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1序言一．扩展频谱技术概述概念：所谓扩展频谱技术一般是指用比信号带宽宽得多的频带宽度来传输信息的技术。一种典型的扩展频谱系统如图0-1所示：图0-1典型扩展频谱系统框图它主要由原始信息，信源编译码，信道编译码（差错控制），载波调制与解调，扩频调制与解扩频和信道六大部分组成。信源编码的目的是去掉信息的冗余度，压缩信源的数码率，提高信道的传输效率。差错控制的目的是增加信息在信道传输中的冗余度，使其具有检错或纠错能力，提高信道传输质量。调制部分是为使经信道编码后的符号能在适当的频段传输，如微波频段，短波频段等。扩频调制和解扩是为了某种目的而进行的信号频谱展宽和还原技术。框图中各点信号的时域和频域特性如图0-2所示。与传统通信系统不同的是，在信道中传输的是一个宽带的低谱密度的信号。为什麽要进行扩频？这是因为它具有一些独特的优点。特点：1)抗干扰能力强，特别是抗窄带干扰能力。2)可检性抵，(LPI---LowProbabilityofIntercept)，不容易被侦破。3)具有多址能力，易于实现码分多址（CDMA）技术。4)可抗多径干扰。5)可抗频率选择性衰落。6)频谱利用率高，容量大（可有效利用纠错技术、正交波形编码技术、话音激活技术等）。7)具有测距能力。8)技术复杂。应用：基于以上这些特点，扩频技术首先应用于军事通信，现在也开始民用和商用。1)卫星通信（多址，抗干扰，便于保密，降低平均功率谱密度）2)移动通信（多址，抗干扰，便于保密，抗多径，提高频谱利用率）3)无线本地环路4)GPS（选址，抗干扰，保密，测距）5)测试仪，干扰仪测时延，无码测试仪`````主要缺点：技术复杂，但是随着数字处理技术的发展，集成工艺进步，使扩频系统的实现变的简单，只需对扩展技术有一般的了解就可以从事扩频系统的设计工作。因此，扩频技术信源信源编码信道编码载波调制扩频调制信息输出信源译码信道译码符号解调解扩频信道2在这些年发展非常迅速，由军用到民用，商用，范围很广。理论基础：扩展频谱技术的理论基础是信息论中的香农定理[1]其中C------信道容量（比特/秒）N-----噪声功率W----带宽（赫兹）S---------信号功率当S/N很小时（≤0.1）得到：在无差错传输的信息速率C不变时，如N/S很大，则必须使用足够大的带宽W来传输信号。扩展频谱的方式主要有直接序列(DS)，跳频(FH)，跳时(TH)及其的混合。直接序列扩频就是用比信息速率高很多倍的伪随机噪声码(PN)与信号相乘来达到扩展信号的带宽。跳频是使原信号随机的用不同载波传输发送，跳时是使用伪随机码序列来开通或关断发射机，即信号的发射时刻和持续时间是随机的。历史：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NewJersey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（NoiseModulationAndCorrelationDetectionSystem）这个名称被使用相当长的时间。1951年后，美国的ASC(ArmySignalCorps---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LincolnLaboratory研制出P9D型NOMACS系统，并进行了试验。以后在1953-1955年LincolnLab研制出了F9C型无限电传机系统。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。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。最近的二十几年扩频技术得到越来越广泛的使用。比如美国的全球定位系统(GPS)设备简单，定位精度高，全球使用。通信数据转发卫星系统(TDESS),码分多址(CDMA)卫星通信系统，特别是NASA和军用卫星通信系统几乎都使用扩频技术，码分多址移动通信系统，这些都是DS系统。FH系统如多种跳频电台，如SINCGARS（30-80Mhz）。跳时-跳频混合型如JTIDS系统（JointTacticalInformationDistributionSystem)。我们正式把扩频技术作为国家主要项目进行研究是在70年代处。以后在卫星通信，数据传输，定位，授时系统中都有使用。今后，在卫星通信，移动通信系统，定位系统等领域将会得到进一步广泛使用。为此，我们开设这门课程，以适应技术发展的需要。二．课程内容开这门课程的主要目的是使同学掌握扩频技术的原理和一些专门的知识。考虑到同学关于数字通信方面的知识比较少，在讲扩频技术之前，有必要先讲一下关于数字通信的基础知识。在讲完扩频技术之后（以DS为主）介绍几个具体的应用扩频技术的系统。所以全书包括三大部分：数字通信基础知识，扩频技术，扩频技术的应用。共分十二章讲授。)1(log2NSWCSNCW44.131．数字通信基础概论，包括四章。第一章：通信系统概述：主要讲通信系统构成，通信系统的噪声和信道。第二章：数字信号的基带传输：主要讲基带数字信号传输的无失真条件和传输的差错率。第三章：信号处理技术：主要讲随机过程通过线性系统，宽带高斯噪声，信号的非线性处理，信号的滤波和数字化。第四章：数字信号的射频传输：主要讲相干解调技术，及抑制载波信号的环路同步技术。2．扩频技术，包括八章。第六章：扩展频谱系统使用的编码：主要讲m序列和复合序列。第七章：扩展频谱系统：简要介绍直扩系统和跳频系统。第八章：DS系统中PIV码的捕获和频率检测：主要介绍方法和性能。第九章：PN码的跟踪：主要介绍各种跟踪方法和性能。第十章：DS信号的解调：主要介绍滤波器的影响及限带，限幅和AGC的影响。第十一章：跳频系统简介。第十二章：扩频技术的应用：主要介绍在卫星通信，移动通信，GPS系统中的应用。三．目的1．使同学熟悉和掌握数字通信系统的基本原理和扩展频谱技术的基础极其应用。2．给出一些很有使用价值的分析结果。四．讲授方法1．重点讲授基本知识，基本系统和一些重要结果。2．结合讲授，自学一些内容，知识的补充，计算推导，知识基础不同，取不同，引用现成结果。3．完成一定的作业。4．考试五．参考书目1．R.C.Dixon，“SpreadSpectrumSystems”，19762．G.R.CoooperandL.D.McGillem，“ModernCommunicationandSpreadSpectrum”，19863．J.K.Holmes，“CoherentSpreadSpectrumSystems”，19825．Ziemer，R.E.ZPeterson，“DiditalCommunicationandSpreadSpectrumSystems”，MacmillamPublishingCompany，NewYork，19855．M.K.Simon，J.K.Omma，R.A.Scholts，andB.K.Leritt，“SpreadSpectrumCommunication”，VolumnIIIIII，computersciencepress，1986第一部分数字通信基础概论第一章数字通信系统的构成1.1通信系统的构成一般数字通信系统的构成如图1.1所示。它主要由发信端，信道和收信端三部分组成。4发信端收信端图1-1数字通信系统框图发信端通常有信息源，信源编码，信道编码，调制等四个单元组成，收信端由解调，信道译码，信息恢复，信息输出等部分组成。常见的信源有声音，图象，数据等。用适当的传感器，如话筒，摄象机等把原始的声音，图象等信息变成电信号送入信源编码器，信源编码器对输入信号进行A/D变换，压缩编码后形成数据信号，送入信道编码器，在这里可对数字信号进行适当编码（如卷积编码等），增加信号的冗余度，使其具有检错和纠错能力。一般称信道编码后的信号为符号，调制部分是根据信道的特点和要求把信道编码后的符号以适当的方式（相移键控，频移键控等）调制在一定频率的载波上。这里的信道通常是指传输射频信号的多种多样的信道。如微波信道，卫星信道，光纤信道，电台短波信道等。收信端对信号的处理过程与发信端一一对应，但是个反过程，而且前后顺序也相反，先解调，再信道译码，信源译码，最后恢复信息，如声音，图象等。1.2信源和信源编码信源编码的压缩技术对扩频系统是非常重要的。1)扩频系统带宽宽要求信源速率不能太高。2)高压缩信源码要求可靠传输率低。大多数通信系统要传送的原始信号为声音，图象或数字信号（传真，电传，计算机等），这些原始信号是由信源输出的，原始信号所占用的频带称为基带，比如话音信号的基带为300-3400Hz，音响为20-15KHz，电视图象信号为6.5MHz。基带的多少取决于保真度。如HF(Highfilelity)10-20Khz。数字信号的基带是信源产生的数据率决定的。如75bit/s，2.4Kbit/s，9.6Kbit/s，6.1Kbit/s，2.048Mbit/s等。有些通信系统传输的是基带信号，如地区内的电话网，基带数传机等。但基带传输系统一般通信距离较近，远距离通信传送载波调制信号，也称其为射频信号或载波信号。在数字通信系统中传输的必须是数字信号，传真，电传和计算机数据等都是数字信息，可直接在数字信道总传输。把象声音，图象等模拟信息变成数字信号必须先通过抽样，量化。这就是通常所说的A/D变换。比如，话音的带宽为3400Hz，通常采用8KHz频率抽样，每个样点为8位编码。这样话音信号的数据率为64Kb/s。具体编码方式常用A律或M律。称这样的话音编码方式为PCML(PulseCodeModulation)。64Kb/s的PCM编码的已作为标准，用在公共通信网中，话音质量可达4.5级。还有常用的话音编码方式是自适应增量调制，即ADM，编码速率可选用32Kb/s，19.2Kb/s，16Kb/s等。根据话音音质中要求而选定，这种编码方式话音质量也不错，而且在误码率相当大的情况下仍可达到相当好的清晰度。84年CCITT建议把ADM32Kb/s也定为国际标准，话音质量可达4.3级。此外，还有自适应编码（ASBC），自适应差分脉码调制，时域谐波压扩(ADPCM---TDHS)等编码方式，可进一步压缩编码的数据率。8Kb/s的话音编码器的效果很好，估计一两年内将有集成电路投放市场。以上这些编码方式统称为波形编码。另一类编码方式称为参量编码。它是根据话音信号的特征参量进行编码的，通常称这种方式的编码器为声码器（Vocoder），常用的编码速率为4.8Kb/s，2.4Kb/s，1.2Kb/s。具体编码方式有通道声码器(CV)，线性预测声码器(LPC)等，一般来说，声码器的话音质量差些，因为比特率较低，听信源信源编码信道编码调制信息恢复信源译码信道译码解调信道5起来不自然，设备较贵，适合军用。在图象编码方面，由于数字信号处理技术和大规模集成电路技术的发展，数字图象通信正在走向实用。比如，静态图象通信早已应用于可视电话会议（电视会议），原端场景监视和医疗监控等方面。用普通电话线路传一幅图象要十几秒---几十秒。使用的编码技术为高级差值脉冲编码调制(HO—DPCM)，对于彩色动态图象的压缩编码是一个非常热门的课题。对于图象质量要求不高的情况，主要编码方式有帧间编码技术（IFC），它是清除帧间大量相关的多余信息使比特率得到压缩。这种编码方式适用于会议电话（动作慢，背景静止）。还有一种是动补偿帧见编码技术（MCIFC）,它可以对物体的可动部分进行位移量的预测，因而可用来传输运动较快的画面。采用这种技术可把会议电话图象的编码压缩到2.048Mb/s。对于高质量的广播电视图象，在帧见，帧内采用自适应预测编