扩频通信技术概述

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直接序列扩频
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直扩系统组成框图(a) 发射 (b) 接收
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•直扩系统各点的波 形
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直扩系统的特点和用途
n (1) 具有较强的抗干扰能力。 n (2) 具有很强的隐蔽性和抗侦察、抗窃听、抗测向
的能力。 n (3)具有选址能力，可实现码分多址。 n (4) 抗衰落，特别是抗频率选择性能好。 n (5).抗多径干扰。 n (6).可进行高分辨率的测向、定位。 n 直扩技术主要用于通信抗干扰、卫星通信、导航、
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n 1952年由林肯实验室研制出P9D型NOMACS 系 统，并进行了试验。
n 1955年生产成功并通过了测试。之后，美国 海军和空军开始验证各自的扩频系统，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），美国海军采用跳频扩 频方案。
n 香农（Shannon）公式
n 信道容量是信道在无差错传输下所能达到的最大传 输速率。
n 信道容量具有如下的意义：
n 当传输速率不大于信道容量时，总可以找到一种方 法，实现无差错的传输。
n 但如果想要达到的传输速率大于信道容量，则无论 用什么方法，都不可能实现无差错传输。
n Shannon公式给出了信道容量与带宽和信噪比之间的 关系。
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n 干扰与抗干扰技术的发展
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通信抗干扰技术
n 当前采用的抗干扰技术主要有以下几种。 n 1) 扩展频谱技术
n 扩展频谱技术具有很强的抗干扰能力, 可以抗 击多种人为干扰, 是发展非常迅速的一种抗干
扰技术。 n 2) 开发强方向性的毫米波频段
n 在毫米波波段，频段很宽，采用视距传播，方 向性很强，有利于增加抗干扰性能。
n 由于在信息科学领域的卓越贡献， 香农被称为 “信息论之父”。
•克劳德. 艾尔伍德. 香农(Claude Elwood Shannon 1916—2001)
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n 关于Shannon公式的讨论 n 1）(S/N) → ∞ n 2） B → ∞
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n (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。
n (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。
与有用信号频带相比拟。
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n (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。
n (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。
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保密通信、测距和定位等方面。
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跳频扩频（frequency hopping spread spectrum, FHSS）
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•跳频扩频系统方框图 扩频通信技术概述
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•跳频扩频示意 图
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•慢跳频系统跳频图案
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1.3 扩频通信系统的基本结构 与抗干扰原理
以直接序列扩频为例
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•扩展频谱通信系统模型
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•扩频系统的抗干扰原
理
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•NOISE
•Low Power Density
•SIGNAL
•NOISE
•DS •RECEIVER
n 例 1 某一系统的信号带宽为8 kHz, 信 噪比为7, 求信道容量C。 在C不变的情 况下, 信号带宽分别增加一倍和减小一 半, 求此信号功率的相对变化为多少？
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n 例2.信噪比为S/N=-20dB，求带宽至少为 多少时，信道容量可以达到3kb/s.
n 这道题的结论说明使用增大信号带宽的 方法，即使在信号功率远远小于噪声功 率的情况下，也完全可以实现无差错的 传输。
n 同年第一部扩频通信的理论性专著 Coherent Spread Spectrum 问世。
n 1985年之后民用扩频通信系统发展。
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n 最近的二十几年扩频技术的应用： n GPS n 卫星通信系统 n CDMA
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1.2 扩频通信的理论基础
n (2)抗衰落特别是抗选择性衰落时直扩优于跳 频，这是由于直扩系统的射频带宽很宽，小部 分频谱衰落不会使信号产生严重畸变，而跳频 系统将导致部分频率受到影响。
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n (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。
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n (5) 转发式干扰。 这种干扰首先把有用 信号接收下来, 再经放大和噪声污染后 发送出去, 对有用信号实施干扰。
n (6) 宽带阻塞式干扰。这种干扰是在整 个信号的通信频带内施放很强的干扰信 号，其干扰功率与带宽成正比，使通信 一方在整个通信频带内都无法保证正常 的通信。
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2020/11/19
扩频通信技术概述
1.1 产生背景及历史回顾
n 扩频通信产生的背景—通信中的抗干扰 n 通信中的干扰类型 n 1）自然干扰： n 大气噪声 n 热噪声 n 多址干扰 n 多径干扰 n 工业干扰 n 其他通信设备的同频干扰等
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•Hedy Lamarr 扩频通信技术概述
n 1949年美国的国家电话电报公司的子公司的联 邦电信实验室，Derosa和Rogoff提出设想并生 成出伪噪声信号和相干检测的通信系统，成功 地工作在New Jersey和California之间的通信 线路上。
n 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。
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n 1976年第一部扩频通信的概述性专著： Spread Spectrum Systems发表。
n 1978年在日本举行的国际无线通信咨询 委员会(CCIR)全会对扩频通信进行专门 研究。
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n 1982年美国第一次军事通信会议展示了 扩频通信在军事通信中的主导作用，报 告了扩频通信在军事通信各领域的应用， 并开始民用扩频通信的调查。
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n
目前，跳频系统主要用于军事通信， 如战术跳频电台、抗干扰等，但也正在 迅速地向民用通信渗透，如移动通信、 数据传输、计算机无线数据传输、无线 局域网等。
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FH与DS的比较
n (1)抗固频干扰。在抗强的固频干扰信号时， 跳频优于直扩。这是因为直扩系统虽然具有一 定的处理增益，但对超过干扰容限的干扰就无 能为力了；而跳频系统是采用躲避的方法抗干 扰。
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n 5) 天线零相技术
n 这种技术是将天线方向图的零点对准干扰机, 而将 主瓣对准发信机, 这样, 对接收机而言, 既能接收 到有用信号, 又可将干扰信号大大地衰减, 从而达 到抗干扰的目的。
n 6) 分集技术
n 分集技术包括空间分集、 频率分集、 角度分集、 极化分集等。
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n (3)易兼容。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。
n (4)解决了“远—近”问题。“远—近”问题 对直扩系统的影响很大，对跳频系统来说，这 种影响就小得多，甚至可以完全克服。
n (5)伪随机码速率比直扩系统的低得多，同步 要求比直扩系统的低，因而时间短、入网快。
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扩频通信的发展经历
n 有关扩频通信技术的观点最早是在1941年由 好莱坞女演员海蒂.拉玛(Hedy Lamarr)和钢 琴家George Antheil提出的，并申请了美国 专利#2.292.387。不过，当时该技术并没有 引起美国军方的重视。
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n 1948年6月到10月，香农在《贝尔 系统技术杂志》上连载发表了《通 讯的数学原理》。1949年，香农又 在该杂志上发表了《噪声下的通 信》。这两篇论文为信息论奠定了 基础。
n 人们通常将香农于1948年10月发表 的论文《通信的数学原理》作为现 代信息论研究的开端。
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•快跳频系统跳频图案
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n 跳频系统可根据跳频速率分为快速跳频 (FFH)、中速频跳(MFH)和慢速跳频 (SFH)。
n
SFH：Rh的范围是10～100h/s；
MFH：Rh的范围是100～500h/s；
FFH：Rh大于500h/s。
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跳频系统的主要特点
扩频通信的理论依据
n 根据shannon公式可得出 n C≈1.44(S/N)B n 这说明在一定的信道容量条件下, 可通
过增加信号带宽来减小发送信号功率, 也可通过增加发送信号功率来减小信号 带宽。也就是说, 在信道容量不变的条 件下, 信号功率和信号带宽可以互换。
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n 3) 加密技术 n 加密技术用于防止传送的信息被敌方截获、
窃听, 它在保密通信中是一个重要的技术手段。 n 4) 猝发通信技术 n 这种通信方式在通信的时间上有很大的随机性,
在非常短的时间内, 将要发送的信号发送出去, 其它时间处于静止状态, 使干扰机很难捕捉到 这种猝发信号, 因此具有很强的抗干扰的能力。
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n (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。
n (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。
•SIGNAL
•RENCE
•Interference Rejection
•NOISE
•SIGNAL
•DS •RECEIVER
•NOISE
•SIGNAL •INTERFERENCE
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•但可以扩展干扰的频谱
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1.4 扩频通信系统的分类
n 其中扩频通信是其中发展较快应用广泛的一种技术。
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什么是扩频通信
n 发送端将原信号展成带宽为原信号的成百上 千倍的低功率谱密度的宽带信号，在接收端 对接收信号进行解扩，恢复出原来的窄带信 号。
n 信号带宽是信息带宽的几百倍至几千倍。 n 发送端扩频，接收端解扩，在做无用功吗？
n 2）人为干扰
n 在军事应用中，敌对的双方为了降低对 方的通信效能而人为释放的强干扰。
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n 人为干扰主要有:
n 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。
n 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
n 1.直接序列扩频（direct sequence spread spectrum, DSSS）
n 2.跳频扩频（frequency hopping spread spectrum, FHSS）
n 3.跳时扩频（ time hopping spread spectrum, THSS ）
n 4.混合扩频