第3章2 扩频通信系统

1、第第3章章 2扩扩 频频 通通 信信 系系 统统Spread spectrum communications张张 文胜文胜School School of Information Science and of Information Science and EngineeringEngineeringShandong UniversityShandong UniversityShandong, ChinaShandong, China 通信系统通信系统概论概论小隐在山林， 大隐于市朝中国道家哲学特 定频 段噪 声1. 扩频通信扩频通信定义：定义：全称：扩展扩展频谱频谱通信通信主要特征： 信号信

2、号所占有的频带宽度远大于所所占有的频带宽度远大于所传信传信 息息必需的最小必需的最小带宽带宽实现机理：频带的扩展是频带的扩展是通过编码和调制来完成通过编码和调制来完成目的： 抗干扰抗干扰通信通信香农香农(Shannon)(Shannon)公式公式 ：C信道容量信道容量(用传输速率度量用传输速率度量)，bit/s；W信号频带宽度，信号频带宽度，Hz；P信号平均功率，信号平均功率，W；N噪声平均功率，噪声平均功率，W2log1PCWN2. 扩频通信扩频通信理论基础：理论基础： 在给定的传输速率在给定的传输速率C不变的条件下，不变的条件下，频带宽度频带宽度W和和信信噪比噪比PN是可以互换的。即可通过

3、增加频带宽是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比情况下，传输信息度的方法，在较低的信噪比情况下，传输信息。扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点特点，为，为扩频通信扩频通信的理论基础的理论基础。2log (1)PCWN香农公式的物理意义：香农公式的物理意义：一一个例子个例子： 扩频通信扩频通信的理论基础的理论基础 信号带宽与信噪比的互换关系 例：某系统信号带宽为8kHz，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，求此时信号功率的相对变化为多少？通信通信中的干扰中的干扰类型：类型：I

4、. 自然干扰：自然干扰： 大气噪声大气噪声 热噪声热噪声 多址多址干扰干扰 多径多径干扰干扰 工业干扰工业干扰 其他其他通信设备的同频干扰等通信设备的同频干扰等3. 扩频通信扩频通信产生背景：产生背景：II. 人为干扰人为干扰在在军事应用中，敌对的双方为了降低军事应用中，敌对的双方为了降低对方的对方的通信效能通信效能而人为释放的强干扰而人为释放的强干扰。1. 单单频干扰频干扰, 或称为固频或称为固频干扰干扰 干扰频率正好干扰频率正好对准对方的通信对准对方的通信频率，形成同频频率，形成同频 干扰干扰。 2 . 正弦脉冲正弦脉冲干扰干扰 干扰信号以干扰信号以脉冲形式脉冲形式发送发送的的, 其峰值功

5、率较强其峰值功率较强。 3. 跟踪式跟踪式干扰干扰 先先测定通信频率测定通信频率, 然后将然后将干扰机干扰机干扰信号频率干扰信号频率对对 准准通信频率进行干扰。通信频率进行干扰。 4. 转发式干扰转发式干扰首先首先把有用信号接收下来把有用信号接收下来, 再经放大和噪声污染后再经放大和噪声污染后发送出去发送出去, 对有用信号实施干扰。对有用信号实施干扰。 5. 宽带宽带阻塞式阻塞式干扰干扰在在整个信号的通信频带内施放很强的干扰信号，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信频带内都无法保证

6、正常的通信通信 扩频通信扩频通信的概念的概念信息调制扩频调制射频输出射频接收扩频解调信息信息解调信道伪随机码序列信息伪随机码序列图1.1 扩频通信原理框图扩频通信的基本原理扩频通信的基本原理扩频：用一个带宽比信息带宽宽得多的伪随机码（PN码）对信息数据进行调制。解扩：将接收到的扩展频谱信号与一个和发端 PN完全相同的本地码相关检测。收到的信号与本地PN相匹配时，信号恢复到其扩展前的原始带宽 不匹配的输入信号被扩展到本地码的带宽或更宽频带 扩频通信原理框图扩频通信原理框图扩频通信的基本原理扩展扩展频谱通信系统的主要技术指标频谱通信系统的主要技术指标 一、 处理增益 对扩频通信的处理增益的两种主要

7、定义 信噪比增益定义 伪随机码与信息速率比定义 二、干扰容限ioNSNSpG/cpbRGR )(minmaxdBLGMoutNSsyspinSNj 一、扩频通信的处理增益一、扩频通信的处理增益 对扩频通信的处理增益的两种主要定义 定义1：解扩器输出端与输入端的信噪比的比值： (S/N)i和(S/N)o分别为扩频处理器的输入和输出信噪比。 通常用分贝（dB）表示ioNSNSpG/)()/()()/(dBNSdBNSdBGiop 该定义的处理增益表示经过解扩器后，信号信噪比的改善。扩频系统的处理增益主要来自接收机的解扩器。 例：某扩频系统Gp=70dB，若要求(S/N)o=10dB，则允许(S/N

8、)i =-60dB，即信号功率可以在低于干扰功率60dB的恶劣条件下工作。2022-6-18 一、扩频通信的处理增益 定义2：伪随机码与信息速率比定义cpbRGR 二、扩频通信的干扰容二、扩频通信的干扰容限限 干扰容限Mj是考虑了系统损耗后，系统尚能工作时，信道可允许的最大噪信比。 Mj 考虑了实用系统的输出信噪比要求以及系统的内部损耗，因而可以反映系统在干扰环境中的工作能力。 )(minmaxdBLGMoutNSsyspinSNj例 1：一个系统的处理增益Gp=30dB， 系统的执行损耗Lsys =2dB：若系统要求的最小输出信噪比为8dB， 则：Mj=30-(8+2)=20dB， 即输入的

9、干扰功率最多只能比信号功率高20dB时，该系统才能正常工作。例 2：一个系统的处理增益Gp=30dB， 系统的执行损耗Lsys =2dB：若系统要求的最小输出信噪比为9dB，则： Mj=30-(9+2)=19dB, 即输入的干扰功率最多只能比信号功率高19dB的条件下系统才能正常工作。5. 扩频通信扩频通信扩频扩频方式：方式：直接直接序列扩频序列扩频（direct sequence spread direct sequence spread spectrum, DSSSspectrum, DSSS）跳频扩频跳频扩频（frequency hopping spread frequency hopp

10、ing spread spectrum, FHSSspectrum, FHSS）跳时扩频跳时扩频（time time hopping spread hopping spread spectrum, THSS spectrum, THSS ）混合扩混合扩频频（hybrid spread spectrum, HSShybrid spread spectrum, HSS）直接序列(DS)系统：用一高速伪随机序列与信息数据相乘，由于伪随机序列的带宽远大于信息带宽，扩展发射信号的频谱 跳频(FH)系统：在一伪随机序列的控制下，发射频率在一组预先指定的频率上按规定顺序离散地跳变，扩展发射信号的频谱 跳时(

11、TH)系统：与跳频系统类似，区别在于该系统是用一伪随机序列控制发射时间和发射时间的长短 直接直接序列扩频序列扩频 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。直扩系统方框图直扩系统波形图 直接序列扩频通信系统DSSS 跳频通信系统 原理载波频率受一组快速变化的PN控制而随机跳变 扩展频谱的方式-跳频 跳频扩频系统 信号波形扩展频谱的方式-跳频 抗干扰能力跳频系统是靠中频滤波器抑制带外的频谱分量，减少窄带干扰进入接收机的概率，提高系统的抗干扰性能直接序列扩频系统是通过展宽窄带干扰的频谱，降低干扰信号在单位频带的功率，来实现抗干扰性能的提高 扩展频谱的

12、方式-跳频扩展频谱的方式-跳时 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。各种混合方式 上述几种基本的扩频方式的基础上，可以组合起来，构成各种混合方式。例如DSFH、DSTH、DSFHTH等等。4. 扩频通信扩频通信主要特点：主要特点：1 1. . 抗干扰性抗干扰性强强 扩频通信扩频通信系统扩展的频谱越宽，处理增益越系统扩展的频谱越宽，处理增益越高，高，抗干扰性抗干扰性能越强。能越强。2 2. . 隐蔽性隐蔽性好好由于扩频信号单位由于扩频信号单位频带频带内功率内功率谱密度很谱密度很低低, ,可在可在信道噪声信道噪声和热噪声的背景和热噪声的背景下实现下实现通信。通信。3 3. . 可可实现码分多址实现码分多址 利用利用扩频通信可以实现扩频通信可以实现码分多址。码分多址。4 4. . 抗多径抗多径干扰干扰扩频通信容易利用扩频通信容易利用分集技术分集技术对抗多径干扰对抗多径干扰。CDMACDMA：Code Code Division Multiple AccessDivision Multiple Access第第三三章章 作业作业1. 描述描述C