扩频通信技术

号为 d't。
若信道中存在着干扰，这些干扰包括窄带干扰、 单频干扰、多径干扰或码分多址信号。它们和有 用信号同时进入接收机。由于窄带噪声和多径干 扰与本地扩频信号不相关，故在相关处理中被削 弱，也就是干扰信号的能量被扩展到整个扩频带 宽内，降低了干扰电平，相关器后的基带滤波器 只输出基带信号和处在滤波器通带内的那部分干 扰和噪声，这样就大大改善了系统的输出信噪比。
经过这些处理，扩频系统就比常规的通信系 统具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗 多径干扰的能力。此外还具有信息隐蔽、低 的空间无线电波“通量密度”及多址保密通 信等优点。
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扩展频谱技术的理论基础可用Shannon信道容 量公式来描述，
CBlog2(1N S)
该公式表明，在高斯信道中当传输系统的信号 噪声功率比S／N下降时，可用增加系统传输带 宽的办法来保持信道容量C不变。对于任意给 定的信号噪声功率比，可以用增大传输带宽来 获得较低的信息差错率。
扩频后的复合信号对载波调制（直接序列扩 频一般用BPSK调制）后，通过发射机和天线 送入信道中传输。
st 的射频带宽取决于伪随机码ct 的码速率。
在BPSK情况下等于伪随机码速率的2倍，而 与数字信息流的码速率几乎无关。
以上处理过程就达到了扩展数字信息流频谱的 目的。
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Rt
FH－SS实际上是一个“多频、选码和移频键 控”系统。
在跳频系统中控制频率跳变的指令码的速率， 没有直接序列扩频中的伪码速率高，一般为每 秒几十跳到几万跳。
FH－SS中扩展频带的宽度是由跳变的频率总 数N和频率跳变的最小间隔来决定的。
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跳频扩频
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跳频扩频图案
扩展频谱技术正是利用这一原理，用高速率的 扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽。扩 频通信系统的带宽比常规通信体制大几百倍至 几千倍，故在相同的信噪比条件下，具有较强 的抗噪声干扰的能力。
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Shannon 还 指 出 ： 在 高 斯 噪 声 的 干 扰 下 ， 在限平均功率的信道上，实现有效和可 靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特 性的信号。这是因为高斯白噪声信号具 有理想的自相关特性，白噪声的自相关 函数具有 函数的特点，说明它具有尖 锐的自相关特性。
但是对于白噪声信号的产生、加工和
复制至今仍存在着许多技术困难．然而 人们已经找到了一些易于产生又便于加 工和控制的伪噪声序列，它们的统计特 性逼近于高斯白噪声的统计特性。
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早在50年代，哈尔凯维奇就从理论上证 明：要克服多径衰落干扰的影响，信道 中传输的最佳信号形式也应该是具有白 噪声统计特性的信号形式。
s t d tc tc o 0 t s
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为了分析方便，设dt 与 ct 是相互独立
的，且dt的码元宽度 T b 是ct 码元宽度 T c
的整数倍。
Rt
射频 rt
滤波器
co'st' c't
振荡器
序列 发生器
基带 滤波器
vt
至数据 检测器
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st 经由天线辐射到空间，在传播过程中受空间
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跳频系统模型
co 0 sn t n
频率
st
合成器
跳频指令
Rt
d t
伪随机码 数字信息
射频 滤波器
中频 vt
滤波器
co '0 s n t 'n
频率 合成器
伪随机码
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设跳频频率合成器能提供的频率数为N 则发射的信号为
s t d t c o 0 n s t n
nt 为有用信号。
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射频滤波器后的接收信号
r t d t c t c 0 o d t s
n'ts'it
n't 表示通过射频滤波器的带限加性噪声； s'i t表示落入射频滤波器通带内的干扰 信号。
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接收系统的两个乘法器分别是相关解扩 和解调，c't是与发射端同步的本地扩频 码；本地射频压控振荡器输出的信号为
n 0 ,1 ,2 , ,N 1
跳频信号经信道传输后，受各种干扰信 号和噪声的污染，接收机收到的信号为
R t d t c 0 o n s ( t ) n
Jtnt
Jt代表各种干扰
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RtБайду номын сангаас接收机射频滤波后，经与发射端同步的本
地跳频频率合成器的输出频率相乘后，中频滤 波器的输出信号为
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跳频信号带宽
（3）跳时扩频系统（TH-SS）：跳时 是用伪码序列来启闭信号的发射时刻 和持续时间。发射信号的“有”、 “无”同伪码系列一样是伪随机的。 跳时一般和跳频结合起来使用，两者 一起构成一种“时频跳变”系统。
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射频 rt
滤波器
co'st' c't
振荡器
序列 发生器
基带 滤波器
vt
至数据 检测器
接收系统
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在接收端用一个和发射端同步的伪随机码 c't所调
制的本地振荡信号，与接收到的信号进行相关处 理。相关处理是将两个信号相乘，然后求其数学 期望或求两个信号瞬时值相乘的积分。
当两个信号完全相同时（或相关性很好），得到 最大的相关峰值，经数据检测器恢复发射端的信
编码器
st
发射机
ct
cos0t
序列 发生器
射频 振荡器
发射系统
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二进制数字信号dt与一个高速率的二进制伪
随机码ct 相乘，得到复合信号 dtct
一般伪随机码的速率是Mb/s的量级，有的甚
至达到几百Mb/s。而待传信息流 ak 经编码器
编码后的码速率较低，数字话音信号一般为 32～ 64 kbps，这就扩展了信息的速率。
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（3）低通量密度
扩频通信技术把被传送的信号带 宽展宽，从而降低了系统在单位带宽内 的电波“通量密度”，这对空间通信大 有好处，可以防止对地面通信的干扰。
对于无线电波运载的各种信息充塞 了有限“时频空间”的大城市，使用扩 展频谱码分多址通信技术，可以解决常 规通信中存在的难题—电波拥挤的缺点， 故扩频码分多址通信在城市移动通信中 有着广阔的应用前景。
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跳时扩频
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（4）混合式：
以上三种基本扩频方式中的两种或多
种结合起来，便构成了一些混合扩频 体制，如 FH／DS、DS／ TH、FH／ TH等，它们比单一的扩频、跳频、跳 时体制具有更优良的性能。
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扩频通信的主要优点：
（1）抗干扰性能好
它具有极强的抗人为宽带干扰、窄带 瞄准式干扰、中继转发式干扰的能力，有 利于电子反对抗。DS－SS、FH－SS、DS ／FH、DS／TH等系统对多径干扰不敏感， 如果再采用自适应对消、自适应天线、自 适应滤波，可以使多径干扰消除，这对军 用和民用移动通信是很有利的。
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几种典型的噪声
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信号功率谱
f0 fi f 0 f0 fi
f0 fc
信号
干扰信号
f0 fc
噪声
编码信号功率谱
发送扩频信号功率谱 接收信号功率谱
f0 fi f0 fi
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解扩后信号功率谱
滤波后信号功率谱
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由上面对扩频通信系统的定性讨论中，我们 知道了现代扩频通信系统从部件或框图上看， 没有什么新东西。它与常规通信系统相比， 发射端增加了一个高速率的伪随机码，并与 数字信号实现波形相乘，接收端增加了一个 本地扩频码，与接收到的信号进行一次相关 解扩。
（2） 传输带宽主要由扩频函数决定，扩 频函数常用伪随机编码信号。
我们已熟知的各种调制方式，如调幅、 调频，数字调制中FSK、PSK、QAM和 MSK等都不属于扩展频谱系统的范畴。
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以伪随机码序列作扩频函数的直接序列扩 展频谱通信为例来研究扩频系统原理。
a k
d t
数据源
各种信号和干扰噪声的污染。有用信号在传输过
程中一般要产生随机时延和多普勒频率 d 及随
机相移 ，因而进入接收机天线的信号加噪声为
R t s 1 t n t s it
式中 s1t表示同一扩频系统的多址干扰及其他无
线电设备发出的信号。也包括有用信号本身的多 径延迟及人为干扰信号；
sit是信道中的所有加性噪声；
cos't'
设基带滤波器的冲击响应为 ht，其带 宽与发射端数字信息带宽相同，且射频 滤波器能够无失真地处理 Rt ，则基带 滤波器的输出
v t h t rc 'co ' s 'd
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如果射频滤波器和基带滤波器都是线性的， 则我们建立的模型也是线性的，可以利用 线性叠加原理进行分析。
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2 扩展频谱通信模型
DS－SS中载波调制一般都采用BPSK 或DPSK。PSK调制信号可表示为：
ftm tco 0ts
m
t
1 1
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a k
d t
数据源
编码器
st
发射机
ct
cos0t
序列 发生器
射频 振荡器
可以直接写出发射系统的输出信号的表 达式为：
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直接序列扩频
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扩频码
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（2）跳频扩频系统（FH-SS）：
数字信息与二进制伪码序列模二相加后，去离 散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射 信号的频率随伪码的变化而跳变。跳变系统可 以随机选取的频率数通常是几千到 220 个离散 频率。
先对有用信号作分析，假设其他干扰信号 和加性噪声都为零，于是
r t d t c t c 0 o d t s
如果接收端扩频码码元同步，则
c'tct
如果接收端频率和相位分别锁定，则
c 'o t ' s c o 0 d s t
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考虑到 c'tct1
容易得到基带滤波器输出的有用信号为
vt dhtd
只要基带滤波器能无失真传送数字信息， 经基带数字检测器处理后，便能恢复出 发射端信源传来的信息。
可见扩展频谱接收机提取有用信号的功 能，是充分发挥了伪随机码尖锐的自相 关特性而完成的。对于各种干扰信号， 它们与本地伪码不相关，在相关处理过 程中干扰信号能量被扩展到整个扩频带 宽内，通过基带滤波器的输出很小。
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（2）保密性好
由于扩频系统使用码周期很长的伪随机 码，在一个伪码周期中具有随机特性，经它 调制后的数字信息类似于随机噪声。将其用 于保密通信中，敌方采用普通侦察手段和破 译方法不易发现和识别信号。
接收端进行解扩时，只有当本地码和 发射的伪码完全一致时，才能有效地恢复信 息。不易被破密。若要破密，必须准确地知 道所用伪随机码的种类、码长和初相，这显 然是比较困难的。
在传输同样信息时所需的射频带宽，远比我们 已熟知的各种调制方式要求的带宽要宽得多。 扩频带宽至少是信息带宽的几十至 几万倍。
信息已不再是决定调制信号带宽的一个重要因 素，调制信号的带宽主要由扩频函数来决定。
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扩展频谱系统必须满足以下两条准则：
（1） 传输带宽远远大于被传送的原始信 息的带宽；
vt B B 2dco sthtd 2 B B 2 J co '0 sn 'n h t d n 't 2 0'0
现代通信技术进展
第二讲：扩频通信技术
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1 概述
扩展频谱通信的基本概念 扩展频谱通信模型 扩展频谱系统抗干扰性能分析
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1.1 扩展频谱通信的基本概念
扩展频谱通信系统是指待传输信息的频谱用某 个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号，送 入信道中传输，再利用一定手段将其压缩，从 而获取传输信息的通信系统。
扩频函数（伪码）逼近白噪声的统计特 性，因而扩频通信又具有抗多径干扰的 能力。
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扩展频谱通信系统按其工作方式可以分 为下列几种：
（l）直接序列扩展频谱系统（DS－SS）： 前面讨论过的扩频通信，就是直接序列 扩频系统。它是由于待传信息信号与高 速率的伪随机码波形相乘后，去直接控 制射频信号的某个参量，扩展了传输带 宽而得名的。