《扩频通信技术及应用》课件第1章

第1章扩频通信技术原理

1.1扩频通信的发展历程1.2扩频通信的基本概念和理论基础1.3扩频的基本原理和扩频方式1.4扩频通信的系统参数和特点

1.1扩频通信的发展历程

扩频通信技术是一种非常重要的抗干扰通信技术。它最初是在军事抗干扰通信中发展起来的，目前在民用移动通信中也得到了广泛的应用，处于繁荣阶段。它与光纤通信、卫星通信一同被称为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。早在20世纪20年代中期诞生的RADAR（RadioDetectionandRanging）系统，利用回波证明了电离层的存在，其发射频谱宽度大于回波频谱宽度，具备了扩频通信系统的基本特征。30年代，德国工程师PaulKotowski和KurtDannehl申请的专利中设计的伪装语音设备已具有了扩频通信的一些基本要素。

1948年前后，香农（C.E.Shannon）著名的《通信中的数学理论》等论文的发表，奠定了信息论的基础，并且这些理论也成为扩频技术的理论依据。1949年，Derosa和Rogoff完成了世界上第一个直接序列扩频系统。随后在1950年，美国麻省理工学院在此基础上成功研制出NOMAC（NoiseModulationandCorrelation）系统，这是一个成熟的扩频通信系统。而在1941年，HedyK.Markey和GeorgeAntheil提出了

世界上第一个跳频技术专利，但直到1963年，美国海军Sylvania的BLADES(BuffaloLaboratoriesApplicationofDigitallyExactSpectra)系统才成为世界上第一个研制成功的跳频通信系统。进入20世纪60年代以后，随着科学技术的迅速发展，特别是在晶体管、集成电路和各种信号处理器问世后，扩频技术才有了重大的突破和发展，使扩频系统得到了广泛的应用。在军事通信领域出现了全球定位（GPS）系统、通信数据转发卫星系统（TDESS）、SINCGARS系统及JTIDS系统等。

1985年5月美国联邦通信委员会（FCC）制定了民用公共安全、工业、科学与医疗和业余无线电采用扩频通信的标准和规范，从此扩频技术获得了更加广泛的应用。1995年美国Qualcomm公司推出了IS95CDMA系统，首次将直扩技术用于民用的蜂窝移动通信中，获得了巨大的成功。

2000年，国际电信联盟（ITU）接纳扩频技术的CDMA为第三代移动通信的三大主流标准的核心技术，表明扩频技术已经处于其发展的鼎盛时期。目前除了应用于军事安全保密通信外，扩频技术正广泛应用于卫星通信、第三代和未来的第四代移动通信、定位、无线局域网、蓝牙及最新的超宽带（UWB）系统中，显示出其强大的生命力。

1.2扩频通信的基本概念和理论基础

1.2.1扩频通信的含义

扩频通信技术是一种信息传输方式，在发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息需要的带宽；在收端采用相同的扩频码进行相关处理后再进行解调，以恢复所传信息数据。这一定义其实包含了以下三方面含义：（1）信号的频谱被展宽了。众所周知，传输任何信息都需要一定的频带，称为信息带宽或基带信号频带宽度。例如，人类语音的信息带宽为300～3400Hz，电视图像的信息带宽为6MHz。在常规通信系统中，为了提高频率利用率，通常都尽量采用带宽大体相当的信号来传输信息，亦即在无线电通信中射频信号的带宽与所传信息的带宽是相

比拟的，即一般属于同一个数量级。如用调幅(AM)信号来传送语言信息，其带宽为语言信息带宽的两倍，用单边带(SSB)信号来传输，其信号带宽更小，即使是调频(FM)或脉冲编码调制(PCM)信号，其带宽也只是信息带宽的几倍。扩频通信的信号带宽与信息带宽之比则高达100～1000，属于宽带通信，为什么要用频带这么宽的信号来传输信息呢?这样岂不是太浪费宝贵的频率资源吗?后文将用信息论和抗干扰理论来回答这个问题。（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。脉冲信号宽度越窄，其频谱就越宽。作为工程估算，信号的频带宽度与其脉冲宽度近似成反比。例如，1μs脉冲的带宽约为1MHz。因此，如果很窄的脉冲码序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信号，这种很窄的脉冲码序列(其码速率是很高的)即可作为扩频码序列。其他的扩频系统(如跳频系统)也都是采用扩频码调制的方式来实现信号频谱扩展的。需要说明的是，所采用的扩频码序列与所传的信息数据是无关的，也就是说，它与一般的正弦载波信号是相类似的，丝毫不影响信息传输的透明性，仅仅起扩展信号频谱的作用。（3）在接收端用相关处理来解扩。正如在一般的窄带通信中，已调信号在接收端都要进行解调来恢复发端所传的信息一样，在扩频通信中接收端则用与发端完全相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解扩，然后通过解调电路恢复出数据。1.2.2扩频的理论基础

香农在其信息论中得出了带宽与信噪比互换的关系式，即香农公式：

C=Blb(1+)(1-1)式中，

C为信道容量，单位为b/s；B为信号频带宽度，单位为Hz；S为信号平均功率，单位为W；N为噪声平均功率，单位为W。香农公式指出，在给定信号平均功率S和白噪声平均功率N的情况下，只要采用某种编码系统，就能以任意小的差错概率，以接近于C的传输速率来传送信息。这个公式还暗示，在保持信息传输速率C不变的条件下，可以用不同频带宽度B和信噪功率比(简称信噪比)来传输信息。换言之，频带B和信噪比是可以互换的。也就是说，如果增加信号频带宽度，就可以在较低信噪比的条件下以任意小的差错概率来传输信息。甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应地增加信号带宽，也能进行可靠的通信。由此可见，扩频通信系统具有较强的抗噪声干扰的能力。需要指出的是，当B增加到一定程度后，信道容量C不可能无限地增加。由式(1-1)可知，信道容量C与信号带宽成正比，增加B，势必会增加C，但当B增加到一定程度后，C增加缓慢。由于N＝n0B，因而随着B的增加，N也要增加，从而使信噪比S/N下降，影响到C的增加。考虑极限情况，令B→∞，我们来看C的极限值：(1-2)考虑到极限(1-3)则可得(1-4)由此可见，在信号功率S和噪声功率谱密度n0一定时，信道容量C是有限的。由上面的结论，可以推导出信息速率R达到极限信息速率，即R＝Rmax=C，且带宽B→∞时，信道要求的最小信噪比Eb/n0的值。Eb为码元能量，S=EbRmax，由式(1-4)知可得(1-5)由此可得信道要求的最小信噪比为用扩展频谱的方法换取通信系统接收机输入端对C/N(载噪比)或S/N(信噪比)的要求，这对通信设备小型化、低功率化、减少通信环境电磁干扰来说是十分重要的。以移动通信系统为例，很能说明问题。第一代蜂窝移动通信系统采用话音调频(FM)；接收机输入端要求(C/N)

≥18dB；第二代数字蜂窝移动通信系统的GSM系统采用TDMA、GMSK数字话音调制，接收机输入端信干比要求(S/I)≥9dB就可以；采用扩频技术的CDMA系统接收机输入端在Eb/n0取4.5dB时，相当于载干比(C/I)=－15dB。

1.3扩频的基本原理和扩频方式

1.3.1扩频的基本原理

图1-1(a)为一周期性脉冲序列g(t)的波形及其频谱函数A(f)。图中E为脉冲的幅度，τ0为脉冲宽度，T0为脉冲的

重复周期，并设T0=5τ0。根据傅氏变换，其频谱分布为一系列离散谱线，由基波频率f0及2f0、3f0、…高次谐波所组成。随着谐波频率的升高，幅度逐渐减小。对于棱角分明的波形，在理论上包含有无限多的频谱成分。简单来说，时间有限的波形，在频谱上是无限的。反之，频谱有限的信号，在时间上也是无限的。但一般来说，信号的能量主要集中在频谱的主瓣内，即频率从0到A(f)的第一个零点的频变为止的宽度内。这个宽度常称为信号的频带宽度，记作B(或Bf0)。如图1-1(a)所示的频带宽度Bf0为(1-6)信号的频谱间隔取决于脉冲序列的重复周期，即f0＝1/T0。如图1-1(a)所示的5条谱线f0、2f0、3f0、4f0和5f0，

相邻的谱线间隔均为f0。图1-1(b)中，脉冲宽度仍为τ0，但脉冲周期为2T0=10τ0，即与图1-1(a)相比较，其脉冲宽度τ0不变，而脉冲周期增加一倍。因此其频带宽度不变(频带宽度取决于脉冲宽度)，即仍为1/τ0，而基波频率减半，即为f0/2，各个谱线的频率分别为f0/2，f0，(3/2)f0，…，5f0共10个。由此可知，脉冲重复周期增加一倍，基频降低一半，谱线间隔也减小一半，谱线密度增加一倍。图1-1(c)中，脉冲宽度τ1缩窄一半，即τ1＝τ0/2，

而脉冲重复周期同图1-1(a)相同，仍为T0。根据上述分析，脉冲信号的谱线间隔取决于脉冲序列的周期，因此图1-1(c)的谱线间隔仍为1/T0=f0，而脉冲信号的谱线带宽取决于脉冲信号宽度，此时带宽为图1-1(a)的两倍，即由图1-1(c)可见，频谱线间隔不变，但信号的频带宽度增加一倍。此外，由图1-1还可以看出，无论是脉冲重复周期的增大还是脉冲宽度的减小，都使频谱函数的幅度降低了。图1-1周期性矩形脉冲序列波形及其频谱(a)脉冲宽度τ0，脉冲周期T0=5τ0;

(b)脉冲宽度τ0，脉冲周期为2T0；(c)脉冲宽度τ0/2，脉冲周期为T0

(1)为了扩展信号的频谱，可以采用窄的脉冲序列调制某一载波。采用的脉冲宽度越窄，扩展的频谱就越宽。如果脉冲的重复周期为脉冲宽度的2倍，即T=2τ，则脉冲宽度缩窄对应于码重复频率的提高，即采用高速率的脉冲序列调制，可获得扩展频谱的目的。直接序列扩展频谱正是应用了这一原理，直接用重复频率很高的窄脉冲序列来展宽信号的频谱。

(2)如果信号的总能量不变，则频谱的展宽势必使各频谱成分的幅度下降，换句话说，使信号的功率谱密度降低。这就是为什么可以用扩频信号进行隐蔽通信，及扩频信号具有低的被截获概率的原因。

(3)在较宽的信息周期内，如果载送信息的符号波形是一个窄脉冲，那么其信号的频谱要比所传信息的带宽要宽，跳时系统利用的正是这个原理。1.3.2主要的扩频方式

扩频通信的一般原理如图1-2所示。在发端输入的信息经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列调制数字信号以展宽信号的频谱。由图1-2可见，扩频通信系统与普通数字通信系统相比较，就是多了扩频调制和解扩部分。图1-2扩频通信原理方框图

1.直接序列(DS)扩频

直接序列(DS，DirectSequence)扩频就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。直接序列扩频的原理如图1-3所示。图1-3直接序列扩展频谱原理图图1-3中输入载波信号的频率为fc，窄脉冲序列的频谱函数为G(f)，它具有很宽的频带，平衡调制器的输出则为两倍脉冲频谱宽度，而fc被抑制的双边带展宽了扩频信号，其频谱函数为fc+G(f)。以后我们将说明，在接收端应用相同的平衡调制器作为解扩器，可将频谱为fc+G(f)的扩频信号，用相同的码序列进行再调制，将其恢复成原始的载波信号fc。关于直接序列扩频系统的组成和工作原理及抗干扰性能等问题，将在第3章作较为详细的介绍。

2.跳频(FH)

跳频(FH，FrequencyHopping)也是一种扩频方式。所谓跳频，比较确切的意思是，用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。简单的频移键控如2FSK，只有两个频率，分别代表传号和空号。而跳频系统则有几个、几十个、甚至上千个频率，由所传信息与扩频码的组合进行选择控制，不断跳变。图1-4(a)为跳频的原理方框图。发端信息码序列与扩频码序列组合以后按照不同的码字控制频率合成器。其输出频率根据码字的改变而改变，形成了频率的跳变，故称跳频。从图1-4(b)中可以看出，在频域上输出频谱在一宽频带内所选择的某些频率随机地跳变。在收端，为了解调跳频信号，需要有与发端完全相同的本地扩频码发生器去控制本地频率合成器，使其输出的跳频信号能在混频器中与接收信号差频出固定的中频信号，然后经中频带通滤波器及信息解调器输出恢复的信息。从上述作用原理可以看出，跳频系统也占用了比信息带宽要宽得多的频带。图1-4跳频(FS)系统(a)原理方框图；(b)频率跳变图例

3.跳时(TH)

图1-5是跳时系统的原理框图和图例。在发端，输入的数据先存储起来，由扩频码发生器产生的扩频码序列控制通—断开关，经二相或四相调制后再经射频调制后发射。在收端，由射频接收机输出的中频信号经本地产生的与发端相同的扩频码序列控制通—断开关，再经二相或四相解调器，送到数据存储器并再定时后输出数据。只要收发两端在时间上严格同步进行，就能正确地恢复原始数据。跳时也可以看成是一种时分系统；不同之处在于它不是在一帧中固定分配一定位置的时片，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的时片。跳时系统的处理增益等于一帧中所分的时片数。由于简单的跳时抗干扰性不强，因而很少单独使用。跳时通常都与其他方式结合使用，组成各种混合方式。图1-5跳时系统(a)原理方框图；(b)跳时图例

4.线性调频(Chirp)

图1-6是线性调频的示意图。发端由一锯齿波调制压控振荡器，从而产生线性调频脉冲。它和扫频信号发生器产生的信号一样。在收端，线性调频脉冲由匹配滤波器对其进行压缩，把能量集中在一个很短的时间内输出，从而提高了信噪比，获得了处理增益。匹配滤波器可采用色散延迟线，它是一个存储和累加器件。其作用机理是对不同频率的延迟时间不一样。如果使脉冲前后两端的频率经不同的延迟后一同输出，则匹配滤波器便起到了脉冲压缩和能量集中的作用。匹配滤波器输出信噪比的改善是脉冲宽度与调频频偏乘积的函数。图1-6线性调频的示意图

5.各种混合方式

可将上述几种基本的扩频方式组合起来，构成各种混合方式，例如FH/DS、DS/TH、DS/FH/TH等等。但是，不同方式结合起来的优点是有可能得到只用其中一种方式

得不到的特性。例如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。其信号的频谱如图1-7所示。图1-7DS/FH混合扩频示意图由图可见，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处理增益之和。因此，有时采用DS/FH反而比单独采用DS或FH可获得更宽的频谱扩展和更大的处理增益。甚至有时相对来说，其

技术复杂度比单独用DS来展宽频谱或用FH在更宽的范围内实现频率的跳变还要低些。对于DS/TH方式，它相当于在DS扩频方式中加上时间复用。采用这种方式可以容纳更多的用户。在实现上，DS本身已有严格的收发两端扩频码的同步，加上跳时，只不过增加了一个通—断开关，并不增加太多技术上的复杂度。

对于DS/FH/TH，它把三种扩频方式组合在一起，在技术实现上肯定是很复杂的，但是对于一个有多种功能要求的系统，DS、FH、TH可分别实现各自独特的功能。

1.4扩频通信的系统参数和特点

1.4.1处理增益和干扰容限

处理增益是衡量扩频系统性能的一个重要参数，其定义为接收机相关处理器的输出信噪比与输入信噪比的比

值，即处理增益表示经过扩频接收机处理后，使信号增强的同时抑制落入接收机的干扰信号能力的大小。处理增益GP越大，则系统的抗干扰能力越强。理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰能力大体上都与扩频信号带宽B和信息带宽Bm之比成正比，工程上常以分贝(dB)表示，即(1-7)仅仅知道扩频系统的处理增益，还不能充分说明系统在干扰环境下的工作性能。由于通信系统要正常工作，还需要保证输出端有一定的信噪比(如CDMA蜂窝移动通信系统为7dB)，并需扣除系统内部信噪比的损耗，因此需引入干扰容限