【正文】 t) 由于窄帶噪聲和多徑干擾與本地?cái)U(kuò)頻信號(hào)不相關(guān) ,故在相關(guān)處理中被削弱 ,干擾信號(hào)與本地?cái)U(kuò)頻碼卷積積分 , 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)擴(kuò)頻帶寬內(nèi) ,降低了干擾電平 ,如圖 65(b)所示 。c(u,t)復(fù)合信號(hào)對(duì)載波調(diào)制后 ,通過(guò)發(fā)射機(jī)和天線送入信道中傳輸 。 二進(jìn)制數(shù)碼中所含的兩個(gè)符號(hào)的先驗(yàn)概率相同 ,均為 1/2,且兩個(gè)符號(hào)相互獨(dú)立 ,碼速率也比較低 ,其波形如圖 64 (a) 所示 ,二進(jìn)制數(shù)字信號(hào) d(u,t)與圖 64(b)所示的一個(gè)高速率的二進(jìn)制偽隨機(jī)碼 (偽隨機(jī)碼為 m序列 )c(u,t)波形相乘 ,得到如圖 64(c)所示的復(fù)合信號(hào) d(u,t) 擴(kuò)頻和解擴(kuò)是用信碼控制的 ,收發(fā)的調(diào)制與解調(diào)碼序列必須相同 ,起始相位和重復(fù)周期也必須同步 。 如果對(duì)信號(hào)和噪聲只在有限的頻率區(qū)間 (即信息區(qū)間 )取值 ,則信號(hào)的能量全部取出 ,而噪聲的能量只取其擴(kuò)散后能量的一小部分 ,這就是對(duì)信號(hào)和對(duì)噪聲的非等價(jià)處理過(guò)程 ,大大抑制了噪聲 ,從而提高了輸出信噪比 。 這樣做的目的是為了抗阻塞性的噪聲干擾 。 擴(kuò)展頻帶后的寬帶信號(hào)記為 sw。 在擴(kuò)頻系統(tǒng)中 ,直擴(kuò) (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)。 線性調(diào)頻擴(kuò)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(guò)一個(gè)很寬的頻帶 。 （ 3） 跳時(shí) (Time Hopping,TH)。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) （ 2） 跳頻 (Frequency Hopping,FH)。 按照頻譜擴(kuò)展方式的不同 ,擴(kuò)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(kuò) 頻 , 簡(jiǎn) 稱 直 擴(kuò) （ Direct Sequencing,DS） 。 處理增益是擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能量度 ,它表示擴(kuò)頻通信系統(tǒng)信噪比改善的程度 ,但是由這一指標(biāo)還不能說(shuō)明擴(kuò)頻系統(tǒng)就能在干擾比信號(hào)大 Gp倍的環(huán)境中正常工作 。 假設(shè)信號(hào)長(zhǎng)度是 T,信號(hào)帶寬是 B=Rb,擴(kuò)譜后信號(hào)帶寬成為 fss,擴(kuò)譜前后的信號(hào)維數(shù)可近似為 2RbT和 2 fss T。 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(gè)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 。 這充分說(shuō)明了用一個(gè)帶寬為信息帶寬幾百倍的寬帶信號(hào)來(lái)傳輸信息 ,可以大大提高通信系統(tǒng)的信噪比 ,增強(qiáng)抗干擾能力 。 香農(nóng)公式可用于實(shí)際的有擾連續(xù)信道 ,當(dāng)信道受到加性高斯噪聲的干擾 ,且信道傳輸信號(hào)的功率和信道的帶寬受限時(shí) ,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(hào)功率 。 擴(kuò)頻信號(hào)的功率 、 譜密度遠(yuǎn)比普通信號(hào)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(hào)在傳播中局部頻譜損耗 ,也不會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)信號(hào)的傳輸 。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 擴(kuò)頻通信采用不同的正交編碼來(lái)區(qū)分收發(fā)信號(hào) ,實(shí)現(xiàn)雙工 ,利用數(shù)字間控空隙可接收信號(hào) 。 利用這樣的系統(tǒng)就能夠完成通信 、 自動(dòng)控制和遙測(cè) 。 通過(guò)對(duì)寬帶擴(kuò)頻信號(hào)的相關(guān)檢測(cè) ,可以使擴(kuò)頻系統(tǒng)具有很高的距離鑒別力 。 利用脈沖在信道中的傳輸時(shí)延可以計(jì)算出傳播距離 ,時(shí)延測(cè)量的不確定度與脈沖信號(hào)帶寬成反比 。 即便是知道了地址碼 ,解出了加密的發(fā)射信息信號(hào) ,如果不了解密鑰 ,不采取相應(yīng)的解密措施 ,也還是聽不懂對(duì)方的講話 ,解不出正確的數(shù)字 、 文字符號(hào) ,所以擴(kuò)頻系統(tǒng)通信安全性好 。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) （ 2) 數(shù)字信息易加密 。 此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使得除既定接收者以外的任何一方檢測(cè)到信號(hào)的難度盡可能地大 。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 3. 擴(kuò)頻通信是一種比較安全 、 可靠的通信 ,其原因如下： （ 1) 信號(hào)功率密度低 。 目前國(guó)際上已能達(dá)到60～ 70個(gè)用戶同時(shí)通話 。 所以 ,擴(kuò)頻通信是一種多地址通信 ,而且地址號(hào)碼可以隨機(jī)變動(dòng) 。 （ 1） 將擴(kuò)展頻譜技術(shù)與正交編碼方法結(jié)合起來(lái) ,可以構(gòu)成碼分選址通信 。 另外需要指出 ,上述擴(kuò)頻信號(hào)與非擴(kuò)頻信號(hào)性能的比較 ,都是在信號(hào)總平均功率相等的前提下完成的 。 圖 61(b)的上圖是擴(kuò)頻前的信號(hào)受到干擾的情形 ,設(shè)接收到的干擾功率為 J,則干擾功率譜密度 J0=J/B。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 圖 61 (a) 白噪聲環(huán)境； (b) 人為干擾環(huán)境 B擴(kuò)頻前G ( f )fN0B擴(kuò)頻前G ( f )fJ0＝ J / B擴(kuò)頻后Gss( f )N0fssf施加干擾方式 1擴(kuò)頻后Gss( f )fssfGss( f )fssf施加干擾方式 2擴(kuò)頻后J0/ ?( a ) ( b )第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 從圖 61中可看到白噪聲和人為干擾噪聲下的擴(kuò)頻效果 。 我們假定干擾者無(wú)法確定當(dāng)前使用的信號(hào)子集 ,比如對(duì)于帶寬 B,持續(xù)時(shí)間 T的信號(hào) ,可以證明其信號(hào)維數(shù)約為2BT,而系統(tǒng)的誤碼率性能只是信噪比 S／ N的函數(shù) 。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) （ 2） 擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能決定于系統(tǒng)對(duì)信號(hào)與噪聲功率的壓縮和擴(kuò)展處理的比值 ,該處理增益越大 ,則系統(tǒng)抗干擾能力就越強(qiáng) 。 也可以用各種碼序列來(lái)控制產(chǎn)生載頻的頻率合成器的頻率變化 ,使電臺(tái)工作頻率在一個(gè)較寬頻帶內(nèi)隨機(jī)跳變 。 （ 3） 接收端解擴(kuò)是將接收到的擴(kuò)頻信號(hào)與擴(kuò)頻信號(hào)的同步副本通過(guò)相關(guān)處理來(lái)完成的 。 當(dāng) fss/B=1～ 2,即射頻信號(hào)帶寬略大于信息帶寬時(shí) ,稱為窄帶通信； 當(dāng) fss /B=50以上 ,即射頻信號(hào)帶寬大于信息帶寬時(shí) ,稱為寬帶通信； 當(dāng) fss /B=50 =100以上 ,即射頻信號(hào)帶寬遠(yuǎn)大于信息帶寬時(shí) ,稱為擴(kuò)頻通信。 當(dāng)調(diào)制指數(shù) mf=(Δ ω /ω m) 1時(shí) ,調(diào)頻信號(hào)為窄帶； 當(dāng)調(diào)制指數(shù) mf 1時(shí) ,調(diào)頻信號(hào)為寬帶 。 在隨后的數(shù)年中 ,出于提高通信系統(tǒng)抗干擾性能的需要 ,擴(kuò)頻技術(shù)的研究得以廣泛開展 ,并且出現(xiàn) 了許多其他的應(yīng)用 ,例如降低能量密度 、 高精度測(cè)距 、 多址接入等 。 到了第二次世界大戰(zhàn)末期 ,通過(guò)擴(kuò)展頻譜的方法達(dá)到抗干擾的目的已成為雷達(dá)工程師們熟知的概念 。 邊頻分量以間隔 ωc對(duì)稱分布在載頻的 兩側(cè) ,具有一定帶寬 。 通常規(guī)定： 如果信息帶寬為 B,擴(kuò)頻信號(hào)帶寬設(shè)為fss,則擴(kuò)頻信號(hào)帶寬與信息帶寬之比為 fss /B,稱為擴(kuò)頻因子 。 （ 2） 擴(kuò)頻是由擴(kuò)頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)的 ,擴(kuò)頻信號(hào)通常稱為編碼信號(hào) ,與數(shù)據(jù)無(wú)關(guān) 。 例如 ,高速碼元序列的時(shí)鐘為 5MHz ,則 fss =10 MHz；而信息基帶為 B=10 kHz ,則 fss /B＝ 1000。 這種 “ 去掉干擾 ” 能力的功能是擴(kuò)頻通信的主要優(yōu)點(diǎn)之一 ,現(xiàn)分析如下： （ 1） 當(dāng)接收機(jī)本地解擴(kuò)碼與收到的信號(hào)碼完全一致時(shí) ,所需要的信號(hào)恢復(fù)到未擴(kuò)頻前的原始帶寬 ,而其他任何不匹配的干擾信號(hào)被接收機(jī)擴(kuò)散到更寬的頻帶 ,從而使落入到信息帶寬范圍的干擾強(qiáng)度 被大大降低了 ,當(dāng)通過(guò)窄帶濾波器 (帶寬為信息帶寬 )時(shí) ,就全部抑制了濾波器的帶外干擾信號(hào) 。 擴(kuò)頻抗干擾系統(tǒng)的思想是這樣的： 通信鏈路中有許多正交信號(hào)坐標(biāo)點(diǎn)或維度可供選擇 ,在任一時(shí)段只選用其中的一個(gè)很小的子集 。 ② 在某些信號(hào)坐標(biāo)上施放高強(qiáng)度的干擾也可以理解為在各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)上施加強(qiáng)度不一的干擾 。 因此 ,在這里頻譜的擴(kuò)展并沒有帶來(lái)性能的提升 。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 通信可選擇的信號(hào)維數(shù)越高 (或者說(shuō)信號(hào)坐標(biāo)范圍越大 ),對(duì)干擾者來(lái)說(shuō) ,進(jìn)行有效干擾的難度就越大 ,因此抗干擾的性能就越好 。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 2. 可隨機(jī)接入 , 擴(kuò)頻通信之所以能夠迅速得到發(fā)展的另一個(gè)主要原因 ,就是可以進(jìn)行選址通信 ,組網(wǎng)方便 ,適合機(jī)動(dòng)靈活的戰(zhàn)術(shù)通信 。 各電臺(tái)號(hào)碼可以隨機(jī)改變 ,還可以用微處理機(jī)程序進(jìn)行控制 ,若想變更電臺(tái)號(hào)碼 ,只要給電臺(tái)內(nèi)微處理器送入相應(yīng)的程序即可 。 在同一信道內(nèi) ,若幾十對(duì)電臺(tái)同時(shí)通話 ,可以做到互不影響 。 （ 4) 如果單純地從窄帶信號(hào)被擴(kuò)展為寬帶信號(hào)來(lái)看 ,擴(kuò)頻通信似乎頻帶利用率很低 ,但實(shí)際上 ,由于擴(kuò)頻碼實(shí)現(xiàn)了碼分多址 ,地址數(shù)可以由幾百增加到幾千個(gè) ,雖然每個(gè)用戶占用的時(shí)間是有限的 ,但是用戶對(duì)可以同時(shí)占用同一頻帶 ,這就有效地利用了頻帶 ,大大提高了頻帶的利用率 。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) (Low Probability of Detection,LPD) 或 低 截 獲 概 率 (Low Probability of Intercept,LPI) 通信系統(tǒng) 。 對(duì)于不知道同步擴(kuò)頻信號(hào)的接收者而言 ,擴(kuò)頻信號(hào)好像 “ 埋藏在噪聲中 ” 一樣難 以檢測(cè) 。 擴(kuò)頻通信電臺(tái)地址采用偽隨機(jī)編碼 ,可以進(jìn)行數(shù)字加密 ,在收端如不掌握發(fā)端信號(hào)隨機(jī)碼的規(guī)律 ,是接收不到信號(hào)的 ,收到的只是一片噪聲 。 4. 擴(kuò)頻信號(hào)可用于測(cè)距和定位 。 接收端對(duì)接收序列和本地移位序列進(jìn)行相關(guān)檢測(cè) ,即可精確測(cè)定時(shí)延和距離 。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) 5. 當(dāng)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)所傳輸?shù)男盘?hào)是模擬信號(hào)時(shí) ,對(duì)擴(kuò)頻的跳頻電臺(tái) ,可以直接調(diào)制傳輸 ,也可以將模擬信號(hào)經(jīng) A／ D變換成數(shù)字信號(hào) ,然后送到擴(kuò)頻跳頻系統(tǒng)或碼分直擴(kuò)系統(tǒng)傳送 。 由于系統(tǒng)傳送的是數(shù)字信號(hào) ,系統(tǒng)的終端便于與微處理機(jī)相連接 ,可以直接進(jìn)行人 —機(jī)對(duì)話 ,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代通信 ,因此 ,也就增加了系統(tǒng)使用的功能 。 這是因?yàn)?,擴(kuò)頻通信系統(tǒng)所傳送的信號(hào)頻譜己擴(kuò)展很寬 ,頻譜密度很小 ,在傳輸中存在小部分頻譜衰落時(shí) ,不會(huì)使信號(hào)造成嚴(yán)重畸變 。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) (Shannon)公式 。 也就是說(shuō) ,當(dāng)輸入一定帶寬的信息時(shí) ,輸入信噪比與信號(hào)帶寬 W可以互換 。 為了進(jìn)一步闡述擴(kuò)頻的概念 ,我們把一個(gè) D維信號(hào)用一個(gè) M維信號(hào)空間的正交集來(lái)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(gè)正交函數(shù)集： i=j0 i≠j (65) 每一個(gè)信號(hào)的平均能量是 (66) 將這個(gè) D維信號(hào)的能量均勻分布于 M維信號(hào)空間的互相正交的 M個(gè)基本方向 ,且使每一個(gè)分量的平均值為零 。 這一系數(shù)就是處理增益 ,它正好等于可能的信號(hào)空間維數(shù) (這個(gè)信號(hào)空間正是干擾試圖占有的空間 )同傳輸信號(hào)實(shí)際需要的維數(shù)之比 。 所以從通信者的角度看 ,目的應(yīng)該是使 Ej/Es最小 (通過(guò)選擇 Es)和使處理增益最大 (通過(guò)對(duì)一給定的期望信息速率 Rb選擇 fss)。 在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中 ,除需對(duì)所傳送的信息進(jìn)行第一次調(diào)制處理外 ,還需對(duì)其調(diào)制頻譜進(jìn)行第二次調(diào)制 ,以達(dá)到擴(kuò)展頻譜的目的 。 因?yàn)閭坞S機(jī)序列的速率遠(yuǎn)大于要傳送信息的速率 ,所以受調(diào)信號(hào)的頻譜寬度將遠(yuǎn)大于要傳送信息的頻譜寬度 ,故稱之為擴(kuò)頻 。 在每一個(gè)跳頻時(shí)間的瞬時(shí) ,用戶所占用的信道帶寬是窄帶頻譜 ,隨著時(shí)間的變換 ,一系列的瞬時(shí)窄帶頻譜在一個(gè)很寬的頻帶內(nèi)跳變 ,形成一個(gè)很寬的跳頻帶寬 。 第 6章 寬帶抗干擾技術(shù) （ 4） 線性調(diào)頻擴(kuò)頻 (Chirp)。 幾種不同的擴(kuò)頻方式混合應(yīng)用 ,如直擴(kuò)和跳頻的結(jié)合 (DS／ FH),跳頻與跳時(shí)的結(jié)合 (FH／ TH),以及直擴(kuò) 、 跳頻與跳時(shí)的結(jié)合 (DS／ FH／ TH)等 。 運(yùn)算的目的是將原有窄帶信號(hào)的頻譜擴(kuò)展到一個(gè)非常寬的頻帶范圍 。 換句話說(shuō) ,在解擴(kuò)譜之后 ,寬帶信號(hào) sw被還原成原來(lái)的窄帶信號(hào)形式 sn,這意味著信號(hào)頻譜的還原 ,用于窄帶信號(hào)解調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)方法在這里也可以使用 。 再經(jīng)過(guò)窄帶濾波運(yùn)算 F( )之后 ,得到 F(sn +iw) ≡ sn +F(iw)= sn+iwr （ 621） 第