扩频通信的理论基础

在语音频段，线性调频听起来类似鸟的“啾啾”叫声，故也 称为鸟声调制。 特点 线性脉冲调频是一种不需要用伪随机码序列调制的扩频调制 技术，由于其信号占用的频带宽度远远大于信息带宽，从而 也可获得较好的抗干扰性能。

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1.2.4 线性脉冲调频系统
工作原理
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1.2.4 线性脉冲调频系统
线性调频信号特点
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1.1 扩频通信的基本概念
相关解扩后，有用信号的频带变窄，无失真地通过带宽为 Bb=2Rb 的中频滤波器。其他信号与本地参考伪噪声码无关， 频带被展宽，大部分能量落在中频滤波器的通频带之外， 被中频滤波器滤除了。因此，解扩前后的信噪比发生了显 著的改变。
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1.2 扩频通信系统的分类
根据扩频信号的产生方式，分为 直接序列系统； 频率跳变系统；
扩频通信系统正是利用这一原理，用高速率的扩频码来扩展 待传输信息信号带宽的手段，来达到提高系统抗干扰能力的 目的。
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1.1 扩频通信的基本概念
最佳信号形式 香农指出：【在高斯白噪声干扰情况下】，在平均功率受限 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。因为白噪声信号具有理想的自相关特性，其 功率谱密度函数为: 自相关函数：

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1.2.2 频率跳变系统
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1.2.2 频率跳变系统
工作原理 频率跳变系统中发信机的发射载波频率，在一 个预定的频率集内由伪随机码序列控制频率合成器(伪)随机 的由一个跳到另一个。收信机中的频率合成器也按照相同的 顺序跳变，产生一个和接收信号频率相差 fIF(中频频率)的参 考本振信号，经混频后得到频率固定的中频信号，此过程称 为对跳频信号的解跳。解跳后的中频信号经放大后送到解调 器解调，恢复出传输的信息。
速率 控制频率跳变的指令码(伪随机码)的速率，没有直接序列扩 频系统中的高，一般为几十比特每秒~几千比特每秒。

调制方式 对于FH系统，常用的数据调制方式是多进制（M-ary）频移 键控。

分类 根据跳频速率的不同，可以将频率跳变扩频系统分为

※ 频率慢跳变系统； ※ 频率快跳变系统；
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1.2.2 频率跳变系统

与常规通信系统的区别 最大的差别在于发射机的载波发 生器和接收机中的本地振荡器。频率跳变通信系统中这二者输 出信号的频率是跳变的。 在频率跳变系统中发射机的载波发生器和接收机中的本地振荡 器主要由伪随机码发生器与频率合成器两部分组成。快速响应 的频率合成器是频率跳变系统成败的关键部件。

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1.2.2 频率跳变系统
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1.1 扩频通信的基本概念

扩频通信系统基本原理（直接序列扩频系统为例）
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1.1 扩频通信的基本概念

扩频通信系统基本原理（直接序列扩频系统为例）
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1.1 扩频通信的基本概念

扩频通信系统基本原理（直接序列扩频系统为例） 射频带宽的变化 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。
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1.2.3 时间跳变系统
发送端 数据先存储起来，伪随机码序列控制存储器的输出与 高频开关通断，经调制后的信号由高频开关经天线发射。 接收端 当接收机的伪码发生器与发端同步时，所需信号就能 每次按时通过高频开关进入接收机。接收机中解调后的数据 也经过一缓冲存储器，以便恢复原来的均匀数据流。 【条件】只要收发两端在时间上严格地保持同步，就能正确 地恢复原始数据。
获得的好处
具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干 扰的能力。
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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
根据信息理论香农(C· E· Shannon)信道容量公式
S C B log 2 1 N 表明了一个信道无差错传输信息的能力同存在于信道中的信 噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。
i i
1 1 N
τ 0 τ 0
τ 0 1 N R( τ ) 1 0 τ 0 N
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1.1 扩频通信的基本概念
最佳信号形式——从克服多径干扰的角度
上世纪50年代，哈尔凯维奇(俄)在理论上证明
要克服多径干扰的影响，信道中传输的最佳信号形 式应该是具有白噪声统计特性的信号形式。 伪噪声码很接近白噪声的统计特性，因而扩频通信 系统又具有抗多径干扰的能力。
N0 δ( τ ) 2 对白噪声信号处理困难。使用伪噪声码序列代替白噪声，它们 的统计特性相近。伪噪声序列是接近于高斯信道要求的最佳信 号形式。 R( τ ) S ( f )e j2 πfτ df

N0 S( f ) 2
f
R( τ )
1 N
c c
i 1
N


简单的时间跳变系统抗干扰性不强，故很少单独使用。常 与其他方式结合使用，组成混合扩频方式。
从抑制干扰角度看，该系统得益甚少，其优点在于减少了 工作时间的占空比。系统的伪随机码参数不易被侦破。主 要缺点：对定时要求严格。
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1.2.4 线性脉冲调频系统
概念 线性脉冲调频系统（Chirp）是指系统的工作频率在一给定的 脉冲时间间隔内线性地扫过一个很宽的频带，形成一带宽很 宽的扫频信号，或者说工作频率在一给定的时间间隔内线性 增大或减小，使发射信号频谱占据很宽的范围。
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1.2.4 线性脉冲调频系统
接收解调
可用匹配滤波器来实现。由色散延迟线构成。对低频成分延 迟时间长，对高频成分延迟时间短，于是频率由低到高的调 频信号通过匹配滤波器后，各频率分量几乎同时输出，信号 叠加在一起，形成了脉冲时间的压缩，使输出信号幅度增加， 能量集中，将有用信号检出。而不匹配的信号在时间上没有 压缩，甚至反被扩展。
令C是希望具有的信道容量，即信息速率，有
C S 1.44 ln 1 B N
对于典型干扰环境，有 S / N 1 ，幂级数展开得
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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 S 1.44 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。
※ 频率慢跳变系统 假设数据调制采用二进制频移键控调制，Tb是一个信息码元 比特宽度，每Tb秒数据调制器输出两个频率中的一个。每隔 Tc秒系统输出信号的射频频率跳变到一个新的频率上。 若Tc＞Tb，则称为频率慢跳变系统。
哈尔滨工业大学通信技术研究所
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1.2.2 频率跳变系统
※ 频率快跳变系统 在频率慢跳变系统中，频率的跳变速度比数据调制器输出符 号的变化速度慢。若在每个数据符号中，射频输出信号的载 波频率跳变多次，则称为频率快跳变系统。 快跳频的一个明显好处 可以在每个发射符号上得到频率分集增益。 在部分频带被干扰时，或者在微波移动电话应用中，当传输 信道导致快速信号衰落时，这一点特别有意义。
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1.2.3 时间跳变系统

可看成时分系统，区别：不是在时间帧中固定分配时隙， 而由扩频码序列控制按一定规律位臵跳变的时隙。 通过时间合理分配来避开强干扰，一种理想的多址技术。 当同一信道中有许多跳时信号时，同一时隙内可能有信号 相互重叠。因此，与频率跳变系统一样，必须设计好伪随 机码，或采用协调方式构成时分多址系统。
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1.2.2 频率跳变系统
※ 频率快跳变系统
哈尔滨工业大学通信技术研究所
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1.2.3 时间跳变系统
名称 时间跳变扩展频谱通信系统（Time Hopping Spread Spectrum Communication System，TH-SS）的简称，主要用于时分多址 （TDMA）通信中。

功能描述 时间跳变系统是使发射信号在时间轴上离散地跳变。把时间 轴分成许多时隙，这些时隙在时跳通信中通常称为时片，若 干时片组成一跳时时间帧，在一时间帧内哪个时隙发射信号 由扩频码序列去进行控制。因此，可理解为：用一伪随机码 序列进行选择的多时隙的时移键控。由于采用了窄得很多的 时隙去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。
时间跳变系统； 线性脉冲调频系统；
混合扩频通信系统； (1) 频率跳变-直接序列混合扩频系统； (2) 时间跳变-频率跳变混合扩频系统； (3) 时间跳变-直接序列混合扩频系统；
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1.2.1 直接序列系统
名称 直接序列调制扩展频谱通信系统（Direct Sequence Spread Spectrum Communication System，DS-SS），简称直接序列 系统或直扩系统。
在信道中当传输系统的信号噪声功率比S/N下降时，可以用 增加系统传输带宽B的办法来保持信道容量C不变，而C是系 统无差错传输信息的速率。也就是说对于任意给定的信息传 输速率C，当信号噪声功率比S/N下降时，可以用增大系统的 传输带宽B来获得较低的信息差错率。
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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 进一步说明 增加信道带宽后，在低的信噪比情况下，信道仍可在相同的 容量下传送信息。甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相 应的增加传输信号的带宽也能保持可靠的通信。
（1）发射脉冲信号的瞬时频率在信息脉冲持续时间Tb内随 时间作线性变化，频差为
F f1 f 2 Bc
（2）脉冲持续时间Tb内，信号瞬时频率为
f f0 F t Tb Tb T t b 2 2
（3）时域表达式为
2πF 2 s(t ) A cos 2 πf 0t t 0 Tb Tb Tb t 2 2
特点 传输同样信息所需带宽远远大于常规通信系统的带宽 。带宽至少是信息信号带宽的几百倍、几千倍甚至几万倍。 信息已不再是决定传输信号带宽的一个重要因素，传输信号 的带宽主要由扩频函数来决定。
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1.1 扩频通信的基本概念
特点（判断扩频通信系统的准则）
（1）传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信 号的带宽； （2）传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频 函数通常是伪随机（伪噪声）编码信号。
2014年2月9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。
哈尔滨工业大学通信技术研究所

工作原理 待传信息信号与高速率的伪噪声（伪随机）码波形相乘后， 去直接控制载波信号的某个参量，来扩展传输信号的带宽。 用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。

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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。
第1章 扩频通信的理论基础
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1.1 扩频通信的基本概念
扩展频谱通信（扩频通信/扩谱通信）是围绕提高信息传输 的可靠性而提出的一种有别于常规通信系统的新调制理论和 技术。 描述 扩频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（与信息信号无关）扩展频谱后成为宽频带信号 ，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段 将扩展了的频谱进行压缩，恢复为原来待传输信息信号的带 宽，从而达到传输信息目的的通信系统。
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1.2.2 频率跳变系统
名称 频率跳变扩展频谱通信系统（Frequency Hopping Spread Spectrum Communication System，FH-SS）的简称，简称跳 频系统。

功能描述 用二进制伪随机码序列去控制射频载波振荡器输出信号的频 率，使发射信号的载波频率随伪随机码的变化而跳变。可供 随机选取的载波频率数通常是几千~几万个离散频率，在如 此多的离散频率中，每次输出哪一个由伪随机码决定。