数字通信原理(3)

InstituteofCommunicationsEngineeringInstituteofCommunicationsEngineeringInstituteofCommunicationsEngineering§9.3跳频扩频通信系统3内容和要求内容目的跳频通信的基本原理跳频通信系统的组成跳频通信的基本概念扩频通信在实际中的运用要求掌握跳频通信系统的基本原理，对跳频通信系统中的组成构图能深刻理解，了解跳速、跳频图案等参数对系统性能的影响，学习扩频通信在实际通信中的运用。4一、基本概念跳频通信的定义用户在发送信息时，采用一般的窄带调制方式（如BPSK、FSK）,而这一调制方式的中心频率按照一定的规律进行改变；在接收方按此相同规律进行解调。这种通信方式称之为扩频通信。工作原理发送端固定中频调制：首先对发送信息进行调制；频谱扩展：发射机的频率在一组预先指定的频率下跳变，送入信道。5二、工作原理框图调制器高通滤波器副载频频率合成器跳频指令发生器PN码发生器时钟输入信号发射信号混频器)(tSht)(tSt)(tSd6二、工作原理接收端信道传输：跳频信号在信道中叠加噪声和干扰到达接收端；超外差接收：接收端产生一个与发端一样跳变规律但频率相差一个中频的本地参考信号，该本振信号与接收到的跳频信号进行混频，从而产生一个固定频率的中频窄带信号，使接收跳频信号解跳，变成载波频率固定的中频信号。为了解跳，接收端必须产生与发端严格同步的跳频序列，这就是跳频同步电路完成的任务。解调：解扩之后的固定中频信号，再经过中放、解调，便可恢复发端的信息。7二、工作原理接收框图输入滤波器中频滤波器解调器信息比特频率合成器PN码发生器跳频指令发生器时钟接收信号混频器图4-3跳频通信系统接收原理8三、几个基本概念Chip概念切片：跳频通信终端按照一定的时间间隔去改变载波信号和中心频，这个时间间隔一般是确定的。我们对这一个时间段所对应的跳频信号称之为一个跳频切片（chip）。别名：有时也称之为跳频信号的一跳（Hop）。可控频点数：这一数据序列的每一个值一般是由k个比特组成，因而最多可以控制频率合成器产生2K个可用频率。9三、几个基本概念10三、几个基本概念跳频图案在跳频通信中每一跳（Hop）的载波频率是由一“伪随机码产生器”产生的编码序列来选定,跳变规律又叫“跳频图案”。有时对跳频图案也通过跳频的时频矩阵来表示：11三、几个基本概念跳速定义：发射机的频率在一组预先指定的频率下跳变，频率跳变时间间隔的倒数称为跳频速率，简称跳速，用表示。别名：有时也称之为码片（Chip）速率，等于离散单频信号的驻留时间的倒数。跳频信号频谱的特点瞬间特性：其瞬间频谱是一个窄带信号。平均时间特性：是一个宽带信号。12四、跳频扩频通信抗干扰机理原始信号频谱被干扰的概率为1/GP扩频处理解扩处理信号干扰GP=12扩频后信号频谱传输机理跳频(FH)通信信号一般可以在一较宽的频谱范围内发射信号，在这些频谱范围内可以分割成多个信道。由于跳频信号在这些可用信道上随机跳变，从而可以避开干扰（前提条件是干扰不是全频带的），形成抗干扰能力。13DSSS与FHSS两种扩频方式在获取抗干扰能力的机理上是不同的把FH信号与DS信号比较，在每一瞬间(chip内)，FH信号是一个窄带信号，只有在一个足够长的时间内，信号才占用很宽的频带范围。而DS信号则是在每一瞬间(每一数据符号内)，均占据很宽的频带。因此，从抑制干扰（人为干扰)的角度看，跳频系统常常叫做“躲避”系统，而直接序列系统叫做“平均”系统。四、跳频扩频通信抗干扰机理14五、多址能力（FH_CDMA）多址原理在多个用户同时通信时，不同用户可以在相同时间处于同一频带（指的是整个扩频带宽内）。不同用户选用不同的跳频序列作为地址码，当不同的多个FH扩频信号同时进入接收机时，只有与本地跳频序列保持同步关系的FH扩频信号被解跳成窄带信号，而其它用户信号像噪声和干扰一样被抑制（为什么？），因而大量的用户可同时共享相同的频带，实现码分多址通信。15六、抗衰落能力抗衰落机理因为跳频信号在很宽的频带内跳变，所以小部分的频谱衰落只会使信号在短时间内产生严重畸变，所以有抗频率选择性衰落的能力。对于FFH体制，一个数据符号含有多次频率跳变，因此具有频率分集的效果。因此跳频信号在多径和衰落信道中传输性能好。16七、跳频通信中的信号调制方式选择常用方式FH通信系统主要用于传输数字信号，调制方式一般都采用：二进制/多进制频移键控（BFSK/MFSK）；差分相移键控（DPSK）。其主要原因有以下几点跳频等效为用码序列进行多频频移键控的通信方式，可以直接和频移键控调制相对应。由于解跳后信号载波不再具有连续的相位，因此，在解跳后往往采用非相干解调方式，而FSK和DPSK具有良好的非相干解调性能。17七、跳频通信中的信号调制方式选择FSK是跳频通信中的主要方式在FSK方式中的两个概念发送信道：发送比特占据的信道称为发送信道。互补信道：当这个比特表示的元素变为它的逆元时所要占用的信道称为互补信道。思考：敌方如何对FSK信号进行干扰？作为敌方为了对FSK进行有效干扰，是干扰它的互补信道，而对发送信道的干扰一般没的效果。18慢跳频(SlowFrequencyHopped－SFH)系统：一般认为跳频速率小于1000跳/秒的称为慢跳频，或在每个跳频频率驻留时间内存在一个以上数据符号，即。快跳频系统(FastFrequencyHopped－FFH)：大于1000跳/秒的称为快跳频，或在每个数据符号间隔内存在多个的频率跳变，即。快跳频系统的主要调制方式是MFSK(FFH/MFSK)，慢跳频系统的调制方式可以为MFSK(FFH/MFSK)或DPSK(SFH/DPSK)。八、跳频通信的分类hsmTTshmTT19九、跳频系统的处理增益与直扩系统一样，处理增益Gp是跳频系统的一个重要参数。因为处理增益表征了一个跳频系统的抗干扰能力。在跳频扩频系统中，对处理增益有多种定义。其中一种比较简单并通用的定义是：跳频系统占据的总带宽BSS与信息速率Rb的比值。即：根据这一定义，可以计算不同情况下的处理增益。当信息速率一定时，扩频带宽将随调制方式、纠错编码方式、扩频间隔、跳频的频率数等工作方式和工作参数的不同而不同。bSSpFHRBG20十、跳频系统的组网方式跳频系统的组网方式同步组网异步组网同步组网在跳频网中，所有用户的跳频图案按照相同的时间基准进行跳变。特点同一时间点开始工作同一时间点进行频率的切换21十、跳频系统的组网方式例：一个跳频网有7个频点：f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7，有下面七个跳频序列：序列0：f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7序列1：f2、f3、f4、f5、f6、f7、f1序列2：f3、f4、f5、f6、f7、f1、f2序列3：f4、f5、f6、f7、f1、f2、f3序列4：f5、f6、f7、f1、f2、f3、f4序列5：f6、f7、f1、f2、f3、f4、f5序列6：f7、f1、f2、f3、f4、f5、f622十、跳频系统的组网方式同步组网的优点保证多个用户之间协调工作，互不干扰使系统中工作的用户数最大，等于可用的跳频频点数同步组网的缺点全网需要提供高糊精度的时间基准，而提供时间基准又易为敌方所干扰；同步组网的用户在入网时较为复杂，即如何开始工作、如何与其它工作的用户保持同步；23十、跳频系统的组网方式异步组网在跳频网中各终端按各自的跳频图案独立跳变工作要求：各终端的跳变点相互独立，各不相同。24十、跳频系统的组网方式例：一个跳频网有6个频点：f1、f2、f3、f4、f5、f6、有下面六个跳频序列：序列0：f1、f3、f2、f6、f4、f5序列1：f2、f4、f3、f0、f5、f6序列2：f3、f5、f4、f1、f6、f0序列3：f4、f6、f5、f2、f0、f1序列4：f5、f0、f6、f3、f1、f2序列5：f6、f1、f0、f4、f2、f3序列6：f0、f2、f1、f5、f3、f425十、跳频系统的组网方式异步组网的特点组网简单；异步跳频网中存在多址干扰，当两个用户频点相同时，传输信息丢失异步组网用户数较少。InstituteofCommunicationsEngineering§9.4扩频技术的运用27扩频通信技术的特点通信信号具有较低的频谱密度接收机具有较高的时间分辩率地址码具有近似的正交性运用领域抗干扰通信保密通信多址通信移动通信测距扩频技术的运用28扩频抗干扰通信对于直扩系统，发送端发送谱密度非常低的信号，接收端解扩时，一方面对对信号频谱能量进行压缩集中，另一方面没干扰频谱能量加以扩散，因此，在解扩输出端得到了信噪比的增益，使系统具有了抗干扰的能力。对于跳频扩频系统，信号以频率位置跳变的形式躲避干扰。扩频技术的运用29扩频技术的运用扩频保密通信直扩信号功率密度低，因此不易被检测。跳频信号跳变规律复杂，不易被截获。扩频序列具有伪随机性，不宜被破译，因此可以实现保密通信。30扩频多址通信扩频移动通信原因：直扩系统所传送的信号，在接收端能识别不同路径的信号，并能对它们进行有效的信号合并，因此直扩方式具有抗衰落的能力。跳频系统可以采用躲避的方式克服频率选择性衰落。扩频技术的运用31扩频技术的运用扩频精确测距扩频信号可用于精确测距，进而实现定位。利用脉冲在信道中的传输时延可以计算出传播距离，时延测量的不确定度与脉冲信号的带宽成反比。32总结本节课主要讲解了以下内容跳频通信的基本原理跳频通信系统的组成跳频通信的基本概念扩频通信在实际中的运用33作业与思考题9.25什么是跳频通信系系，它的基本特点是什么？9.26与直接序列扩频系统相比，跳频系统有那些优点？跳频系统的射频带宽取决于什么因素？9.27跳频系统最常用的信息调制方式有哪两种，它们分别用来传输什么信号？9.31目前跳频系统主要应用在那些领域内？9.32怎样区分跳频的“快”与“慢”？InstituteofCommunicationsEngineering谢谢！