扩频通信系统的工作原理.

第二章扩频系统的工作原理•直接序列（DS）扩频系统（SS）•跳频•线性跳频扩频系统•混合扩频系统2.1直接序列扩频系统•直接序列扩频通信系统是目前应用较为广泛的一种扩频系统。对其研究最早，成果较多，如美国的国防卫星通信系统，全球定位系统，航天飞机通信用的跟踪和数据中继卫星系统等。•直扩系统是将要发送的信息用伪随机序列（PN）扩展到一个很宽的频带上，在接收端用与发送端相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的信息。2.1.1直扩系统的组成直扩系统组成原理框图信源扩频调制PN码振荡器高放混频解扩解调本振PN码同步（a）（b）图2-1直扩系统组成框图（a）发射；（b）接收a(t)d(t)s(t)c(t)f0r(t)r’(t)a’(t)fLc’(t)•a(t)是信源输出信号，码元持续时间为Ta。c(t)是伪随机码，每一个伪随机码宽度为Tc。将信码与伪随机码进行模2加，产生速率与伪随机码速率相同的扩频序列，再用扩频序列去调制载波，就可以得到已扩频调制的射频信号。•在接收端，收到的扩频信号进高放和混频后用与发端同步的伪随机序列对中频的扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复成信息序列a(t)的频带，即中频信号；然后再进行解调，恢复出所传输的信息a(t),从而完成信息的传输。对于干扰信号和噪声，因与伪随机码序列不相关，在相关解扩的作用下，相当于进行了一次扩频。干扰信号和噪声频带被扩展后，谱密度降低，大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪比和信干比提高，从而提高系统抗干扰能力。•PN码就是伪随机码，具有与二元随机序列性质相似的周期性码组。是一种预先确定,并可重复实现的具有某种随机特性的码,它仅有2个电平,是具有与白噪声类似的自相关性质的0和1所构成的编码,只是幅度概率分布不再服从高斯分布。2.1.2直扩系统的信号分析信号源产生的信号a(t)为信息流，码元速率为Ra,码元宽度为Ta，Ta=1/Ra,则信号a(t)为0)()(naannttgata式中an为信息码，以概率P取+1，以1-P取-1。ga(t)为门函数在[0,Ta]上取1，其他取0。•伪随机序列产生器产生的伪随机序列)(tc它的速率为Rc,切普宽度为Tc,Tc=1/Rc,则10)()(Nncnnnttgctccn为伪随机码码元，取值+1或-1；gc(t)为门函数。•扩频过程实质上是消息流a(t)与伪随机码序列c(t)模2或相乘的过程。伪随机码速率Rc比信息速率Ra大得多，一般Rc/Ra1且为整数，所以扩频后的序列速率仍为伪随机码速率Rc,扩展的序列d(t)为0)()()()(nccnnTtgdtctatdnnnnncacad11•用此扩展后的序列去调制载波，将信号搬到载频上去。用于直扩系统的调制，原则上大多数数字调制方式均可，但应视具体情况，根据系统的性能要求来确定，较多的用BPSK,MSK,QPSK,TFM等。•先对PSK进行分析，用一般的平衡解调器就可以完成PSK调制。调制后的信号s(t)为ttctattdts00cos)()(cos)()(ω0是载波频率•接收端天线上感应的信号经过高放和混频得到以下几部分信号:有用信号SI(t)、信道噪声nI(t)、干扰信号JI(t)和其他网的扩频信号SJ(t)等，即收到的信号（经混频）后为rI(t)=SI(t)+JI(t)+nI(t)+SJ(t)•接收端的伪随机码产生器产生的伪随机序列与发送端的相同，但起始时间和初始相位可能不同，为c'(t)。解扩与扩频过程相同，用本地伪随机码序列c'(t)与接收到的信号相乘，相乘后为r'I(t)=rI(t)c'(t)=s'I(t)+n'I(t)+J'I(t)+s'J(t)•先看信号s'I(t),则ttctctatctstIsIIcos)(')()()(')()('若本地产生的伪随机码序列c'(t)与发端产生的c(t)同步，有c'(t)=c(t)，则c(t)c'(t)=1，这样分量s'I(t)为后面所接收的滤波器的频带正好能让信号通过，因此可以进入解调器进行解调，将有用信号解调出来。扩频系统的波形示意图如图2-2所示：a(t)c(t)d(t)s(t)rI(t))(tc)(Itr)(ta图2-2•下面分析直扩信号的功率谱。发送端发送的信号s(t)为ttctattdts00cos)()(cos)()(分析方法是求出s(t)的自相关函数)(Rs再进行傅里叶变换，就可得到s(t)的功率谱密度Gs(f)。对s(t)求自相关函数有02/2/1cos)(21)()()(dTTTsRdttstsR由于a(t)和c(t)是由两个不同的信号源产生的，因而是相互独立的，则)()()(cadRRR式中a(t)和c(t)的自相关函数分别为)(R)(caR和•c(t)为长度是N的周期性伪随机序列，故自相关函数也是周期为N的周期性函数，为NRc11)(其波形如图2-3所示：－NTc－TcTcoNTcRc()1N1图2-3)(cR的波形图•对进行傅里叶变换，得到c(t)的功率谱密度为)(cR•功率谱如图cGs()(b)oGc()cT2cNTπ21(a)图2-4(a)为c(t)的功率谱，(b)为s(t)的功率谱2.1.3处理增益与干扰容限1.处理增益在扩频系统中,传输信号在扩频和解扩的处理过程中,扩展频谱系统的抗干扰性能得到提高,这种扩频处理得到的好处,就称之为扩频系统的处理增益,其定义为接收相关处理器输出与输入信噪比的比值,即iiooPNSNSG//输入信噪比输出信噪比处理增益与干扰容限是扩频系统的两个重要抗干扰指标下面分别讨论。•一般用分贝表示,为BNSNSGiiooPd//lg10•对于直扩系统，解扩器的输出信号功率不变，但对于干扰信号而言，由于解扩过程相当于干扰信号的扩展过程，干扰功率被分散到很宽的频带上，进入解调器输入端的干扰功率相对于解扩器输入端下降很大，即干扰功率在解扩前后发生了变化，因此对于直扩系统处理增益就是干扰功率减小的倍数。•则系统的处理增益为•可见，直扩系统的处理增益为扩频信号射频带宽与传输的信息带宽的比值，或为伪随机码速率Rc与信息传输速率Ra的比值，也就是直扩系统的扩频倍数。信息带宽射频带宽acacJJJiJopBBffNPPPSPSG'/'/•2.干扰容限•所谓干扰容限,是指在保证系统正常工作的条件下,接收机能够承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数,用Mj表示,有BNSLSGMoPjd式中Ls为系统内部损耗，(S/N)0为系统正常工作时要求的最小输出信噪比，即相关器的输出信噪比或解调器的输入信噪比；Gp为处理增益。•干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能抵抗的极限干扰强度，因而干扰往往比处理增益能更确切的反应系统的抗干扰能力。2.1.4直扩系统的主要用途及特点主要特点：（1）具有较强的抗干扰能力。扩频系统经过相关接收，将干扰功率扩展到很宽的频带上去，使进入信号频带内的干扰功率大大降低，提高了解调器输入端的信噪比，从而提高了系统的抗干扰能力。（2）具有很强的隐蔽性和抗侦查、抗窃听、抗侧向的能力。扩频信号的谱密度很低，使信号湮没在噪声之中，不易被敌方截获、侦查、测向和窃听。（3）抗衰落，特别是抗频率选择性能好。直扩信号的频谱很宽，一小部分衰落对整个信号的影响不大。（4）可以提高分辨率的测向、定位。利用直扩系统伪随机码的相关性，可以完成精度很高的测距和定位。（5）具有选址能力，可以实现码分多址。（6）抗多径干扰。直扩系统主要用途：主要用于通信抗干扰、卫星通信、导航、保密通信、测距和定位等方面。2.1.5常用直扩调制方式•常用的直扩方式有正交相移键控（QPSK）直接序列扩频和最小频移键控（MSK）。下面具体介绍（QPSK）：•1）具有任意数据相位调制的QPSK直接序列扩频系统•下图为一般QPSK直接序列扩频系统发端框图。其中数据调制可采用任意数据相位调制方法。正交混合网络将输入功率在两个正交支路中均分。QPSK调制器的输出为def10d20d()()cos[()]()sin[()]=()()stSctttSctttatbt•式中,c1(t)和c2(t)分别为同相和正交扩频波形，扩频波形的取值为±1。假设这些扩频波形是切普(Chip)同步的，并且彼此独立。•上式中两个正交项的功率谱均与BPSK信号的功率谱形式相同，故总QPSK信号的功率谱等于两项功率谱的代数和。这时可通过计算S(t)信号自相关函数来求其功率谱。•一般QPSK扩频接收机框图如下图所示。其中带通滤波器的中心频率为ωIF，其带宽足以不失真地通过数据已调信号。利用简单的三角等式变换可得x(t)和y(t)：def10d20d()()cos[()]()sin[()]=()()stSctttSctttatbt11IFd21IFdˆ()()()cos[()]2ˆ()()sin[()]2ddddSxtctctttSctcttt11IFd21IFdˆ()()()cos[()]2ˆ()()sin[()]2ddddSxtctctttSctcttt12IFd22IFdˆ()()()sin[()]2ˆ()()sin[()]2ddddSytctctttSctcttt12IFd22IFdˆ()()()sin[()]2ˆ()()sin[()]2ddddSytctctttSctcttt如果接收机解扩码相位正确，则1122ˆˆ()()()()1ddddctctctct因此有用信号被解扩。解扩的有用信号通过带通滤波器，而无用项被滤除，于是上述过程已假设接收机载波相位已达到正确同步，由z(t)可见数据已调信号已完全恢复。z(t)信号经过解调后即可恢复原始数据IF()2cos[()]dztStt2.2跳频•跳频系统的载频受一伪随机码的控制，不间断、随机的跳变，可看成载频按照一定规律变化的多频频移键控（MFSK）。与直扩系统比较，跳频系统中的伪随机码序列并不直接传输，而是用来选择信道。2.2.1跳频系统的组成•跳频系统的组成如图2-8所示：高放混频中放解调频率合成器PN码产生器同步系统…调制频率合成器PN码产生器…信源fi图2-8跳频系统的组成•信源产生的信息流去调制频率合成器产生的载频，得到射频信号。频率合成器产生的载频受伪随机码的控制。跳频系统解调多采用FSK、ASK等进行非相干解调。•２.２.２跳频系统的信号分析•设信源产生的信号a(t)为双极性数字信号,则)()(0andnnTtgata式中:an为信息码,取值＋1或－1。01)(tga0≤t≤Ta其他Ta为信息码元宽度。•跳频系统的频率合成器产生的频谱图和跳频系统的射频信号的频谱图如图２-９所示。理想的频率合成器产生的频谱图为离散的、等间隔的、等幅的线谱，占用的频带为Ｂ＝ｆＮ－ｆ１，每个频率之间的间隔为∆ｆ。某一时刻的频率是Ｎ个频率中的一个，由伪随机码确定如图２-９（ａ）所示。图２-９（ｂ）为跳频信号的频谱图，在某一时刻跳频系统是窄带的，从整个区间看，信号在整个区间跳变，是宽带的。(a)f1f2f3fifNf……t时刻频率fNf1f2f3fi……(b)fF(a)f1f2f3fifNf……t时刻频率fNf1f2f3fi……(b)fF图２-９(a)频率合成器频谱图;(b)跳频信号频谱图•跳频系统的抗干扰机理：发送端的载频受伪随机码的控制，不断地、随机的改变，躲避干扰；在接收端，用与发端相同的伪随机码控制本地频率合成器产生的频率，使之与发端的载频同步跳变，混频后使之进入中频频带内；对于干扰信号，由于不知跳频系统载频变化规律，经过接收机接收，不能进入中频频带，也就不能形成干扰。•跳频系统抗干扰