专题：扩频通信系统相关课题设计

扩频通信概述产生背景及历史回顾扩频通信产生的背景—通信中的抗干扰通信中的干扰类型

1）自然干扰：大气噪声热噪声多址干扰多径干扰工业干扰其他通信设备的同频干扰等2）人为干扰在军事应用中，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。人为干扰主要有: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。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,可以与有用信号频带相比拟。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。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。

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。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。

干扰与抗干扰技术的发展通信抗干扰技术当前采用的抗干扰技术主要有以下几种。1)扩展频谱技术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。2)开发强方向性的毫米波频段在毫米波波段，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。3)加密技术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。4)猝发通信技术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。5)天线零相技术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。6)分集技术分集技术包括空间分集、频率分集、角度分集、极化分集等。其中扩频通信是其中发展较快应用广泛的一种技术。什么是扩频通信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。信号带宽是信息带宽的几百倍至几千倍。发送端扩频，接收端解扩，在做无用功吗？扩频通信的发展经历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)和钢琴家乔治·安泰尔(GeorgeAntheil)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。Hedy

Lamarr1949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NewJersey和California之间的通信线路上。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。1952年由林肯实验室研制出P9D型NOMACS系统，并进行了试验。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。1976年第一部扩频通信的概述性专著：SpreadSpectrumSystems发表。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。

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。同年第一部扩频通信的理论性专著CoherentSpreadSpectrum问世。1985年之后民用扩频通信系统发展。最近的二十几年扩频技术的应用：GPS卫星通信系统CDMA扩频通信的理论基础香农（Shannon）公式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。信道容量具有如下的意义：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。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。Shannon公式给出了信道容量与带宽和信噪比之间的关系。扩频通信的理论依据

C＝WLog2(1+S/N)

C≈1.44(S/N)W

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。例1某一系统的信号带宽为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,求此信号功率的相对变化为多少？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.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。扩频通信系统的分类1.直接序列扩频（directsequencespreadspectrum,DSSS）2.跳频扩频（frequencyhoppingspreadspectrum,FHSS）3.跳时扩频（timehoppingspreadspectrum,THSS）4.混合扩频扩频通信系统的基本结构与抗干扰原理扩展频谱通信系统模型扩频系统的抗干扰原理LowPowerDensityNOISESIGNALDSRECEIVERNOISESIGNALInterferenceRejectionDSRECEIVERSIGNALINTERFERENCENOISENOISESIGNALINTERFERENCE扩频信号并不能扩展噪声的频谱可以扩展干扰的频谱香农指出：在高斯噪声的干扰下，在限平均功率的信道上，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。伪随机编码基本定理

工程上常用二元{0,1}序列表示伪随机码1每一周期0和1出现的次数近似相等；2每一周期内，长度为n比特游程出现的次数比n+1比特游程次数多1倍；3序列具有双值自相关函数：

作为扩频函数的伪随机信号，应具有下列特点：

1伪随机信号必须具有尖锐的自相关函数，应接近于0；

2有足够长的码周期，以确保抗侦破，抗干扰的要求；

3有足够多的独立地址数，以实现码分多址要求；

4工程上易于产生，复制和控制。伪随机码分类及构造原理几个基本定义

1,伪随机码：二元域{0,1}或{-1,1}有一定周期的码序列；

2,相关函数：

3,

自相关函数：A是对应码元相同数目；

D是对应码元不同数目。

4,狭义伪随机码

例：

x={-1,1,1,1,1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1}

可验证其自相关函数为：

{an}……m序列m序列的定义

1,f(x)=c0+c1x+c2x2+…+cnxn

和n级线性反馈移位寄存器的关系Dn-1Dn-2D0+c0c1c2Cn-1Cn

2,m序列：n级最大周期线性移位寄存器序列，{an}的周期为2n-1。

3,m序列必须对应不可约多项式，但不可约多项式不一定产生m序列。

4,产生m序列的连接多项式必须是本原多项式。m序列的性质1，每一周期p=2n-1内，0出现2n-1-1次，

1出现2n-1次；2，对n>2,kn-2,长为k的游程占游程总数的1/2k；3，m序列{ak}与其他位移序列{ak-t}的模2和仍是m序列的另一位以序列{ak-t’}{ak}+{ak-t}={ak-t’}m序列的自相关函数

m序列的产生

1，根据不可约多项式表，查找本原多项式，E,F,G,H表示该数码对应的多项式为本元多项式。每一位代表三位2进数。

2，根据本原多项式构造出m序列移位寄存器（逻辑图）。

例n=5,p=25-1=31(1)75G,对应二进数111，101f(x)=x5+x4+x3+x2+1

其逻辑图如图所示

X1X2X3X4X5+++(2)45E对应二进数100，101f(x)=x5+x2+1其他的伪随机码有：截断m序列Gold(格尔德)序列Walsh(沃尔什)序列M序列扩频通信的基本性能参数1.处理增益(ProcessGain)（又称扩频增益）定义：接收机解扩器的输出信噪比(S/N)out与接收机的输入信号信噪比(S/N)in的比值。意义：经扩频接收机处理后，使有用信号增强的同时抑制输入到接收机的噪声和干扰能力的大小。处理增益的计算

它定义为频谱扩展后的信息带宽与频带扩展前的信号带宽之比。例3.有一个扩频通信系统，扩频后带宽为20MHz，原始信号带宽为20KHz，求系统的处理增益。2.干扰容限意义：一个扩频系统要正常工作时解扩器的输入端噪声功率与信号功率的比值不能超过的值。例4.一个扩频系统的处理增益是30dB，系统的解调器要求其输入信噪比最小为10dB，而系统损耗为4dB，求系统的干扰容限。在实际工程应用中，扩频接收机的相关解扩和解调器都达不到理想的线性要求，其非线性及码元跟踪误差将导致信噪比损失。因此，实际工作中扩频接收机实际上容许的干扰与信号功率的比值比干扰容限还要低。实际允许的输入干扰电平称为“干扰门限”在设计扩频接收机时，通常要留出至少1dB余量。直接序列扩频直扩系统组成框图(a)发射(b)接收

发射端经过信道发送到接收端：直扩系统各点的波形对于各种干扰信号，如它们与本地伪码均不相关，相关处理后干扰信号能量被扩展到整个扩频带宽内，通过基带滤波器输出很小。宽频干扰部分频带干扰单频多频载波直扩测距定时系统

直扩系统的发展是从测距开始的。电磁波传播速度固定的，测定了电波传播的时间，也就测定了距离。对于直扩信号，当采用一个较长周期的PN码序列作为发射信号、用它于目的地反射回来或转发回来的PN码序列的相位进行比较，计算出其时间差，也就能换算出发射机与目的地之间的距离。不难把码片选得很窄，即码的钟速率很高，则可以高精度的测距与定时，基本的分辨率即一个码片。有了精确的测距的定时系统，不难形成一个精确的定位系统。直扩系统的同步

一个相干扩频数字通信系统，接收端与发送端必须实现信息码元同步、PN码码元和序列同步和射频载频同步。只有实现了这些同步，直扩系统才能正常的工作。同步系统的作用就是要实现本地产生的PN码与接收到的信号中的PN码同步，即频率上相同，相位上一致。同步过程一般说来包含两个阶段：

1)接收机在一开始并不知道对方是否发送了信号，因此，需要有一个搜捕过程，即在一定的频率和时间范围内搜索和捕获用信号。这一阶段也称为起始同步或粗同步，也就是要把对方发来的信号与本地信号在相位之差纳入同步保持范围内，即在PN码一个时片内。(2)一旦完成这一阶段后，则进入跟踪过程，即继续保持同步，不因外界影响而失去同步。也就是说，无论由于何种因素两端的频率和相位发生偏移，同步系统能加以调整，使收发信号仍然保持同步。直扩系统的特点和用途(1)具有较强的抗干扰能力。(2)具有很强的隐蔽性和抗侦察、抗窃听、抗测向的能力。(3)具有选址能力，可实现码分多址。(4)抗衰落，特别是抗频率选择性能好。(5)抗多径干扰。跳频扩频（FH-SS）“多频、选码、频移键控”伪随机序列——跳频指令FSK：2个载频；跳频扩频：多个载频跳频扩频系统方框图跳频扩频示意图瞬间窄带系统跳频系统的扩频增益GFH=N;例：可供选择的跳频数N=1000；则GFH=30dB跳频系统可以看成是载频受伪随机码控制，按一定规律变化的多频频移键控。可供随机选取的载波频率通常是几千~几万个离散的频率。控制频率跳变的伪随机码的速率没有直扩系统中的伪随机码的速率高，一般为几十b/s~几kb/s。伪随机码的速率也称为跳频系统的跳速。慢跳频系统跳频图案快跳频系统跳频图案抗干扰方式跳频系统以躲避干扰的方式抗干扰，可以认为是一种主动式抗干扰方式。而直扩系统用把干扰功率分散的方法来降低干扰功率，提高解调器的输入信干比，以此来达到抗干扰的目的，故可以认为是一种被动式的抗干扰方式。跳频带宽的范围，与抗宽带干扰的能力有关。跳频频率的数目，与抗单频干扰及多频干扰的能力有关。跳频的速率，是指每秒钟频率跳变的次数，它与抗跟踪式干扰的能力有关。跳频码的长度，它将决定跳频图案延续时间的长度，与抗截获破译的能力有关。

跳频系统的主要特点(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。(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。

(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。(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。(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。

跳频系统的主要用途

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。FH与DS的比较(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。(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。

(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。(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。(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。(6)信号处理。直扩系统一般采用相干检测，而跳频系统由于频率不断变化，频率的跳变需要一定的时间，因而多采用非相干检测。因此从性能上看，直扩系统性能优于跳频；但从实现来看，相干检测需要恢复载波，必然增加系统的复杂程度，恢复载波的频率和相位的偏差，又会降低系统性能，在一些对设备要求严格的场合，如移动通信等，就难以满足要求。(7)通信安全保密。直扩信号谱密度低，信号淹没在噪声之中，可防窃听、防测向，是不可见的。而跳频系统虽然在很宽的频带上跳变，但其瞬时功率谱是较大的，是可见的，因而性能不如直扩的。(8)组网能力。跳频的组网能力较直扩的强，频谱利用率也较直扩的高。(9)兼容。兼容是现代通信必须考虑的问题，而且是对系统提出的一个重要的性能指标，在这个问题上，跳频比直扩更为灵活。(10)语言可懂度。跳频在频率转换时需调谐时间，不能传输信息。在相同的信息速率情况下，直扩优于跳频。跳时扩频（THSS）跳时系统方框图跳时示意图跳时信号波形扩频增益等于信码划分时隙或占空比倒数跳时系统的缺点：

1.抗干扰能力不强，不能躲避连续发射的干扰。

2.当同一信道内有多个跳时系统工作时，容易引起相互干扰，增加了设计扩频码的难度。

3.发送端和接收和接收端必须严格同步。跳时系统很少单独使用，通常都是与其他的扩频方式联合使用，组成混合扩频系统。混合扩频前述的每一种扩频系统都有各自的优缺点，将两种以上的扩频系统组合在一起构成混合扩频系统则有可能得到只用其中一种方式得不到的特性。常见的混合扩频系统有：直接序列-跳频混合扩频（DS/FH）系统直接序列-跳时混合扩频（DS/TH）系统跳频-跳时混合扩频（FH/TH）系统等直接序列-跳频混合扩频（DS/FH）直接序列-跳频混合扩频系统可以看成是一个载波频率作随机跳变的直接序列扩频系统，通信隐蔽性更好。DS/FH示意图DS/FH系统就是一种中心频率在某一频带内跳变的直接序列扩频系统。一个DS扩频信号在一个更宽的频带范围内进行跳变。DS/FH系统的处理增益为DS和FH处理增益的乘积。采用DS/