扩展频谱通信

扩频通信系统张小飞博士、教授、博士生导师zhangxiaofei一章扩频通信系统概述及其理论根底第一节扩频通信系统概述1.1扩频通信系统的产生与开展1、扩频通信系统的开展概述自40年代中期美国军方便开始研究，一直为军事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。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〕。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专辑，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。比方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)。直到80年代初才被应用于民用通信领域。为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术。我国正式把扩频技术作为国家主要工程进行研究是在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。目前该技术一广泛应用于卫星、导航、测距、移动通信和计算机通信及电子对抗领域。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，以适应技术开展的需要。扩展频谱通信(SpreadSpectrumCommunication)，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。2、本课程目的使同学熟悉和掌握数字扩展频谱通信的根本原理和技术根底及其应用。给出一些很有使用价值的分析结果。3、讲授方法重点讲授根本知识，根本系统和一些重要结果。结合讲授，自学一些内容，知识的补充，计算推导，知识根底不同，取不同，引用现成结果。完成一定的作业。考试第一节扩频通信系统概述1.2扩展频谱通信的定义扩展频谱通信，可简单表述如下：“扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列用编码及调制的方法来实现的，该码序列与所传信息数据无关；在接收端那么用同样的码进行相关同步接收、解扩并恢复所传送的信息数据”。一种典型的扩展频谱系统如下图：典型扩展频谱系统框图此定义包含了以下三方面的意思：1、信号的频谱被展宽了传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。

为了充分利用频率资源，通常都是尽量采用带宽与信息带宽大体相当的信号来传输信息。在无线电通信中，假设射频信号的带宽与所传信息的带宽是相比较的，这类通信属于窄带通信。如电视播送射频信号带宽也只是其视频信号带宽的一倍多，扩展频谱通信信号带宽与信息带宽之比那么高达100---1000，它属于宽带通信。问题：为什么要用这样宽的频带的信号来传输信息呢?这样岂不太浪费珍贵的频率资源了吗?我们用信息带宽的100倍，甚至1000倍以上的宽带信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠平安地通信。这就是扩展频谱通信的根本思想和理论依据。2、采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱由信号理论可知：在时间上有限的信号，其频谱是无限的。时域很窄的脉冲信号，其频谱那么很宽。因此信号的频带宽度与其持续时间近似成反比。

在直接序列扩频系统中，这种由很窄脉冲组成的码序列，其码速率是很高的，称为扩频码序列。用信息去调制扩频码序列从而获得扩频信号。注意的是采用何种扩频码序列与所传信息数据是无关的。也就是说它与一般的正弦载波信号一样，丝毫不影响信息传输的透明性。扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用

3、在接收端用相关解调来解扩

在一般的窄带通信中，已调信号在接收端都要通过解调来恢复所传的信息。在扩频通信中，接收端那么用与发送端相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解调，来恢复所传的信息。相关解调起到解扩的作用。即把扩展以后的信号又恢复成原来所传的信息。这种在发端把窄带信息扩展成宽带信号，而在收端又将其解扩成窄带信息的处理过程，会带来一系列好处。弄清楚扩频和解扩处理过程的机制，是理解扩频通信本质的关键所在。扩频通信是对待传送的信息数据进行伪随机编码(扩频序列：SpreadSequence)调制，实现频谱扩展后再传输；接收端那么采用相同的伪码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。4、扩频通信方式与窄道通信方式的区别：信息的频谱扩展后，形成宽带传输；在接收端经相关处理后，恢复成窄带信息数据。1.3扩展频谱通信方式的分类最常用的扩展频谱通信方式有直接序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum简称DS-SS)、跳频(FrequencyHoppingSpreadSpectrum简称FH-SS)、跳时(TimeHoppingSpreadSpectrum简称TH-SS)和线性调频。下列图就是一个DS-SS系统的框图书上图1-5就是一个FH-SS系统的框图书上图1-4就是DS-SS系统和FH-SS系统的扩频信号的功率谱示意图2.2扩频通信的理论根底

长期以来，人们总是想方法使信号占用的频带尽量的窄，以充分利用十分珍贵的频谱资源。扩频中为什么要用宽带信号来传送信息呢?答案就是主要为了通信的平安性和可靠性扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的根本公式中引伸而来的。信息论中关于信息容量的仙农(Shannon)公式为：

式中：C---信道容量(用传输速率度量)W---信号频带宽度

S---信号功率

N---白噪声功率

S／N称为信噪比。

当S/N很小时〔≤0.1〕得到：上式说明，在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比S／N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S／N(P／N)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特点，它为扩频通信的应用奠定了根底。2、扩频通信可行性的另一理论根底，为柯捷尔尼可夫关于信息传输过失概率的公式：

式中：

Pe---过失概率

E---信号能量

N。---噪声功率谱密度

信号功率P＝E／T(T为信息持续时间)

噪声功率N＝BRN0(BR为信号频带宽度)

信息带宽BI＝l／T

那么式可化为：

在扩频通信系统中．接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后带宽为BI的信息，而排除掉宽频带BR中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。因此，BR与BI的比值反映了扩频通信系统信噪比改善的程度3、香农定理指出：在高斯噪声干扰的条件下，在有限平均功率的信道上，实现有效和可靠通信的最正确信号是具有白噪声统计特性的信号。

高斯白噪声的功率谱其自相关函数为：它有锋利的自相关特性。j=0,1,2,3…p-1白噪声的产生、加工和复制较困难。研究人员找到了一些易于产生、加工和复制的伪随机序列其统计特性逼近高斯白噪声统计特性。如：某种伪随机序列的周期为p，且码元取{1，-1}其码元x的归一化自相关函数为j=0,1,2,3…p-1伪随机序列的码长伪随机序列具有类似白噪声统计特性,它逼近高斯信道的最正确信号形式,所以用伪随机序列扩展基带信号的频谱的扩频通信系统优于其他通信体制。4、扩频通信的根本特点，是传输信号所占用的频带宽度(BR)远大于原始信息本身实际所需的最小(有效)带宽(BI)。其比值称为处理增益Gp:众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，如话音为1.7---3.4kHz，电视图像那么宽到数兆赫。为了充分利用有限的频率资源，增加通信路数目所采用的方法有：选择不同调制方式；采用宽频信道(同轴电缆、微波和光纤等);压缩频带，同时力求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽。因现今使用的、播送系统中，无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式，Gp值一般都在十多倍范围内，统称为“窄带通信”。而扩频通信的Gp值，高达数百、上千，称为“宽带通信”。对于带宽为BI的信息而言，用Gp值较大的宽带信号来传输，可以提高通信的抗干扰能力，保证在强干扰的条件下，通信平安可靠。说明信噪比和带宽是可以互换的。

总之，我们用信息带宽的100倍，甚至1000倍以上的宽带信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠平安地通信。这就是扩展频谱通信的根本思想和理论依据。第3节扩频抗干扰能力分析1、伪随机码的自相关函数与功率谱 伪随机码波形：二进制、等概率出现的，设每个码元的宽度为TC，幅度为A其波形如书P13图1-7。其自相关函数为：它的功率谱密度函数为：2、干扰的种类:广义平稳的宽带干扰；单频正弦干扰；多频正弦干扰；局部频带干扰；多径干扰。在多径环境下由于伪随机码锋利的自相关特性,当多径时延小于一个码片时，反射信号与有用信号叠加，产生起伏衰落，其起伏大小由时延与码片持续时间之比决定。〔1〕DS-SS，多径时延小于一个码片时反射信号与有用信号直接叠加，视为信号的一局部；多径时延超过一个码片时，不相关，无影响。〔2〕码片持续时间短，码长长，频谱宽，多径分量不可能同相到达，多径干扰被削弱。DS-SS系统对干扰的抑制4.1扩频通信的主要性能指标

处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。

1、DS-SS系统的扩频处理增益GP(SpreadingGain)

定义为频谱扩展前的信息带宽BI与频谱扩展后的信号带宽BR之比：

目前国外DS-SS系统工程上可实现处理增益达70dB2、FH-SS系统：扩频处理增益GFHGFH=N〔N系统使用的跳频频率数〕目前对FH-SS系统，工程上GFH一般限制在40～50dB，跳频频率数10，000～100，0003、抗干扰容限:反映了扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为：

Mj=GP－[(S/N)out+Ls]其中：Mj---抗干扰容;GP---处理增益;

(S／N)out---信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比;Ls---接收系统的工作损耗例如：一个扩频系统的处理增益为35dB．要求误码率小于l0－5的信息数据解调的最小的输出信噪比(S/N)out=10dB，系统损耗Ls＝3dB，那么干扰容限Mj＝35－(10+3)＝22dB(158.5倍)

4.2扩频系统的主要优点扩展技术是一种优异的抗干扰技术

其主要优点是：易于重复使用频率，提高了无线频率利用率；抗干扰性能好，误码率低；具有极强的抗人为宽带