扩频通信讲义

111第1章扩频通信的理论基础序发展历史二十世纪40年代，理论的提出二十世纪50年代中期，美国麻省理工学院研究成功NOMAC系统，NoiseModulationandCorrelationSystem二十世纪60年代，扩频通信理论、方法、技术等各方面的研究发展和应用普及1976年R·C·DixonSpreadSpectrumSystems1982年J·K·HolmesCoherentSpreadSpectrumSystems1985年M·K·SimonSpreadSpectrumCommunicationsHandbook1990年1月，CCIR研究未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS：FuturePublicLandMobilTelecommunicationSystem)的第八工作组提出的实现FPLMTS计划的技术报告中，明确建议采用扩频通信技术2序课程安排(1)扩频通信的基本理论；(2)扩频通信系统的性能分析；(3)伪随机编码理论；(4)扩频信号的产生与调制（发射机）；(5)扩频信号的解扩与解调（接收机）；(6)扩频码的同步捕获；(7)扩频码的同步跟踪。3序教材及参考书目教材田日才.扩频通信.清华大学出版社，2007参考书目1查光明，熊贤祚.扩频通信，西安电子科技大学出版社，19902朱近康.扩展频谱通信及其应用，中国科学技术大学出版社，1993年3M·K·Simon.SpreadSpectrumCommunicationsHandbook人民邮电出版社，20024R·C·Dixon.SpreadSpectrumSystem.JohnWiley&Sons,19866林可祥，汪一飞.伪随机码的原理与应用，人民邮电出版社，19787(美)J·K·霍姆斯.相干扩展频谱系统，梁振兴译，国防工业出版社，1991451.1扩频通信的基本概念设计和评价通信系统性能的主要指标※有效性；※可靠性；有效性─指通信系统传输信息效率的高低。怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。数字通信系统中，传输有效性用传输速率来衡量。1.1扩频通信的基本概念可靠性─指通信系统可靠地传输信息。设计和评价通信系统性能的主要指标※有效性；※可靠性；模拟通信系统，传输的可靠性用输出信噪比来衡量的。数字通信系统，用信息传输的差错率来描述。可靠性是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度。因此，通信系统的可靠性取决于通信系统的抗干扰能力。71.1扩频通信的基本概念扩展频谱通信（扩频通信/扩谱通信）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；一种有别于常规通信系统的新调制理论和技术。是围绕提高信息传输的可靠性而提出的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。特点：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）一种有别于常规通信系统的新调制理论和技术。是围绕提高信息传输的可靠性而提出的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。91.1扩频通信的基本概念特点（判断扩频通信系统的准则）获得的好处（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。具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的能力。101.1扩频通信的基本概念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。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NSBC1log2令C是希望具有的信道容量，即信息速率，有NSBC1ln44.1对于典型干扰环境，有，幂级数展开得/1SN111.1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1.44CSBN0.7NBCS或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。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。说明121.1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。进一步说明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。131.1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:0()2NSff自相关函数：j2π0()()ed()2fτNRτSffδτ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。1101()10NiiiτRτccNτN10()100τRττNN14上世纪50年代，哈尔凯维奇(俄)在理论上证明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。15扩频通信系统基本原理（直接序列扩频系统为例）1.1扩频通信的基本概念16扩频通信系统基本原理（直接序列扩频系统为例）1.1扩频通信的基本概念2019年8月15日哈尔滨工业大学通信技术研究所17扩频通信系统基本原理（直接序列扩频系统为例）1.1扩频通信的基本概念射频信号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。射频带宽的变化哈尔滨工业大学通信技术研究所181.1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。191.1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。201.2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；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；21名称直接序列调制扩展频谱通信系统（DirectSequenceSpreadSpectrumCommunicationSystem，DS-SS），简称直接序列系统或直扩系统。1.2.1直接序列系统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。221.2.1直接序列系统23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。1.2.1直接序列系统24名称频率跳变扩展频谱通信系统（FrequencyHoppingSpreadSpectrumCommunicationSystem，FH-SS）的简称，简称跳频系统。1.2.2频率跳变系统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。251.2.2频率跳变系统26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。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。28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；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。1.2.2频率跳变系统哈尔滨工业大学通信技术研究所29※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。1.2.2频率跳变系统30※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。1.2.2频率跳变系统哈尔滨工业大学通信技术研究所31※频率快跳变系统1.2.2频率跳变系统321.2.3时间跳变系统名称时间跳变扩展频谱通信系统（TimeHoppingSpreadSpectrumCommunicationSystem，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。33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。1.2.3时间跳变系统34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置跳变的时隙。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