【文章內(nèi)容簡介】 PjGNSfFWNSfNS T WfNEfP o w??????? 因此，可通過提高處理增益 GP降低對 S/N 的要求，在強(qiáng)干擾條件下保證可靠安全的通信。 擴(kuò)頻通信的特點 由于擴(kuò)頻通信在發(fā)射端用偽隨機(jī)碼進(jìn)行了擴(kuò)頻調(diào)制，接收端用了相關(guān)的解擴(kuò)技術(shù)，與其他通信手段相比，具有其獨(dú)特的特點。下面對其獨(dú)特的特點進(jìn)行簡要介紹： 抗干擾性能強(qiáng) 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)擴(kuò)展的頻譜越寬，處理增益越高，抗干擾性能越強(qiáng)，擴(kuò)頻通信對單頻及多頻載波信號的干擾，其他偽隨機(jī)調(diào)制信號的干擾以及脈沖正弦信號的干擾，都有抑制干擾提高輸出的信噪比的作用，特別是對擴(kuò)敵方人為干擾方面，效果更為突出。另外，由于在接收端采用了擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行相關(guān)檢測，即使采用同類型信號進(jìn)行干擾，如果不能檢測出有用信號的碼序列，干擾也起不了太大的作用。 通信原理 課程設(shè)計 8 誤碼率低、通信穩(wěn)定可靠、保密性好 在充滿噪聲和干擾的環(huán)境中能檢差錯，保密的進(jìn)行工作，一般的誤碼率為 10^(10)。特別是銀行系統(tǒng)進(jìn)行同城票據(jù)傳輸，以前 的調(diào)頻設(shè)備其誤碼率較高，其工作穩(wěn)定可靠性差，采用擴(kuò)頻技術(shù)，誤碼率就低了。保密性好是擴(kuò)頻通信最初在軍事通信中獲得應(yīng)用的主要原因。由于擴(kuò)頻系統(tǒng)使用周期很長的偽隨機(jī)友進(jìn)行擴(kuò)頻，經(jīng)調(diào)制后的數(shù)字信息類似于隨機(jī)噪聲，在接收端進(jìn)行解擴(kuò)時，只有采用與發(fā)送端同步的擴(kuò)頻碼才能正確恢復(fù)發(fā)送的信息。而且在不知偽隨機(jī)碼時破譯是很困難的，所以使信息得到了保密。此外，由于擴(kuò)頻信號的頻譜被擴(kuò)展到很寬的頻帶內(nèi)，其功率譜密度也隨之降低（可明顯低于環(huán)境噪聲和干擾電平），難以檢測，所以信號具有隱蔽性。 抗多徑干擾 在無線電通信的各個頻段，都不 同程度的存在大量各種類型的多徑干擾，成為多年難以解決的問題之一。在擴(kuò)頻通信中，可以采用分集技術(shù)和梳妝濾波器技術(shù)，能有效地解決這一問題。 具有多址功能，易于實現(xiàn)碼分多址 由于擴(kuò)頻通信中存在擴(kuò)頻碼序列的擴(kuò)頻調(diào)制，可充分利用各種不同碼型擴(kuò)頻序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，在接收端利用相關(guān)檢測技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò)，則在分配給不同用戶不用碼型的情況下，系統(tǒng)可以區(qū)分不同用戶的信號，這樣在同一頻帶上許多用戶可以同時通話而互不干擾。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中采用偽隨機(jī)序列擴(kuò)頻，在實際的通信系統(tǒng)中可以利用不同的偽隨機(jī)序列作為不同用戶的地址碼，從而實現(xiàn)碼多分址。 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的優(yōu)越性 擴(kuò)頻通信的基本特點是傳輸信息所用的信號帶寬遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬，也因為如此，擴(kuò)頻通信具有一些其它通信方式無法比擬的 優(yōu)越性： 擴(kuò)頻通信最為顯著的優(yōu)越性是其極強(qiáng)的抗干擾性。理論上講它可以在信噪比為負(fù)值，即信號被噪聲淹沒的情況下，將信號提取出來。對于單頻及多頻都有比較強(qiáng)的抑制作用，即使采用同類型的信號干擾，也由于擴(kuò)頻碼序列之間的不相關(guān)性，干擾不起太大作用。 通信原理 課程設(shè)計 9 擴(kuò)頻通信的另一個優(yōu)越性是其隱蔽性好。由于擴(kuò)頻信號的頻帶較寬，所以信號的功率譜密度很低，敵方不容易發(fā)現(xiàn)信號的存在，在戰(zhàn)爭中，擴(kuò)頻信號的被截獲率很低，可以進(jìn)行隱蔽通信。從民用通信方面來說，由于擴(kuò)頻信號的隱蔽性好，它對目前使用的各中窄帶通信系統(tǒng)干擾很小。理論和實驗證明， 在原有的窄帶通信的頻帶內(nèi)同時進(jìn)行擴(kuò)頻通信，不需要分配另外的頻段，即可實現(xiàn)。 擴(kuò)頻通信可以很容易地實現(xiàn)碼分多址，提高頻帶的利用率。由于擴(kuò)頻通信中存在擴(kuò)頻碼序列的擴(kuò)頻調(diào)制，利用不同碼型的擴(kuò)頻碼序列之間優(yōu)越的自相關(guān)性和互相關(guān)性，對不同的用戶分配不同的碼型，使多個用戶公用一個寬頻帶，提高了系統(tǒng)的容量。同時還有利于組網(wǎng)、選呼、增加保密性及解決新用戶隨時入網(wǎng)的問題。 除此之外，擴(kuò)頻通信還具有良好的抗多經(jīng)干擾的能力，使無線通信的性能變得更加可靠。除通信以外，擴(kuò)頻系統(tǒng)還可用于定時、定位及測距，應(yīng)用在導(dǎo)航、雷達(dá)等系統(tǒng)中。 擴(kuò)頻通信的分類 直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng) 直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)（ Direct Sequece Spread Spectrum Communication Systems， DSSS），通常簡稱為直接序列系統(tǒng)或直擴(kuò)系統(tǒng)，是用待傳輸?shù)男畔⑿盘柵c高速率的偽隨機(jī)碼波形相乘后，去直接控制射頻信號的某個參量，來擴(kuò)展傳輸信號的帶寬。 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)（ Frequecy Hopping Spread Spectrum Communication Systems， FHSS）的簡稱，或更簡單地稱為跳頻通信系統(tǒng)，確切地說應(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 個離散頻率，在如此多的離散頻率中，每次輸出哪一個是由偽隨機(jī)碼決定的。 跳時擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 通信原理 課程設(shè)計 10 跳時擴(kuò)頻通信系統(tǒng)（ Time Hopping Spread Spectrum Communication Systems，THSS）是時間跳變擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)的簡稱，主要用于時分多 址 (TDMA)通信中。與跳頻系統(tǒng)相似，跳時是使發(fā)射信號在時間軸上離散地跳變。我們先把時間軸分成許多時隙，這些時隙在跳時擴(kuò)頻通信中通常稱為時片，若干時片組成一跳時時間幀。在一幀內(nèi)哪個時隙發(fā)射信號由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制。因此，可以把跳時理解為：用一偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行選擇的多時隙的時移鍵控。由于采用了窄得很多的時隙去發(fā)送信號，相對說來，信號的頻譜也就展寬了。 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間間隔內(nèi)線性地掃過一個寬帶范圍，形成一帶寬較寬的掃頻信號，或者說載頻在一給定 的時間間隔內(nèi)線性增大或減小，使得發(fā)射信號的頻譜占據(jù)一個寬的范圍。在語音頻段，線性調(diào)頻聽起來類似于鳥的“啾啾”叫聲，所以線性脈沖調(diào)頻也稱為鳥聲調(diào)制。 br/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。 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，單獨(dú)使用其中一種系統(tǒng)時有時難以滿足要求，將以上幾種擴(kuò)頻方法結(jié)合起來就構(gòu)成了混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。常見的有頻率跳變 直接序列混合系統(tǒng) (FH/DS)，直接 序列 時間跳變混合系統(tǒng) (DS/TH)，頻率跳變時間跳變混合系統(tǒng) (HF/TH)等。它們比單一的直接序列、跳頻、跳時體制有更優(yōu)良的性能。 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的部分名詞解釋 高斯白噪聲 白噪聲是指功率譜密度在整個頻域內(nèi)均勻分布的噪聲。即其功率譜密度 : ( 為常數(shù) ), （ 3） 白噪聲的自相關(guān)函數(shù) : 因為 ，所以其自相關(guān)函數(shù)為 : 通信原理 課程設(shè)計 11 （ 4） 由式 (4)可知，白噪聲的自相關(guān)函數(shù)僅在 時才不為零 。而對于其他任意的 ，它都為零。這說明只有在 時才相關(guān)，而它在任意兩個時刻上的隨機(jī)變量都是不相關(guān)的。 但是帶限的白噪聲就不是這樣的自相關(guān)函數(shù)了，因為其功率譜密度是窗函數(shù)（線段），而不是一條直線。 加性高斯白噪聲（ AWGN）從統(tǒng)計上而言是隨機(jī)無線噪聲，其特點是其通信信道上的信號分布在很寬的頻帶范圍內(nèi)。 高斯白噪聲的概念。 白 指功率譜恒定；“高斯”指幅度取各種值時的概率 p (x)是高斯函數(shù)；“加性”指 噪聲獨(dú)立于有用信號，不隨信號的改變而改變。 誤碼率 在數(shù)字通信中，誤碼率是一項主要的性能指標(biāo)。在實際測量數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率時，一般測量結(jié)果與信源送出信號的統(tǒng)計特性有關(guān)。通常認(rèn)為二進(jìn)制信號中 0 和 1是以等概率隨機(jī)出現(xiàn)的，所以測量誤碼率時最理想的信源應(yīng)是隨機(jī)信號發(fā)生器。 由于 Walsh 函數(shù)是周期性的偽隨機(jī)序列，因而可作為一種較好的隨機(jī)信源。擴(kuò)頻序列通過終端機(jī)和信道后，輸出仍為擴(kuò)頻序列。在接收端，本地產(chǎn)生一個同步的擴(kuò)頻碼，與收碼序列逐位相乘再求規(guī)格化內(nèi)積，再與發(fā)送端信源碼進(jìn)行比較，一旦有錯，誤碼計數(shù)器加一。 誤碼率的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 100%eE S?? (5) 其中 S 是信碼個數(shù)， e 是誤碼個數(shù)， E 就是誤碼率。 信噪比 測量通信系統(tǒng)的性能時，常常要使用噪聲發(fā)生器，由它給出具有所要求的統(tǒng)計特性和頻率特性的噪聲，并且可以隨意控制其強(qiáng)度，以便得到不同信噪比條件下的系統(tǒng)性能。 通信原理 課程設(shè)計 12 在實際測量中，往往需要用到帶限高斯白噪聲。本實驗中的噪聲主要有兩類，一類是用戶間相互干擾的噪聲，由于用戶信息經(jīng)過擴(kuò)頻具有偽隨機(jī)性，所以又可稱為偽噪聲；另一類是我們自己添加到信道 的高斯加性白噪聲 AWNG，它獨(dú)立于信源信號。 信噪比計算是數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 221 0 l o g 1 0 l o g 1 0 l o g)s s sn n s rES N R E ??? ? ?? ?? ? ? (6) 其中 sE 為信碼發(fā)射功率， nE 為噪聲功率， s? 為信源碼， r? 為信宿碼，計算結(jié)果單位為 dB。 DS 擴(kuò)頻通信系統(tǒng) DS 擴(kuò)頻系統(tǒng)簡述 直接序列擴(kuò)頻就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)送端去擴(kuò)展信號的頻譜。而在接收端 , 用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò) , 將展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始的信息。直擴(kuò)通信系統(tǒng)原理如圖 1 所示。 在發(fā)送端輸入的信息先經(jīng)信息調(diào)制形成調(diào)頻或調(diào)相數(shù)字信號 , 然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號以展寬信號的頻譜 , 再將展寬后的寬帶信號調(diào)制到射頻發(fā)送出去。在接收端 , 接收機(jī)接收到寬帶射頻信號后 , 首先將其變頻至中頻 , 然后通過同步電路捕捉發(fā)送來的擴(kuò)頻碼的準(zhǔn)確相位 , 由此產(chǎn)生與發(fā)送來的偽隨機(jī)碼相位完全一致的接收用的偽隨機(jī)碼 , 作為擴(kuò)頻解調(diào)用的本地擴(kuò)頻碼序列 , 最后經(jīng)信息解通信原理 課程設(shè)計 13 調(diào) , 恢復(fù)成原始信息輸出。由此可見 , 直擴(kuò)通信系統(tǒng)要進(jìn)行三次調(diào)制和相應(yīng)的解調(diào) , 分別為信息調(diào)制、擴(kuò)頻調(diào)制和射頻調(diào)制 , 以及相應(yīng)的信息解調(diào)、解擴(kuò)和射頻解調(diào)。與一般通信系統(tǒng)比較 , 擴(kuò)頻通信就是多了擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)部分。 DS 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)原理 以偽隨機(jī)碼序列作為擴(kuò)頻函數(shù)的直接序列擴(kuò)展頻譜通信為例，來研究其系統(tǒng)模型，圖 2 為其基本組成框圖，由信號源輸出的信號 a(t)是碼元持續(xù)為時間 Ta 的信息流，偽隨機(jī)碼產(chǎn)生 器產(chǎn)生高速偽隨機(jī)碼 C(t)，碼元寬度為 Tc 將信息碼 a(t)與偽隨機(jī)碼 C(t)進(jìn)行相乘或模二加，產(chǎn)生一個速率與偽隨機(jī)碼速率相同的擴(kuò)頻信號，信號的頻帶得到擴(kuò)展，再去調(diào)制載波，這樣就可以得到已擴(kuò)頻的射頻信號 s(t)。 ttCtats 0c o s)()()( ?? 在接收端，接收到的擴(kuò)頻信號經(jīng)高頻放大