擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的分類

1、擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的分類擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是在發(fā)信機(jī)部分如何產(chǎn)生寬帶的擴(kuò)頻信號，在收信機(jī)部分如何解調(diào)擴(kuò)頻信號。根據(jù)通信系統(tǒng)產(chǎn)生擴(kuò)頻信號的方式，可以分為下列幾 種。1直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)(Direct Sequece Spread Spectrum Communication Systems, DS-SS ),通常簡稱為直接序列系統(tǒng)或直擴(kuò)系統(tǒng)，是用待傳輸?shù)男畔?信號與高速率的偽隨機(jī)碼波形相乘后， 去直接控制射頻信號的某個(gè)參量，來擴(kuò)展傳輸信號的帶寬。用于頻譜擴(kuò)展的偽隨機(jī)序列稱為擴(kuò)頻碼序列。直接序列擴(kuò)展頻 譜通信系統(tǒng)的簡化方框圖參見圖1-5。在直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，通常對載波進(jìn)行

2、相移鍵控(Phase ShiftKeying , PSK)調(diào)制。為了節(jié)約發(fā)射功率和提高發(fā)射機(jī)的工作效率，擴(kuò)頻通信系 統(tǒng)常采用平衡調(diào)制器。抑制載波的平衡調(diào)制對提高擴(kuò)頻信號的抗偵破能力也有 利。在發(fā)信機(jī)端，待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號與偽隨機(jī)碼(擴(kuò)頻碼)波形相乘(或與偽隨機(jī)碼 序列模2加)，形成的復(fù)合碼對載波進(jìn)行調(diào)制，然后由天線發(fā)射出去。在收信機(jī) 端，要產(chǎn)生一個(gè)和發(fā)信機(jī)中的偽隨機(jī)碼同步的本地參考偽隨機(jī)碼，對接收信號進(jìn)行相關(guān)處理，這一相關(guān)處理過程通常常稱為解擴(kuò)。解擴(kuò)后的信號送到解調(diào)器解調(diào)， 恢復(fù)出傳送的信息。數(shù)據(jù)精品資料圖1-5直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)簡化圖(a)發(fā)射系統(tǒng)；(b)接收系統(tǒng)2跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)跳頻擴(kuò)頻通

3、信系統(tǒng)是頻率跳變擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)( Frequecy Hopping Spread Spectrum Communication Systems , FH-SS )的簡稱，或更簡單地稱為 跳頻通信系統(tǒng)，確切地說應(yīng)叫做“多頻、選碼和頻移鍵控通信系統(tǒng)”。它是用二 進(jìn)制偽隨機(jī)碼序列去離散地控制射頻載波振蕩器的輸出頻率， 使發(fā)射信號的頻率 隨偽隨機(jī)碼的變化而跳變。跳頻系統(tǒng)可供隨機(jī)選取的頻率數(shù)通常是幾千到220個(gè)離散頻率，在如此多的離散頻率中， 每次輸出哪一個(gè)是由偽隨機(jī)碼決定的。 頻率 跳變擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)的簡化方框圖參見圖 1-6。(a)數(shù)據(jù)(b)圖1-6頻率跳變擴(kuò)頻通信系統(tǒng)簡化方框圖(a)發(fā)射系統(tǒng)；

4、(b)接收系統(tǒng)頻率跳變擴(kuò)頻通信系統(tǒng)與常規(guī)通信系統(tǒng)相比較，最大的差別在于發(fā)射機(jī)的載波發(fā)生器和接收機(jī)中的本地振蕩器。在常規(guī)通信系統(tǒng)中這二者輸出信號的頻率是 固定不變的，然而在跳頻通信系統(tǒng)中這二者輸出信號的頻率是跳變的。在跳頻通信系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)的載波發(fā)生器和接收機(jī)中的本地振蕩器主要由偽隨機(jī)碼發(fā)生器 和頻率合成器兩部分組成。快速響應(yīng)的頻率合成器是跳頻通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。跳頻通信系統(tǒng)發(fā)信機(jī)的發(fā)射頻率，在一個(gè)預(yù)定的頻率集內(nèi)由偽隨機(jī)碼序列控 制頻率合成器（偽）隨機(jī)的由一個(gè)跳到另一個(gè)。收信機(jī)中的頻率合成器也按照相同 的順序跳變，產(chǎn)生一個(gè)和接收信號頻率只差一個(gè)中頻頻率的參考本振信號，經(jīng)混頻后得到一個(gè)頻率固定的中頻

5、信號，這一過程稱為對跳頻信號的解跳。解跳后的 中頻信號經(jīng)放大后送到解調(diào)器解調(diào)，恢復(fù)出傳輸?shù)男畔?。在跳頻通信系統(tǒng)中，控制頻率跳變的指令碼（偽隨機(jī)碼）的速率，沒有直接序 列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的偽隨機(jī)碼速率高，一般為幾十b/s-幾 kb/s。由于跳頻系統(tǒng)中輸出頻率的改變速率就是擴(kuò)頻偽隨機(jī)碼的速率， 所以擴(kuò)頻偽隨機(jī)碼的速率也稱 為跳頻速率。根據(jù)跳頻速率的不同，可以將跳頻系統(tǒng)分為頻率慢跳變系統(tǒng)和頻率 快跳變系統(tǒng)兩種。假設(shè)數(shù)據(jù)調(diào)制采用二進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制，Tb是一個(gè)信息碼元比特寬度，每 秒數(shù)據(jù)調(diào)制器輸出兩個(gè)頻率中的一個(gè)。每隔二秒系統(tǒng)輸出信號的射頻頻率跳變到 一個(gè)新的頻率上。若兀，這樣的頻率跳變系統(tǒng)稱為頻率慢跳變

6、系統(tǒng)?，F(xiàn)舉 例說明頻率慢跳變系統(tǒng)的工作過程，參見圖 1-7。f8f7f3f2時(shí)間f6 率 頻 J1. -1 口一二，一1 Ip T 1、4 T M1二十 =二-1口iJ|L -|- -iijJ1Ii-i-!-1111i1n1i1H1111111II1111二L.王-1.L. ci-1-. 1 -上-J 1二 IL 1 11 1!-1 1111r-11_ L - 1 n-1_L-H1 1- d-f- -41-4-i- r一 1v -1U.圖1-7頻率慢跳變系統(tǒng)頻率跳變示意圖卜ff16fl5 - fu f13- f12-fll - fl0-率f9 頻fs-f7 f6I一一一t -Ii.1w * =

7、三*一廠1r-r i1i iI1ii*11 ii1011 ;1|lIl)w|i|j1i1B11:11| 111 t1，11 .p11H-I*!11-FH1 1 VIl1r t -1I11)I；It -i.曲1ii一? 一 t-4-w1 i1-.口iii i .11|11 J. |1! |l|!1一_ _植晶瓷 |i|-1iL J_ 11-|iL -，L.11Tl1F1 | 1-111 一：一1,i曲L 1 111.L 一. 一T十I1Ii11r3 .1i1.111一 一I 一1111111圖1-8頻率快跳變系統(tǒng)頻率跳變示意圖圖1-7中，Bb =2/，工=3，Brf =8Bb。數(shù)據(jù)調(diào)制器根據(jù)二進(jìn)

8、制數(shù)據(jù)信 號選擇兩個(gè)頻率中的一個(gè)，即每隔Tb秒數(shù)據(jù)調(diào)制器從兩個(gè)頻率中選擇一個(gè)。頻率 合成器有8個(gè)頻率fl,f6,f7, f3,f8,f2,f4,f5可供跳變，每傳送3個(gè)比特后跳變到一個(gè)新的頻率。該頻率跳變信號在收信機(jī)中同本地參考振蕩信號進(jìn) 行下變頻，參考本振頻率的集合為 fl + flF , f6+flF , f7+flF , f3+flF , fg十flF , f2+7, f4+fiF, f5 +%,下變頻后的中頻信號集中在頻率為 7、寬度為Bb 的頻帶中。在頻率慢跳變系統(tǒng)中，頻率的跳變速度比數(shù)據(jù)調(diào)制器輸出符號的變化速度 慢。若在每個(gè)數(shù)據(jù)符號中，射頻輸出信號的頻率跳變多次，這樣的頻率跳變系統(tǒng)

9、 就叫做頻率快跳變系統(tǒng)。圖1-8給出了頻率快跳變系統(tǒng)輸出射頻信號的頻率。在圖1-8中,Tc =Tb/3,頻率合成器有16個(gè)頻率f5,如，f7, , fi4, %2, f8,f1,f2,f4,f9,f3,f6,f13,f10,f16,f15,Bb= 2/Tb ,BRF = 16 Bb 03跳時(shí)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)時(shí)間跳變也是一種擴(kuò)展頻譜技術(shù)，跳時(shí)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)( Time Hopping Spread Spectrum Communication Systems , TH-SS )是時(shí)間跳變擴(kuò)展頻譜通信 系統(tǒng)的簡稱，主要用于時(shí)分多址(TDMA)通信中。與跳頻系統(tǒng)相似，跳時(shí)是使發(fā) 射信號在時(shí)間軸上離散地跳變

10、。我們先把時(shí)間軸分成許多時(shí)隙，這些時(shí)隙在跳時(shí) 擴(kuò)頻通信中通常稱為時(shí)片，若干時(shí)片組成一跳時(shí)時(shí)間幀。在一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)隙發(fā)射 信號由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制。因此，可以把跳時(shí)理解為：用一偽隨機(jī)碼序列進(jìn) 行選擇的多時(shí)隙的時(shí)移鍵控。由于采用了窄得很多的時(shí)隙去發(fā)送信號，相對說來, 信號的頻譜也就展寬了。圖l-9是跳時(shí)系統(tǒng)的原理方框圖。(a)(b)圖1-9時(shí)間跳變擴(kuò)頻通信系統(tǒng)簡化方框圖 (a)發(fā)射系統(tǒng)；(b)接收系統(tǒng)在發(fā)送端，輸入的數(shù)據(jù)先存儲起來，由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去控 制通-斷開關(guān)，經(jīng)二相或四相調(diào)制后再經(jīng)射頻調(diào)制后發(fā)射。在接收端，當(dāng)接收機(jī) 的偽碼發(fā)生器與發(fā)端同步時(shí)，所需信號就能每次按時(shí)通過開關(guān)進(jìn)入解

11、調(diào)器。解調(diào) 后的數(shù)據(jù)也經(jīng)過一緩沖存儲器，以便恢復(fù)原來的傳輸速率，不間斷地傳輸數(shù)據(jù)， 提供給用戶均勻的數(shù)據(jù)流。只要收發(fā)兩端在時(shí)間上嚴(yán)格同步進(jìn)行，就能正確地恢 復(fù)原始數(shù)據(jù)。跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)也可以看成是一種時(shí)分系統(tǒng)， 所不同的地方在于它不是在一幀 中固定分配一定位置的時(shí)隙，而是由擴(kuò)頻碼序列控制的按一定規(guī)律跳變位置的時(shí) 隙。跳時(shí)系統(tǒng)能夠用時(shí)間的合理分配來避開附近發(fā)射機(jī)的強(qiáng)干擾，是一種理想的多址技術(shù)。但當(dāng)同一信道中有許多跳時(shí)信號工作時(shí)， 某一時(shí)隙內(nèi)可能有幾個(gè)信號 相互重疊，因此，跳時(shí)系統(tǒng)也和跳頻系統(tǒng)一樣，必須采用糾錯(cuò)編碼，或采用協(xié)調(diào)精品資料方式構(gòu)成時(shí)分多址。由于簡單的跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾性不強(qiáng)，很少單獨(dú)使用

12、時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)通常都與其他方式的擴(kuò)頻系統(tǒng)結(jié)合使用，組成各種混合方式。從抑制干擾的角度來看，跳時(shí)系統(tǒng)得益甚少，其優(yōu)點(diǎn)在于減少了工作時(shí)間的 占空比。一個(gè)干擾發(fā)射機(jī)為取得干擾效果就必須連續(xù)地發(fā)射， 因?yàn)楦蓴_機(jī)不易偵 破跳時(shí)系統(tǒng)所使用的偽碼參數(shù)。跳時(shí)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是對定時(shí)要求太嚴(yán)。4線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)(Chirp)是指系統(tǒng)的載頻在一給定的脈沖時(shí)間問隔內(nèi)線 性地掃過一個(gè)寬帶范圍，形成一帶寬較寬的掃頻信號，或者說載頻在一給定的時(shí) 問間隔內(nèi)線性增大或減小，使得發(fā)射信號的頻譜占據(jù)一個(gè)寬的范圍。在語音頻段， 線性調(diào)頻聽起來類似于鳥的“啾啾”叫聲，所以線性脈沖調(diào)頻也稱為鳥聲調(diào)制。線性脈沖調(diào)頻是一種不需要

13、用偽隨機(jī)碼序列調(diào)制的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，由于線性脈沖調(diào)頻信號占用的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息帶寬，從而也可獲得較好的抗干擾性能。線性脈沖調(diào)頻，是作為雷達(dá)測距的一種工作方式使用的，具基本原理如圖 1-10所示。線性脈沖調(diào)頻信號的產(chǎn)生，可由一個(gè)鋸齒波信號調(diào)制壓控振蕩器(VCO) 來實(shí)現(xiàn)，如圖1-10(a)所示。發(fā)射波是一個(gè)頻偏為AF的寬帶調(diào)頻波，通常是線性調(diào)頻。線性調(diào)頻信號的特點(diǎn)是，發(fā)射脈沖信號的瞬時(shí)頻率在信息脈沖持續(xù)周期Tb內(nèi)隨時(shí)間作線性變化，在脈沖起始和終止時(shí)刻的頻差F =|f1 - f2| 定 Bc(1-12)式中：f1 脈沖起始時(shí)刻的頻率，Hz ;f2脈沖終止時(shí)刻的頻率，Hz ;F 瞬時(shí)頻率變化范圍，

14、Hz;Bc 線性調(diào)制后的帶寬，Hz。(a)匹配濾波器圖1-10線性脈沖調(diào)頻原理圖(a)發(fā)射端；(b)接收端在脈沖持續(xù)時(shí)間Tb內(nèi)，信號的瞬時(shí)頻率為FTTf = fo t (-小心)(1-13)Tb22線性脈沖調(diào)頻波的時(shí)域表達(dá)式為(世F 2 一)TTs(t) = Acos 2 fot +Ft2+% (-t )(1-14)Tb222線性脈沖調(diào)頻信號的接收解調(diào)可用匹配濾波器來實(shí)現(xiàn)，參見圖1-10(b)o它是由色散延遲線構(gòu)成的。這種延遲線對信號的高頻成分延遲時(shí)間長，對低頻成分 延遲時(shí)間短，于是頻率由高到低的載頻信號通過匹配濾波器后，各頻率成分幾乎同時(shí)輸出。這些信號成分疊加在一起，形成了脈沖時(shí)間的壓縮，使

15、輸出信號幅度 增加，能量集中，將有用信號檢出。而與濾波器不匹配的信號在時(shí)間上沒有壓縮， 甚至反被擴(kuò)展。這就完成了和直接序列擴(kuò)頻及跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)類似的過程，從而獲得輸出信噪比改善的好處。色散延遲線或調(diào)頻脈沖匹配濾波器壓縮掃頻信號，通常是線性壓縮。壓縮比為 D=AFTb =Tb/T0線性脈沖調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)和通信的關(guān)系不大，本書不作討論。5混合擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)以上幾種基本的擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，單獨(dú)使用其中一種系統(tǒng)時(shí)有 時(shí)難以滿足要求，將以上幾種擴(kuò)頻方法結(jié)合起來就構(gòu)成了混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。常見的有頻率跳變-直接序列混合系統(tǒng)(FH/DS),直接序列-時(shí)間跳變混合系統(tǒng) (DS/TH),頻率跳變-時(shí)間跳變

16、混合系統(tǒng)(HF/TH)等。它們比單一的直接序列、跳 頻、跳時(shí)體制有更優(yōu)良的性能。(1)頻率跳變-直接序列混合系統(tǒng)頻率跳變-直接序列混合系統(tǒng)可看作是一個(gè)載波頻率作周期性跳變的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)，具系統(tǒng)組成方框圖見圖1-11(a)混頻器本地振蕩器混頻器一*調(diào)制器中頻濾波器 數(shù)據(jù) 解調(diào)器f頻率合成器直擴(kuò)碼發(fā)生器(b)指令I(lǐng) 譯碼器I跳頻碼 發(fā)生器時(shí)鐘源圖1-11頻率跳變-直接序列混合擴(kuò)頻系統(tǒng)方框圖(a)發(fā)射系統(tǒng)；(b)接收系統(tǒng)采用這種混合方式能夠大大提高擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能，并且有通信隱蔽性好、抗 干擾能力強(qiáng)、頻率跳變系統(tǒng)的載波頻率難于捕捉，便于適應(yīng)于多址通信或離散尋 址和多路復(fù)用等特點(diǎn)，尤其在要求擴(kuò)頻碼速

17、率過高或跳頻數(shù)目過多時(shí)，采用這種混合系統(tǒng)特別有利。(2)時(shí)間跳變-頻率跳變混合系統(tǒng)時(shí)間跳變-頻率跳變混合系統(tǒng)特別適用于大量電臺同時(shí)工作，具距離或發(fā) 射功率在很大范圍內(nèi)變化，需要解決通信中遠(yuǎn)近效應(yīng)問題的場合。遠(yuǎn)近效應(yīng)是指在同一工作區(qū)域內(nèi)，同一系統(tǒng)中由于接收機(jī)對于不同發(fā)射機(jī)， 電波傳播的距離有遠(yuǎn)近之分，形成電波傳播路徑的衰減不同，近距離發(fā)射機(jī)發(fā)送 來的信號場強(qiáng)要遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)距離發(fā)射機(jī)發(fā)送來的信號場強(qiáng)。在接收機(jī)中強(qiáng)信號將對弱信號產(chǎn)生抑制作用，造成接收機(jī)不能很好地接收遠(yuǎn)距離發(fā)射機(jī)發(fā)送來的信號。這種系統(tǒng)希望利用簡單的編碼作地址碼， 主要用于多址和尋址，而擴(kuò)展頻譜 不是主要目的。(3)時(shí)間跳變-直接序列混合系

18、統(tǒng)當(dāng)直接序列系統(tǒng)中使用不同擴(kuò)頻碼序列的數(shù)目不能滿足多址或復(fù)用要求時(shí)， 增加時(shí)分復(fù)用(TDM)是一種有效的解決辦法。這既可以增加地址數(shù)，又可改善鄰 臺干擾，組成所謂的時(shí)間跳變-直接序列混合擴(kuò)頻系統(tǒng)。時(shí)間跳變-直接序列混合擴(kuò)頻系統(tǒng)方框圖見圖1-12(a)(b)圖1-12時(shí)間跳變-直接序列混合擴(kuò)頻系統(tǒng)方框圖(a)發(fā)射系統(tǒng)；(b)接收系統(tǒng)從上面的介紹中，我們可以看出，除在通信中很少使用的線性脈沖調(diào)頻方式 外，其余幾種擴(kuò)頻方式可以任意組合來組成混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。從理論角度講， 這是毫無疑義的，但在工程實(shí)現(xiàn)上還是存在某些需要解決的問題，如在頻率跳變-直接序列混合擴(kuò)頻系統(tǒng)中，由于直接序列系統(tǒng)中擴(kuò)頻碼的同步捕獲時(shí)間不可能 太短，這就限制了頻率跳變系統(tǒng)的頻率跳變速率，而在頻率跳變系統(tǒng)中很難保證 跳變載波相位的連續(xù)性，這進(jìn)一步增加了直接序列系統(tǒng)擴(kuò)頻碼序列的同步捕獲時(shí) 間。又比如由時(shí)間跳變系統(tǒng)組成的混合擴(kuò)頻系統(tǒng)的高頻開關(guān)問題，在圖1-9中我們并沒有畫出發(fā)射機(jī)的功率放大器， 若把高頻開關(guān)放置在功率放大器的后面， 存 在是否