【文章內容簡介】 說是采用特定的偽碼控制的多頻率移頻鍵控。 所謂跳頻，比較確切的意思是：用 一定碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調制，使載波頻率不斷地跳變，所以稱為跳頻。簡單的頻移鍵控如 2FSK，只有兩個頻率，分別代表傳號和空號。而跳頻系統(tǒng)則有幾個、幾十個、甚至上干個頻率、由所傳信息與擴頻碼的組合去進行選擇控制，不斷跳變。 跳時系統(tǒng)（ TH）就是采用跳時（ Time Hopping）方式進行擴頻， 與跳頻相似，跳時 (TH－ Time Hopping)是使發(fā)射信號在時間軸上跳變。首先把時間軸分成許多時片。在一幀內哪個時片發(fā)射信號由擴頻碼序列去進行控制?？梢园烟鴷r理解為：用 一定碼序列進行選擇的多時片的時移鍵控。 形象地說是采用特定的偽碼控制的多時片的時移鍵控 。 混合系統(tǒng)就是直擴 ,跳頻和跳時的相應組合即 DS/FH/TH 混合系統(tǒng)。 由于簡單的跳時抗于攏性不強，很少單獨使用。跳時通常都與其他方式結合使用，組成各種混合方式。 寬帶線性調頻 (Chirp Modulation)工作方式，簡稱 Chirp 方式 ,如果發(fā)射的射頻脈沖信號在一個周期內，其載頻的頻率作線性變化，則稱為線性調頻。因為其頻率在較寬的頻帶內變化，信號的頻帶也被展寬了。這種擴頻調制方式主要用在雷達中，但在通信中也有應用。發(fā)端有一 鋸齒波去調制壓控振蕩器，從而產(chǎn)生線性調頻脈沖。它和掃頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號一樣。在收端，線性調頻脈沖由匹配濾波器對其進行壓縮，把能量集中在一個很短的時間內輸出，從而提高了信噪比，獲得了處理增益。匹配濾沈陽理工大學學士學位論文 7 波器可采用色散延遲線，它是一個存儲和累加器件。其作用機理是對不同頻率的延遲時間不一樣。如果使脈沖前后兩端的頻率經(jīng)不同的延遲后一同輸出，則匹配濾波器起到了脈沖壓縮和能量集中的作用。匹配濾波器輸出信噪比的改善是脈沖寬度與調頻頻偏乘積的函數(shù)。一般，線性調頻在通信中很少應用。 在上述幾種基本的擴頻方式的基礎上，可以組合 起來，構成各種混合方式。例如DS／ FH、 DS／ TH、 DS／ FH／ TH 等等。 一般說來，采用混合方式看起來在技術上要復雜一些，實現(xiàn)起來也要困難一些。但是，不同方式結合起來的優(yōu)點是有時能得到只用其中一種方式得不到的特性。例如 DS／ FH 系統(tǒng)，就是一種中心頻率在某一頻帶內跳變的直接序列擴頻系統(tǒng)。對于 DS／ TH 方式，它相當于在擴頻方式中加上時間復用。采用這種方式可以容納更多的用戶。在實現(xiàn)上， DS 本身已有嚴格的收發(fā)兩端擴頻碼的同步。加上跳時，只不過增加了一個通－斷開關，并不增加太多技術上的復雜性。 對于 DS／ FH／ TH，它把三種擴頻方式組合在一起，在技術實現(xiàn)上肯定是很復雜的。但是對于一個有多種功能要求的系統(tǒng)， DS、 FH、 TH 可分別實現(xiàn)各自獨特的功能。 因此，對于需要同時解決諸如抗干擾、多址組網(wǎng)、定時定位、抗多徑和遠－近問題時，就不得不同時采用多種擴頻方式。 除此以外，擴頻通信還具有如下特征 : 它 是一種數(shù)字傳輸方式； 帶寬的展寬是利用與被傳信息無關的函數(shù) (擴頻函數(shù) )對被傳信息進行調制實現(xiàn)的； 在接收端使用相同的擴頻函數(shù)對擴頻信號進行相關解調，還原出被傳信息。根據(jù) 香 農 ()在信息論研 究中總結出的信道容量公式，即 香 農公式： C = WLog2(1+S/N) （ ） 式中 ： C信息的傳輸速率 S有用信號功率 W頻帶寬度 N噪聲功率 由式中可以看出： 為了提高信息的傳輸速率 C，可以從兩種途徑實現(xiàn)，既加大帶寬 W 或提高信噪比 S/N。換句話說，當信號的傳輸速率 C 一定時，信號帶寬 W 和信噪比 S/N 是可以互換的，即增加信號帶寬可以降低對信噪比的要求，當帶寬增加到一定程度，允許信噪比 進一步降低，有用信號功率接近噪聲功率甚至淹沒在噪聲之下也是可能的。擴頻通信就是用寬帶傳輸技術來換取信噪比上的好處，這就是擴頻通信的基本思想和理論依據(jù)。 沈陽理工大學學士學位論文 8 圖 擴頻通信原理圖 擴頻通信是數(shù)字通信，特別適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)同時傳輸，擴頻通信自身具有加密功能，保密性強，便于開展各種通信業(yè)務。擴頻通信容易采用碼分多址、語音壓縮等多項新技術，更加適用于計算機網(wǎng)絡以及數(shù)字化的話音、圖像信息傳輸。 直接序列擴頻通信的基本概念 所謂直接序列擴頻 (Direct Sequence Spread Spectrum）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。 其特點如下： （ 1） 直擴信號工作中信噪比比較低。 （ 2） 頻譜的擴展是直接由高碼率的擴頻碼序列進行調制而得到的。 （ 3） 擴頻碼序列多采用偽隨機碼，也稱為偽噪聲 (PN)碼序列。 （ 4） 擴頻調制方式多采用 BPSK 或 QPSK 等幅調制。擴頻和解擴的調制解調器多采用平衡調制器，制作簡單又能抑制載波。 （ 5） 模擬信息調制多采用頻率調制 (FM)，而數(shù)字信息調制多采用脈沖編碼調制(PCM)或增量調制 (DM)。 （ 6） 接收端多采用產(chǎn)生本地偽隨機碼序列對接收信號進行相關解擴，或采用匹配濾波器來解擴信號。 （ 7） 擴頻和解擴的偽隨機碼序列應有嚴格的同步，碼的搜捕和跟蹤多采用匹配濾波器或利用偽隨機碼的優(yōu)良的相關特性在延遲鎖定環(huán)中實現(xiàn)。 （ 8） 一般需要用窄帶通濾波器來排除干擾，以實現(xiàn)其抗干擾能力的提高。 輸出數(shù)據(jù) 調制器材 信道編碼器 信 道 解調器 信道解碼器 偽隨機序列發(fā)生器 偽隨機序列發(fā)生器 信息序列 沈陽理工大學學士學位論文 9 直接序列擴頻通信 的 擴頻 和解擴 過程 圖 信息的頻譜擴展過程 圖 擴頻信號的解擴過程 沈陽理工大學學士學位論文 10 由上 圖 易得如下結論 ： （ 1） 在發(fā)端，信息碼經(jīng)碼率較高的 PN 碼調制以后，頻譜被擴展了。在收端，擴頻信號經(jīng)同樣的 PN 碼解調以后，信息碼被恢復； （ 2） 信息碼經(jīng)調制、擴頻傳輸、解調然后恢復的過程，類似與 PN 碼進行了二次模二相加 的過程。 （ 3） 待傳信息的頻譜被擴展了以后，能量被均勻地分布在較寬的頻帶上，功率譜密度下降； （ 4） 擴頻信號解擴以后，寬帶信號恢復成窄帶信息，功率譜密度上升； （ 5） 相對與信息信號，脈沖干擾只經(jīng)過了一次被模二相加的調制過程，頻譜被擴展，功率譜密度下降，從而使有用信息在噪聲干擾中被提取出來。 沈陽理工大學學士學位論文 11 3 直接序 列擴頻通信原理 直擴系統(tǒng)的同步 任何數(shù)字通信系統(tǒng)都是離散信號的傳輸，要求收發(fā)兩端信號在頻率上相同和相位上一致，才能正確地解調出信息。擴頻通信系統(tǒng)也不例外。一個相干擴頻數(shù)字通信系統(tǒng)，接收端與發(fā)送端必須實現(xiàn)信息碼元同步、 PN 碼碼元和序列同步和射頻載頻同步。只有實現(xiàn)了這些同步，直擴系統(tǒng)才能正常的工作?？梢哉f沒有同步就沒有擴頻通信系統(tǒng)。同步系統(tǒng)是擴頻通信的關鍵技術。在上述幾種同步中，信息碼元時鐘可以和 PN碼元時鐘聯(lián)系起來，有固定的關系，一個實現(xiàn)了同步，另一個自然也就同步了。對于載頻同步來說，主要是針對相干 解調的相位同步而言。常見的載頻提取和跟蹤的方法都可采用。因此，這里只重點討論 PN 碼碼元和序列的同步。 同步系統(tǒng)的作用就是要實現(xiàn)本地產(chǎn)生的 PN 碼與接收到的信號中的 PN 碼同步，即頻率上相同，相位上一致。同步過程一般說來包含兩個階段： (1)接收機在一開始并不知道對方是否發(fā)送了信號，因此，需要有一個捕獲過程，即在一定的頻率和時間范圍內搜索和捕獲有用信號。這一階段也稱為起始同步或粗同步，也就是要把對方發(fā)來的信號與本地信號在相位之差納入同步保持范圍內，即在PN碼一個時片內。 (2) 一旦完成這一階段后，則進入跟蹤 過程，即繼續(xù)保持同步，不因外界影響而失去同步。也就是說，無論由于何種因素兩端的頻率和相位發(fā)生偏移，同步系統(tǒng)能加以調整，使收發(fā)信號仍然保持同步。 一般說來，在發(fā)射機和接收機中采用精確的頻率源，可以去掉大部分頻率和相位的不確定性。但引起不確定性的因素有以下一些： (1) 收發(fā)信機的距離引起傳播的延遲產(chǎn)生的相位差； (2) 收發(fā)信機相對不穩(wěn)定性引起的頻差； (3) 收發(fā)信機相對運動引起的多普勒頻移； (4) 以及多徑傳播也會影響中心頻率的改變。 因此，只靠提高頻率源的穩(wěn)定度是不夠的，需要采取進一步提高同步速 率和精度的方法。 沈陽理工大學學士學位論文 12 圖 同步原理框圖 接收到的信號經(jīng)寬帶濾波器后，在乘法器中與本地 PN碼進行相關運算。此時搜捕器件，調整壓控鐘源，調整 PN 碼發(fā)生器產(chǎn)生的本地脈序列偽重復頻率和相位，以搜捕有用信號。一旦捕獲到有用信號后，則起動跟蹤器件，由其調整壓控鐘源，使本地 PN 碼發(fā)生器與外來信號保持同步。如果由于采樣原因引起失步，則重新開始新的一輪搜捕和跟蹤過程。 因此，整個同步過程，是包含搜捕和跟蹤兩個階段閉環(huán)的自動控制和調整過程。 起始同步：搜捕 搜捕的作用就是在頻率和時間 (相位 )不確定的范圍內捕獲有用的 PN碼信號使本地 PN 碼信號與其同步。由于解擴過程通常都在載波同步之前進行，載波相位在這里是未知的。 大多數(shù)搜捕方法都利用非相干檢測。所有的搜捕方法的共同特點是用本地信號與收到的信號相乘 (即相關運算 )，獲得二者相似性的量度，并與一門限值相比較，以判斷其是否捕獲到有用信號。如果確認為捕獲到有用信號，則開始跟蹤過程，使系統(tǒng)保持同步。否則又開始繼續(xù)搜捕。 下面介紹三種常用的搜捕方法： (1)滑動相關搜捕法 當收到的 PN 碼序列與本地 PN碼序列 的鐘頻不同時，在示波器上可以看到兩個寬帶濾波器 解調器 搜捕器件 壓控鐘源 PN 碼發(fā)生器 碼跟蹤器 輸出 接收信號 沈陽理工大學學士學位論文 13 序列在相位上相互滑動。這種滑動動過程就是兩個碼序列逐位進行相關檢測的過程?？傆幸粋€時候，兩個序列的相位會滑動到一致的時候。如果這時能使滑動停止，則完成了搜捕過程，可以轉入跟蹤過程，達到系統(tǒng)同步。 圖 滑動相關器的方框圖 圖 滑動相關器的流程圖 接收到的信號與本地 PN 碼相乘后再積分，即求出它們的互相關值，然后在門限檢測器中某一門限值比較 ，以判斷是否已捕獲到有用信號。這里是利用 PN 碼序列的相關特性，當兩個相同的碼序列相位上一致時，其相關值有最大的輸出。一旦確認搜捕完成，則搜捕指示信號的同步脈沖控制搜索控制鐘，調整 PN 碼發(fā)生器產(chǎn)生的 PN碼的重復頻率和相位，使之與收到的信號保持同步。 積分器 門限檢測器 搜索控制鐘 PN碼發(fā)生器 接收信號 同步 脈沖 放慢時鐘 停止搜捕 接收機是否鎖 定 ? 進入跟蹤狀態(tài) 繼續(xù)搜捕 跟 蹤 是 失控同步 沈陽理工大學學士學位論文 14 由于滑動相關器對兩個 PN 碼序列是順序比較相關的，所以這種方法又稱為順序搜索法。由于滑動相關器簡單，應用很廣。它的缺點在于當兩端 PN 碼鐘頻相差不多時，相對滑動速度很慢，導致搜索時間過長?，F(xiàn)在常用的一些搜索方法大多在此法的基礎上，采取一些措施來限定搜索范圍或加快搜捕的 時間，從而改善其性能。 (2)序貫估值搜捕法 為了解決長碼搜捕時間過長的問題，一種快速搜捕的方法稱為序貫估值器搜捕法，圖 為其原理方框圖。 圖 搜捕過程原理框圖 如何才能縮短本地 PN 碼與外來 PN 碼在相位取得一致所需的時間呢 ? 一個簡單的辦法是把收到 PN 碼序列直接注入到本地碼發(fā)生器的移位寄存器中，強迫改變各級寄存器的起始狀態(tài)，使其產(chǎn)生的 PN 碼剛好與外來碼相位一致，則系統(tǒng)可以立即進入同步跟蹤狀態(tài)。圖 中示出，從收到的碼信號 中，先把 PN 碼檢測出來，通過開關 “ 1” 進入到 n 級 PN 碼發(fā)生器的移位寄存器中。待整個碼序列全部進入填滿后，開關接通 “ 2” 。所產(chǎn)生的 PN 碼與收到的碼信號在相關器中進行相關運算，所得結果在比較器中與門限比較。如未超過門限，則繼續(xù)上述過程。如超過門限，則停止搜索，系統(tǒng)轉入跟蹤狀態(tài)。 在最理想的情況下，搜捕時間 Ts ＝ nTc， Tc 為 PN 碼片時間寬度。這個方法搜捕時間雖然很快，但問題之一是它的先決條件是對外來的 PN 碼先要進行檢測出后才能注入移位寄存器。做到這一點有時是困難的。問題之二是此法對噪聲和干擾很脆弱，積分器 PN 碼檢測器 比較器 開關 n 級 PN 碼發(fā)生器 搜索控制 接收碼信號 門限 沈陽理工大學學士學位論文 15 因是一個 時片一個時片進行估值和判決的，并未利用 PN 碼的 抗干擾特性。但無論如何，在無敵對干擾的條件下，仍有良好的快速起始同步性能。 (3)匹配濾波器搜捕法 因為匹