擴(kuò)頻通信的基本原理(共12頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)1.1擴(kuò)頻通信的基本概念通信理論和通信技術(shù)的研究，是圍繞著通信系統(tǒng)的有效性和可靠性這兩個(gè)基本問題展開的，所以有效性和可靠性是設(shè)計(jì)和評價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。通信系統(tǒng)的有效性，是指通信系統(tǒng)傳輸信息效率的高低。這個(gè)問題是討論怎樣以最合理、最經(jīng)濟(jì)的方法傳輸最大數(shù)量的信息。在模擬通信系統(tǒng)中，多路復(fù)用技術(shù)可提高系統(tǒng)的有效性。顯然，信道復(fù)用程度越高，系統(tǒng)傳輸信息的有效性就越好。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，因此傳輸?shù)挠行允怯脗鬏斔俾蕘砗饬康?。通信系統(tǒng)的可靠性，是指通信系統(tǒng)可靠地傳輸信息。由于信息在傳輸過程中受到干擾，收到的信息與發(fā)出的信息并不完

2、全相同?？煽啃跃褪怯脕砗饬渴盏叫畔⑴c發(fā)出信息的符合程度。因此，可靠性決定于系統(tǒng)抵抗干擾的性能，也就是說，通信系統(tǒng)的可靠性決定于通信系統(tǒng)的抗干擾性能。在模擬通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)目煽啃允怯谜麄€(gè)系統(tǒng)的輸出信噪比來衡量的。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)目煽啃允怯眯畔鬏數(shù)牟铄e(cuò)率來描述的。擴(kuò)展頻譜通信由于具有很強(qiáng)的抗干擾能力，首先在軍用通信系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。近年來，擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)的理論和應(yīng)用發(fā)展非常迅速，在民用通信系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用。擴(kuò)頻通信是擴(kuò)展頻譜通信的簡稱。我們知道，頻譜是電信號(hào)的頻域描述。承載各種信息（如語音、圖象、數(shù)據(jù)等）的信號(hào)一般都是以時(shí)域來表示的，即信息信號(hào)可表示為一個(gè)時(shí)間的函數(shù)。信號(hào)的時(shí)

3、域表示式可以用傅立葉變換得到其頻域表示式。頻域和時(shí)域的關(guān)系由式(1-1)確定： (1-1)函數(shù)的傅立葉變換存在的充分條件是滿足狄里赫萊(Dirichlet)條件，或在區(qū)間(-，+)內(nèi)絕對可積，即必須為有限值。擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)是指待傳輸信息信號(hào)的頻譜用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)（與待傳輸?shù)男畔⑿盘?hào)無關(guān)）擴(kuò)展后成為寬頻帶信號(hào)，然后送入信道中傳輸；在接收端再利用相應(yīng)的技術(shù)或手段將其擴(kuò)展了的頻譜壓縮，恢復(fù)為原來待傳輸信息信號(hào)的帶寬，從而到達(dá)傳輸信息目的的通信系統(tǒng)。也就是說在傳輸同樣信息信號(hào)時(shí)所需要的射頻帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被傳輸信息信號(hào)所必需的最小的帶寬。擴(kuò)展頻譜后射頻信號(hào)的帶寬至少是信息信號(hào)帶寬的幾百倍、幾千倍甚

4、至幾萬倍。信息已不再是決定射頻信號(hào)帶寬的一個(gè)重要因素，射頻信號(hào)的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)來決定。由此可見，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)有以下兩個(gè)特點(diǎn)：(1) 傳輸信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被傳輸?shù)脑夹畔⑿盘?hào)的帶寬；(2) 傳輸信號(hào)的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)決定，此擴(kuò)頻函數(shù)通常是偽隨機(jī)（偽噪聲）編碼信號(hào)。以上兩個(gè)特點(diǎn)有時(shí)也稱為判斷擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的準(zhǔn)則。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是其具有很強(qiáng)的抗人為干擾、抗窄帶干擾、抗多徑干擾的能力。這里我們先定性地說明一下擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具有抗干擾能力的理論依據(jù)。擴(kuò)頻通信的基本理論根據(jù)是信息理論中香農(nóng)(C·E·Shannon)的信道容量公式 (1-2)式中：C信道容量，b/s；B信道帶

5、寬，Hz；S信號(hào)功率，W；N噪聲功率，W。香農(nóng)公式表明了一個(gè)信道無差錯(cuò)地傳輸信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于傳輸信息的信道帶寬之間的關(guān)系。令C是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，對(1-2)式進(jìn)行變換 (1-3)對于干擾環(huán)境中的典型情況，當(dāng)時(shí)，用冪級數(shù)展開(1-3)式，并略去高次項(xiàng)得 (1-4)或 (1-5)由式(1-4)和(1-5)可看出，對于任意給定的噪聲信號(hào)功率比，只要增加用于傳輸信息的帶寬B，就可以增加在信道中無差錯(cuò)地傳輸信息的速率C?；蛘哒f在信道中當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信號(hào)噪聲功率比下降時(shí)，可以用增加系統(tǒng)傳輸帶寬B的辦法來保持信道容量C不變?；蛘哒f對于任意給定的信號(hào)噪聲功率比，可以

6、用增大系統(tǒng)的傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯(cuò)率。若(20dB)，則當(dāng)時(shí)，就可以正常的傳送信息，進(jìn)行可靠的通信了。這就說明了增加信道帶寬B，可以在低的信噪比的情況下，信道仍可在相同的容量下傳送信息。甚至在信號(hào)被噪聲淹沒的情況下，只要相應(yīng)的增加信號(hào)帶寬也能保持可靠的通信。如系統(tǒng)工作在干擾噪聲比信號(hào)大100倍的信道上，信息速率RC3kb/s，則信息必須在帶寬下傳輸，才能保證可靠的通信。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)正是利用這一原理，用高速率的擴(kuò)頻碼來擴(kuò)展待傳輸信息信號(hào)帶寬的手段，來達(dá)到提高系統(tǒng)抗干擾能力的目的。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)通信系統(tǒng)的帶寬大幾百倍乃至幾萬倍，所以在相同信息傳輸速率和相同信號(hào)功率的條件下，具有較強(qiáng)

7、的抗干擾的能力。香農(nóng)在其文章中指出，在高斯噪聲的干擾情況下，在受限平均功率的信道上，實(shí)現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號(hào)是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)。這是因?yàn)楦咚拱自肼曅盘?hào)具有理想的自相關(guān)特性，其功率譜密度函數(shù)為 -< f < (1-6)對應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)為 (1-7)其中：t為時(shí)延，定義為 (1-8)白噪聲的自相關(guān)函數(shù)具有函數(shù)的特點(diǎn)，說明它具有尖銳的自相關(guān)特性。但是對于白噪聲信號(hào)的產(chǎn)生、加工和復(fù)制，迄今為止仍存在著許多技術(shù)問題和困難。然而人們已經(jīng)找到了一些易于產(chǎn)生又便于加工和控制的偽噪聲碼序列，它們的統(tǒng)計(jì)特性近似于或逼近于高斯白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性。偽噪聲序列的理論在本書以后的章節(jié)中要專門講述，這

8、里僅簡略引用其統(tǒng)計(jì)特性，借以說明擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)。通常偽噪聲序列是一周期序列。假設(shè)某種偽噪聲序列的周期(長度)為N，且碼元都是二元域上的元素。一個(gè)周期（或稱長度）為N，碼元為的偽噪聲二元序列的歸一化自相關(guān)函是一周期為N的周期函數(shù)，可以表示為 (1-9)其中為偽噪聲二元序列一個(gè)周期內(nèi)的表示式 (1-10)式中，1，2，3，N。當(dāng)偽噪聲序列周期(長度)N取足夠長或N時(shí)，式(1-10)可簡化為 (1-11)比較式(1-7)和式(1-11)，看出它們比較接近，當(dāng)序列周期(長度)足夠長時(shí)，式(1-11)就逼近式(1-7)。（式(1-10)是自相關(guān)函數(shù)歸一化的形式，乘周期N后就是一般表達(dá)式，在一般表達(dá)式

9、中）。所以偽噪聲序列具有和白噪聲相類似的統(tǒng)計(jì)特性，也就是說它很接近于高斯信道要求的最佳信號(hào)形式。因此用偽噪聲碼擴(kuò)展待傳輸信息信號(hào)頻譜的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，優(yōu)于常規(guī)通信系統(tǒng)。哈爾凱維奇(··)早在上世紀(jì)50年代，就已從理論上證明：要克服多徑衰落干擾的影響，信道中傳輸?shù)淖罴研盘?hào)形式應(yīng)該是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)形式。采用偽噪聲碼的擴(kuò)頻函數(shù)很接近白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，因而擴(kuò)頻通信系統(tǒng)又具有抗多徑干擾的能力。下面我們以直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)為例，來研究擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本原理。圖1-1給出了直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的簡化原理方框圖。由信源產(chǎn)生的信息流通過編碼器變換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)中所

10、包含的兩個(gè)符號(hào)的先驗(yàn)概率相同，均為，且兩個(gè)符號(hào)相互獨(dú)立，其波形圖如圖1-2(a)所示，二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)與一個(gè)高速率的二進(jìn)制偽噪聲碼的波形（如圖1-2(b)所示，偽噪聲碼作為系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼序列）相乘，得到如圖1-2(c)所示的復(fù)合信號(hào)，這就擴(kuò)展了傳輸信號(hào)的帶寬。一般偽噪聲碼的速率是Mb/s的量級，有的甚至達(dá)到幾百M(fèi)b/s。而待傳輸?shù)男畔⒘鹘?jīng)編碼器編碼后的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的碼速率較低，如數(shù)字話音信號(hào)一般為16 kb/s 32kb/s，這就擴(kuò)展了傳輸信號(hào)的帶寬。s(t)數(shù)據(jù)源編碼器m序列發(fā)生器發(fā)射機(jī)射頻振蕩器and(t)c(t)cos(2pf0t+j0)中頻濾波器VCOm序列發(fā)生器射頻濾波器R(t)r(t

11、)v(t)至數(shù)據(jù)檢測器2cos2p(f0+fIF+)t+(b)(a)圖1-1 擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)模型(a) 發(fā)射系統(tǒng)；(b) 接收系統(tǒng)頻譜擴(kuò)展后的復(fù)合信號(hào)對載波（為載波頻率）進(jìn)行調(diào)制（直接序列擴(kuò)頻一般采用PSK調(diào)制），然后通過發(fā)射機(jī)和天線送入信道中傳輸。發(fā)射機(jī)輸出的擴(kuò)頻信號(hào)用表示，其示意圖如圖1-2(d)所示。擴(kuò)頻信號(hào)的帶寬取決于偽噪聲碼的碼速率。在PSK調(diào)制的情況下，射頻信號(hào)的帶寬等于偽噪聲碼速率的2倍，即，而幾乎與數(shù)字信號(hào)的碼速率無關(guān)。以上對待傳輸信號(hào)的處理過程就是對信號(hào)的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展的過程。經(jīng)過上述過程的處理，達(dá)到了對擴(kuò)展頻譜的目的。Tb(a) d(t)+1 -1Tb(e) d(t) +1

12、 -1s(t)=Ad(t)c(t)cos2pf0t+j(t)(d) s(t)(b) c(t)+1-1Tc(c) d(t)c(t) +1-1A-A圖1-2 理想擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)波形示意圖在接收端用一個(gè)和發(fā)射端同步的參考偽噪聲碼所調(diào)制的本地參考振蕩信號(hào)（為中頻頻率），與接收到的進(jìn)行相關(guān)處理。相關(guān)處理是將兩個(gè)信號(hào)相乘，然后求其數(shù)學(xué)期望（均值），或求兩個(gè)信號(hào)瞬時(shí)值相乘的積分。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)完全相同時(shí)（或相關(guān)性很好），得到最大的相關(guān)峰值，經(jīng)數(shù)據(jù)檢測器恢復(fù)出發(fā)射端的信號(hào)。若信道中存在著干擾，這些干擾包括窄帶干擾、人為瞄準(zhǔn)式干擾、單頻干擾、多徑干擾和碼分多址干擾等等，它們和有用信號(hào)同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)，如圖1-3(a)所

13、示。圖1-3中，為偽噪聲碼速率，為載波頻率，為中頻頻率。(a)(b)(c)窄帶干擾有用信號(hào)多徑干擾白噪聲ff0BRF=2Rc窄帶干擾有用信號(hào)多徑干擾白噪聲Bb=2RbffIF2Rc4Rc窄帶干擾有用信號(hào)多徑干擾白噪聲ffIFBb=2Rb圖1-3 擴(kuò)頻接收機(jī)中各點(diǎn)信號(hào)的頻譜示意圖(a) 接收機(jī)輸入；(b) 混頻器輸出；(c) 中頻濾波器輸出由于窄帶噪聲和多徑干擾與本地參考擴(kuò)頻信號(hào)不相關(guān)，所以在進(jìn)行相關(guān)處理時(shí)被削弱，實(shí)際上干擾信號(hào)和本地參考擴(kuò)頻信號(hào)相關(guān)處理后，其頻帶被擴(kuò)展，也就是干擾信號(hào)的能量被擴(kuò)展到整個(gè)傳輸頻帶之內(nèi)，降低了干擾信號(hào)的電平(單位頻率內(nèi)的能量或功率)，如圖1-3(b)所示。由于有用信

14、號(hào)和本地參考擴(kuò)頻信號(hào)有良好的相關(guān)性，在通過相關(guān)處理后被壓縮到帶寬為的頻帶內(nèi)，因?yàn)橄嚓P(guān)器后的中頻濾波器通頻帶很窄，通常為，所以中頻濾波器只輸出被基帶信號(hào)調(diào)制的中頻信號(hào)和落在濾波器通頻帶內(nèi)的那部分干擾信號(hào)和噪聲，而絕大部分的干擾信號(hào)和噪聲的能量（功率）被中頻濾波器濾除，這樣就大大地改善了系統(tǒng)的輸出信噪比，如圖1-3(c)所示。關(guān)于這一特性，將在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的性能分析一章中作進(jìn)一步分析。為了對擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的這一特性有一初步了解，我們以解擴(kuò)前后信號(hào)功率譜密度示意圖來說明這一問題。假設(shè)有用信號(hào)的功率為，碼分多址干擾信號(hào)的功率，多徑干擾信號(hào)的功率，其他進(jìn)入接收機(jī)的干擾和噪聲信號(hào)功率。再假設(shè)所有信號(hào)的功率譜

15、是均勻分布在的帶寬之內(nèi)。解擴(kuò)前的信號(hào)功率譜見圖1-4中的(a)，圖中各部分的面積均為。解擴(kuò)后的信號(hào)功率譜見圖1-4中的(b)，各部分的面積保持不變。通過相關(guān)解擴(kuò)后，有用信號(hào)的頻帶被壓縮在很窄的帶寬內(nèi)，能無失真的通過中頻濾波器（濾波器的帶寬為）。其他信號(hào)和本地參考擴(kuò)頻碼無關(guān)，頻帶沒有被壓縮反而被展寬了，進(jìn)入中頻濾波器的能量很少，大部分能量落在中頻濾波器的通頻帶之外，被中頻濾波器濾除了。我們可以定性的看出，解擴(kuò)前后的信噪比發(fā)生了顯著的改變。2Rc2RcBb(a)(b) 有用信號(hào)多址信號(hào)多徑信號(hào)噪聲有用信號(hào)多址信號(hào)多徑信號(hào)噪聲4Rcf0fIF圖1-4 解擴(kuò)前后信號(hào)功率譜密度示意圖(a) 解擴(kuò)前；(b

16、) 解擴(kuò)后1.2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(hào)，在收信機(jī)部分如何解調(diào)擴(kuò)頻信號(hào)。根據(jù)通信系統(tǒng)產(chǎn)生擴(kuò)頻信號(hào)的方式，可以分為下列幾種。1.2.1 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⑿盘?hào)與高速率的偽隨機(jī)碼波形相乘后，去直接控制射頻信號(hào)的某個(gè)參量，來擴(kuò)展傳輸信號(hào)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，

17、通常對載波進(jìn)行相移鍵控（Phase Shift Keying，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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)送到解調(diào)器解調(diào)，恢復(fù)出傳送的信息。 時(shí)鐘源 乘法器 調(diào)制器 發(fā)射機(jī) 載波 發(fā)生器 偽碼 發(fā)生器 混頻器 本地 振蕩器 時(shí)鐘源偽碼 發(fā)生器

18、 調(diào)制器 解調(diào)器 中頻 濾波器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)(a)(b)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)1.2.2 跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是頻率跳變擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)（Frequecy Hopping Spread Spectrum Communication Systems，F(xiàn)H-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(hào)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

19、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。 調(diào)制器 混頻器 解調(diào)器 中頻 濾波器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 頻率 合成器 偽碼 發(fā)生器 時(shí)鐘源(a)(b) 混頻器 發(fā)射機(jī) 時(shí)鐘源偽碼 發(fā)生器 指令 譯碼器發(fā)中頻振蕩器 指令 譯碼器 頻率 合成器圖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)；(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(hào)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(hào)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

20、器兩部分組成?？焖夙憫?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(hào)頻率只差一個(gè)中頻頻率的參考本振信號(hào)，經(jīng)混頻后得到一個(gè)頻率固定的中頻信號(hào)，這一過程稱為對跳頻信號(hào)的解跳。解跳后的中頻信號(hào)經(jīng)放大后送到解調(diào)器解調(diào)，恢復(fù)出傳輸?shù)男畔ⅰＴ谔l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

21、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)。每隔秒系統(tǒng)輸出信號(hào)的射頻頻率跳變到一個(gè)新的頻率上。若，這樣的頻率跳變系統(tǒng)稱為頻率慢跳變系統(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。0111000100010111Bb01Tc時(shí)間TbBbBRF頻率001110f1f2f3f4f5f6f7f8圖1-7頻率慢跳變系統(tǒng)頻率跳變示意圖TbTc時(shí)間BbBRF頻率1101001Bbf1f2f3f4f5f6f7f8f9f10f11f12f13f14f15f16圖1

22、-8頻率快跳變系統(tǒng)頻率跳變示意圖圖1-7中，。數(shù)據(jù)調(diào)制器根據(jù)二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)選擇兩個(gè)頻率中的一個(gè)，即每隔秒數(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，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(hào)在收信機(jī)中同本地參考振蕩信號(hào)進(jìn)行下變頻，參考本振頻率的集合為，下變頻后的中頻信號(hào)集中在頻率為、寬度為的頻帶中。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(hào)的變化速度慢。若在每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)中，射頻輸出信號(hào)的頻率跳變多次，這樣的頻率跳變系統(tǒng)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(hào)的頻率。在圖1-8中，頻率合成器有16個(gè)頻率， ，。1.2.3 跳時(shí)擴(kuò)頻通信

23、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(hào)在時(shí)間軸上離散地跳變。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(hào)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(hào)，相對說來，信號(hào)的頻譜也就展寬了。圖l-9是跳時(shí)系統(tǒng)的原理方框圖。

24、載波f0 調(diào)制器 高頻開關(guān) 偽碼 發(fā)生器高頻開關(guān) 存儲(chǔ)器偽碼發(fā)生器存儲(chǔ)器 解調(diào)器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)(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(chǔ)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(hào)就能每次按時(shí)通過開關(guān)進(jìn)入解調(diào)器。解調(diào)后的數(shù)據(jù)也經(jīng)過一緩沖存儲(chǔ)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

25、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(hào)工作時(shí)，某一時(shí)隙內(nèi)可能有幾個(gè)信號(hào)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)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。跳時(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

26、時(shí)要求太嚴(yán)。1.2.4 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)間間隔內(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(hào)，或者說載頻在一給定的時(shí)間間隔內(nèi)線性增大或減小，使得發(fā)射信號(hào)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(hào)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，其基本原理如圖1-10所示。線性脈沖調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生，可由一個(gè)鋸齒波信號(hào)調(diào)制壓控振蕩器(V

27、CO)來實(shí)現(xiàn)，如圖1-10(a)所示。發(fā)射波是一個(gè)頻偏為的寬帶調(diào)頻波，通常是線性調(diào)頻。線性調(diào)頻信號(hào)的特點(diǎn)是，發(fā)射脈沖信號(hào)的瞬時(shí)頻率在信息脈沖持續(xù)周期內(nèi)隨時(shí)間作線性變化，在脈沖起始和終止時(shí)刻的頻差 (1-12)式中：脈沖起始時(shí)刻的頻率，Hz；脈沖終止時(shí)刻的頻率，Hz；瞬時(shí)頻率變化范圍，Hz；線性調(diào)制后的帶寬，Hz。tTb匹配濾波器壓控振蕩器(a)(b)tf2f1tf2f1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(hào)的瞬時(shí)頻率為 () (1-13)線性脈沖調(diào)頻波的時(shí)域表達(dá)式為 () (1-14)線性脈沖調(diào)頻信號(hào)的接收解調(diào)可用匹配濾波器來實(shí)現(xiàn)，參見圖1-1

28、0(b)。它是由色散延遲線構(gòu)成的。這種延遲線對信號(hào)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(hào)通過匹配濾波器后，各頻率成分幾乎同時(shí)輸出。這些信號(hào)成分疊加在一起，形成了脈沖時(shí)間的壓縮，使輸出信號(hào)幅度增加，能量集中，將有用信號(hào)檢出。而與濾波器不匹配的信號(hào)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(hào)，通常是線性壓縮。壓縮比為D=DFTb =。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。1.2.5 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)，

29、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)，其系統(tǒng)組成方框圖見圖1-11。乘法器數(shù)據(jù)混頻器(b)解調(diào)器中頻濾波器數(shù)據(jù)(a)調(diào)制器混頻器發(fā)射機(jī)射頻濾波器時(shí)鐘源直擴(kuò)碼發(fā)生器本地振蕩器混頻器調(diào)制器頻率合成器時(shí)鐘源跳頻碼發(fā)生器直擴(kuò)碼發(fā)生器發(fā)中頻振蕩器頻率合成器跳頻碼發(fā)生器指令譯碼器指令譯碼器圖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(tái)同時(shí)工作，其距離或發(fā)射功率在很大范圍內(nèi)變化，需要解決通信中遠(yuǎn)近效