第1章扩频通信的理论基础-2014春

扩频通信SpreadSpectrumCommunications迟永钢chiyg8108科学园2A栋1108室课程信息：教材：田日才《扩频通信》 清华大学出版社 2007课程主页：乐学网：/ 扩频通信（课程登陆口令由助教统一发放。）课程建设：“985工程”三期研究生人才培养—与国外学者共建研究生课程建设项目（2011.1-2013.12）2011年黑龙江省学位与研究生教育教学改革研究项目（2011.11-2012.10） 课程情况：课程编号：S0105104C课程名称：扩频通信SpreadSpectrumCommunications任课教师：迟永钢、田日才学 时：28/4学 分：2.0上课人数：66人考核方式：闭卷笔试（ 80%），实验报告（ 20%） 扩频理论参考资料：JackKennethHolmes《SpreadSpectrumSystemsforGNSSandWirelessCommunications(GNSSTechnologyandApplications)》.ArtechHousePublishers,20072.Hsiao-HwaChen《TheNextGenerationCDMATechnologies》JohnWiley&Sons，2007；（*）3.MKSimon《SpreadSpectrumCommunicationsHandbook》(1985)，人民邮电出版社2002；（*）4.RogerPetersonetc《IntroductiontoSpreadSprectrumCommunications》(1995)，沈丽丽等译，电子工业出版社，2006；（*）5.MosaAAbu-Rgheff《IntroductiontoCDMAWirelessCommunications》AcademicPressSep.2007；（*）6.霍姆斯.《相干扩展频谱系统》(1982).梁振兴译国防工业出版社,1991；7.查光明熊贤祚《扩频》通西安电信子科技大学出版社,1990；沈允初《扩谱技术》国防工业出版社,1995；8.朱近康《扩展频谱通信及其应用》中国科技技术大学出版社,19939.课程结构：同步同步扩频信号扩频信号捕获跟踪产生与调制技术解扩与解调（Ch4）（Ch5）扩频码同步技术（Ch6,Ch7）伪随机编（码Ch3）理论抗广义平稳干扰；抗多径干扰；扩频系统的性能分析 （Ch2） 码分多址能力；测距能力；扩频通信的理论基础 （Ch1）

第一章扩频通信理论基础 1本章结构：1.1扩频通信基本概念；1.2扩频通信系统分类；1.3扩频通信系统模型；1.4扩频系统处理增益与主要特点； 1.1扩频通信基本概念扩频通信的发展历史：20世纪40年代，扩频技术最初构想形成（二战期间）。20世纪50年代中期，麻省理工学院林肯实验室开发的F9C-A/Rake系统被公认为第一个成功的扩频通信系统；首次提出了瑞克(RAKE)接收概念并成功应用，也是第一个真正实用的宽带通信系统。第一个跳频扩频通信系统BLADES也在这段时期研制成功；喷气实验室（JPL）在其空间任务中完成了伪码产生器的设计以及跟踪环路的设计。20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逐渐普及； 1.1扩频通信基本概念1.1扩频通信基本概念扩频通信的发展历史：20世纪80年代初期之前，扩频通信的概念都只在军事通信系统中得到应用；1985年5月，美国联邦通信委员会（FCC）发布了一份关于将扩频技术应用到民用通信的报告。从此，扩频通信技术获得了更加广阔的民用应用空间。扩频技术最初在无绳电话中获得成功应用。1990年1月，CCIR研究未来公众陆地移动通信系统 (FuturePublicLandMobilTelecommunicationSystem，FPLMTS)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；1999年，在芬兰赫尔辛基召开的ITU-RTG8/1会议，确定了3G无线接口标准，即IMT-2000无线接口技术规范协议。基于扩频理论的CDMA技术成为国际电联3G标准的主流技术。 1.1扩频通信基本概念扩频通信的发展历史：IMT-2000（InternationalMobileTelecommunications-2000）是国际电信联盟（ITU）定义的第三代无线通信的全球标准。IMT-2000规定：车速移动时，数据传输速率为144Kbps，室外静止或步行时速率为384Kbps，在室内为2Mbps。2007年，ITU制定了IMT-A标准，要求低速环境时峰值速率为1Gbps，高速环境则是100Mbps。

1.1扩频通信基本概念1999年，ITU批准了五个IMT-2000的无线电接口标准：IMT-MCMulti-Carrier也称CDMA2000，2GcdmaOne（IS-95）的继承者IMT-DSDirectSpread也称WCDMA 或UTRA-FDD，在UMTS中使用IMT-TCTime-Code总结了UTRA-TDD（在UMTS中标准化）和 TD-SCDMAIMT-SCSingleCarrier也称EDGE，2.75G技术IMT-FTFrequencyTime也称为DECTIMT-2000OFDMATDDWMAN2007年10月19日，ITU会议批准移动WiMAX作为第6个标准，称为："IMT-2000OFDMATDDWMAN" 21.1扩频通信基本概念1.1扩频通信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；※保密性；有效性─通信系统传输信息效率的高低。以最合理、最经济的方法传输最大数量信息。数字通信系统中，传输有效性用单位频带传输速率衡量，bit/s/Hz。可靠性─通信系统可靠地传输信息，衡量收到信息与发出信息的符合程度。模拟通信系统---输出信噪比（SNR）；数字通信系统---差错率Pe。通信系统的可靠性取决于通信系统的抗干扰能力。1.1扩频通信基本概念Digitaltransmissionschemes canbearrangedintotwocategories.limitedpower：likesatellitecommunications,theseschemesprovideefficientusageofthelimitedpoweravailable.limitedbandwidth：suchasmobilewireless,wheretheschemesachieveefficientusageofthelimitedbandwidthavailablefortheserviceindemand.Bothschemesarevulnerabletohostilejammingandradiointerference.Thenoveltyofthespread-spectrumconceptisthatitprovidesprotectionagainstsuchattacksbaseduponexchangingbandwidthexpansionforanti-jammingcapability. ApplicationsofspreadspectrumsystemsWho：SpreadingCodes AdvantagesofSpreadSpectrum：Anti-jamming(A/J)Anti-interference(A/I)LowProbabilityofIntercept(LPI)CodeDivisionMultipleAccess(CDMA)MessagePrivacyHighResolutionRangingandTiming 伪随机:(PRNcodes) 3一般通信系统框图：Whatis “spreadspectrum？” 1.1扩频通信基本概念初衷：围绕提高信息传输的可靠性而提出的一种有别于常规通信系统的新调制理论和技术。描述：信号频谱用某特定扩频函数（与信息无关）扩展后成为宽频带信号；接收端利用相同扩频函数将扩展的频谱进行压缩，恢复为原来待传信号的带宽，从而达到传输信息目的。特点：传输带宽远大于常规通信系统带宽。信息已不再是决定传输信号带宽的一个重要因素，传输信号带宽主要由扩频函数来决定。 1.1扩频通信基本概念扩展频谱通信技术的理论基础 ：

1.1扩频通信基本概念判断扩频通信系统准则 ：1）传输信号带宽远大于被传输的原始信号带宽；原本不必如此！）2）传输信号带宽主要由扩频函数决定，通常是伪随机（伪噪声）编码信号， 与传输信息无关 。（传统通信系统带宽由传输信息所决定！ ）收益：具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰等能力。 1.1扩频通信基本概念香农信道容量理论 ：信息理论香农(C·E·Shannon)信道容量公式：香农信道容量理论；

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S香农最佳信号理论；哈尔凯维奇抗多径衰落理论； N令C是希望具有的信道容量，即信息速率，有：C S1.44ln1B N对于典型干扰环境 ，有S 1，幂级数展开得：N 41.1扩频通信基本概念香农信道容量理论：CSCSNBB1.433或NSCNB说明：在信道中当传输系统的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。（C是系统无差错传输信息速率）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，就可增加在信道中无差错地传输信息的速率 C。 1.1扩频通信基本概念香农信道容量理论 ：进一步说明：增加信道带宽后，在低信噪比情况下，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情况下，只要相应的增加传输信号的带宽也能保持可靠通信。扩频通信系统正是利用这一原理，用高速率扩频码来扩展待传输信息信号带宽，达到提高系统抗干扰能力的目的。 1.1扩频通信基本概念香农最佳信号理论 ：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。白噪声信号具有理想自相关特性，功率谱密度为:S(f)N0f2自相关函数：R(τ)S(f)ej2πfτNdf0δτ()21.1扩频通信基本概念哈尔凯维奇抗多径衰落理论 ：－从克服多径干扰的角度上世纪50年代，哈尔凯维奇(俄)在理论上证明：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。（第二章分析） 1.1扩频通信基本概念香农最佳信号理论 ：由于对白噪声信号处理困难。使用伪噪声序列代替白噪声，它们统计特性相近。11τ01τ0Ncici1N1R(τ)R(τ)Ni1τ00τ0NN伪噪声序列很接近于高斯信道要求的最佳信号形式。（次最优信号） 1.1扩频通信基本概念功率谱特点：FH-SS：FrequencyHoppingSpreadSpectrumCommunicationSystem，频率跳变扩展频谱通信系统，简称跳频系统。DS-SS：DirectSequenceSpreadSpectrumCommunicationSystem，直接序列调制扩展频谱通信系统，简称直扩系统。 51.1扩频通信基本概念 1.1扩频通信基本概念扩频通信系统基本原理 ：（以DS-SS系统为例） 扩频通信系统基本原理 ：（以DS-SS系统为例）传统BPSK调制波形： 1.1扩频通信基本概念1.1扩频通信基本概念扩频通信系统基本原理：（以DS-SS系统为例）扩频通信系统基本原理：（直接序列扩频系统为例）【假设】信号功率：P1＝P0；码分多址干扰信号功率：P2＝P0；多径干扰信号功率：P3=P0；其他进入接收机干扰和噪声信号功率：N=P0。所有信号功率谱均匀分布在BRF=2RC带宽之内。 1.1扩频通信基本概念扩频通信系统基本原理 ：本章结构：1.1扩频通信基本概念；1.2扩频通信系统分类 ；1.3扩频通信系统模型；1.4扩频系统处理增益与主要特点；相关解扩后，有用信号频带变窄，无失真通过带宽为Bb=2Rb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通频带之外，被中频滤波器滤除。 解扩前后的信噪比发生显著改变 。 ■ 61.2扩频通信系统分类根据扩频信号产生方式：直接序列系统； DS-SS频率跳变系统； FH-SS时间跳变系统； TH-SS线性脉冲调频系统；混合扩频通信系统；频率跳变-直接序列混合扩频系统；时间跳变-频率跳变混合扩频系统；时间跳变-直接序列混合扩频系统；

1.2扩频通信系统分类作用机制不同：DS-SS：信息数据；FH-SS：载波频率；TH-SS：发射机启闭； 1.2扩频通信系统分类1.2.1直接序列系统名称：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。工作原理：待传信号与高速率伪噪声（伪随机）码波形相乘，去直接控制载波信号的某个参量（如PSK），来扩展传输信号带宽。用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。 1.2扩频通信系统分类1.2.1直接序列系统 1.2扩频通信系统分类1.2扩频通信系统分类1.2.1直接序列系统1.2.2频率跳变系统名称：频率跳变扩展频谱通信系统（FrequencyHoppingSpreadSpectrumCommunicationSystem，FH-SS），简称跳频系统。功能描述：调制方式选取：用二进制伪随机码序列去控制射频载波振荡器输出信号频率DS-SS中，通常进行相移键控（PSK）调制。由于PSK信号可，使发射信号载波频率随伪随机码变化而跳变。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。载波频率数通常是几千~几万个离散频率，每次输出哪一个由伪随机码决定。抑制载波平衡调制不仅节约发射功率、提高发射机工作效率，而且对提高扩频信号的抗侦破能力也有利。 71.2.2频率跳变系统TheGermanmilitarymadelimiteduseoffrequencyhoppingforcommunicationbetweenfixedcommandpointsinWorldWarItopreventeavesdroppingbyBritishforces,whodidnothavethetechnologytofollowthesequence.DuringWorldWarII,theUSArmySignalCorpswasinventingacommunicationsystemcalledSIGSALY,whichincorporatedspreadspectruminasinglefrequencycontext.However,SIGSALYwasatop-secretcommunicationssystem,soitsexistencedidnotbecomeknownuntilthe1980s. 1.2.2频率跳变系统APolishengineer,LeonardDanilewicz,cameupwiththeideain1929.Severalotherpatentsweretakenoutinthe1930s,includingonebyWillemBroertjes(U.S.Patent1,869,659,issuedAug.2,1932).ThemostcelebratedinventionoffrequencyhoppingwasthatofactressHedyLamarrandcomposerGeorgeAntheil,whoin1942receivedU.S.Patent2,292,387fortheir"SecretCommunicationsSystem".Thisearlyversionoffrequencyhoppingusedapiano-rolltochangeamong88frequencies,andwasintendedtomakeradio-guidedtorpedoesharderforenemiestodetectortojam.Thepatentwasrediscoveredinthe1950sduringpatentsearcheswhenprivatecompaniesindependentlydevelopedCodeDivisionMultipleAccess,acivilianformofspread-spectrum. 1.2扩频通信系统分类1.2扩频通信系统分类1.2.2频率跳变系统1.2.2频率跳变系统工作原理：发射机：发射载波频率在一个预定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。接收机：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。混频后得到频率固定的中频信号，此过程称为解跳。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扩频通信系统分类1.2.2频率跳变系统与常规通信系统区别 ：发射机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频率是跳变的。FH-SS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。

1.2扩频通信系统分类1.2.2频率跳变系统速率：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：数据调制方式常用 多进制（M-ary）频移键控。分类：根据跳频速率不同，可分为：※ 频率慢跳变系统 ；※ 频率快跳变系统 ； 81.2扩频通信系统分类※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是信息比特宽度，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扩频通信系统分类※频率快跳变系统；慢跳系统，频率跳变速度比数据符号的变化速度慢。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扩频通信系统分类 1.2扩频通信系统分类示例：SlowFrequencyHopSpreadSpectrumUsingMFSK(M=4,k=2) 1.2扩频通信系统分类1.2扩频通信系统分类示例：FastFrequencyHopSpreadSpectrumFH-SS特点：UsingMFSK(M=4,k=2)抗干扰机理：从抗干扰角度，FHSS采用一种躲避式的抗干扰方法，通过不断地改变载波频率而避开干扰。核心问题：跳频系统组网后主要问题是碰撞，它是FHSS系统产生多址干扰和多径干扰的根本原因。组网问题：若跳频序列正交，则系统无多址干扰问题。同步组网时存在正交跳频序列，此时要求系统内用户具有统一的高精度时间基准，实现难度大。通常采用异步组网，无正交跳频序列，因此跳频序列设计是关键，通过汉明相关函数度量。 91.2扩频通信系统分类1.2.3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：使发射信号在时间轴上离散跳变。把时间轴分成许多 时隙，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。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。 1.2扩频通信系统分类1.2.3时间跳变系统发送端：数据先存储，伪随机码序列控制存储器的输出与高频开关通断，调制后信号由高频开关经天线发射。接收端：当伪码发生器与发端同步时，信号就能按时通过高频开关进入接收机。解调后的数据经缓冲存储器，便恢复原来的均匀数据流。【条件】只要收发两端时间上严格保持同步，就能正确恢复原始数据 1.2扩频通信系统分类1.2.3时间跳变系统TH-SS系统是通过发射机关闭，接收机也关闭，此间一切干扰不能进入接收机而达到抗干扰目的。抗干扰方式过于消极，抗干扰性不强，通常不单独使用。常与DS、FH混合使用，进一步提高系统抗干扰能力。具有多址能力。近年来出现的脉冲UWB技术是单独采用跳时技术的系统，碰撞问题是其主要问题，是产生多址干扰和多径干扰的根本原因，需通过跳时序列设计解决，通过序列相关函数度量。■ 1.2扩频通信系统分类1.2.4线性脉冲调频系统概念：系统工作频率在给定脉冲时间间隔内线性地扫过一个很宽的频带，形成带宽很宽的扫频信号。（工作频率在一给定时间间隔内线性增大或减小，使发射信号频谱占据很宽范围）在语音频段，线性调频听起来类似于鸟的“啾啾”叫声，所以线性脉冲调频也称为鸟声调制。特点：一种不需要用伪随机码序列调制的扩频调制技术。由于占用的频带宽度远远大于信息带宽，从而也可获得较好的抗干扰性能。 1.2扩频通信系统分类1.2扩频通信系统分类1.2.4线性脉冲调频系统1.2.4线性脉冲调频系统工作原理：线性调频信号特点：（1）发射脉冲信号的瞬时频率在信息脉冲持续时间Tb内随时间作线性变化，频差为：Ff1f2Bc（2）脉冲持续时间Tb内，信号瞬时频率为：ff0FtTbtTbTb22（3）时域表达式：s(t)Acos2πft2πFt20TbtTb0Tb22101.2扩频通信系统分类1.2.4线性脉冲调频系统接收解调：可用匹配滤波器来实现。由色散延迟线构成。对低频成分延迟时间长，对高频成分延迟时间短，于是频率由低到高的调频信号通过匹配滤波器后，各频率分量几乎同时输出，信号叠加在一起，形成了脉冲时间的压缩，使输出信号幅度增加，能量集中，将有用信号检出。不匹配信号在时间上没有压缩，甚至反被扩展。 1.2扩频通信系统分类1.2.5混合扩频通信系统常用系统：频率跳变-直接序列混合扩频系统 (DS/FH)；直接序列-时间跳变混合扩频系统 (DS/TH)；频率跳变-时间跳变混合扩频系统 (FH/TH)；注意：比单一的直接序列、频率跳变、时间跳变体制有更优良的性能。 1.2扩频通信系统分类1.2.5混合扩频通信系统1）FH-DS特点：能够大大提高扩频系统的性能，且通信隐蔽性好、抗干扰能力强、频率跳变系统的载波频率难于捕捉、适应于多址通信或离散寻址和多路复用。 1.2扩频通信系统分类1.2.5混合扩频通信系统2）TH-FH系统适用场合：特别适用于大量电台同时工作，其距离或发射功率在很大范围内变化，需要解决通信中远近效应问题的场合，主要用于多址和寻址，扩展频谱不是其主要目的。远近效应在同一工作区域内，由于接收机对于不同位置的发射机在电波传播距离有远近之分，形成电波传播路径的衰减不同，近距离发射机发送来的信号场强要远大于远距离发射机发送来的信号场强。在接收机中强信号将对弱信号产生抑制作用，造成接收机不能很好地接收远距离发射机发送来的信号。 1.2扩频通信系统分类1.2.5混合扩频通信系统3）TH-DS系统当直接序列系统中可使用的扩频码序列的数目不能满足多址或复用要求时，增加时分复用 (TDM)是一种有效的解决办法。既可增加的地址数，又可改善邻台的干扰性能。 ■

本章结构：1.1扩频通信基本概念；1.2扩频通信系统分类；1.3扩频通信系统模型 ；1.4扩频系统处理增益与主要特点； 111.3扩频通信系统模型1.3.1DS系统模型 1.3扩频通信系统模型1.3.1DS系统模型接收信号时域模型：假设条件：（1）d(t)和ct 相互独立；（2）符号宽度是码元宽度的整数倍；传输影响：一般情况：随机延时、多普勒频移和随机相移 。接收信号模型：（不考虑信号电平衰减）r(t) s(t Td) N(t) si(t Tid)Ad(t Td)c(t Td)cos[2π(f0 fd)t d] N(t) si(t Tid) 1.3扩频通信系统模型1.3.1DS系统模型vs(t)2Ad(αTd)c(αTd)cos[2π(f0fd)αd]cr(α?)cos[2π(f0?]h(t)dαTdfd)α?d扩频码同步:?Td?Tdcr(tTd)c(tTd)载波同步:f?dfd,?dd基带滤波器输出:()A(α)()d(1-16)vstdTdhtαα只要基带滤波器能无失真传输数字信息，则收信端即可恢复出发信端传输的信息。 1.3扩频通信系统模型1.3.1DS系统模型发射信号时域模型：假设调制方式为 PSKf(t)Aftm(t)0(t)cos2π0m(t)1m(t)01m(t)f(t)Am(t)cos(2πf0t)s(t)Ad(t)c(t)cos(2πf0t)1.3扩频通信系统模型1.3.1DS系统模型接收系统数学模型：设基带滤波器h(t)带宽与信息带宽相同，射频滤波器无失真传输信号，则基带滤波器输出为：v(t)2r(???d]h(tα)dα)cr(αTd)cos[2π(f0fd)αr(t)Ad(tTd)c(tTd)cos[2π(f0fd)td]去除扩频码 相关技术 解扩去除载波 相干技术 解调 1.3扩频通信系统模型1.3.2跳频系统模型（1） 系统结构模型；（2） 发射信号模型；（3） 接收系统数学模型；（1）系统结构模型：fkf0Ckf121.3扩频通信系统模型 1.3扩频通信系统模型（1）系统结构模型： （1）系统结构模型：FHSSTransmitter FHSSReceiver 1.3扩频通信系统的模型1.3.2跳频系统模型（2）发射信号模型；频率合成器输出信号： a(t) A cos2πfkt k gTc(t kTc)k离散频率由于受伪码控制，故具有周期性，序列周期为 N，fk fkN故有：Na(t) A cos2πfkt k gTc(t kTc) (t mNTc)(1-19)k 1 m跳频发射机输出信号：Ns(t) Ad(t) cos(2πfkt k)gTc(t kTc) (t mNTc)k 1 m 1.3.2跳频系统的模型（3）接收系统数学模型；伪随机编码理论 ：两周期序列的复合序列周期为两个子序列周期的最小公倍数。u(t)2Ad(tTd)cos(2πfktk)gTc(tTdkTc)2π(f?igTc(tT?d2cosfIF)t?iiTc)(tmNTc)【假设】：中频滤波器为理想窄带带通滤波器1fIFBIFf2H(f)2BIF0ffIF2中频滤波器输出为：v(t) u( )h(t )d 1.3扩频通信系统模型1.3.2跳频系统模型（3）接收系统数学模型；接收信号：Nr(t)Ad(tTd)cos2πfktkgT(tkTcTd)tmNTcJ(t)N(t)k1m本地频率合成器输出：b(t)N?f)t?g(t?kT)(tmNT)kIFdk1kTccmc混频器输出：u(t)Ad(tTd)Ncos(2πfktk)gTc(tTdkTc)(tmNTc)k1mN???(1-20)2cosf)tg(tiT)(tnNT2π(fIFT)iicdcci1n1.3.2跳频系统的模型（3）接收系统数学模型；【假设】：接收机已同步f?kfk,?kk,T?dTd,中频滤波器输出为：Nvs(t)2Ad(Td)cos2πfkkgT(kTcTd)k1Ncos2πfIFfiigT(iTcTd)mNTch(t)di1m由于gTc(tkTc)gTc(tiTc)gTc(tkTc)ik0ikcoscos1[coscos]则有：2πfNvs(t)Ad(Td)cos2IFh(t-)gTc(kTcT1d)cdmk1NAd(Td)cos2πfIF+2fk2kgT(kTcT1d)mNTch(t)dk1cm131.3.2跳频系统的模型（3）接收系统数学模型；【假设】选取的各频点fk，均满足关系：2fkBbBIF22fkB2BbfIFfIF2fk物理含义：混频后的和频信号分量cos2πfIF+2fk2k都远远落在中频滤波器通带外，因而第二项忽略不计。1.3.2跳频系统的模型（3）接收系统数学模型；滤波器最后输出信号为：1fNvs(t)ht(-)gT(kTcT1d)mNTcdmk1即：vs(t) Ad( Td)cos2πfIF h(t )d只要BIF 2Bb，解跳后的中频信号就可无失真通过中频滤波器，经解调器解调后，最后恢复出发射信号 d( Td) 。■ 1.4扩频系统处理增益与主要特点1.4.1扩频系统的处理增益1）处理增益Gp（ProcessingGain）概念；2）各种扩频系统的处理增益;Processinggain：Digitalsignaltransmissionisnormallyprecededbysignalprocessingsuchasfiltering,modulationandcoding.Atthereceiver,processinglikematchedfilteringanddetectionisusedtorecoverthedata.Ineachoftheseprocessingmethods,certaincharacteristicsoftheinputsignalarebeingmodifiedoramplified.Theeffectivenessoftheprocessorismeasuredwithafactorcalledtheprocessinggaindefinedas: 1.3.2跳频系统的模型（3）接收系统数学模型；滤波器输出为：Nv(t)Ad(T)cos2πfh(t-)g(kTT)mNTdsdIFTcc1dck1m由于Ng(tkTT)tmNT1Tccdck1mk1k2k3kNm1mm1本章结构：1.1扩频通信基本概念；1.2扩频通信系统分类；1.3扩频通信系统模型；1.4扩频系统处理增益与主要特点； 1.4扩频系统处理增益与主要特点1.4.1扩频系统的处理增益（1）处理增益 Gp概念：目的：衡量扩频通信系统抗干扰能力的优劣；定义：接收机解扩 (跳)器(相关器)的输出信噪比与输入信噪比之比。Gp输出信号噪声功率比S/Nout输入信号噪声功率比S/Nin物理意义：表示经过扩频接收机处理后，使信号增强的同时抑制输入到接收机干扰信号能力的大小。处理增益越大，则系统抗干扰能力越强。体现使用扩频技术与不使用时性能之间的差别。 141.4扩频系统处理增益与主要特点1.4.1扩频系统的处理增益（1）处理增益Gp概念：最佳码速率:扩频系统处理增益决定了系统抗干扰能力的强弱。是否越大越好？当扩频码速率不断增大时，干扰电平不断下降。干扰电平减小至与接收机热噪声的电平相当时，影响接收机输出信噪比的主要因素不再是干扰信号，若再进一步增大扩频码速率，并不能改善输出信号的信噪比。故通常将解扩后干扰电平等于热噪声电平时的码片速率称为系统的最佳码速率。工程技术状态：DS-SS：工程应用， 10dB~60dB。FH-SS：工程应用， 40dB~50dB。

1.4扩频系统处理增益与主要特点1.4.1扩频系统的处理增益（1）处理增益 Gp概念：其他表示含义 ：若进入接收机解扩器的干扰与噪声的功率谱密度均匀分布， N0，则有：NinN0BssSP解扩器输入信噪比：N0BssNin接收机解扩器相关处理：（1）有用信号无失真通过，功率不变，为 P；（2）干扰和噪声只有少部分通过滤波器（带宽 Rb），大部分被滤除；解扩器输出干扰与噪声功率为：NoutN0BbSP解扩器输出信噪比：N0BbNout 1.4扩频系统处理增益与主要特点1.4.1扩频系统的处理增益（1）处理增益Gp概念：SP扩频处理增益：GpNoutN0BbBssSPBbNinNB0ss说明：处理增益与扩频信号带宽Bss（解扩前信号带宽）成正比，与信息信号带宽Bb（解扩后信号带宽）成反比。 1.4扩频系统处理增益与主要特点1.4.1扩频系统的处理增益（2）各种系统的处理增益：直接序列扩频系统；频率跳变系统；时间跳变系统；线性调频系统；混合扩频系统；直接序列扩频系统BssRcGpRbBbDS中，码片速率通常是信息速率的整数倍，RcNRbGpN1.4扩频系统处理增益与主要特点1.4扩频系统处理增益与主要特点1.4.1扩频系统的处理增益1.4.1扩频系统的处理增益（2）各种系统的处理增益：（2）各种系统的处理增益：频率跳变系统线性调频系统若频率跳变间隔不小于信息码所占用的带宽（不存在频谱重叠），即线性脉冲调频信号带宽近似等于其瞬时频率变化范围△F，信息带宽BssNBb且fBb为1/Tb，GpBssNGpTbBssTbFBb通常选用TbF1时间跳变系统处理增益定义为一帧中所分时片数和发射信号所占时片数的比值混合扩频系统（即发射机工作时间的占空比倒数）处理增益计算原则：Gp帧内所有的时片数1处理增益等于扩频信号带宽和解扩后信号带宽的比值，即扩频接收机发射信号所占用的时片数发射机工作时间的占空比输入信号带宽和输出信号带宽的比值。151.4扩频系统处理增益与主要特点1.4.1扩频系统的处理增益（2）各种系统的处理增益：混合扩频系统例子：DS-FH系统RcN1RbDSRN1DS：cGpRbFH：N2个可用频率，频谱不重叠GpFHN2扩频信号带宽：Bss2RcN22RbN1N2解扩后带宽：Bb2RbDS-FH系统扩频增益：GpBssN1N2GpDSGpFHBb(1-33) 1.4扩频系统处理增益与主要特点1.4.2扩频系统的干扰容限问题引出：处理增益反映系统抗干扰能力的强弱。利用扩频码的相关性，扩频接收机使有用信号增强的同时，抑制了所有其他输入信号（与扩频码不相干）的影响。系统正常工作情况下， 干扰信号功率到底能多大呢 ？Theinterferencerejectioncapabilityofthespread-spectrumsystemcanbeevaluatedintermsofthe 1.4.2扩频系统的干扰容限JammingMargin （干扰容限）Thelevelofinterference(jamming)thatthesystemisabletotolerateandstillmaintainaspecifiedlevelofperformancesuchasspecifiedbiterrorrateeventhoughthesignal-to-noiseratiois<1. 161.4.2扩频系统的干扰容限Themannerinwhichspread-spectrumsignalscanbeprocessedtoyieldgainsforinterference rejection canbeunderstoodbycalculatingthejammingmarginforaspread