無線局域網(wǎng)的物理層技術

關于無線局域網(wǎng)的物理層技術第一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一內容：概述WLAN的射頻技術WLAN的調制解調技術WLAN的擴頻傳輸技術WLAN的天線技術第二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一概述第三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一WLAN物理層傳輸原理第四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一WLAN物理層的性能指標第五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)WLAN的射頻技術物理信道的劃分雙工技術收發(fā)信機結構第六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一1、物理信道的類型頻分信道時分信道碼分信道空分信道單信道多信道窄帶射頻(RF)信道頻分復用信道基帶紅外線碼分多址直接序列擴頻DSSS第七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一（1）DSSSWLAN物理信道劃分使用2.4GHz的ISM頻段。美國、加拿大、中國、歐洲指定工作頻率從2.4~2.4835GHz；日本指定為2.471~2.497GHz；法國指定為2.4465~2.4835GHz；西班牙指定為2.445~2.475GHz。標明X的信道都已獲得支持。每個射頻信道帶寬為22MHz；相鄰頻道間隔5MHz；只有3個互不重疊的物理信道（1,6,11）；最小發(fā)送功率電平1mw。第八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一22MHz第九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一（2）FHSSWLAN物理信道劃分第十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一（3）OFDMWLAN物理信道劃分OFDMWLAN多工作于5GHz頻段；UnlicensedNationalInformationInfrastructure(U-NII)

中規(guī)定，從5GHz開始，以5MHz為步長，共有201個通道：通道中心頻率=5GHz+5*nch（MHz），其中，nch=0~200IEEE802.11a使用U-NII的5.15~5.25GHz、5.25~5.35GHz和5.725~5.825GHz，共300MHz的射頻信道。兩個相鄰信道中心頻率間隔20MHz（4個U-NII信道帶寬）每個OFDM信道包括52個子載波，占據(jù)約16.6MHz的帶寬。第十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2、雙工技術FDDTDD

在WLAN中，IEEE802.11x系列標準，HiperLan2標準，藍牙系統(tǒng)和HomeRF系統(tǒng)采用的都是TDD。第十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一3、收發(fā)信機結構WLAN接收機結構超外差接收機直接變頻接收機鏡像抑制接收機WLAN發(fā)射機結構WLAN收發(fā)信機結構第十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一WLAN接收機結構-1第十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一WLAN接收機結構-2第十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一WLAN接收機結構第十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一鏡像抑制接收機-Hartley結構第十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一鏡像抑制接收機-Weaver結構第十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一WLAN發(fā)射機結構第二十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一WLAN收發(fā)信機結構-1第二十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一WLAN收發(fā)信機結構-2第二十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一WLAN收發(fā)信機結構-3第二十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一紅外線WLAN：基帶調制（脈沖調制，無載波）無線電波WLAN：頻帶調制（有載波）對于IEEE802.11系統(tǒng):IEEE802.11b:采用DBPSK、DQPSK、CCK(補碼鍵控)、PBCC(分組二進制卷積碼)等調制方式,DSSS擴頻傳輸方式IEEE802.11a:采用BPSK、QPSK、16QAM調制,OFDM傳輸方式IEEE802.11g:采用OFDM傳輸方式，可選PBCC-22調制.第二節(jié)WLAN的調制解調技術第二十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一各種調制方式基帶調制：采用脈沖調制，如：PAM（脈幅調制）、PPM（脈位調制）、PWM（脈寬調制）頻帶調制：采用基本的數(shù)字調制，如：ASK（幅移鍵控）、PSK（相移鍵控）、FSK（頻移鍵控）；采用多符號調制，如：QPSK（四相相移鍵控），MPSK（多相相移鍵控），QAM（正交幅度調制）采用多載波調制，如：OFDM（正交頻分復用）等。第二十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一

在選擇調制方式時必須考慮到一些指標，其中最重要的是：

1.頻譜效率，應增大每兆帶寬所容納的信道數(shù)；

2.誤碼率，能抗噪聲及鄰道干擾；

3.對無線環(huán)境的適應性；

4.實現(xiàn)的難度和成本。因為無線系統(tǒng)可利用的頻域有限，所以頻譜利用率可能是任何新系統(tǒng)所要考慮的重點。

對于室內應用系統(tǒng)，在無線信道上衰落條件的變化又給調制選擇附加了更多的限制。第二十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一

數(shù)字調制可分為兩大類：恒定包絡調制技術和線性調制技術。恒定包絡調制系統(tǒng)使發(fā)射機的功率放大器工作在非線性的C類狀態(tài)，來提高功率放大器的效率，降低成本。但是，這些好處是以犧牲頻譜利用率為代價換來的，如果不考慮調制電平數(shù)，恒定包絡調制系統(tǒng)的頻譜利用率被限制在約1bit/s/Hz內。線性調制具有變化的包絡，它要求一個線性的發(fā)射機功率放大器，因而導致成本與復雜度的增加，但是這種調制可大大提高頻譜利用率，這可彌補成本的增加。

一、基本數(shù)字調制解調技術第二十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一（一）相移鍵控最簡單最常用的數(shù)字調制技術是相移鍵控(PSK)，PSK信號的產(chǎn)生用平衡調制器來完成。在發(fā)射機端將數(shù)字信號a(t)和載波coswct送到平衡調制器的輸入端，在平衡調制器的輸出端就可得到一個PSK信號。如果二進制信號a(t)的編碼形式為：a(t)=1表示“1”或傳號，a(t)=0表示“0”或空號，那么PSK信號即可表示為s(t)=cos(wct+Ф(t)),其中:a(t)=1，Ф(t)=0a(t)=0,Ф(t)=π.這樣，PSK波形是一個等幅信號，其相位在0和π上變化。第二十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一在接收機端對PSK信號的解調可通過與發(fā)射機調制相同的過程來完成，為了滿足在加性高斯白噪聲(AWGN)信道中系統(tǒng)性能指標的要求，必須采用相干解調，PSK信號的相干解調器如圖所示。第二十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一為了進行相干解調，在接收機中必須提取具有正確相位的載波，可以先對接收信號平方，可得

s2(t)=1/2(1+cos2wct)從上式可以看出對s(t)平方后有直流分量和載波的二次諧波分量，用窄帶濾波器濾出二次諧波，經(jīng)過二分頻后，就可得到恢復載波coswct?；謴洼d波隨后與接收信號s(t)相乘，得

s(t)=1/2[cosФ(t)+cos[2wct+Ф(t))]]經(jīng)低通濾波器濾除高頻信號，得到的低頻信號cosФ(t)，由于Ф(t)=0或π

，經(jīng)積分后，在信息位同步信號的作用下恢復出發(fā)送的信息。位同步信號由位定時電路獲得。第三十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一（二）四相相移鍵控(QPSK)為了得到更高的比特率，采用四相調制可使每一符號攜帶兩比特數(shù)據(jù)，這樣的調制稱為四相相移鍵控(QPSK)。與PSK調制相比較，QPSK在相同的頻帶內可傳輸兩倍的數(shù)據(jù)量。在發(fā)射端，傳輸?shù)男畔⒔?jīng)串-并變換后得到的兩路數(shù)據(jù)分別去調制載波的同相分量coswct和正交分量sinwct，將兩個平衡調制器的輸出相加，就可得到QPSK信號，如圖所示。第三十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一設發(fā)送的信號為a(t)，將a(t)的偶數(shù)位和奇數(shù)位構成兩個數(shù)據(jù)流a1(t)和a2(t)，用這兩個數(shù)據(jù)流去調制正交的兩個載波，相加器的輸出為

s(t)=a1(t)coswct+a2(t)sinwct=A(t)cos(wct+θ(t))QPSK信號接收機如圖。第三十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一因為要求相干解調，所以接收機必須得到與發(fā)端載波同步的恢復載波coswct和sinwct。接收到的QPSK信號被送到兩個相干解調器，如前所述，每個相干解調器由平衡調制器和積分器構成，但是這里的積分器的積分時間是兩個比特周期。將兩個支路的恢復信號經(jīng)過并-串變換，把雙比特信號轉變成兩位串行數(shù)據(jù)。和以前一樣，應得到信息位同步信號，以便確定積分時間和信息流的恢復。QPSK的頻譜寬，并隨中心頻率的偏移緩慢地衰減。在保持碼間串擾最小的條件下，脈沖成型可減小傳輸信號帶寬。但用脈沖成型后就變成了線性調制，并且要用線性放大器來保證脈沖成型不變形。如果用非線性功率放大器，脈沖型狀將變形，頻帶也要展寬。用升余型的奈奎斯特脈沖可以提高頻譜的效率。第三十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一（三）多電平PSK系統(tǒng)在PSK系統(tǒng)中，信息碼逐位發(fā)送，在QPSK系統(tǒng)中，信息碼每兩位合并發(fā)送，這兩位代表四個相位中的一個相位。以此類推，如果N個信息位合并，那么這N個信息位有M(=2N)個符號或M個狀態(tài)，這樣的系統(tǒng)稱為MPSK系統(tǒng)。PSK、QPSK和MPSK的發(fā)射信號的區(qū)別在于彼此間的相位，但是都有相同的振幅。在正交振幅調制(QAM)中，信號不僅在相位上不同，而且振幅也變化。像脈沖成型PSK和QAM這樣的需要線性功率放大器的線性調制方式，利用增加電平數(shù)的方法，可以達到比1bit/s/Hz高的頻譜效率。如，用四電平調制方式允許用一個符號傳輸兩個比特的信息，而與二進制調制相比，每比特的信噪比并沒有下降，這是因為采用了正交載波的原因。優(yōu)第三十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一點為每符號傳輸?shù)谋忍財?shù)加倍，可在給定的頻帶內使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率加倍。然而，調制電平數(shù)的增加由于信號集中各元素的距離減小，將導致誤比特率的增加。由于線性放大器可以提供較好的帶外輻射性能，因而可進一步增加系統(tǒng)的頻譜效率。因為線性調制技術需要昂貴的線性射頻放大器，所以它不如恒定包絡調制受重視。在相移鍵控調制方式中，最重要的線性調制方式有DPSK、QPSK、OQPSK和MPSK。（四）頻移鍵控(FSK)

頻移鍵控(FSK)是一種恒定包絡調制方式，其載波頻率根據(jù)基帶信號在傳號頻率(相對于二進制1)和空號頻率(相對于二進制0)變化，與用二進制數(shù)字信號調制的FM信號相同。因此，發(fā)射信號為：第三十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一

s(t)=Acosw1t，a(t)=1或Acosw2t，a(t)=0頻率調制方式可用調制指數(shù)來描述，調制指數(shù)為峰值頻偏與調制信號的最高頻率分量的比值。FSK信號既可以用切換兩個不同的振蕩器的方式來獲得，也可以用把數(shù)據(jù)信號送入調頻器的方法來獲得，如圖5.5所示。FSK信號的解調可以用非相干檢測的方法或同步檢測的方法來完成，如下圖所示。第三十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一對非相干檢測，接收信號加到兩個帶通濾波器，這兩個濾波器是窄帶濾波器，可以將不需要的信號濾除。濾波器的輸出加到包絡檢波器，包絡檢波器的輸出送到比較器進行比較，比較器產(chǎn)生一個二進制的輸出信號，其電平取決于兩個輸入信號的大小。同步或相干檢測用兩個乘法檢波器來確定輸入信號中存在哪一個頻率。第三十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一在不增加傳輸帶寬的條件下，為了增加數(shù)據(jù)傳輸速率，必須用低調制指數(shù)的FSK。快速頻移鍵控(FFSK)和最小頻移鍵控(MSK)是現(xiàn)有的兩種頻帶保持技術。MSK是調頻指數(shù)為0.5的連續(xù)相位FSK，選擇這樣的調制指數(shù)是因為在一比特周期內相位累積變化π/2，要么增加π/2，要么減少π/2。因此MSK的波形表現(xiàn)為相位的連續(xù)性，在每一信息比特的末了時刻沒有像QPSK信號那樣的相位突跳，用C類放大器進行放大不會產(chǎn)生失真。FFSK除了在調制器的輸入端先對調制信號進行差分編碼外，F(xiàn)FSK與MSK類似。然而，由于是FSK類型的頻譜，MSK和FFSK信號的鄰道邊帶分量仍然較高，難以適應要求高的頻譜效率的數(shù)字無線系統(tǒng)的要求。第三十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一MSK系統(tǒng)的頻譜效率可以在調制載波前對二進制數(shù)據(jù)的前置濾波來改善。高斯型前置濾波器具有這樣的振幅特性，這樣的濾波器可以得到高斯濾波MSK(GMSK)信號。比特成型濾波器的帶寬通常用帶寬-時間積(BT)來定義。如果BT>1，波形基本上是MSK波形。然而如果BT<1，將引起碼間串擾，在解調器中將以增加復雜度為代價，來提高抗噪聲的能力。0.5和0.3的BT值已分別被泛歐蜂窩移動無線系統(tǒng)(通常稱為GSM系統(tǒng))和歐洲數(shù)字無繩電話(DECT)系統(tǒng)選用。高斯濾波器的另一種應用是對數(shù)據(jù)流的相關編碼，使其有小的相位變化，平滑調頻(TFM)和廣義TFM(GTFM)就屬此列。TFM依據(jù)不同的碼字情況得到不同的相位的變化，如果三個相鄰比特有相同的極性，相位變化π/2，如果三比特的極性交替第三十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一變化，相位不變；其它情況下相位變化π/4。這是以減少相位的變化來改善頻譜性能。產(chǎn)生這樣的波形的調制電路相似，用一個或兩個平衡調制器，如圖5.7所示。這是一種正交型調制，對實際波性而言，其逼近相位樣值儲存在兩塊EPROM中。圖5.7正交調制電路第四十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一這些信號的解調與調制過程正好相反。在相干解調電路中必須包括載波同步技術。在非相干解調中用犧牲一些其它性能來避免載波同步。許多數(shù)字通信系統(tǒng)已經(jīng)采用了像TFM和GMSK恒包絡這樣的調制方式，因為這些調制方式允許在小區(qū)內用較低價格的C類放大器。當然，用線性調制可以獲得更好的頻譜效率。第四十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一（五）各種調制方式的頻譜特性對一給定信道帶寬，功率譜密度將影響到系統(tǒng)的效率，對干擾和價格而言，調制帶寬越窄，系統(tǒng)效率越好。PSK：PSK低通等效功率譜密度隨sinx/x變化，如果輸入數(shù)據(jù)比特速率為fb，功率譜密度的主瓣的第一個零點等于fb

，大約92.5％的能量包含在主瓣內，頻譜的幅度隨(f/fb)-2衰減。QPSK：在PSK中，每一符號間隔只能傳輸一比特的信息，而QPSK信號在一個符號間隔內可傳輸兩比特的信息，因此QPSK帶寬效率是PSK帶寬效率的兩倍。第四十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一MSK：對MSK信號而言，功率譜密度的第一個零點在0.75fb

，約95％的能量包含在主瓣中，其幅度隨(f/fb)-4衰減。因此，MSK信號的主瓣比PSK信號更窄，旁瓣更低。與QPSK相比較，MSK有較低的旁瓣和較寬的主瓣。對頻譜效率而言，根據(jù)實際應用，可在QPSK和MSK信號之間綜合考慮。GMSK：GMSK信號的頻譜寬度取決低通高斯濾波器BT的規(guī)一化3dB帶寬，當BT減小時，頻譜變窄。如果BT=0.2，頻譜特性與TFM（平滑調頻）相似，TFM有比MSK更窄的主瓣且沒有旁瓣。如果BT是無限的，GMSK的功率譜密度與MSK相同。圖5.9給出了誤比特率為10-6時不同數(shù)字調制方式的頻帶利用率的比較圖。第四十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第四十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一（六）誤碼率在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，接收機的功能是從噪聲中提取傳輸?shù)男盘枺粋€最重要的特性是差錯概率。決定系統(tǒng)差錯概率的因素：包括所用調制類型、所用的檢測方法以及環(huán)境或信道。同時還有兩個重要的信道特性：多徑衰落和多徑時延。對PSK、QPSK和MSK，在沒有多徑影響時，它們的差錯概率Pe為：

Pe=1/2erfc((Eb/n0)-1/2)圖5.10給出了部分調制方式的誤比特率與信噪比Eb/n0

的關系曲線，表5.1給出了誤比特率為10-4時部分數(shù)字調制方式的Eb/n0。第四十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第四十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第四十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一（七）結論

影響調制方式性能的因素：時延、衰落、傳輸碼元速率等。當發(fā)射機和接收機是固定的，信號通路不變，前面介紹的所有調制方式都可以用于系統(tǒng)中。對于PSK由于較低的成本和復雜度是最佳的，但如果考慮帶寬因素，QPSK更佳。在瑞利衰落和時延環(huán)境下，由于GMSK有較低的差錯概率和相對窄的帶寬，所以更適合這樣的環(huán)境條件。但是，用這些調制方式，允許的最大的比特率相對來講還是較低，要提高比特速率，需要采用其它的信號處理措施，如信道編碼、均衡和分集等。第四十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一二、WLAN中的其他調制解調方式

1、補碼鍵控（CCK）調制以互補碼為基礎的一種直接序列擴頻方式，用于802.11b的5.5Mb/s和11Mb/s；二進制互補碼：一對長度相同的序列，在給定時間間隔內，一序列中相同元素對的數(shù)目與另一序列中不相同元素對的數(shù)目相同。例如：碼長n=8時，互補碼序列為序列a：{-1，-1，-1，1，1，1，-1，1}序列b：{-1，-1，-1，1，-1，-1，1，-1}第四十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一互補碼序列的自相關序列用下式計算：性質：互補碼序列具體良好的自相關特性。第五十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一802.11b中，利用互補碼良好的自相關特性擴展信號的帶寬可以獲得擴頻處理增益。擴展碼字長度為8，碼片速率Rc=11Mc/s,由8個CCK復碼片組成一個符號，則符號速率為Rs=11/8=1.375Ms/s.碼片速率和系統(tǒng)帶寬與原始標準1Mb/s、2Mb/s一致，但數(shù)據(jù)速率提高到11Mb/s.8個CCK復碼片產(chǎn)生過程：其中，φ1用于碼字中的所有碼片，可以修改序列中所有碼字的相位，并進行DQPSK編碼，它相當于前一符號相位做響應角度旋轉；φ2用于所有奇數(shù)碼片，φ3用于所有奇數(shù)片對，φ4用于所有奇數(shù)的四碼片組，符號的最后一個碼片表示了符號的相位。Φ1~φ4用于確定復碼組的相位值。第五十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一（1）5.5Mb/s模式的CCK調制

輸入分成4bit組{d0,d1,d2,d3},按照下面的編碼表生成φ1

，

φ2，φ3，φ4第五十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一（2）11Mb/s模式的CCK調制

輸入分成8bit組{d0,d1,d2,d3,d4,d5,d6,d7},按照表3-7和下面的編碼表生成φ1

，

φ2，φ3，φ4didi+1相位00001π/211π10-π/2第五十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2、分組二進制卷積編碼（PBCC）調制

IEEE802.11g在2.4GHz頻段上進行更高速率擴展。有兩種可選模式：（1）CCK-OFDM（2）PBCC-22.后一種技術能夠在2.4GHz頻段提供22Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，并與IEEE802.11b后向兼容，被稱為IEEE802.11b+模式。第五十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第五十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第五十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一3.OFDM調制

IEEE將OFDM作為802.11a的物理層調制標準。

分成子信道，可以減小多徑時延造成的碼間干擾；

各個子載波的譜可以互相重疊，提高頻帶利用率。第五十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一OFDM調制的實現(xiàn)方法（1）--直接實現(xiàn)第五十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一OFDM調制的實現(xiàn)方法（2）--DSP實現(xiàn)第五十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一OFDM的優(yōu)點第六十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一4.脈沖位置調制（PPM）

用于紅外線WLAN的物理層調制。

1Mb/s，采用16-PPM

2Mb/s，采用4-PPM

脈寬250ns第六十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第六十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)WLAN的擴頻傳輸技術擴展頻譜技術是近些年來發(fā)展非常迅速的一種通信技術，將其用于無線局域網(wǎng)中，使系統(tǒng)的各項性能都得到改善，已成為無線局域網(wǎng)中不可缺少的一種技術。本節(jié)介紹擴頻技術的基本概念，重點介紹直接序列擴頻和跳頻兩種擴頻方式，并簡單介紹專用擴頻ASICStel-2000A和聲表面波抽頭延遲線在無線局域網(wǎng)中的應用。第六十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一一、引言擴展頻譜技術又稱為擴頻技術是近年來發(fā)展很快的一種技術，不僅在軍事通信中發(fā)揮出了不可取代的優(yōu)勢，而且廣泛地滲透到了通信的各個方面，如衛(wèi)星通信、移動通信、微波通信、無線定位系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)、全球個人通信等等。擴展頻譜技術：是指發(fā)送的信息被展寬到一個比信息帶寬寬得多的頻帶上去，接收端通過相關接收，將其恢復到信息帶寬的一種技術，這樣的系統(tǒng)稱之為擴展頻譜系統(tǒng)或擴頻系統(tǒng)。擴展頻譜技術包括以下幾種方式：第六十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一●直接序列擴展頻譜，簡稱直擴，記為DS（DirectSequence）；●跳頻，記為FH（FrequencyHopping）●跳時，記為TH（TimeHopping）除了以上三種基本擴頻方式以外，還有這些擴頻方式的組合方式，如FH/DS、TH/DS、FH/TH等。在通信中應用較多的主要是DS、FH和FH/DS。第六十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第六十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一擴展頻譜技術具有以下特點：(1)很強的抗干擾能力；(2)可進行多址通信；(3)安全保密；(4)抗多徑干擾。第六十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一二、直接序列擴頻直接序列擴頻系統(tǒng)是將要發(fā)送的信息用偽隨機碼(PN碼)擴展到一個很寬的頻帶上去，在接收端，用與發(fā)端擴展用的相同的偽隨機碼對接收到的擴頻信號進行相關處理，恢復出發(fā)送的信息。對干擾信號而言，由于與偽隨機碼不相關，在接收端被擴展，使落入信號通頻帶內的干擾信號功率大大降低，從而提高了相關器的輸出信/干比，達到了抗干擾的目的。1、直擴系統(tǒng)的組成直擴系統(tǒng)的組成如圖6.1所示。第六十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第六十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第七十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2、處理增益與干擾容限處理增益與干擾容限是擴頻系統(tǒng)的兩個重要的指標。在擴頻系統(tǒng)中，傳輸信號在擴頻和解擴的處理過程中，擴頻系統(tǒng)的抗干擾性能得到提高，這種擴頻處理得到的好處就稱之為擴頻系統(tǒng)的處理增益，用Gp表示，定義為接收機相關處理器輸出信噪比與輸入信噪比的比值：

Gp=(S0/N0)/(Si/Ni)式中S0/N0

：輸出信噪比

Si/Ni

：輸入信噪比一般情況下，處理增益Gp為第七十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一一般情況下，處理增益Gp為：

Gp=Bc/Ba=Rc/Ra=Ta/Tc

這里Bc為擴頻信號的射頻帶寬，Ba為信息帶寬，Rc、Ra分別為偽隨機碼切普速率和信息碼速率，Tc、Ta分別為偽隨機碼切普寬度和信息碼元寬度。由上式可知，直擴系統(tǒng)的處理增益實際上就是頻譜擴展的倍數(shù)，即一個數(shù)據(jù)碼元內嵌入的偽隨機碼的切普數(shù)。由此可見，頻譜擴展得越擴，即偽隨機碼速率越高，處理增益越大，系統(tǒng)的抗干擾的能力就越強。

第七十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一干擾容限：指在保證系統(tǒng)正常工作的條件下，接收機能夠承受的干擾功率比信號功率高出的倍數(shù)，用Mj表示：

Mj=Gp–[Ls+(S/N)0](dB)式中，Ls為系統(tǒng)內部損耗，(S/N)0為系統(tǒng)正常工作時要求的相關器的最小輸出信噪比。由上可見干擾容限直接反映了擴頻系統(tǒng)可容許的極限干擾強度，即只有當干擾功率超過干擾容限后，才能對擴頻系統(tǒng)形成干擾。因而，干擾容限比處理增益更確切地反映了系統(tǒng)的抗干擾能力。

第七十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一3、擴頻系統(tǒng)的偽隨機碼

在擴展頻譜系統(tǒng)中，偽隨機碼起著非常重要的作用。在直擴系統(tǒng)中，用偽隨機碼將傳輸信息頻譜擴展，接收時又用偽隨機碼將信息頻帶壓縮，并將干擾功率分散，使系統(tǒng)的抗干擾能力得到提高；在跳頻系統(tǒng)中，用偽隨機碼去控制頻率合成器產(chǎn)生的頻率，使其隨機地跳變，躲避干擾。所以，偽隨機碼性能的好壞，直接關系到整個系統(tǒng)性能的好壞。在擴頻系統(tǒng)中應用的偽隨機碼有多種，其中m序列是最長的線性移位寄存器序列，這種序列易產(chǎn)生，且具有很好的二值相關特性，是擴頻系統(tǒng)中應用最多的一種偽隨機碼。第七十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一m序列的性質：

●均衡性。在m序列的一個周期內，“1”和“0”的數(shù)目基本相等。準確的說，“1”的個數(shù)比“0”的個數(shù)多一個。●游程分布。一般來說，在m序列中，長度為1的游程占游程總數(shù)的1/2，長度為k的游程占游程總數(shù)的1/2k，在長度為k的游程中，連“1”和連“0”的游程各占一半?！褚莆幌嗉有?。m序列與其位移序列之和仍然是該m序列的另外一位移序列?！裰芷谛浴序列的周期為N=2-1。第七十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一

●m序列的自相關特性為二值周期性函數(shù)?！駇序列的功率譜。第七十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一由上圖可以看出，N越大，m序列的周期越長，Tc越小，即m序列的碼元速率越高，m序列的自相關函數(shù)和功率譜越接近白噪聲的性能。所以m序列是一種性能非常好的偽隨機(偽噪聲)序列。除了m序列外，Gold碼、M序列、R-S碼等，均可以作為擴頻系統(tǒng)的偽隨機碼。Gold碼是由m序列優(yōu)選對產(chǎn)生的，一對m序列優(yōu)選對可產(chǎn)生2r+l條Gold碼，這里r是移位寄存器的級數(shù)。M序列是最長非線性移位寄存器序列，其長度是r級移位寄存器所能達到的最長的長度，又稱為全長序列。M序列雖然沒有m序列那樣的二值相關特性，但其序列的條數(shù)是m序列不可比擬的，為2r-1-r條，而m序列只有(Φ(2r-1))/r條。

第七十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一4、直擴系統(tǒng)的同步同步技術是擴頻系統(tǒng)的關鍵技術，同步性能的好壞直接關系到擴頻系統(tǒng)的性能的優(yōu)劣，在一個通信系統(tǒng)中，同步單元起到了舉足輕重的作用。同步作用：直擴系統(tǒng)只有在完成偽隨機碼的同步后，才可能用同步的偽隨機碼對接收的擴頻信號進行相關解擴，把擴頻的寬帶信號恢復成非擴頻的窄帶信號，以便從中將傳送的信息解調出來。所以，人們花費了大量的精力和財力來研究擴頻系統(tǒng)的同步問題。第七十八頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一直擴系統(tǒng)的同步包括：●偽隨機碼同步。只有完成偽隨機碼的同步后，才可能使相關解擴后的有用信號落入中頻相關濾波器的通頻帶內。●位同步。包括偽隨機碼的切普同步和傳輸信息的碼元定時同步?！駧?。提取幀同步后，就可提取幀同步后面的信息?！褫d波同步。直擴系統(tǒng)多采用相干檢測，載波同步后，可為解調器提供同步載波，另一方面保證解擴后的信號落入信號中頻頻帶內。第七十九頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一偽隨機碼同步：同步一般可分為兩步進行，即捕獲和跟蹤。捕獲：又稱為粗同步或初始同步，捕獲是對輸入擴頻信號的同步信息進行搜索，使收發(fā)雙方用的偽隨機碼的相位差小于一個偽隨機碼切普Tc；跟蹤：又稱為精同步，它是在捕獲的基礎上，使收發(fā)雙方的偽隨機碼的相位誤差進一步減小，保證收端的偽隨機碼的相位一直跟隨接收到的信號的偽隨機碼的相位在一允許的范圍內變化。跟蹤與一般的數(shù)字通信系統(tǒng)的跟蹤方法類似，關鍵還是在第一步--捕獲。直擴系統(tǒng)中初始同步的方法很多，以相關檢測、跟蹤環(huán)路捕獲為主，再就是利用匹配濾波器的方法來實現(xiàn)。第八十頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一三、跳頻跳頻系統(tǒng)的載頻受一偽隨機碼的控制，不斷地、隨機地跳變，可看成載波按一定規(guī)律變化的多頻頻移鍵控(MFSK)。與直擴系統(tǒng)相比，偽隨機碼并不直接傳輸，而是用來選擇信道。1、跳頻系統(tǒng)的組成跳頻系統(tǒng)的組成如圖6.8所示。

第八十一頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一第八十二頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一2、跳頻圖案跳頻系統(tǒng)的頻率跳變，受到偽隨機碼的控制，時間不同，偽隨機碼的相位不同，對應的頻率合成器產(chǎn)生的頻率也不同。把跳頻系統(tǒng)的頻率跳變規(guī)律稱為跳頻圖案。跳頻圖案是時間和頻率的函數(shù)，又稱為時間-頻率矩陣，簡稱時-頻矩陣。時-頻矩陣可直觀地描述出頻率跳變規(guī)律。如圖6.10所示

第八十三頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一3、跳頻系統(tǒng)的同步在跳頻系統(tǒng)中，接收機本地頻率合成器產(chǎn)生的跳變頻率必須與發(fā)端的頻率合成器產(chǎn)生的跳變頻率嚴格同步，才能正確地進行相關解跳，使得接收的有用信號恢復成受信息調制的固定中頻信號，以便從中解調出有用信息。但由于時鐘漂移、收發(fā)信機之間的距離變化，在時間上有差異；又因振蕩器頻率的漂移等同步的不確定因素，所以同步的過程就是搜索和消除時間及頻率偏差的過程，以保證收發(fā)雙方的碼相位和載波的一致性。跳頻系統(tǒng)的同步:一般包括跳頻圖案的同步、幀同步、信息碼元同步等，在這些同步中，關鍵是跳頻圖案的同步。第八十四頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一跳頻圖案的同步：可分為兩步進行，即捕獲與跟蹤。捕獲是使收發(fā)雙方的跳頻圖案的差在時間上小于一跳的時間Th，跟蹤要達到的目標是使收發(fā)雙方的跳頻圖案在時間和頻率上同步，達到系統(tǒng)正常工作所要求的精密。跳頻是由偽隨機碼決定的，因此跳頻圖案的同步實際上是收發(fā)雙方偽隨機碼的同步，即解決兩偽隨機碼的時間(或相位)不確定的問題，這一點與直擴系統(tǒng)中的偽隨機碼的同步一致。與直擴系統(tǒng)相比較，由于跳頻系統(tǒng)的跳頻駐留時間Th比直擴系統(tǒng)的偽隨機碼切普寬度Tc要大得多，允許的絕對誤差就大得多，因此跳頻系統(tǒng)的同步時間和同步精度都優(yōu)于直擴系統(tǒng)。

第八十五頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一跳頻同步主要有以下幾種方法：(1)精確時鐘定時法這種方法用高精度時鐘控制收發(fā)雙方的跳頻圖案，也就是用精確的時鐘減少了收發(fā)雙方偽隨機碼相位的不確定性，因此同步快、準確性好、保密性好，是戰(zhàn)術通信中常用的一種同步方法。(2)同步字頭法將帶有同步的信息(如時間信息等)作為同步字頭置于跳頻信號的最前面，或在信息的傳輸過程中離散地插入這種同步頭。這種同步方法具有同步搜索快、容易實現(xiàn)、同步可靠等特點。

第八十六頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一(3)匹配濾波器法匹配濾波器法同步，是對同步頭進行匹配濾波，一旦輸入的跳頻信號與匹配濾波器相匹配，就表明收到了同步頭，即完成了時間的同步。匹配濾波器具有很強的信號處理能力，將其用于同步系統(tǒng)，會使同步系統(tǒng)簡化、同步時間縮短、同步性能提高。這種同步方式特別適合于快速跳頻系統(tǒng)和突發(fā)通信系統(tǒng)。

第八十七頁，共一百零二頁，編輯于2023年，星期一四、直接序列擴頻和跳頻技術性能比較擴頻技術的最大優(yōu)點在于較強的抗干擾能力，以及保密、多址、組網(wǎng)、抗多徑等。但由于各種擴頻方式的抗干擾等機理不同。直擴系統(tǒng)：是靠偽隨機碼的相關處理，降低進入解調器的干擾功率來達到抗干擾的目的；跳頻系統(tǒng)：是靠載頻的隨機跳變，躲避干擾，將干擾排斥在接收通道以外來達到抗干擾的目的。這兩者都具有很強的抗干擾的能力，各有自己的特點，也存在自身的不足。第八十八頁，