北京交通大学无线通信第十章

期望信号
处理增益
1 -1 1 -1 1 -1 8 积分值大
扩频码 解扩后的数据
积分后的数据 -8
其他用户信号
其他扩频信号
解扩后的其他信号
1 -1 8 -8
积分后的其他信号

其他用户解扩后是噪声
直接序列扩频的性能

直扩系统的抗干扰性：

① 直扩系统最重要的应用就是在军事通信中作为一种具有很强抗 干扰性的通信手段。 ② 在实际中我们遇到的干扰主要有下面几种：
FDMA FHMA
Tim e
cy en u q Fre
Tim e
y nc e u eq r F

海蒂·拉玛（Hedy Lamarr）

1914年9月9日生于维也纳一个犹太银行家家庭。 1942年8月，这项发明被授予美国专利 “2，292，387” 灵感来自自动钢琴。
跳频系统的组成
跳频系统的组成
抗多径干扰

直扩系统能够同步锁定在最强的直达路径的电波上。其它有延迟到达 的电波，由于相关解扩的作用，只起到噪声干扰的作用
基带输 入信号 带 DLL 的 相关器 I Q 相位 旋转 延迟 均衡
∑I
I
本地 扩频码
信道 估计 第一径 第二径 第三径
∑Q
合并相加
时间量 （ 径 位置 ） 延迟估计

若无延迟估计， 只锁主径，其 他径只是噪声 若有延迟估计， 可以分离各径
码分多址的发展

1949年，克劳德·香农（Claude Shannon)和罗伯特·皮尔斯（Robter Pierce）, 通过 描述干扰平均和CDMA的适度畸变，介绍了CDMA的概念。 世界上第一个直接序列扩频系统是在美国的联邦通信实验室(FTL)于1949年 由Derosa和Rogoff完成的，成功的工作在New Jersey和California之间的通信线路上。 理论研究紧跟其上，1950年Basore首先提出把这种扩频 系统称作NOMACS（Noise Modulation And Correlation Detection System）这个名称被使用相当长的时间。 1951年后，美国的ASC(Army Signal Corps---陆军通信兵)要求进一步研究NOMACS，想把它应 用于高频无线电传通信线路，以对抗敌人的干扰。 1952年由Lincoln Laboratory研制出P9D型NOMACS 系统，并进行了试验。 1953-1955年Lincoln Lab研制出了F9C型无线电传机系统。 很快，美国海军和空军也开始研究他 们自己的扩频系统，空军使用名称为“Phatom”（鬼怪，幻影）和 “Hush-Up”（遮掩），海军使 用名称为“Blades”（浆叶）。那时设备庞大，是用电子管装的，设备要装几间屋子，使应用受到限 制。在晶体管出现后，特别是集成电路出现后，才使扩频系统得到广泛使用。

RAKE接收原理

如果采用不同时延的匹配滤波器，把多径信号分离出来，类似梳状滤 波器(RAKE)的作用那样，还可以变害为利，将这些多径信号在相位 上对齐相加，起到增加接收信号能量的作用。
单径接收电 路 接收 机 单径接收电 路 单径接收电 路 搜索器 计算信号强 度与时延 合 并 合并 后的 信号


跳频图案

跳频系统的频率随时间变化的规律称为跳频图案。为了直观地显示跳 频系统的跳频规律，可以用图形的方式将跳频图案显示出来。

在上图中，跳频数为8，频率跳变的次序为f3、f1、f5、f7、f4、f8、 f2、f6。在实际中，跳频图案是由伪随机码序列发生器控制产生的， 系统用户可根据实时参数及密钥推算得到当前的跳频图案。
员会(FCC)制定扩频通信的标准和规范，逐步转入民用的商业化研究。
Irwin Jacobs
Len Kleinrock
Andrew J. Viterbi
扩频收发信机结构
扩频
码片时间： Tc 码片速率： 1/Tc

直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)
解扩
扩频与解扩

当频率为fi 的第二径到达时，接收机已跳到一个新频率上fj fi上，解调信号既 无平衰落也无频率选择性衰落。 对于Th<<Ts FFH系统， < Th<<Ts，所有多径分量在一个码元内到达，信 号经历平衰落。 当对于Th>>Ts SFH系统， 所有多径分量到达接收机时，信号频率没变，若 此时B<1/ ，信号经历平衰落;若此时B>1/信号经历频率选择性衰落。
符号 数据 码片 扩频码
相 同 的 扩 频 码
1 -1
扩频
1 -1 1 -1
扩频信号 =数据×码字
解扩
扩频码 数据 =扩频信号×码字 1 -1 1 -1
码分多址CodeDivisionMultipleAccess
码分多址原理
相关接收机的基本操作
期望的扩频信号
用 期 望 信 号 的 扩 频 码 解 其 他 用 户 的 信 号
P(f) f
信号合并
干扰+宽带信号
P(f)
扩频码
f
直接序列扩频的性能

直扩信号的抗截获性



① 截获敌方信号的目的在于：发现敌方信号的存在；确定敌方信 号的频率；确定敌方发射机的方向。 ② 理论分析表明，信号的检测概率与信号能量与噪声功率谱密度 之比成正比，与信号的频带宽度成反比。 ③ 直扩信号正好具有这两方面的优势，它的功率谱密度很低，单 位时间内的能量就很小，同时它的频带很宽。因此，它具有很强 的抗截获性。 ④ 如果满足直扩信号在接收机输入端的功率低于或与外来噪声及 接收机本身的热噪声功率相比拟的条件，则一般接收机发现不了 直扩信号的存在。 ⑤ 另外，由于直扩信号的宽频带特性，截获时需要在很宽的频率 范围进行搜索和监测，也是困难之一。
无线通信基础
无线通信基础 学科组
内容
第1章 无线通信概论 （1，2） 第2章 无线信道传播机制 （3，4） 第3章 无线信道的统计描述（5） 第4章 宽带和方向性信道的特性 （6） 第5章 信道模型（7） 第6章 数字调制解调（10，11，12） 第7章 信道编码 （14） 第8章 分集（13） 第9章 均衡 （16） 第10章 扩展频谱系统 （18） 第11章 正交频分复用 （19） 第12章 多天线系统（20） 注：括号中为原书章

良好的系统兼容性。



解决了远近效应。

跳频多址

同步跳频
跳频多址(MultipleAccess)

异步跳频
跳频多址
GSM跳频

GSM标准模式：4基站3扇区

GSM标准模式：3基站3扇区+跳频
每帧一跳，217次/秒
频率分集 分散干扰
扩展频谱系统
1. 2. 3.
跳频多址 码分多址 蜂窝码分多址系统



码分多址的发展
第一本有关扩频系统的专著是R.C.Dixon于1976年出版
，是一本IEEE专利，1977年出版。1978年在 日本京都召开国际无线通信咨询委员会公布研究成果。1982年在美国召开第一次军事通信会议，两次报 告在军事中的应用。
1985年艾文·雅各布创办了美国高通(Qualcom)公司提出CDMA(码分多址)的概念同年美国联邦通信委

发送端用信源生成的数据流去调制频率合成器产生的载频，得到射频 信号。伪随机码序列控制频率合成器，使之产生的载频按一定规律跳 变。因此，天线发射出去的信号载频也按照频率合成器的频率变化规 律跳变。 在接收端，接收到的信号与干扰经前端处理后送至混频器。 为了对输入信号解跳，需要有与发端相同的本地伪随机码序列控制本 地频率合成器，使其输出的跳频信号能在混频器中与接收到的跳频信 号同步地跳变并差频出一个固定的中频信号来。 对中频信号进行解调，就可以恢复出发送的数据信息。 在这里，混频器实际上起到了解跳的作用，只要收发双方频率跳变规 律相同且同步，就可将接收到的跳频信号转换成为一固定中频信号。

当 <Th

跳频扩频: 主要特点

易于组网，实现码分多址，频谱利用率高。

跳频通信系统可以利用不同的跳频图案或时钟，在一定的频带内 容纳多个同时工作的跳频系统，达到频谱资源共享的目的，从而 大大提高了频谱利用率。 跳频系统是瞬时窄带系统，而目前的通信系统不论是模拟调制还 是数字调制的，通常都是窄带通信系统。如果给现有的窄带通信 系统加装上能使其载波频率按照某种跳频图案跳变并能实现同步 接收的装置，则可改造成为跳频通信系统。 另一方面，目前所有的跳频电台兼容性都很强，可在多种模式下 工作，如定频和跳频、数字和模拟、话音和数据等。 邻近强电台引起的远近效应对直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)系统的影响很大，对跳频系统来说，这种影 响就小得多，甚至可以完全克服。

FFH系统中，干扰只在码元的一部分时间内存在，所以不用编码就能 对抗干扰。 SFH系统中，干扰会影响多个码元，所以一般采用编码及交织的技术 以避免一个码字中同时有多个错误。
跳频扩频: 主要特点

具有频率分集的效果。


由于跳频系统的载波频率是快速跳变的，当跳频的频率间隔大于 衰落信道的相干带宽(通常这个条件是能够满足的)，且跳频速率 很快时，跳频系统就有频率分集的效果。因此，在多径衰落信道 中，跳频系统具有抗多径、抗衰落的能力。 以两径为例，若多径时延为， 当 > Th，
直接序列扩频的性能

直扩系统的抗多径干扰性能：




① 多径信道就是发射机和接收机之间电波传播的路径不止一条。 例如由于大气层的反射和折射，以及由于建筑物等对电波的反射 都是形成多径信道的原因； ② 不同的传播路径使电波在幅度上衰减不同，到达时间的延迟也 不同。 ③ 直扩系统能够同步锁定在最强的直达路径的电波上。其它有延 迟到达的电波（>Tc），由于相关解扩的作用，只起到噪声干扰 的作用。 ④ 这就是利用PN码的自相关特性，只要延迟超过半个PN码时片， 其相关值就很小，可作为噪声来对待。 ⑤ 另外，如果采用不同时延的匹配滤波器，把多径信号分离出来， 类似梳状滤波器(RAKE)的作用那样，还可以变害为利，将这些多 径信号在相位上对齐相加，起到增加接收信号能量的作用。 ⑥ 因此，直扩系统是一种有效的抗多径干扰的通信系统。

跳频扩频: 主要特点

具有较强的抗干扰能力。


① 跳频系统根据跳频图案，采用躲避干扰的方法来抗干扰，由于 跳频图案具有伪随机性，其周期可长达数十年甚至更长，同时跳 变的频率可达成千上万个。 ② 只有在每次跳变时隙内，干扰信号频率与跳频信号所在频率相 同，且干扰信号能量大于接收机比特判决门限时，才能形成干扰。 除非能够破译跳频图案，否则仅在某一频率或某几个频率上施放 长时间的干扰是无济于事的。
扩展频谱系统
1. 跳频多址 2. 码分多址 3. 蜂窝码分多址系统
跳频


跳频(Frequency Hopping)用简略的术语表达就是“多频、选码、 频移键控”，即用伪随机码序列构成跳频指令来控制频率合成器，并 在多个频率中进行选择的频移键控(FSK: Frequency Shift Keying)或其它调制方式。 自上世纪70年代末第一部跳频电台问世至今，跳频通信的发展势头 锐不可当，在军用通信领域的应用已相当成熟，并又拓宽到民用领 域。
s(t)
s(t)
t
wenku.baidu.com
t
码族

选择标准


序列最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。因为噪声具有完 全的随机性,也可以说具有近似于噪声的性能,真正的随机信号和噪 声是不能重复再现和产生,我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近 似随机噪声的性能，故称为伪随机码或PN码. 在数学上是用相关函数(CF)来表示信号相似性的。
跳频图案

跳频图案的自相关性及不同系统的跳频图案之间的互相关性应达到相 应的性能标准。 另外，跳频图案还应具有良好的随机性，足够大的线性复杂度，长周 期和较多的码组，从而减小系统各用户间的信号干扰和频点碰撞概率， 提高系统的抗截获和抗破译能力。

慢跳频快跳频

若定义跳频周期为Th ，调制信号周期为Ts 若Th是Ts的倍数，即Th>>Ts ， 在每一跳中有多个符号， 一般采用连续相位调制方式，称为慢跳频（SFH）； 若Th是Ts的约数，即Th<<Ts ，一个符号占用多个跳频周 期，一般采用非相干频移键控调制方式，称为快跳频 （FFH）。

宽带噪声干扰； 部分频带噪声干扰； 单音及多音载频干扰； 脉冲干扰等。
扩频抗宽带干扰
P(t)
扩频码
t
P(t)
窄带信号
宽带信号
t
宽带干扰
P(t)
t
信号与干扰
P(t) t
信号合并
干扰+宽带信号
P(t)
扩频码
t
扩频抗窄带干扰
P(f)
扩频码
f
P(f) P(f) f
窄带信号
宽带信号
f
干扰
信号与干扰