【正文】 所周知 ,信號的檢測性能決定于信號的能量 ,擴頻信號實質(zhì)上可看成是連續(xù)波信號 。 因而 ,擴頻信號易于解決作用 距離遠和距離鑒別力高的矛盾 ,并且可不模糊測速 ,可用于抗多路徑干擾 。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 5. 當擴頻通信系統(tǒng)所傳輸?shù)男盘柺悄M信號時 ,對擴頻的跳頻電臺 ,可以直接調(diào)制傳輸 ,也可以將模擬信號經(jīng) A／ D變換成數(shù)字信號 ,然后送到擴頻跳頻系統(tǒng)或碼分直擴系統(tǒng)傳送 。 利用這樣的系統(tǒng)就能夠完成通信 、 自動控制和遙測 。 擴頻通信系統(tǒng)基本上是一個數(shù)字通信系統(tǒng) ,電路大部分采用數(shù)字電路 ,可以實現(xiàn)集成化 。 集成電路體積小 ,功耗低 ,電氣性能穩(wěn)定可靠 ,用集成電路模塊組成的系統(tǒng) ,適合移動通信的要求 。 由于系統(tǒng)傳送的是數(shù)字信號 ,系統(tǒng)的終端便于與微處理機相連接 ,可以直接進行人 —機對話 ,實現(xiàn)現(xiàn)代通信 ,因此 ,也就增加了系統(tǒng)使用的功能 。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 擴頻通信采用不同的正交編碼來區(qū)分收發(fā)信號 ,實現(xiàn)雙工 ,利用數(shù)字間控空隙可接收信號 。 若在通信系統(tǒng)中有轉(zhuǎn)接中心時 ,可采用收發(fā)不同頻率的異頻雙工 ,一般系統(tǒng)要實現(xiàn)同頻雙工都是很困難的 ,而對異頻雙工組網(wǎng)多址通信那就更難了 。 擴頻系統(tǒng)不但具有數(shù)字通信的特性 ,而且還具有抗衰落的能力 。 這是因為 ,擴頻通信系統(tǒng)所傳送的信號頻譜己擴展很寬 ,頻譜密度很小 ,在傳輸中存在小部分頻譜衰落時 ,不會使信號造成嚴重畸變 。 擴頻信號的功率 、 譜密度遠比普通信號小 ,這樣在任意窄的頻率范圍內(nèi) ,發(fā)送的功率都很低 ,如果信號在傳播中局部頻譜損耗 ,也不會嚴重影響整個信號的傳輸 。 以上是擴頻通信的特點 。 但是 ,并不是在同一系統(tǒng)內(nèi)必須同時利用上述的所有特點 ,可以只利用其中的某一個 。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) (Shannon)公式 。 香農(nóng)公式可用于實際的有擾連續(xù)信道 ,當信道受到加性高斯噪聲的干擾 ,且信道傳輸信號的功率和信道的帶寬受限時 ,它可以表示為 式中 ,C是信道容量 (b/s),W是信道帶寬 ,N=n0W是噪聲功率 , n0是單邊噪聲功率譜密度 ,S是信號功率 。 香農(nóng)公式表明了一個信道無誤差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 。 )1()1(0 NSWl bWnSWl bC ???? (62) 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 對于干擾環(huán)境中的典型情況 ,即 S／ N1時 , (63) 例如 ,我們希望一個系統(tǒng)工作于干擾比信號大 100倍的環(huán)境中 ,要求的傳信率是 3000 b/s， 由式 (63),系統(tǒng)應(yīng)有的帶寬為 由上式可以看出 ,對任意給定的信噪比 ,只要增加用于傳輸信息的帶寬 ,理論上就可以增加在信道中無誤差地傳輸信息率 。 也就是說 ,當輸入一定帶寬的信息時 ,輸入信噪比與信號帶寬 W可以互換 。 這充分說明了用一個帶寬為信息帶寬幾百倍的寬帶信號來傳輸信息 ,可以大大提高通信系統(tǒng)的信噪比 ,增強抗干擾能力 。 這就是用擴展信號頻譜方法來提高通信系統(tǒng)抗干擾的理論根據(jù)及 指導(dǎo)思想 ,也是擴頻通信的理論基礎(chǔ) 。 NSWC ?HzW 53 103100 ?????第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 由此可見 ,只要將欲傳輸?shù)男畔⑾扔媚撤N方式擴展其頻譜 ,再把接收的擴頻信號的頻譜變換到原始信息帶寬 ,信噪比就可以大大提高 。 為了進一步闡述擴頻的概念 ,我們把一個 D維信號用一個 M維信號空間的正交集來表示 ,即 ????Mkkiki tsts1)()( 1≤ i≤ D,0≤ t≤ T (64) 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 式中 , {Φk(t),1≤k≤M}是一個正交函數(shù)集： i=j0 i≠j (65) 每一個信號的平均能量是 (66) 將這個 D維信號的能量均勻分布于 M維信號空間的互相正交的 M個基本方向 ,且使每一個分量的平均值為零 。 這樣就有下列方程 : 1≤ i≤ D (67) ????????01)()(0ijdtttT ki ??????MksikTi Esdtts1202 )(Msilik MEss ????????第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 下面再考察一個分布于 M維空間的干擾 : 其總能量是 設(shè)干擾是均值為零的加性干擾 。 這樣 ,接收信號可表示為 r(t)=s(t)+J(t) (610) ????Mkkk tJtJ1)()(0≤ t≤ T (68) ?????MkJkT EJdttJ1202 )((69) 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 使接收信號同某個信號相關(guān) ,第 i個相關(guān)器輸出為 信號和干擾相互獨立 ,因此條件均值 已假設(shè)信號是 D維的 ,在每一個分量能量相等的條件下 , ??????MkkikikTii sJsdttstrU120)()()((611) sMkikii EssUE ?? ?? 12)|((612) DEUE si ?)( (613) 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 由式 (611)和式 (612),再利用式 (67)和式 (69),可得條件方差為 方差是 接收機性能由信噪比衡量 。 信噪比可用下式來計算 : MEEssJJsUV ar jslkilijlkiil?? ?)|((614) DMEEUV ar jsi ?)((615) DMEEDMEEDEUV a rUES N Rjsjss ???22 )/()()( (616) 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 這一結(jié)果同干擾如何分配其能量無關(guān) , 即在約束條 , 不管如何選擇 Jk,式 (616)給出了經(jīng)擴維處理后信號相對于干擾的增益為 M／ D。 這一系數(shù)就是處理增益 ,它正好等于可能的信號空間維數(shù) (這個信號空間正是干擾試圖占有的空間 )同傳輸信號實際需要的維數(shù)之比 。 假設(shè)信號長度是 T,信號帶寬是 B=Rb,擴譜后信號帶寬成為 fss,擴譜前后的信號維數(shù)可近似為 2RbT和 2 fss T。 因此 ,處理增益是 jMkk EJ ???12bssp RfG ? (617) 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 上式說明 ,處理增益等于擴譜帶寬 fss和傳送信息所需的最小帶寬 Rb之比 ,處理增益也稱為擴頻比 （ spreading ratio） ,在這里也等于擴頻因子 。 由式 （ 617） 可知 ,通信接收機的誤差概率性能取決于比率 SNR 。 所以從通信者的角度看 ,目的應(yīng)該是使 Ej/Es最小 (通過選擇 Es)和使處理增益最大 (通過對一給定的期望信息速率 Rb選擇 fss)。 處理增益是擴頻系統(tǒng)的性能量度 ,它表示擴頻通信系統(tǒng)信噪比改善的程度 ,但是由這一指標還不能說明擴頻系統(tǒng)就能在干擾比信號大 Gp倍的環(huán)境中正常工作 。 在擴頻系統(tǒng)中 ,衡量系統(tǒng)抗干擾能力的常用參數(shù)為干擾容限 。 干擾容限是指保證系統(tǒng)輸出端達到門限信噪比的情況下 ,接收機輸入端能承受的干擾信號比有用信號高出的分貝 (dB)數(shù) ,其數(shù)學表達式為 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 式中 ,Mj為干擾容限 ,Gp為處理增益 ,Ls為系統(tǒng)損耗 ,S/N是系統(tǒng)輸出端必需的信噪比。 在擴頻通信系統(tǒng)中 ,除需對所傳送的信息進行第一次調(diào)制處理外 ,還需對其調(diào)制頻譜進行第二次調(diào)制 ,以達到擴展頻譜的目的 。 按照頻譜擴展方式的不同 ,擴頻通信系統(tǒng)可分為以下幾種基本形式： ][ NSLGM spj ???(618) 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) (1) 直 接 序 列 擴 頻 , 簡 稱 直 擴 （ Direct Sequencing,DS） 。 要傳送的信息經(jīng)偽隨機序列 (或稱偽噪聲碼 )編碼后對載波進行調(diào)制 。 在發(fā)信端直接用擴頻序列去擴展信號的頻譜 ,在收信端 ,用相同的擴頻碼序列進行解擴 ,將展寬的頻譜擴展信號還原成原始信號 。 因為偽隨機序列的速率遠大于要傳送信息的速率 ,所以受調(diào)信號的頻譜寬度將遠大于要傳送信息的頻譜寬度 ,故稱之為擴頻 。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) （ 2） 跳頻 (Frequency Hopping,FH)。 荷載信息的信號頻率受偽隨機序列的控制 ,快速地在一個頻段中跳變 ,此跳變的頻段范圍遠大于要傳送信息所占的頻譜寬度 ,故跳頻也屬于擴頻技術(shù) 。 只要收 、 發(fā)信雙方保證時 —頻域上的調(diào)頻順序一致 ,就能確保雙方的可靠通信 。 在每一個跳頻時間的瞬時 ,用戶所占用的信道帶寬是窄帶頻譜 ,隨著時間的變換 ,一系列的瞬時窄帶頻譜在一個很寬的頻帶內(nèi)跳變 ,形成一個很寬的跳頻帶寬 。 （ 3） 跳時 (Time Hopping,TH)。 把每個信息碼元劃分成若干個時隙 ,此信息受偽隨機序列的控制 ,以突發(fā)的方式隨機地占用其中一個時隙進行傳輸 。 因為信號在時域中壓縮其傳輸時間 (占空比 l／ n),相應(yīng)地在頻域中要擴展其頻譜寬度 ,故跳時也屬于擴頻技術(shù) 。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) （ 4） 線性調(diào)頻擴頻 (Chirp)。 線性調(diào)頻擴頻 (Chirp)是指在給定脈沖持續(xù)間隔內(nèi) ,系統(tǒng)的載頻線性地掃過一個很寬的頻帶 。 因為頻率在較寬的頻帶內(nèi)變化 ,所以信號的帶寬被展寬 。 （ 5） 混合擴頻 。 幾種不同的擴頻方式混合應(yīng)用 ,如直擴和跳頻的結(jié)合 (DS／ FH),跳頻與跳時的結(jié)合 (FH／ TH),以及直擴 、 跳頻與跳時的結(jié)合 (DS／ FH／ TH)等 。 在擴頻系統(tǒng)中 ,直擴 (DS)、 跳頻 (FH)是兩種最重要的形式 ,用得很普遍的是 DS和 FH以及二者的結(jié)合 (DS／FH)。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 直接序列 (DS)擴頻系統(tǒng) １ . 擴頻系統(tǒng)可理解為擴頻和解擴的變換對 。 從形式上講 ,擴頻無線通信的發(fā)射機和接收機的工作都可以分成兩個步驟 : 第一步我們稱為一次調(diào)制 ,重要任務(wù)是形成窄帶信號 sn；第二步是二次調(diào)制 ,目的是進行 ε()運算 。 運算的目的是將原有窄帶信號的頻譜擴展到一個非常寬的頻帶范圍 。 擴展頻帶后的寬帶信號記為 sw。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 在接收端 ,第一步工作是解擴譜 。 從形式上講 ,解擴譜運算可以表示為 ε1 ()=ε() （ 619） 上式表明 ,解擴譜和擴譜是完全一樣的運算 。 換句話說 ,在解擴譜之后 ,寬帶信號 sw被還原成原來的窄帶信號形式 sn,這意味著信號頻譜的還原 ,用于窄帶信號解調(diào)的標準方法在這里也可以使用 。 這樣做的目的是為了抗阻塞性的噪聲干擾 。 擴頻的一個重要應(yīng)用是解決在出現(xiàn)有強烈的干擾情況下的可靠通信的問題 。 如果我們假定收到信號 sw,同時伴有很強的窄帶干擾信號 in (t),則解擴過程的結(jié)果可以表達為 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) ε1 (sw+in)=ε1［ ε(sn)］ +ε1 (in) =sn+ε(in) =sn+in （ 620） 這樣 ,解擴頻過程就將輸入的信號轉(zhuǎn)變成一個有用的窄帶信號和若干寬帶信號之和 。 再經(jīng)過窄帶濾波運算 F( )之后 ,得到 F(sn +iw) ≡ sn +F(iw)= sn+iwr （ 621） 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 由于帶通濾波器的帶寬 Bn等于窄帶信號 sn的帶寬 ,因此僅有一小部分干擾信號的能量將通過濾波器 ,成為殘余干擾 iwr,這是因為 iw帶寬 Bw遠遠大于 Bn,意味著噪聲頻譜被擴散 。 如果對信號和噪聲只在有限的頻率區(qū)間 (即信息區(qū)間 )取值 ,則信號的能量全部取出 ,而噪聲的能量只取其擴散后能量的一小部分 ,這就是對信號和對噪聲的非等價處理過程 ,大大抑制了噪聲 ,從而提高了輸出信噪比