣。如果使脈沖前后兩端的頻率經(jīng)不同的延遲后一同輸出，則匹配濾波器便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)。圖1-6線性調(diào)頻的示意圖

5.各種混合方式

可將上述幾種基本的擴頻方式組合起來，構成各種混合方式，例如FH/DS、DS/TH、DS/FH/TH等等。但是，不同方式結合起來的優(yōu)點是有可能得到只用其中一種方式

得不到的特性。例如DS/FH系統(tǒng)，就是一種中心頻率在某一頻帶內(nèi)跳變的直接序列擴頻系統(tǒng)。其信號的頻譜如圖1-7所示。圖1-7DS/FH混合擴頻示意圖由圖可見，一個DS擴頻信號在一個更寬的頻帶范圍內(nèi)進行跳變。DS/FH系統(tǒng)的處理增益為DS和FH處理增益之和。因此，有時采用DS/FH反而比單獨采用DS或FH可獲得更寬的頻譜擴展和更大的處理增益。甚至有時相對來說，其

技術復雜度比單獨用DS來展寬頻譜或用FH在更寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)頻率的跳變還要低些。對于DS/TH方式，它相當于在DS擴頻方式中加上時間復用。采用這種方式可以容納更多的用戶。在實現(xiàn)上，DS本身已有嚴格的收發(fā)兩端擴頻碼的同步，加上跳時，只不過增加了一個通—斷開關，并不增加太多技術上的復雜度。

對于DS/FH/TH，它把三種擴頻方式組合在一起，在技術實現(xiàn)上肯定是很復雜的，但是對于一個有多種功能要求的系統(tǒng)，DS、FH、TH可分別實現(xiàn)各自獨特的功能。

1.4擴頻通信的系統(tǒng)參數(shù)和特點

1.4.1處理增益和干擾容限

處理增益是衡量擴頻系統(tǒng)性能的一個重要參數(shù)，其定義為接收機相關處理器的輸出信噪比與輸入信噪比的比

值，即處理增益表示經(jīng)過擴頻接收機處理后，使信號增強的同時抑制落入接收機的干擾信號能力的大小。處理增益GP越大，則系統(tǒng)的抗干擾能力越強。理論分析表明，各種擴頻系統(tǒng)的抗干擾能力大體上都與擴頻信號帶寬B和信息帶寬Bm之比成正比，工程上常以分貝(dB)表示，即(1-7)僅僅知道擴頻系統(tǒng)的處理增益，還不能充分說明系統(tǒng)在干擾環(huán)境下的工作性能。由于通信系統(tǒng)要正常工作，還需要保證輸出端有一定的信噪比(如CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)為7dB)，并需扣除系統(tǒng)內(nèi)部信噪比的損耗，因此需引入干擾容限