第3章2 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)

1、第第3章章 2擴(kuò)擴(kuò) 頻頻 通通 信信 系系 統(tǒng)統(tǒng)Spread spectrum communications張張 文勝文勝School School of Information Science and of Information Science and EngineeringEngineeringShandong UniversityShandong UniversityShandong, ChinaShandong, China 通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)概論概論小隱在山林， 大隱于市朝中國(guó)道家哲學(xué)特 定頻 段噪 聲1. 擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻通信定義：定義：全稱：擴(kuò)展擴(kuò)展頻譜頻譜通信通信主要特征： 信號(hào)信

2、號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信傳信 息息必需的最小必需的最小帶寬帶寬實(shí)現(xiàn)機(jī)理：頻帶的擴(kuò)展是頻帶的擴(kuò)展是通過編碼和調(diào)制來完成通過編碼和調(diào)制來完成目的： 抗干擾抗干擾通信通信香農(nóng)香農(nóng)(Shannon)(Shannon)公式公式 ：C信道容量信道容量(用傳輸速率度量用傳輸速率度量)，bit/s；W信號(hào)頻帶寬度，信號(hào)頻帶寬度，Hz；P信號(hào)平均功率，信號(hào)平均功率，W；N噪聲平均功率，噪聲平均功率，W2log1PCWN2. 擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻通信理論基礎(chǔ)：理論基礎(chǔ)： 在給定的傳輸速率在給定的傳輸速率C不變的條件下，不變的條件下，頻帶寬度頻帶寬度W和和信信噪比噪比PN是可以互換的。即可通過

3、增加頻帶寬是可以互換的。即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比情況下，傳輸信息度的方法，在較低的信噪比情況下，傳輸信息。擴(kuò)展頻譜換取信噪比要求的降低，正是擴(kuò)頻通信的重要擴(kuò)展頻譜換取信噪比要求的降低，正是擴(kuò)頻通信的重要特點(diǎn)特點(diǎn)，為，為擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)的理論基礎(chǔ)。2log (1)PCWN香農(nóng)公式的物理意義：香農(nóng)公式的物理意義：一一個(gè)例子個(gè)例子： 擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)的理論基礎(chǔ) 信號(hào)帶寬與信噪比的互換關(guān)系 例：某系統(tǒng)信號(hào)帶寬為8kHz，信噪比為7，求信道容量C。在C不變的情況下，信號(hào)帶寬分別增加一倍和減小一半，求此時(shí)信號(hào)功率的相對(duì)變化為多少？通信通信中的干擾中的干擾類型：類型：I

4、. 自然干擾：自然干擾： 大氣噪聲大氣噪聲 熱噪聲熱噪聲 多址多址干擾干擾 多徑多徑干擾干擾 工業(yè)干擾工業(yè)干擾 其他其他通信設(shè)備的同頻干擾等通信設(shè)備的同頻干擾等3. 擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻通信產(chǎn)生背景：產(chǎn)生背景：II. 人為干擾人為干擾在在軍事應(yīng)用中，敵對(duì)的雙方為了降低軍事應(yīng)用中，敵對(duì)的雙方為了降低對(duì)方的對(duì)方的通信效能通信效能而人為釋放的強(qiáng)干擾而人為釋放的強(qiáng)干擾。1. 單單頻干擾頻干擾, 或稱為固頻或稱為固頻干擾干擾 干擾頻率正好干擾頻率正好對(duì)準(zhǔn)對(duì)方的通信對(duì)準(zhǔn)對(duì)方的通信頻率，形成同頻頻率，形成同頻 干擾干擾。 2 . 正弦脈沖正弦脈沖干擾干擾 干擾信號(hào)以干擾信號(hào)以脈沖形式脈沖形式發(fā)送發(fā)送的的, 其峰值功

5、率較強(qiáng)其峰值功率較強(qiáng)。 3. 跟蹤式跟蹤式干擾干擾 先先測(cè)定通信頻率測(cè)定通信頻率, 然后將然后將干擾機(jī)干擾機(jī)干擾信號(hào)頻率干擾信號(hào)頻率對(duì)對(duì) 準(zhǔn)準(zhǔn)通信頻率進(jìn)行干擾。通信頻率進(jìn)行干擾。 4. 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾轉(zhuǎn)發(fā)式干擾首先首先把有用信號(hào)接收下來把有用信號(hào)接收下來, 再經(jīng)放大和噪聲污染后再經(jīng)放大和噪聲污染后發(fā)送出去發(fā)送出去, 對(duì)有用信號(hào)實(shí)施干擾。對(duì)有用信號(hào)實(shí)施干擾。 5. 寬帶寬帶阻塞式阻塞式干擾干擾在在整個(gè)信號(hào)的通信頻帶內(nèi)施放很強(qiáng)的干擾信號(hào)，整個(gè)信號(hào)的通信頻帶內(nèi)施放很強(qiáng)的干擾信號(hào)，其干擾功率與帶寬成正比，使通信一方在整個(gè)通其干擾功率與帶寬成正比，使通信一方在整個(gè)通信頻帶內(nèi)都無(wú)法保證正常的信頻帶內(nèi)都無(wú)法保證

6、正常的通信通信 擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻通信的概念的概念信息調(diào)制擴(kuò)頻調(diào)制射頻輸出射頻接收擴(kuò)頻解調(diào)信息信息解調(diào)信道偽隨機(jī)碼序列信息偽隨機(jī)碼序列圖1.1 擴(kuò)頻通信原理框圖擴(kuò)頻通信的基本原理擴(kuò)頻通信的基本原理擴(kuò)頻：用一個(gè)帶寬比信息帶寬寬得多的偽隨機(jī)碼（PN碼）對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。解擴(kuò)：將接收到的擴(kuò)展頻譜信號(hào)與一個(gè)和發(fā)端 PN完全相同的本地碼相關(guān)檢測(cè)。收到的信號(hào)與本地PN相匹配時(shí)，信號(hào)恢復(fù)到其擴(kuò)展前的原始帶寬 不匹配的輸入信號(hào)被擴(kuò)展到本地碼的帶寬或更寬頻帶 擴(kuò)頻通信原理框圖擴(kuò)頻通信原理框圖擴(kuò)頻通信的基本原理擴(kuò)展擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)頻譜通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo) 一、 處理增益 對(duì)擴(kuò)頻通信的處理增益的兩種主要

7、定義 信噪比增益定義 偽隨機(jī)碼與信息速率比定義 二、干擾容限ioNSNSpG/cpbRGR )(minmaxdBLGMoutNSsyspinSNj 一、擴(kuò)頻通信的處理增益一、擴(kuò)頻通信的處理增益 對(duì)擴(kuò)頻通信的處理增益的兩種主要定義 定義1：解擴(kuò)器輸出端與輸入端的信噪比的比值： (S/N)i和(S/N)o分別為擴(kuò)頻處理器的輸入和輸出信噪比。 通常用分貝（dB）表示ioNSNSpG/)()/()()/(dBNSdBNSdBGiop 該定義的處理增益表示經(jīng)過解擴(kuò)器后，信號(hào)信噪比的改善。擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益主要來自接收機(jī)的解擴(kuò)器。 例：某擴(kuò)頻系統(tǒng)Gp=70dB，若要求(S/N)o=10dB，則允許(S/N

8、)i =-60dB，即信號(hào)功率可以在低于干擾功率60dB的惡劣條件下工作。2022-6-18 一、擴(kuò)頻通信的處理增益 定義2：偽隨機(jī)碼與信息速率比定義cpbRGR 二、擴(kuò)頻通信的干擾容二、擴(kuò)頻通信的干擾容限限 干擾容限Mj是考慮了系統(tǒng)損耗后，系統(tǒng)尚能工作時(shí)，信道可允許的最大噪信比。 Mj 考慮了實(shí)用系統(tǒng)的輸出信噪比要求以及系統(tǒng)的內(nèi)部損耗，因而可以反映系統(tǒng)在干擾環(huán)境中的工作能力。 )(minmaxdBLGMoutNSsyspinSNj例 1：一個(gè)系統(tǒng)的處理增益Gp=30dB， 系統(tǒng)的執(zhí)行損耗Lsys =2dB：若系統(tǒng)要求的最小輸出信噪比為8dB， 則：Mj=30-(8+2)=20dB， 即輸入的

9、干擾功率最多只能比信號(hào)功率高20dB時(shí)，該系統(tǒng)才能正常工作。例 2：一個(gè)系統(tǒng)的處理增益Gp=30dB， 系統(tǒng)的執(zhí)行損耗Lsys =2dB：若系統(tǒng)要求的最小輸出信噪比為9dB，則： Mj=30-(9+2)=19dB, 即輸入的干擾功率最多只能比信號(hào)功率高19dB的條件下系統(tǒng)才能正常工作。5. 擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻擴(kuò)頻方式：方式：直接直接序列擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻（direct sequence spread direct sequence spread spectrum, DSSSspectrum, DSSS）跳頻擴(kuò)頻跳頻擴(kuò)頻（frequency hopping spread frequency hopp

10、ing spread spectrum, FHSSspectrum, FHSS）跳時(shí)擴(kuò)頻跳時(shí)擴(kuò)頻（time time hopping spread hopping spread spectrum, THSS spectrum, THSS ）混合擴(kuò)混合擴(kuò)頻頻（hybrid spread spectrum, HSShybrid spread spectrum, HSS）直接序列(DS)系統(tǒng)：用一高速偽隨機(jī)序列與信息數(shù)據(jù)相乘，由于偽隨機(jī)序列的帶寬遠(yuǎn)大于信息帶寬，擴(kuò)展發(fā)射信號(hào)的頻譜 跳頻(FH)系統(tǒng)：在一偽隨機(jī)序列的控制下，發(fā)射頻率在一組預(yù)先指定的頻率上按規(guī)定順序離散地跳變，擴(kuò)展發(fā)射信號(hào)的頻譜 跳時(shí)(

11、TH)系統(tǒng)：與跳頻系統(tǒng)類似，區(qū)別在于該系統(tǒng)是用一偽隨機(jī)序列控制發(fā)射時(shí)間和發(fā)射時(shí)間的長(zhǎng)短 直接直接序列擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻 直接序列擴(kuò)頻就是用比信息速率高很多倍的偽隨機(jī)噪聲碼（PN）與信號(hào)相乘來達(dá)到擴(kuò)展信號(hào)的帶寬。直擴(kuò)系統(tǒng)方框圖直擴(kuò)系統(tǒng)波形圖 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)DSSS 跳頻通信系統(tǒng) 原理載波頻率受一組快速變化的PN控制而隨機(jī)跳變 擴(kuò)展頻譜的方式-跳頻 跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng) 信號(hào)波形擴(kuò)展頻譜的方式-跳頻 抗干擾能力跳頻系統(tǒng)是靠中頻濾波器抑制帶外的頻譜分量，減少窄帶干擾進(jìn)入接收機(jī)的概率，提高系統(tǒng)的抗干擾性能直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)是通過展寬窄帶干擾的頻譜，降低干擾信號(hào)在單位頻帶的功率，來實(shí)現(xiàn)抗干擾性能的提高 擴(kuò)展頻譜的

12、方式-跳頻擴(kuò)展頻譜的方式-跳時(shí) 跳時(shí)是使用偽隨機(jī)碼序列來開通或關(guān)斷發(fā)射機(jī)，即信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間是隨機(jī)的。各種混合方式 上述幾種基本的擴(kuò)頻方式的基礎(chǔ)上，可以組合起來，構(gòu)成各種混合方式。例如DSFH、DSTH、DSFHTH等等。4. 擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻通信主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)：1 1. . 抗干擾性抗干擾性強(qiáng)強(qiáng) 擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻通信系統(tǒng)擴(kuò)展的頻譜越寬，處理增益越系統(tǒng)擴(kuò)展的頻譜越寬，處理增益越高，高，抗干擾性抗干擾性能越強(qiáng)。能越強(qiáng)。2 2. . 隱蔽性隱蔽性好好由于擴(kuò)頻信號(hào)單位由于擴(kuò)頻信號(hào)單位頻帶頻帶內(nèi)功率內(nèi)功率譜密度很譜密度很低低, ,可在可在信道噪聲信道噪聲和熱噪聲的背景和熱噪聲的背景下實(shí)現(xiàn)下實(shí)現(xiàn)通信。通信。3 3. . 可可實(shí)現(xiàn)碼分多址實(shí)現(xiàn)碼分多址 利用利用擴(kuò)頻通信可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻通信可以實(shí)現(xiàn)碼分多址。碼分多址。4 4. . 抗多徑抗多徑干擾干擾擴(kuò)頻通信容易利用擴(kuò)頻通信容易利用分集技術(shù)分集技術(shù)對(duì)抗多徑干擾對(duì)抗多徑干擾。CDMACDMA：Code Code Division Multiple AccessDivision Multiple Access第第三三章章 作業(yè)作業(yè)1. 描述描述C