扩频通信理论基础
直接扩频通信理论基础
汇报人：XXX
智能工业：通过直接扩频通信技术 实现工业设备的远程监控和维护， 提高工业生产效率和设备可靠性。
军事通信：抗干扰能力强，适用于 复杂环境
物联网：适用于低功耗、低速率的 通信场景，如智能家居、智能农业 等
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卫星通信：扩频码可实现码分多址， 提高频谱利用率
智能交通：用于车辆识别、交通信 号控制等，提高交通效率与安全性
保密性好：扩频通信可以将信号隐藏在噪声中，使得信号不易被窃取。
抗截获能力强：由于扩频通信的信号是随机变化的，因此很难被截获。
PART TWO
扩频通信是一种利用信息扩展频带传输的通信方式 理论依据：香农定理，即信息传输速率等于频带宽度与信噪比的比值
扩频通信通过扩展信号的频带宽度，降低信号功率谱密度，提高抗干扰能力和信噪比
物联网：物联网设备数量众多，扩频通信具有低功耗、低成本和抗干扰能力强等特点，适用于物联网领域。
扩频通信技术可以提高卫星通信的抗干扰能力和保密性 扩频通信技术可以扩展卫星通信的频带，提高通信容量和传输速率 扩频通信技术可以降低卫星通信的发射功率，减小干扰和噪声的影响 扩频通信技术可以应用于卫星导航、定位和遥感等领域的信号传输和处理
特点：具有较强 的抗干扰能力和 较高的保密性， 广泛应用于军事、 卫星通信等领域。
优势：扩频通信 具有抗干扰能力 强、抗多径干扰 能力强、抗截获 能力强等优点。
原理概述：直接序列扩频通信利用高速伪随机序列将信息扩展频谱，实现抗干扰和保 密通信。 信号特点：信号具有低功率谱密度和抗干扰能力强，能够实现远距离传输和隐蔽通信。
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扩频通信基础
跳频图案
图1所示为一快跳频图案, 它是在一个时间段内传送 一个码位(比特)的信息. 通常称此时间段为跳频的 驻留时间,称频率段为信 道带宽. 图2所示为一慢跳频图案, 它是在一个跳频驻留时间 内传送多个(此处3个) 码位(比特)的信息.
跳频系统性能指标
跳频带宽 跳频频率的数目 跳频的速率 跳频码的长度(周期) 跳频系统的同步时间
扩频通信定义
扩频通信技术是一种信息传输方式,其信号所占有的 频带宽度远大于所传信息必须的最小带宽;频带的扩 展是通过一个独立的码序列来完成,用编码及调制的 方法来实现的,与所传信息数据无关;在接收端则用 同样的码进行相关同步接收,解扩及恢复所传信息 数据 信号的频谱被展宽了 采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱 在接收端用相关解调来解扩
1110010 1110010 1110010 1110010 1110010 1110010
0001101 1110010 0001101 0001101 0001101 1110010 000ππ0π πππ00π0 000ππ0π 000ππ0π 000ππ0π πππ00π0
发送码 发端已调信号
扩频通信的基本原理
扩频通信的分类
◆直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum) ◆跳变频率(Frequency Hopping) ◆跳变时间(Time hopping) ◆各种混合方式
直接序列扩频CDMA系统
所谓直接序列 (DS-Direct-Scquency)扩频,就是直接用具有 高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱.而在收端, 用相同的扩频码序列去进行解扩,把展宽的扩频信号还原成 原始的信息.
m序列的性质
m序列的自相关函数由下式计算(p=2n-1):
第3章第4讲 扩频通信、抗衰落技术分析
图3-42 利用波束赋形技术实现SDMA
6．混合多址接入方式
在实际中通常是将CDMA与FDMA、 TDMA结合在一起来使用，如图3-43所示。
图3-43 混合多址接入方式示意图
3.3 抗衰落技术 3.1.1 分集
分集（Diversity）就是在独立的衰 落路径上发送相同的数据，由于独立路 径在同一时刻同时经历深衰落的概率很 小，因此经过适当的合并后，接收信号 的衰落程度就会被减小。
空间分集(Space Diversity) 空间分集在发端采用一副天线发射，而在接收端采用多副间隔 距离d≥λ /2（λ 为工作波长）的天线接收，以保证接收天线输出信 号的衰落特性是相互独立的。经相应的合并电路从中选出信号幅度较 大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号，从而降低 了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。该技术在FDMA、TDMA及 CDMA移动通信系统中都有应用。
（2）CDMA移动通信系统具有的特性
① 多址干扰 ② 远近效应 ③ 边缘问题 ④ CDMA系统接收的特点 ⑤ CDMA系统软容量的特点 ⑥ CDMA系统的小区呼吸Fra bibliotek应 ⑦ 软切换
图3-41 软容量示意图
当相邻小区的负荷不相同时，负荷重的小区降低发射 功率，使本小区边缘的用户切换到临近小区，从而实 现负载控制
采用分集技术便可在接收终端上大大降低深衰落的影响，从 而改善传输的可靠性。对于阴影衰落造成的宏观信号衰落可 使用宏观分集；对于多径传播造成微观衰落可使用微观分集。 宏分集（也叫多基站分集）：为了消除阴影区域产生的 信号衰落，将多个基站设置在不同的地理位置和不同的方 向上同时和小区内的一个移动台进行通信。 微分集：在一个局部区域接收到无线信号在空间、角度、 频率、时间等方面呈现出独立性，因此对应的分集方法有 空间分集、极化分集、角度分集、频率分集、时间分集和 分量分集等多种。
第1章 扩频通信的理论基础
第1章扩频通信的理论基础第1章扩频通信的理论基础『扩展频谱通信及其多址技术』，曾兴雯等，西安电子科技大学出版社『扩频通信』，田日才，清华大学出版社『CDMA 移动通信技术』，孙立新等，人民邮电出版社『CDMA 扩频通信原理』，维特比(Viterbi)，人民邮电出版社『第三代移动通信系统无线增强技术』，王江舟，电子工业出版社辅导：梁红玉，星期二下午3:00-5:00, 七教四楼通信教研室第一章扩频通信的理论基础一、基本概念由通信原理数字调制（ASK ，FSK ，PSK 等）知：信号占据频带：是频移间隔，调制符号速率)话音PCM 编码速率为：话音归结――窄带调制方式而扩展频谱通信（spread spectrum communication －简称扩频通信）其信号占据的带宽（几百～几万）（调制带宽：几MHz ～几十MHz ）―――――宽带调制方式目前甚至出现1. 同分布的中心极限定理几百Mhz ～几GHz ―――――超宽带调制方式相互独立，服从同一分布，具有数学期望和方差：则对任意的，有概率分布函数――正态分布！2. 模2加运算在扩频处理中经常用到的运算：模二加 a ⊕b a. 二进制运算――a,b 是二进制符号b. 运算后进行MOD2处理――相加的结果除以2取余数例：1⊕1=0; 1⊕0=1;0⊕1=1; 0⊕0=0;经常在实际信号波形幅度中用－1表示“1”，用＋1表示“0”，可以对应为： -1×-1= +1; -1×+1= -1; +1×-1= -1; +1×+1= +1; 3. 噪声1）高斯白噪声单边功率谱密度，双边功率谱密度带宽B 后噪声功率为“白”――从功率谱密度角度，在频带范围内功率谱密度是一个常数“高斯”―― 根据中心极限定理，其电压幅度应服从正态分布p (v ) =其中v 为v 的均值，σ为的方差。
对于白噪声v =0，均方差就是方差σ=N 0B ，理想“白噪声”是指带宽 2）白噪声的自相关函数a. 对理想白噪声S n (f ) =1+∞N 0j ωτd ω⎰-∞2π2=0δ(τ)21+∞j ωτe d ω单位脉冲函数其中δ(τ)=R v (τ)=b. 基带频限带白噪声（白噪声通过低通滤波器）R v (τ)=N 0f Lsin (2πf L τ)2πf L τc. 中频（射频）限带白噪声R v (τ)=N 0f L4. Shannon 公式：sin (2πf L τ)cos (2πf 0τ)2πf L τ问：宽带的优势何在？按常规的理解，在一定可用频段内，宽带使传输容量减小？依据：Shannon 定理，1948年提出，定义为对于高斯白噪声信道，通信系统极限的传输速率（又称为信道容量）为：与容量之间的互换关系。
第3章第4讲 扩频通信、抗衰落技术
——空间分集的两种变化形式：极化分集和角度分集
59
频率分集(Frequency Diversity)
频率分集是将待发送的信息分别调制到频率不相关的载 波上发送，只要载频间隔大于相干带宽，则接收端所接 收到信号的衰落是相互独立的。 在移动通信系统中，可采用信号载波频率跳变扩展频 谱技术来达到频率分集的目的。和空间分集相比，频 率分集的优点是减少了天线数目，缺点是要占用更多 的频谱资源，在发端需要多部发射机。
CDMA网络与GSM网络完全不同，由于不再把信道和用户分开考 虑，也就没有了传统的覆盖和容量之间的区别。一个小区的业务 量越大，小区面积就越小。因为在CDMA 网络中业务量增多就意 味着干扰的增大。这种小区面积动态变化的效应称为小区呼吸。 “小区呼吸”动态分配小区负荷，改善网络覆盖，增加系统容量
5．空分多址
2．CDMA系统地址码和扩频码的应用
主要可以分为3类: （1）用户地址码。 （2）信道地址码。 （3）小区地址码。
3 扩频通信的主要性能指标
(1)．扩频处理增益
处理增益G定义为频谱扩展后的信号带 宽B2与频谱扩展前的信号带宽B1之比，即
B2 R2 T1 G B1 R1 T2
（4-23）
（3）．频带利用率
频带利用率就是传输的数据率（bit/s） 与数字信号所占的频带（Hz）之比单位为 bit/s/Hz。
3.2.4 多址接入技术
1．多址接入技术简介
多址技术主要是解决如何使多用户共享系统无线资源的问题。 必须对不同移动台和基站发出的信号赋予不同的特征，使基 站能从众多移动台的信号中区分出哪一个移动台发出来的信 号，而各移动台又能识别出基站发出的信号中哪个是发给自 己的信号。
显分集
微分集
扩频通信概述ppt课件
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扩频通信概述
四、扩展频谱通信系统的特点
缺点
复杂、成本高 对宽带干扰没有抵抗能力 对信道要求高，带宽效率低（某些场合）
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2024/3/10
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2525
扩频通信概述
八、扩频通信技术的发展趋势
扩频带宽和处理增益进一步提高； 跳频和跳时的跳速向更高的方向发展； 扩频码的复杂性进一步提高； 采用混合扩频技术； 采用多进制扩频技术； 采用多载波扩频技术； 扩频通信技术实现的数字化、 软件化；
扩频通信技术和自适应技术如自适应选频、 自适应天线和自适应干扰抑制滤波技术结合 使用。
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扩频通信概述
五、扩频通信的发展简史
跳频和跳时的概念出现于1940年代的早期
1942年由在奥地利出生的女演员Hedy Lamarr 和美国作曲家George Antheil发明。
直接序列的概念晚几年出现
相关检测出现在1940年代后期 瑞克接收机出现在1952年
早期绝大多数应用于军事和情报目的
扩频通信概述
扩频通信概述
一、扩频通信的理论基础
二、扩频通信的概念
三、扩频通信的分类
四、扩频通信系统的特点
五、扩频通信的发展简史
六、扩频通信系统的主要技术指标
七、扩频通信的应用
八、扩频通信技术的发展趋势
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扩频通信概述
一、扩频通信的理论基础
第2章 扩频技术及其理论基础
扩频技术及其理论基础
2.1.4 扩频系统的物理模型
图 2-4 为扩频系统的物理模型, 信源产生的信号经 过第一次调制——信息调制(如信源编码)成为一数字信 号, 再进行第二次调制——扩频调制, 即用一扩频码将数 字信号扩展到很宽的频带上, 然后进行第三次调制, 把 经扩频调制的信号搬移到射频上发送出去。
Gs ( f )
A
f0 (a)
f
f0－fc
f0 (b)
f0＋fc
f
图 2-10 干扰功率谱变化 (a) 扩展前； (b) 扩展后
第2章
扩频技术及其理论基础
2. 干扰容限 所谓干扰容限, 是指在保证系统正常工作的条件下, 接收机能够承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数, 用Mj表示, 有
S M j GP LS d B N o
第2章
扩频技术及其理论基础
编 码 器
输出{b i}
a0 {a i}
a1 …
a k－1
k位移位寄存器
图 2-11 软扩频实现框图
第2章
扩频技术及其理论基础
2.2.5 直扩系统的特点和用途
直扩系统的特点主要有以下几个方面: (1) 具有较强的抗干扰能力。 (2) 具有很强的隐蔽性和抗侦察、 抗窃听、 抗测向 的能力。
(2-3) (2-4)
第2章
扩频技术及其理论基础
令x=S/n0B, 对式(2-3)有
n0 B S S S lim C lim Ib(1 )( ) Ib e B B n0 B n0 n0 S
故
S lim C 1.44 B n0
(2-5)
第2章
一个确定的振幅值, 已调信号的包络与原始信号成线性 关系。
扩频通信教学文档
第一章扩频通信的理论基础二、直接序列扩频(DS)原理同的PNN倍！数学模型为：1.2.1发送：换的数字信号：PCM，∆M等PN码振荡源（图）――符号周期宽度，符号速率，信息符号，门函数伪随机码序列：(注意这里一般用双极性波形)，设是方波，也是门函数，伪码速率，伪码周期为，举例――――信息：0 1 1 001100101 10011010 10011010 01100101扩频码：扩展序列：∵方波波形相乘等效于二进制码的“模二加”―>射频调制：BPSK（也可以采用MSK ， QPSK 等） 频谱/功率谱扩展情况功率谱推导：设功率谱关系 ：，则有：（和相互独立，）：周期长的PN 序列，其自相关函数为（为时延差）归一化：功率谱函数：BPSK 调制的自相关函数：从而可得：1.2.2 接收有用信号 信道噪声 干扰信号 用户干扰本地伪码序列，与发送PN 序列同步，有同步时差其中有用信号：只要满足伪码同步（PN 码相同，时间起点对齐），则有再经过相干解调：在满足载波同步和相位同步条件下：有：------- 基带滤波 此过程波形图见课本图2-6对于噪声与干扰输出大大消减解扩与基带滤波这是由于：窄带干扰：解扩中---->宽带扩频信号，能量扩散------> 输出强度 （基带滤波）噪声：为宽带噪声――――> 变为窄带噪声下降倍 （基带滤波，解扩未带来新噪声）用户干扰：―――――>解扩输出，强度至少下降N 倍（多用户间伪码不相关：互相关）频谱示意图：1.2.3 处理增益与干扰容限A. 衡量系统抗干扰能力―――处理增益（或扩频增益）定义：接收相关处理的输出与输入信噪功率之比。
（主要是解扩与基带滤波）由于：，假定：解扩已取得伪码同步，相关处理前后信号功率不变，有对于窄带干扰，再设 输入干扰功率带宽为， 解扩前后干扰总功率不变，只是谱密度下降为（被“扩频”了） 从而有：而 （基带滤波输出的结果），有：●对：解扩无作用，不能改变噪声功率谱密度（），基带滤波后：●对用户干扰，多径干扰等的分析，根据扩频序列的互相关和自相关性能的不同，会得到不同的，但一般有从以上分析可知：提高的技术途径：―― 受码发生器电路码速率限制―― 目前一般，PCM 话音编码，码速率为，若采用语音压缩技术（线性预测编码，矢量量化编码等）可达，从而使大大提高 通过采用多进制数字调制方法降低符号速率，如QPSK ，16QAM 等例： 增大3dB 增大8dB 相对而言：降低花费代价较增大要小B. 干扰容限：――允许输入的最大干信比值 ( 对应为：最低要求的信噪比)保证系统正常工作（即满足输出信噪比要求，BER 极低），接收机输入端许可的干扰信号比有用信号高出的分贝数，即系统对的要求。
直接扩频通信理论基础
直接扩频通信理论基础
汇报人：XLeabharlann X目录01 02 03 04 05 06
直接扩频通信基本原理 扩频序列
扩频调制与解调 抗干扰性能分析
多径干扰抑制 直接扩频通信的应用与发展
01
直接扩频通信基本原理
扩频通信的基本概念
扩频通信：一种通信技术，通过将信号的带宽扩展到比原始信号带宽更宽的频带中，以 提高通信的可靠性和安全性。
市场竞争：各大厂商纷纷推出 自己的直接扩频通信产品
直接扩频通信的未来展望
技术发展趋势：更高速率、更大容量、更低功耗 应用领域拓展：物联网、车联网、智慧城市等 标准制定：推动相关标准的制定和完善 产业合作：加强产业链上下游的合作，推动产业发展
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汇报人：XXX
02
扩频序列
伪随机序列的生成原理
伪随机序列的定义： 具有某种随机性的 序列，但实际上是 按照一定规则生成 的
生成方法：常用的 有m序列、Gold 序列、WalshHadamard序列等
应用：在直接扩频 通信中，伪随机序 列用于扩频和解扩 ，以提高系统的抗 干扰能力和安全性
特点：具有良好的 自相关性和互相关 性，可以降低误码 率，提高通信质量
解调性能： 解调性能受 到多种因素 的影响，如 扩频码的设 计、信道条 件等。
04
抗干扰性能分析
抗干扰原理
直接扩频通信的基本原理
扩频通信的抗干扰性能分 析
扩频通信中干扰的来源和 类型
扩频通信中抗干扰技术的 应用和实现
抗干扰性能分析
直接扩频通信系统的抗干扰性能 扩频通信系统的抗干扰原理 扩频通信系统的抗干扰技术 扩频通信系统的抗干扰性能测试方法
抗干扰性能比较
扩频通信的基本原理
扩频通信的理论基础1.1扩频通信的基本概念通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。
通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。
这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。
在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。
显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。
在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。
通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。
由于信息在传输过程中受到干扰，收到的信息与发出的信息并不完全相同。
可靠性就是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度。
因此，可靠性决定于系统抵抗干扰的性能，也就是说，通信系统的可靠性决定于通信系统的抗干扰性能。
在模拟通信系统中，传输的可靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。
在数字通信系统中，传输的可靠性是用信息传输的差错率来描述的。
扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了应用。
近年来，扩展频谱通信技术的理论和应用发展非常迅速，在民用通信系统中也得到了广泛的应用。
扩频通信是扩展频谱通信的简称。
我们知道，频谱是电信号的频域描述。
承载各种信息（如语音、图象、数据等）的信号一般都是以时域来表示的，即信息信号可表示为一个时间的函数)(t f 。
信号的时域表示式)(t f 可以用傅立叶变换得到其频域表示式)(f F 。
频域和时域的关系由式(1-1)确定：⎰∞∞--=t e t f f F ft j d )()(π2⎰∞∞-=f e f F t f ft j d )()(π2 (1-1) 函数)(t f 的傅立叶变换存在的充分条件是)(t f 满足狄里赫莱(Dirichlet)条件，或在区间(-∞，+∞)内绝对可积，即t t f d )(⎰∞∞-必须为有限值。
扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息信号)(t f 无关）扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而到达传输信息目的的通信系统。
扩频通信的基本原理
扩频通信的理论基础1.1扩频通信的基本概念通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。
通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。
这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。
在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。
显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。
在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。
通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。
由于信息在传输过程中受到干扰，收到的信息与发出的信息并不完全相同。
可靠性就是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度。
因此，可靠性决定于系统抵抗干扰的性能，也就是说，通信系统的可靠性决定于通信系统的抗干扰性能。
在模拟通信系统中，传输的可靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。
在数字通信系统中，传输的可靠性是用信息传输的差错率来描述的。
扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了应用。
近年来，扩展频谱通信技术的理论和应用发展非常迅速，在民用通信系统中也得到了广泛的应用。
扩频通信是扩展频谱通信的简称。
我们知道，频谱是电信号的频域描述。
承载各种信息（如语音、图象、数据等）的信号一般都是以时域来表示的，即信息信号可表示为一个时间的函数f(t)。
信号的时域表示式f(t)可以用傅立叶变换得到其频域表示式F(f)。
频域和时域的关系由式(1-1)确定：F(f) f(t)e f(t) F(f)e j2πftj2πft dtdf (1-1)函数f(t)的傅立叶变换存在的充分条件是f(t)满足狄里赫莱(Dirichlet)条件，或在区间(-∞，+∞)内绝对可积，即f(t)dt必须为有限值。
扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息信号f(t)无关）扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而到达传输信息目的的通信系统。
3.3扩频通信
• 扩频通信的理论基础 • 扩频通信的基本原理
扩展频谱通信简称“扩频通信”，最 早出现在第二次世界大战，作为美军使用 的无线保密通信技术。扩频通信的基本特 点是传输信息所用信号的带宽远远大于信 息本身的带宽。因为扩展了信号频谱，使 扩频通信具有一系列独特的优点。
3.3.1 扩频通信的理论基础
图3-25 跳频信号的时一域矩阵图
跳频分慢跳频和快跳频。 慢跳频:跳频速率低于信息比特速率，即连续 几个信息比特跳频一次； 快跳频:跳频速率高于信息比特速率，即每个 信息比特跳频一次以上。
跳频速率应根据使用要求来决定。一般 来说，跳频速率越高，跳频系统的抗干扰 性能就越好，但相应的设备复杂性与成本 也越高。跳频的频率间隔应选择1／Tc(Tc为 频率停留时间，即跳频时间间隔)，使一载 波频率的峰值处于其他频率的零点，这就 构成了频率正交关系，避免了相互干扰， 便于信号分离。若取频率数K，则占用总的 频率带宽为W=K/Tc。
最简单的频移键控只有两个频率f1和f2，分别 代表空号和传号，称之为二元频移键控 （2FSK），其波形如图3-23所示。而在跳频 扩频通信系统中，载波频率有几个、几十个、 甚至上千万个，必须用复杂的伪随机码来控 制频率的变化。这是跳频系统与频移键控的 不同之处。 跳频系统的组成方框图如图3-24所示。
换句话说，若减少带宽，则必须发送 较大的信号功率（较大的信噪比来传送）； 反过来，若有较大的传输带宽，则同样的 信道容量能够由较小的信号功率（较小的 信噪比来传送）。甚至在信号被噪声湮没 的情况下，即S/N<1，或10log2 （S/N） <0dB，只要相应地增加信号带宽，也能进 行可靠的通信。
扩频通信可行性的另一理论基础，是柯捷尔 尼可夫关于信息传输差错概率的公式：
扩频通信讲义
1.1 扩频通信旳基本概念
特点（判断扩频通信系统旳准则）
（1）传播信号旳带宽远远不小于被传播旳原始信息 信号旳带宽；
（2）传播信号旳带宽主要由扩频函数决定，此扩频 函数一般是伪随机（伪噪声）编码信号。
取得旳好处 具有很强旳抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干 扰旳能力。
9
1.1 扩频通信旳基本概念
扩频系统具有抗干扰能力旳理论基础
自有关函数：
S( f ) N0 2
f
R(τ ) S( f )e j2πfτdf N0 δ(τ )
2
对白噪声信号处理困难。使用伪噪声码序列替代白噪声，它们
旳统计特征相近。伪噪声序列是接近于高斯信道要求旳最佳信
号形式。
R(τ)
1 N
N
ci ci
i 1
1
1 N
τ 0 τ 0
N
1
R(τ
可供随机选用旳载波频率数一般是几千~几万个离散频率， 在如此多旳离散频率中，每次输出哪一种由伪随机码决定。
24
1.2.2 频率跳变系统
25
频率跳变系统
工作原理 频率跳变系统中
发信机旳发射载波频率，在一种预定旳频率集内由伪随机码 序列控制频率合成器(伪)随机旳由一种跳到另一种。
收信机中旳频率合成器也按摄影同旳顺序跳变，产生一种和 接受信号频率相差 fIF(中频频率)旳参照本振信号，经混频后 得到频率固定旳中频信号，此过程称为对跳频信号旳解跳。 解跳后旳中频信号经放大后送到解调器解调，恢复出传播旳 信息。
➢也就是说对于任意给定旳信息传播速率C，当信号噪声功率
比S/N下降时，能够用增大系统旳传播带宽B来取得较低旳信
息差错率。
11
1.1 扩频通信旳基本概念
通信系统学习-扩频通信的基本概念和理论基础
作为工程估算， 信号的频带宽度与其脉冲宽度近似成 反比。 例如， 1 μs脉冲的带宽约为1 MHz。
第1章 扩频通信技术原理 扩频码序列：如果很窄的脉冲码序列被所传信息调制， 则可产生很宽频带的信号， 这种很窄的脉冲码序列(其码速 率是很高的)即可作为扩频码序列。 需要说明：所采用的扩频码序列与所传的信息数据是 无关的， 也就是说， 它与一般的正弦载波信号是相类似的， 丝毫不影响信息传输的透明性， 仅仅通信技术原理
扩展频谱：换取通信系统接收机输入端对C/N( 载噪 比 )或S/N(信噪比)的要求。
扩展频谱：对通信设备小型化、 低功率化、 减少通 信环境电磁干扰来说是十分重要的。
第1章 扩频通信技术原理
以移动通信系统为例： 1）第一代蜂窝移动通信系统采用话音调频(FM)； 接收机输 入端要求(C/N)≥18 dB； 2）第二代数字蜂窝移动通信系统的GSM系统采用TDMA、 GMSK数字话音调制， 接收机输入端信干比要求(S/I)≥9 dB 3）采用扩频技术的CDMA系统接收机输入端在Eb/n0取4.5 dB时， 相当于载干比(C/I)=－15 dB。
众所周知， 传输任何信息都需要一定的频带， 称为信 息带宽或基带信号频带宽度。
在常规通信系统中， 为了提高频率利用率。但扩频通 信的信号带宽与信息带宽之比则高达100～1000， 属于宽带 通信， 为什么要用频带这么宽的信号来传输信息呢？ 这样 岂不是太浪费宝贵的频率资源吗？
第1章 扩频通信技术原理 （2） 采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。
第1章 扩频通信技术原理
1.2 扩频通信的基本概念和理论基础
1.2.1 扩频通信的含义
第一章 扩频通信基础
(3)抗多径。由于直扩系统要用伪随机码 的相关接收，只要多径时延大于一个伪 随机码的切普宽度，这种多径不会对直 扩系统形成干扰；而跳频系统由于没有 像直扩系统那样的保护措施，因而对多 径无能为力。
(4)“远—近”效应。“远—近”效应对直扩系 统影响很大，而对跳频系统的影响就小得多。 (5)同步。由于直扩系统的伪随机码速率比 跳频的伪随机码速率要高得多，因此直扩系 统的同步精度要求高，因而同步时间也长， 入网慢。直扩同步时间一般在秒级，而跳频 可以在毫秒级完成，因此在同步方面，跳频 优于直扩。
人为干扰主要有: 单频干扰, 或称为固频干扰。 这种干扰的干 扰 频 率 fJ 正 好 对 准 对 方 的 通 信 频 率 fs, 即 fJ=fs, 形成同频干扰。 窄带干扰。 这种干扰的干扰频率fJ对准对方 的通信频率 fs, 干扰信号的频带很窄, 可以 与有用信号频带相比拟。
(3) 正弦脉冲干扰。 这种干扰类似于单 频干扰, 不同点在于其发送是以脉冲形 式发送的, 其峰值功率较强。 (4) 跟踪式干扰。 由一个频率跟踪系统 和干扰机组成, 先测定通信频率, 然后 将干扰机干扰信号频率对准通信频率进 行干扰。
慢跳频系统跳频图案
快跳频系统跳频图案
跳频系统以躲避干扰的方式抗干扰，可 以认为是一种主动式抗干扰方式。而直 扩系统用把干扰功率分散的方法来降低 干扰功率，提高解调器的输入信干比， 以此来达到抗干扰的目的，故可以认为 是一种被动式的抗干扰方式。
跳频系统的主要特点
(1)具有较强的抗干扰能力。跳频系统采用躲 避干扰的方法来抗干扰，只有当干扰信号频率 与跳频信号频率相同时，才能形成干扰，因而 抗干扰能力较强。跳频频率数N越大，跳频速 率越高，抗干扰性能越强。 (2)易于组网，实现码分多址，频谱利用率高。 不同的码，可以得到不同的跳频图案，从而组 成不同的网，频谱利用率比直扩系统略高。
直接扩频通信理论基础
直接扩频通信技术发展趋势
高速跳频扩频
高速跳频扩频技术能够使系统更 好地抵抗跟踪干扰和多径干扰， 未来将在更多系统中得到应用。
多载波调制技术
多载波调制技术能够更好地满足 高速数据传输的需求，将逐渐成 为未来研究的热点。
自适应扩频技术
自适应扩频技术可以根据信道状 况动态调整扩频参数，提高系统 性能和抗干扰能力。
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抗多径能力强
由于扩频信号的带宽较大，可以有效地对抗多径 干扰。
直接扩频通信系统组成
发射机
将信息编码为低速率 的基带信号，并使用 高速率的扩频序列将 基带信号扩展到射频 频段。
接收机
对接收到的扩频信号 进行解扩和解调，恢 复出原始的信息。
扩频序列发生器
产生高速率的扩频序 列，用于将基带信பைடு நூலகம் 扩展到射频频段。
直接扩频通信技术挑战与机遇
面临的挑战
随着通信技术的发展，直接扩频通信技术面临着诸多挑战，如如何提高系统容量、如何降低干扰等问 题。
发展机遇
随着物联网、智能家居等新兴领域的发展，直接扩频通信技术将迎来更多的应用场景和发展机遇。同 时，随着5G等新一代通信技术的推广和应用，直接扩频通信技术将在更多领域发挥重要作用。
扩频序列产生技术
伪随机噪声(PN)码产生技术
利用线性反馈移位寄存器(LFSR)产生伪随机的二进制码序列，作为扩频序列。
混沌扩频序列产生技术
利用混沌映射产生扩频序列，具有较好的随机性和自相关性。
扩频序列同步技术
捕获阶段
通过搜索和跟踪过程，确定接收信号 中扩频序列的位置和相位。
跟踪阶段
在捕获阶段后，通过调整本地扩频序 列的相位和频率，保持与接收信号中 扩频序列的同步。
扩频通信的理论基础
15
1.2.1 直接序列系统
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1.2.1 直接序列系统
调制方式的选取 在直接序列系统中，通常进行相移键控（PSK）调制。由于 PSK信号可以等效为抑制载波的双边带调幅波，因此直接序列 系统常采用平衡调制方式。抑制载波的平衡调制不仅节约了发 射功率与提高了发射机的工作效率，而且对提高扩频信号的抗 侦破能力也有利。
噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。
令C是希望具有的信道容量，即信息速率，有
C 1.44 ln1 S
B
N
对于典型干扰环境，有 S / N ，1幂级数展开得
4
1.1 扩频通信的基本概念
扩频系统具有抗干扰能力的理论基础
C 1.44 S
B
N
或
B 0.7C N S
说明
➢对于任意给定的噪声信号功率比 ，只要增加用于传输信息 的带宽B，就可以增加在信道中无差错地传输信息的速率C。
射频信号s(t)的带宽取决于伪噪声码c(t)的码速率Rc。在PSK 调制的情况下，s(t)的带宽等于伪噪声码速率的2倍，即 BRF=2Rc，而几乎与数字信号d(t)的速率无关。
2021年1月12日
哈尔滨工业大学通信技术研究所
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1.1 扩频通信的基本概念
假设有用信号的功率为P1＝P0，码分多址干扰信号的功率P2 ＝P0，多径干扰信号的功率P3=P0，其他进入接收机的干扰 和噪声信号功率N=P0。再假设所有信号的功率谱是均匀分 布在BRF=2Rc带宽之内。
17
1.2.2 频率跳变系统
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直接扩频通信系统的仿真实现： 通过MATLAB仿真软件搭建仿真系统，如下图 示：
2008年7月3日
昆明理工大学电子信息工程专业
上图是一个先调制后扩频的扩频通信系统 框图。Random-Integer Generator(随机整 数发生器）产生的二进制随机信号，采样 周期为0.01.信号馈入载频为3000Hz的通带 M-PSK调制器（ M-PSK Modulator Passband)调制，调制后的单列双极性码 的实信号被周期为31的m序列直接相乘进 行扩频。扩频后的双极性二进制的信号进 入AWGN为-20dB的传输环境后进入接收 部分。信号先进行解扩，然后进入通带MPSK调制器解调，解调后的信号直接进入 误码表。
Error Rate Calculation的设置参数
昆明理工大学电子信息工程专业
2008年7月3日
有关直接序列的扩频知识简单介绍如上。恳请老师 和同学们提出宝贵的意见，以便我小组及时补充和 修改，为后续课题做好准备。 谢谢！
本次仿真用到的主要网站 百思论坛» Matlab专区：/forum-120-1.html Matlab中文论坛： /index.php Matlab中国论坛： /
第七小组全体成员 2008年7月3日
昆明理工大学电子信息工程专业
2008年7月3日
2008年7月3日
昆明理工大学电子信息工程专业
扩频通信系统的工作原理: 数字扩频通信的一般工作原理如下图所示。
2008年7月3日
昆明理工大学电子信息工程专业
扩频通信系统的工作原理
由上图图1所示,为一个数字扩频通信系统的基本框图。 其中信道编码器、信道解码器、调制器和解调器是传统 数字通信系统的基本构成单元。在扩频通信系统中除去 了这些单元外，应该用了相同的伪随机序列发生器，分 别作用在发送前端的调制器与接收前端的解调器。这两 个序列发生器产生伪随机噪声（PN）二值序列，在调制 端将传送信号在频域进行扩展，在解调端解扩该扩频发 送信号。 扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接 收端解扩还原了信息，这样的系统带来的好处是大大提 高了抗干扰容限。理论分析表明，各种扩频系统的抗干 扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。一 般把扩频信号带宽W与信息带宽△F之比称为处理增益 GP,它表明了扩频系统信噪比改善的程度。除此之外，扩 频系统的其他一些性能也大都与GP有关。
2008年7月3日
昆明理工大学电子信息工程专业
直接序列扩频(DSSS) 基本概念:
所谓直接序列扩频, 就是在发端直接用具有高码率 的扩频码序列对信息比特流进行调制, 从而扩展信 号的频谱, 在接收端, 用与发送端相同的扩频码序列
进行相关解扩, 把展宽的扩频信号恢复成原始信息。 一种直接序列扩频技术是使用异或运算将数字信息 流与扩展码位流结合起来.
昆明理工大学电子信息工程专业 2008年7月3日
为了解调接收信号，要求接收机产生的PN序列 与接收信号中所含的PN序列同步。初始阶段， 可以通过发送一个固定的伪随机图样来获得同 步，当两端的发生器建立同步后，信息传输便 可开始。 扩频通信系统通常要满足以下几个条件： 1、信号占用的带宽远远超出被发送信息的带 宽； 2、用于扩频的信号与数据无关； 3、接收端的解扩是将接收的扩频信号与同步扩 频序列副本通过相关检测完成
2008年7月3日
昆明理工大学电子信息工程专业
对香农公式的几点说明:
1）要增加信道容量（即增加系统的信息传输速 率），可以通过增加传输信号的带宽(W)或增加信噪 比(S/N)来实现。 2）当信道容量C为常数时，带宽B与信噪比S/N之间 可以互换，即可以通过增加带宽(W)来降低系统对信 噪比(S/N)的要求，也可以通过增加信号功率来降低信 号的带宽。 3）当带宽(W)增加到一定程度后，信道容量C不可 能无限制地增加。 因此在无差错传输的信息速率C不变时，如信噪 比很低(N/S很大)，则可以用足够宽的带宽来传输信号。 也就是说带宽传输系统有较强的抗干扰能力
2008年7月3日
昆明理工大学电子信息工程专业
扩频通信的优点
1）干扰抑制 扩频系统的抗干扰思想是基于通信链路中有许多正交信 号可供选择，而在任一时段只选用其中的一个子集，干 扰者无法确定当前使用的信号子集。 2）降低能量密度 扩频通信系统中信号被展宽到很宽的频带上，信号功率 分布较为稀疏并接近均匀。 3）提高时间分辨率 扩频信号可以用于测距和定位，根据脉冲在信道中的传 输时延可以测出传播距离,时延测量的误差与脉冲信号 带宽成反比。 4）多址接入 扩频技术用于多址接入以实现用户共享信道资源的目的。
昆明理工大学电子信息工程专业
2008年7月3日
4、m序列（重点，后面仿真用到该序列） m序列是最常用的一种伪随机序列，它是最长线性反馈 移位寄存器序列的简称。m序列是由带最长线性反馈 移位寄存器产生的序列，并且具有最长周期。 定义一个多项式：
一个n次多项式F(x)如果满足下列3个条件，则称为本原 多项式 （1） F(x)多项式是既约的，即不能在进行因式分解； （2） F(x)可以整除xm +1 ，其中m=2n-1 （3） F(x)不能整除xq+1，其中q<m
2008年7月3日
昆明理工大学电子信息工程专业
例如说在发射端将"1"用11000100110，而将 "0"用00110010110去代替，这个过程就实现 了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是 11000100110就恢复成"1"是00110010110就 恢复成"0"，这就是解扩。这样信源速率就被 提高了11倍，同时也使处理增益达到10dB以 上，从而有效地提高了整机倍噪比。
昆明理工大学电子信息工程专业
2008年7月3日
扩频通信概念 扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)， 它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三 大高 技术通信传输方式。扩频通信是将待传送的信息数据被伪 随机 编码(扩频序列：Spread Sequence)调制，实现频谱扩展后 再传输； 接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始 信息数据。 扩频信号具有以下三个特征： 1) 扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号； 2) 传输带宽远大于被传送信息的原始带宽； 3) 接收机中必须有与宽带载波同步的副本。
2008年7月3日 昆明理工大学电子信息工程专业
扩频技术的种类 直接序列（DS）系统：用一高速数字编码序列 直接调制发射机载波，由于编码序列的带宽应 远大于原始信号带宽，从而扩展了信号频谱； 跳频（FH）系统：使发射机频率在一组预先指 定的频率上按照编码序列所规定的顺序离散的 跳变，从而扩展发射波的频谱； 此外扩频通信还有跳时（TH）扩频和线性调频 扩频。
2008年7月3日
昆明理工大学电子信息工程专业
m序列具有以下性质： （1）ｎ级ｍ序列的周期为２的ｎ次方减１。 （2）在ｍ序列中“1”的个数比“0”的个数多1。 （3）宽度为n 的窗口在m 序列滑动N次，每次移1位，则除全 “0”外，其他每种n状态也刚好出现一次。 （4）一个ｍ序列与该序列的任意位相移后的序列模2加后， 仍为具有某种相移的该ｍ序列，称为线性叠加性
2008年7月3日
昆明理工大学电子信息工程专业
伪随机序列
伪随机序列与随机序列的区别在于，随机序列是不可预测 的，而伪随机序列实质上不是随机的，而是有发送端或接 收端生成的确定性周期信号。 为什么要选用随机信号或噪声性能的信号来传输信息呢？ 常见的伪随机序列有： 1、移位寄存器序列 是指由移位寄存器输出的由1、0构成的序列，相应的时间波 形又“1”、“-1”构成的时间函数。 2、Gold码 用一对优选的周期和速率均相同的m序列模2加后得到的。 3、Bark码 是一种非周期序列
同 步
不论是直接序列扩频还是跳频扩频，接收端都需要一 个同步的扩频序列副本以进行接收信号的调制。本地生成 的扩频序列于接收扩频信号的同步通常要经过两个步骤完 成。第一步是捕获，使两个信号彼此粗略的对准；一旦接 收的扩频信号被捕获，接着进行第二步的跟踪，通过反馈 回路使两个波形尽可能的精确对准。
2008年7月3日 昆明理工大学电子信息工程专业
昆明理工大学电子信息工程专业
2008年7月3日
扩频通信的理论基础 扩频的基本理论是根据信息论中的香农（shannon） 公式：在加性高斯高斯白噪声干扰条件下通信系 统的极限传输速率（信道容量）为 C：信道容量 W：信道带宽 N：噪声功率 S：信 号功率
含义：一个信道无误差的传输信息的能力取决于信 道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽。
2008年7月3日
昆明理工大学电子信息工程专业
直接序列扩频通信的波形原理图
2008年7月3日
昆明理工大学电子信息工程专业
直接序列扩频通信的功率谱密度图
2008年7月3日
昆明理工大学电子信息工程专业
先调制后扩频系统介绍：
在发射机端，要传送的信息先转换成二进制数据或 符号，先经过M-PSK调制后与伪随机码（PN码）进行 相乘运算后形成复合码，然后送入信道加入高斯白噪 声。通常为提高发射机的工作效率和发射功率，扩频 系统中一般采用平衡调制器。 在接收机端，用与发射机端完全同步的PN码对接收 信号进行解扩后再经解调器还原输出原始数据信息。
直接序列的扩频通信
第七小组
张恒、李兴东、肖建亚、原心 徐超、刘聪、王鑫、李晓莹、 黄俊、
2008年7月3日 昆明理工大学电子信息工程专业
扩频通信的短暂的历史
有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员 Hedy Lamarr和钢琴家George Antheil提出的。基于 对鱼雷控制的安全无线通信的思路他们申请了美国专 利。不幸的是当时该技术并没有引起美国军方的重 视，直到二十世纪八十年代才引起关注将它用于敌对 环境中的无线通信系统。 扩频技术在解决短距离数据收发信机中的典型应用是 卫星定位系统(GPS)、3G移动通信、WLAN (Wireless Local Area Network )和蓝牙技术。扩频技 术也为提高无线电频率的利用率提供帮助(无线电频谱 是有限的，因此也是一种昂贵的资源)。