擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的分類(lèi)

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的分類(lèi)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)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直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)（DirectSequeceSpreadSpectrumCommunicationSystems，DS-SS），通常簡(jiǎn)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(lái)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(jiǎn)化方框圖參見(jiàn)圖1-5。在直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，通常對(duì)載波進(jìn)行相移鍵控（PhaseShiftKeying，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(duì)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(duì)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(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，這一相關(guān)處理過(guò)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。數(shù)據(jù)圖1-5數(shù)據(jù)圖1-5直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)簡(jiǎn)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)頻通信系統(tǒng)是頻率跳變擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)（ FrequecyHoppingSpreadSpectrumCommunicationSystems，F(xiàn)H-SS）的簡(jiǎn)稱，或更簡(jiǎn)單地稱為跳頻通信系統(tǒng)，確切地說(shuō)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 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(jiǎn)化方框圖參見(jiàn)圖1-6(a)(b)圖1-6頻率跳變擴(kuò)頻通信系統(tǒng)簡(jiǎn)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(guò)程稱為對(duì)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?。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(méi)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Tb秒數(shù)據(jù)調(diào)制器輸出兩個(gè)頻率中的一個(gè)。每隔Tc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Tc>Tb，這樣的頻率跳變系統(tǒng)稱為頻率慢跳變系統(tǒng)。現(xiàn)舉例說(shuō)明頻率慢跳變系統(tǒng)的工作過(guò)程，參見(jiàn)圖 1-7。

圖1-7頻率慢跳變系統(tǒng)頻率跳變示意圖fcfc卜時(shí)間f16-f15fl4.f13f12f11-f10率9頻f8-f7i■i.ir.r二一t一 —- .—i— Lq ———1——,T一a—Il -r -r-—.一——1― ii i ii■~^u?a—B 11II 11 1 i ii iiIi—-——i——iii11 1!.n*r，c,p十-1■十■1.. 1 1~1 1~LJ —-4-；--1J1 1~1 1 ~B-1 『八11 rT* 一一?|八 U -H--1-?! 1■廣11 ID八?-斗w—卜-日 1 I ■ i Wi|L—1-111一二H--n xin 1■tr. "I 廣IL-T-V1T |111- 一-_W?-■i 1 P-H---十 in■、11.Tr.II!11-T-,1 督 T1r:■4-11——F-l—— —*r.-=i 1— i~i__I一十一ale 1I*?.■-1..L■? ! ■aT>1■■Al■■T Tn■■1■.--1-■ik■■ 巴一尸曰工L■J■■--■-4--：■-L-ii i1 1■.]Lm.f6-f5f4-■1 f2--i .. H 1 U 一* nV 11ri'1?_T11ri.土—I—~1 V~■1 ■.牝ri1ri■-L-- ■1 一一刊一 UJ 一寺 i4V 4]一■T I11——+——H——■1 廠- 14 Ifi一l~—i—a■1--1 111+L1■ fl—1 ,L」 一1?八11-」八-■ I 1ii■17■T- 1一L.fliR1V■T.—iV1"T"T■■■”F —1■T,■1■廠■1■11■ XI~1 1~1■-T*F1.十r1 1-1 f■f-i-IBf1上一i 1=1 一十■十一L*F二—-JI.L- -t ii 1-—ii——i1_ 1 1 —l——L4 1 圖1-8頻率快跳變系統(tǒng)頻率跳變示意圖圖1-7中，Bb2/Tb,T3Tb,B8Bb。數(shù)據(jù)調(diào)制器根據(jù)二進(jìn)制數(shù)據(jù)c RF信號(hào)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｛h,f,f,f,f,f,f,f河供跳變，每傳送3個(gè)比特后6 7 3 8 2 4 5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 ｛ f] flF, f6 flF, f7 flF, f3 flF,f8flF，f2flF，f4flF，f5G｝，下變頻后的中頻信號(hào)集中在頻率為flF、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(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，Tc Tb/3，頻率合成器有16個(gè)頻率｛f5,L，f7，,fl4,fl2,f8， f1， f2， f4， f9，f3， f6， f13， f10， f16， f15 ｝， ^b 2/Tb， ^RF i^^b°3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)(TimeHoppingSpreadSpectrumCommunicationSystems，TH-SS)是時(shí)間跳變擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)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)頻通信常稱為時(shí)片，若干時(shí)片組成一跳時(shí)時(shí)間幀。在一幀哪個(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(duì)說(shuō)來(lái)， 信號(hào)的頻譜也就展寬了。圖I-9是跳時(shí)系統(tǒng)的原理方框圖。(a)(b)(a)(b)圖1-9時(shí)間跳變擴(kuò)頻通信系統(tǒng)簡(jiǎn)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(lái)，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(kāi)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(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)入解調(diào)器。解調(diào)后的數(shù)據(jù)也經(jīng)過(guò)一緩沖存儲(chǔ)器，以便恢復(fù)原來(lái)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(lái)避開(kāi)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(jiǎn)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(lái)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(duì)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)間間隔線性地掃過(guò)一個(gè)寬帶圍，形成一帶寬較寬的掃頻信號(hào)，或者說(shuō)載頻在一給定的時(shí)間間隔線性增大或減小，使得發(fā)射信號(hào)的頻譜占據(jù)一個(gè)寬的圍。在語(yǔ)音頻段， 線性調(diào)頻聽(tīng)起來(lái)類(lèi)似于鳥(niǎo)的“啾啾”叫聲，所以線性脈沖調(diào)頻也稱為鳥(niǎo)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(cè)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（VCO）來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1-10（a）所示。發(fā)射波是一個(gè)頻偏為F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Tb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）Ffif2Bc式中：f1——脈沖起始時(shí)刻的頻率，Hz;（1-12）f2——脈沖終止時(shí)刻的頻率，Hz；F 瞬時(shí)頻率變化圍，Hz；B 線性調(diào)制后的帶寬，Hz。壓控振

蕩器(a)匹配

濾波器(b)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，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

s(t)Acos2n°tnFt2 o(TbtTb) (1-14)%22線性脈沖調(diào)頻信號(hào)的接收解調(diào)可用匹配濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，參見(jiàn)圖1-10(b)。它是由色散延遲線構(gòu)成的。這種延遲線對(duì)信號(hào)的高頻成分延遲時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)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(guò)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(méi)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(lèi)似的過(guò)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=FTb=T/。b線性脈沖調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)和通信的關(guān)系不大，本書(shū)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(lái)就構(gòu)成了混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。 常見(jiàn)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。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(jiàn)圖1-11。圖1-11頻率跳變-直接序列混合擴(kuò)頻系統(tǒng)方框圖圖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),顧器<—頻率合成器A 指令譯碼器跳頻碼發(fā)告器Jb_r水地振蕩器調(diào)制器碼發(fā)生器'■1時(shí)鐘源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(guò)高或跳頻數(shù)目過(guò)多時(shí)， 采用這種混合系統(tǒng)特別有利。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)射功率在很大圍變化，需要解決通信中遠(yuǎn)近效應(yīng)問(wèn)題的場(chǎng)合。遠(yuǎn)近效應(yīng)是指在同一工作區(qū)域，同一系統(tǒng)中由于接收機(jī)對(duì)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(lái)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)要遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)距離發(fā)射機(jī)發(fā)送來(lái)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)。在接收機(jī)中強(qiáng)信號(hào)將對(duì)弱信號(hào)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(lái)的信號(hào)。這種系統(tǒng)希望利用簡(jiǎn)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。時(shí)間跳變-直接序列混合系統(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(tái)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)方框中頻濾波器時(shí)鐘源直擴(kuò)碼發(fā)生器調(diào)制器跳時(shí)碼發(fā)生器一混頻器高頻開(kāi)美數(shù)據(jù) —?-乘法器調(diào)制器中頻濾波器時(shí)鐘源直擴(kuò)碼發(fā)生器調(diào)制器跳時(shí)碼發(fā)生器一混頻器高頻開(kāi)美數(shù)據(jù) —