宽带抗干扰技术.ppt

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1、第6章 宽带抗干扰技术,6.1 扩频通信概述 6.2 直接序列(DS)扩频系统6.3 跳频(FH)通信系统6.4 跳时(TH)通信系统6.5 混合扩展频谱系统6.6 多载波正交频分复用（OFDM）调制与解调,6.1 扩频通信概述,6.1.1 扩频通信的概念 扩频通信就是扩展频谱(Spread Spectrum,SS)通信,它最初应用于军事导航和通信系统中。到了第二次世界大战末期,通过扩展频谱的方法达到抗干扰的目的已成为雷达工程师们熟知的概念。在随后的数年中,出于提高通信系统抗干扰性能的需要,扩频技术的研究得以广泛开展,并且出现了许多其他的应用,例如降低能量密度、高精度测距、多址接入等。,传统的

2、无线通信系统的射频信号带宽与信息本身带宽是可以相比拟的,如调幅信号所传送的话音信息,其信号带宽为话音信息带宽的两倍,电视的图像信息带宽虽然是几兆赫,但传输射频信号的带宽也只是信息带宽的一倍多,这些称之为窄带通信。调频信号的频谱包含有载波分量及无穷多的边频分量。边频分量以间隔c对称分布在载频的两侧,具有一定带宽。当调制指数mf=(/m)1时,调频信号为窄带；当调制指数mf1时,调频信号为宽带。,所谓扩频通信,是指系统所传输的信号被扩展至一个很宽的频带。扩频通信所传递信息的信号带宽远远大于原始信息本身的带宽。通常规定：如果信息带宽为 B,扩频信号带宽设为fss,则扩频信号带宽与信息带宽之比为fss

3、/B,称为扩频因子。当fss/B=12,即射频信号带宽略大于信息带宽时,称为窄带通信；当fss/B=50以上,即射频信号带宽大于信息带宽时,称为宽带通信；当fss/B=50=100以上,即射频信号带宽远大于信息带宽时,称为扩频通信。,本章研究的扩展频谱是指占用的传输带宽远大于传输同样信息所需的最小带宽的情形。通常所说的扩频系统需要满足以下几个条件：（1）信号占用的带宽远远超出发送信息所需的最小带宽。（2）扩频是由扩频信号实现的,扩频信号通常称为编码信号,与数据无关。（3）接收端解扩是将接收到的扩频信号与扩频信号的同步副本通过相关处理来完成的。,标准的调制方式,如频率调制、脉冲编码调制也扩展了原

4、始信号的频谱,但它们并不完全满足上述条件,因此不能称为扩频系统。扩频通信是用高速码元序列信号调制载波,把信号频谱扩展到更宽的频带,使被传输的信号幅度低于噪声电平,这就大大提高了通信的隐蔽性和抗干扰能力。例如,高速码元序列的时钟为5MHz,则fss=10 MHz；而信息基带为B=10 kHz,则fss/B1000。也可以用各种码序列来控制产生载频的频率合成器的频率变化,使电台工作频率在一个较宽频带内随机跳变。扩频通信是经过两次调制、解调而实现的通信,除了必要的传统信息调制外,在高频信道中增加一次码控调制。这样做是使信息被嵌在控制码中,其目的是,（1）使电台不仅能传输语音信号,还可以传输数字信号；

5、（2）用数字码调制信息就可以进行信息加密；（3）使传输信息的信号能量分散,这就大大提高了系统的抗干扰能力,增强了通信的隐蔽性；（4）码控二次调制解调过 程可以利用各种码型来进行选址通信,实现个人用户选择通信。,6.1.2 扩频通信的特点1.抗干扰能力强由于扩频系统利用了扩展频谱技术,在接收端对干扰频谱能量加以扩散,对信号频谱能量压缩集中,因此,在输出端就得到了信噪比的增益,这样的扩频通信机,可以在很小的信噪比情况下进行通信,甚至可在信号比干扰信号低得多的条件下实现可靠的通信。这种“去掉干扰”能力的功能是扩频通信的主要优点之一,现分析如下：（1）当接收机本地解扩码与收到的信号码完全一致时,所需要

6、的信号恢复到未扩频前的原始带宽,而其他任何不匹配的干扰信号被接收机扩散到更宽的频带,从而使落入到信息带宽范围的干扰强度被大大降低了,当通过窄带滤波器(带宽为信息带宽)时,就全部抑制了滤波器的带外干扰信号。,（2）扩频系统的抗干扰性能决定于系统对信号与噪声功率的压缩和扩展处理的比值,该处理增益越大,则系统抗干扰能力就越强。（3）系统对高斯白噪声干扰、正弦波干扰(瞄准式干扰)、邻码干扰以及脉冲干扰均有较强的抵抗能力,对多径效应的影响不敏感。扩频系统对瞄准式干扰有独特的抵抗效能,这对于电子对抗是很有利的。扩频抗干扰系统的思想是这样的：通信链路中有许多正交信号坐标点或维度可供选择,在任一时段只选用其中

7、的一个很小的子集。我们假定干扰者无法确定当前使用的信号子集,比如对于带宽B,持续时间T的信号,可以证明其信号维数约为2BT,而系统的误码率性能只是信噪比SN的函数。,在功率无限的高斯白噪声环境下,扩频(增大了2BT的值)并没有带来性能的提升。但是,功率固定且有限的干扰台只能在有限的频带内施放噪声干扰,而且,不能确定信号坐标点所处的信号空间的位置,因此只有从下列两种方式中选择其一：向系统使用的信号坐标点施放等强度的干扰,结果是落在每一坐标点上的干扰噪声功率很小。在某些信号坐标上施放高强度的干扰也可以理解为在各个坐标点上施加强度不一的干扰。,图6-1 扩频效果示意图(a)白噪声环境；(b)人为干扰

8、环境,从图6-1中可看到白噪声和人为干扰噪声下的扩频效果。扩频前的原始信号功率谱密度用G(f)表示,扩频后的扩频信号功率谱密度用Gss(f)表示。如图6-1(a)所示,白噪声的单边功率谱密度N0在扩频(信号带宽由B扩展到fss)之后保持不变,其平均功率(功率谱密度曲线下的面积)是无限的。因此,在这里频谱的扩展并没有带来性能的提升。图6-1(b)的上图是扩频前的信号受到干扰的情形,设接收到的干扰功率为J,则干扰功率谱密度J0=J/B。而在扩频之后,干扰台选择前述的两种方式之一实施干扰,方式的结果是干扰噪声功率谱密度J0在整个扩展频谱上降低(乘以因子Bfss),此时,J0=J/fss称为宽带干扰噪

9、声谱密度；方式使受到干扰的信号坐标数减小,但是,干扰噪声谱密度可能由J0增加到J0（01),是干扰带宽与扩频带宽的比值。如果干扰施放的坐标选择不当,干扰的效果就会大打折扣。,通信可选择的信号维数越高(或者说信号坐标范围越大),对干扰者来说,进行有效干扰的难度就越大,因此抗干扰的性能就越好。另外需要指出,上述扩频信号与非扩频信号性能的比较,都是在信号总平均功率相等的前提下完成的。由于功率谱密度(psd)曲线下的面积表示总平均功率,因此在扩频前后psd曲线下的面积应当相等。因此应当注意在图6-1中,图(a)和图(b)的Gss(f)曲线的坐标比例不同。,2.可随机接入,任意选址扩频通信之所以能够迅速

10、得到发展的另一个主要原因,就是可以进行选址通信,组网方便,适合机动灵活的战术通信。（1）将扩展频谱技术与正交编码方法结合起来,可以构成码分选址通信。为了区别不同用户,使用不同的正交地址码,在同一载频、同一时间内,容许多对电台同时工作；或者用数码控制跳频器,随机地变换信号载频。不同的用户,可用不同的载频跳变规律(称为跳频圈)相互区分,故在同一频带内,可容许很多不同地址号码的电台。各电台号码可以随机改变,还可以用微处理机程序进行控制,若想变更电台号码,只要给电台内微处理器送入相应的程序即可。所以,扩频通信是一种多地址通信,而且地址号码可以随机变动。,（2）具有共用信道自动选呼能力。每个用户有自己的

11、号码,可以自由选呼其他各个用户,呼叫中自动接续,不需人工交换,如同使用自动电话一样方便。在同一信道内,若几十对电台同时通话,可以做到互不影响。目前国际上已能达到6070个用户同时通话。（3)由于组成多址通信时,网内并不需要各电台严格同步,因此,网内可随机接入电台,增加用户数,随时随地增减电台号码。各个通信系统也便于用微处理机进行信息处理与自动交换控制。（4)如果单纯地从窄带信号被扩展为宽带信号来看,扩频通信似乎频带利用率很低,但实际上,由于扩频码实现了码分多址,地址数可以由几百增加到几千个,虽然每个用户占用的时间是有限的,但是用户对可以同时占用同一频带,这就有效地利用了频带,大大提高了频带的利

12、用率。,3.安全通信扩频通信是一种比较安全、可靠的通信,其原因如下：（1)信号功率密度低。扩频发送端对要传送的信息进行了频谱扩展,其频谱分量的能量被扩散,使信号功率密度降低,近似于噪声性能。这个系统可在信噪比低于-15-20 dB下进行通信,从而使信号具有低幅度、隐蔽性好的优点。,满足这种特殊要求的系统称为低检测概率(Low Probability of Detection,LPD)或低截获概率(Low Probability of Intercept,LPI)通信系统。此类系统的设计使得除既定接收者以外的任何一方检测到信号的难度尽可能地大。要实现这样的系统,需采用最小的信号功率和最佳的信号方

13、案,使得信号被检测到的概率尽量低。在扩频系统中,与传统的调制方式相比,信号被扩展到很宽的坐标上,信号功率在扩频域内分布较为稀疏并接近均匀,因此,扩频信号在抗干扰的同时,还具有难以被察觉的优点。对于不知道同步扩频信号的接收者而言,扩频信号好像“埋藏在噪声中”一样难以检测。,（2)数字信息易加密。由于扩频通信可以传送数字信号,当把模拟信号变换成数字信号时,数字信号不但加密很方便,而且加密的密级也较高,保密性能强。（3)通信信息不易被窃取。扩频通信电台地址采用伪随机编码,可以进行数字加密,在收端如不掌握发端信号随机码的规律,是接收不到信号的,收到的只是一片噪声。即便是知道了地址码,解出了加密的发射信

14、息信号,如果不了解密钥,不采取相应的解密措施,也还是听不懂对方的讲话,解不出正确的数字、文字符号,所以扩频系统通信安全性好。,（4)通信不易被破坏。扩频通信体制具有很强的抗干扰能力,尤其对瞄准式干扰的抵制特别有效,因此在电子战对抗中就有很强的抗干扰能力,要企图封锁和压制这个系统的通信是比较困难的,所以扩频通信的可靠性好。4.距离分辨率高扩频信号可用于测距和定位。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带宽成反比。不确定度t与脉冲上升时间成正比,即与脉冲信号带宽W成反比,即,(6-1),因此,带宽W越大,测距的精度就越高。在高斯信道中,对单个脉冲的一次性测量是不

15、可靠的,扩频技术中通常采用极性不断变化的长序列编码信号(如2PSK调制信号)代替单个脉冲。接收端对接收序列和本地移位序列进行相关检测,即可精确测定时延和距离。通过对宽带扩频信号的相关检测,可以使扩频系统具有很高的距离鉴别力。众所周知,信号的检测性能决定于信号的能量,扩频信号实质上可看成是连续波信号。因而,扩频信号易于解决作用距离远和距离鉴别力高的矛盾,并且可不模糊测速,可用于抗多路径干扰。,5.信息传输方便灵活当扩频通信系统所传输的信号是模拟信号时,对扩频的跳频电台,可以直接调制传输,也可以将模拟信号经AD变换成数字信号,然后送到扩频跳频系统或码分直扩系统传送。利用这样的系统就能够完成通信、自

16、动控制和遥测。扩频通信系统基本上是一个数字通信系统,电路大部分采用数字电路,可以实现集成化。集成电路体积小,功耗低,电气性能稳定可靠,用集成电路模块组成的系统,适合移动通信的要求。由于系统传送的是数字信号,系统的终端便于与微处理机相连接,可以直接进行人机对话,实现现代通信,因此,也就增加了系统使用的功能。,扩频通信采用不同的正交编码来区分收发信号,实现双工,利用数字间控空隙可接收信号。若在通信系统中有转接中心时,可采用收发不同频率的异频双工,一般系统要实现同频双工都是很困难的,而对异频双工组网多址通信那就更难了。扩频系统不但具有数字通信的特性,而且还具有抗衰落的能力。这是因为,扩频通信系统所传

17、送的信号频谱己扩展很宽,频谱密度很小,在传输中存在小部分频谱衰落时,不会使信号造成严重畸变。扩频信号的功率、谱密度远比普通信号小,这样在任意窄的频率范围内,发送的功率都很低,如果信号在传播中局部频谱损耗,也不会严重影响整个信号的传输。以上是扩频通信的特点。但是,并不是在同一系统内必须同时利用上述的所有特点,可以只利用其中的某一个。,6.1.3 扩频通信基本理论 扩频技术的基本理论根据是信息论中的香农(Shannon)公式。香农公式可用于实际的有扰连续信道,当信道受到加性高斯噪声的干扰,且信道传输信号的功率和信道的带宽受限时,它可以表示为式中,C是信道容量(b/s),W是信道带宽,N=n0W是噪

18、声功率,n0是单边噪声功率谱密度,S是信号功率。香农公式表明了一个信道无误差地传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。,(6-2),对于干扰环境中的典型情况,即SN1时,(6-3)例如,我们希望一个系统工作于干扰比信号大100倍的环境中,要求的传信率是3000 b/s，由式(6-3),系统应有的带宽为由上式可以看出,对任意给定的信噪比,只要增加用于传输信息的带宽,理论上就可以增加在信道中无误差地传输信息率。也就是说,当输入一定带宽的信息时,输入信噪比与信号带宽W可以互换。这充分说明了用一个带宽为信息带宽几百倍的宽带信号来传输信息,可以大大提高通信系统的信噪比,

19、增强抗干扰能力。这就是用扩展信号频谱方法来提高通信系统抗干扰的理论根据及指导思想,也是扩频通信的理论基础。,由此可见,只要将欲传输的信息先用某种方式扩展其频谱,再把接收的扩频信号的频谱变换到原始信息带宽,信噪比就可以大大提高。为了进一步阐述扩频的概念,我们把一个D维信号用一个M维信号空间的正交集来表示,即,1iD,0tT,(6-4),式中,k(t),1kM是一个正交函数集：i=j0 ij(6-5)每一个信号的平均能量是(6-6)将这个D维信号的能量均匀分布于M维信号空间的互相正交的M个基本方向,且使每一个分量的平均值为零。这样就有下列方程:1iD(6-7),下面再考察一个分布于M维空间的干扰:

20、其总能量是设干扰是均值为零的加性干扰。这样,接收信号可表示为r(t)=s(t)+J(t)(6-10),0tT,(6-8),(6-9),使接收信号同某个信号相关,第i个相关器输出为信号和干扰相互独立,因此条件均值已假设信号是D维的,在每一个分量能量相等的条件下,(6-11),(6-12),(6-13),由式(6-11)和式(6-12),再利用式(6-7)和式(6-9),可得条件方差为方差是 接收机性能由信噪比衡量。信噪比可用下式来计算:,(6-14),(6-15),(6-16),这一结果同干扰如何分配其能量无关,即在约束条件 下,不管如何选择Jk,式(6-16)给出了经扩维处理后信号相对于干扰的

21、增益为MD。这一系数就是处理增益,它正好等于可能的信号空间维数(这个信号空间正是干扰试图占有的空间)同传输信号实际需要的维数之比。假设信号长度是T,信号带宽是B=Rb,扩谱后信号带宽成为fss,扩谱前后的信号维数可近似为2RbT和2 fss T。因此,处理增益是,(6-17),上式说明,处理增益等于扩谱带宽fss和传送信息所需的最小带宽Rb之比,处理增益也称为扩频比（spreading ratio）,在这里也等于扩频因子。由式（6-17）可知,通信接收机的误差概率性能取决于比率SNR。所以从通信者的角度看,目的应该是使Ej/Es最小(通过选择Es)和使处理增益最大(通过对一给定的期望信息速率R

22、b选择fss)。处理增益是扩频系统的性能量度,它表示扩频通信系统信噪比改善的程度,但是由这一指标还不能说明扩频系统就能在干扰比信号大Gp倍的环境中正常工作。在扩频系统中,衡量系统抗干扰能力的常用参数为干扰容限。干扰容限是指保证系统输出端达到门限信噪比的情况下,接收机输入端能承受的干扰信号比有用信号高出的分贝(dB)数,其数学表达式为,式中,Mj为干扰容限,Gp为处理增益,Ls为系统损耗,S/N是系统输出端必需的信噪比。6.1.4 扩频通信系统的类型在扩频通信系统中,除需对所传送的信息进行第一次调制处理外,还需对其调制频谱进行第二次调制,以达到扩展频谱的目的。按照频谱扩展方式的不同,扩频通信系统

23、可分为以下几种基本形式：,(6-18),(1)直接序列扩频,简称直扩（Direct Sequencing,DS）。要传送的信息经伪随机序列(或称伪噪声码)编码后对载波进行调制。在发信端直接用扩频序列去扩展信号的频谱,在收信端,用相同的扩频码序列进行解扩,将展宽的频谱扩展信号还原成原始信号。因为伪随机序列的速率远大于要传送信息的速率,所以受调信号的频谱宽度将远大于要传送信息的频谱宽度,故称之为扩频。,（2）跳频(Frequency Hopping,FH)。荷载信息的信号频率受伪随机序列的控制,快速地在一个频段中跳变,此跳变的频段范围远大于要传送信息所占的频谱宽度,故跳频也属于扩频技术。只要收、发

24、信双方保证时频域上的调频顺序一致,就能确保双方的可靠通信。在每一个跳频时间的瞬时,用户所占用的信道带宽是窄带频谱,随着时间的变换,一系列的瞬时窄带频谱在一个很宽的频带内跳变,形成一个很宽的跳频带宽。（3）跳时(Time Hopping,TH)。把每个信息码元划分成若干个时隙,此信息受伪随机序列的控制,以突发的方式随机地占用其中一个时隙进行传输。因为信号在时域中压缩其传输时间(占空比ln),相应地在频域中要扩展其频谱宽度,故跳时也属于扩频技术。,（4）线性调频扩频(Chirp)。线性调频扩频(Chirp)是指在给定脉冲持续间隔内,系统的载频线性地扫过一个很宽的频带。因为频率在较宽的频带内变化,所

25、以信号的带宽被展宽。（5）混合扩频。几种不同的扩频方式混合应用,如直扩和跳频的结合(DSFH),跳频与跳时的结合(FHTH),以及直扩、跳频与跳时的结合(DSFHTH)等。在扩频系统中,直扩(DS)、跳频(FH)是两种最重要的形式,用得很普遍的是DS和FH以及二者的结合(DSFH)。,6.2 直接序列(DS)扩频系统,6.2.1 扩频通信基本模型.扩频数学模型扩频系统可理解为扩频和解扩的变换对。从形式上讲,扩频无线通信的发射机和接收机的工作都可以分成两个步骤:第一步我们称为一次调制,重要任务是形成窄带信号sn；第二步是二次调制,目的是进行()运算。运算的目的是将原有窄带信号的频谱扩展到一个非常

26、宽的频带范围。扩展频带后的宽带信号记为sw。,在接收端,第一步工作是解扩谱。从形式上讲,解扩谱运算可以表示为-1()=()（6-19）上式表明,解扩谱和扩谱是完全一样的运算。换句话说,在解扩谱之后,宽带信号sw被还原成原来的窄带信号形式sn,这意味着信号频谱的还原,用于窄带信号解调的标准方法在这里也可以使用。这样做的目的是为了抗阻塞性的噪声干扰。扩频的一个重要应用是解决在出现有强烈的干扰情况下的可靠通信的问题。如果我们假定收到信号sw,同时伴有很强的窄带干扰信号in(t),则解扩过程的结果可以表达为,-1(sw+in)=-1(sn)+-1(in)=sn+(in)=sn+in（6-20）这样,解

27、扩频过程就将输入的信号转变成一个有用的窄带信号和若干宽带信号之和。再经过窄带滤波运算F()之后,得到 F(sn+iw)sn+F(iw)=sn+iwr（6-21）,由于带通滤波器的带宽Bn等于窄带信号sn的带宽,因此仅有一小部分干扰信号的能量将通过滤波器,成为残余干扰iwr,这是因为iw带宽Bw远远大于Bn,意味着噪声频谱被扩散。如果对信号和噪声只在有限的频率区间(即信息区间)取值,则信号的能量全部取出,而噪声的能量只取其扩散后能量的一小部分,这就是对信号和对噪声的非等价处理过程,大大抑制了噪声,从而提高了输出信噪比。图6-2表示了这样一个扩频数学模型。,图6-2 扩频数学模型,2.扩频通信的基

28、本原理扩频通信是一个二次调制和解扩系统。信息的调制为一次调制,扩频和解扩为二次调制和解调,采用相关解调技术以还原基带信息,并在频域上扩散噪声能量,然后用带通滤波器取出基带信息,限制噪声能量。扩频和解扩是用信码控制的,收发的调制与解调码序列必须相同,起始相位和重复周期也必须同步。现在我们以伪随机码序列作扩频函数的直扩通信为例来研究其原理。扩频通信的一般方框图如图6-3所示,图6-3(a)是它的发射系统,图6-3(b)是它的接收系统。,信源产生的信息流an通过编码器输出二进制数码为d(u,t),其中u表示随机变量。二进制数码中所含的两个符号的先验概率相同,均为1/2,且两个符号相互独立,码速率也比

29、较低,其波形如图6-4(a)所示,二进制数字信号d(u,t)与图6-4(b)所示的一个高速率的二进制伪随机码(伪随机码为m序列)c(u,t)波形相乘,得到如图6-4(c)所示的复合信号d(u,t)c(u,t),这就扩展了传输信息的带宽。一般伪随机码的速率是Mbs的量级,有的甚至达到几百Mbs。扩频后的d(u,t)c(u,t)复合信号对载波调制后,通过发射机和天线送入信道中传输。发射机输出的扩频信号用s(u,t)表示,如图6-4(d)所示,而s(u,t)的射频带宽取决于伪随机码c(u,t)的码速率。以上处理过程就达到了扩展数字信息流频谱的目的。,图6-3 扩频通信系统模型（a）发射系统；（b）接

30、收系统,图6-4 理想扩展频谱系统波形,若信道中存在着干扰,这些干扰包括窄带干扰、人为瞄准式干扰、单频干扰、多径干扰,它们和有用信号同时进入接收机,如图6-5(a)所示。由于窄带噪声和多径干扰与本地扩频信号不相关,故在相关处理中被削弱,干扰信号与本地扩频码卷积积分,其频带被扩展,也就是干扰信号的能量被扩展到整个扩频带宽内,降低了干扰电平,如图6-5(b)所示。相关器后的基带滤波器只输出基带信号d(u,t)和处在滤波器通带内的那部分干扰和噪声,这样就大大改善了系统的输出信噪比,如图6-5(c)所示。图6-5中,Rc为伪码速率,fc为射频,fif为中频,Bbb为基带数字信息d(u,t)的基带带宽。

31、从扩展频谱信号中恢复基带信号d(u,t),是利用了下列两个基本关系式,即d(u,t)c(u,t)c*(u,t)d(u,t)(6-22),其中,d(u,t)c(u,t)是接收到的扩频信号,c*(u,t)是本地扩频码信号,它与c(u,t)共轭。若用序列逻辑运算,则可表示为d(u)c(u)c*(u)=d(u)(6-23)式(6-22)和(6-23)是很重要的,它是数字通信中采用伪随机码实现扩频技术的一个基本出发点。扩频通信系统与常规通信系统相比,发射端增加了一个高速率的伪随机码,并与数字信号实现波形相乘,接收端增加一个本地扩频码,与接收到的信号进行一次相关解扩。但经这些处理,扩频系统就比常规的通信系

32、统具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的能力。此外还具有信息隐蔽,低的空间无线电波“通量密度”及多址保密通信等优点。,扩频技术实际上是一种具有相关接收的宽带通信技术,发送的信息分别与扩频码和射频信号调制,因此发送的射频信号带宽远远大于信息本身带宽。在接收端用相关检测排除干扰,把干扰扩展成低幅值的带宽频谱,再用滤波器滤除,而信号能量则经解扩后集中在带通滤波器的通带内,信息被检出。,图6-5 扩频接收机的基带滤波器输出频谱,6.2.2 直接序列扩频信号直接序列调制就是用高速率的伪噪声码序列与信息码序列模2加(波形相乘)后的复合码序列去控制载波的相位而获得直接序列扩频信号。在扩频技术中,通常

33、使用两种调制：相移键控(PSK)和频移键控(FSK)。PSK调制适合于以下应用：在一段与发射信号带宽的倒数相比长得多的时间内,发射信号和接收信号之间的相位是相干的。而FSK调制适合于发射信号和接收信号之间的相位不相干的情况。,伪噪声序列用于PSK调制时,所产生的已调制信号称为直接序列(DS)扩频信号；伪噪声序列用于FSK调制时,所产生的已调制信号称为跳频(FH)扩频信号；而伪噪声序列用于脉位调制(Pulse Position Modulation,PPM)时,所产生的已调制信号则称为跳时(TH)扩频信号。为了节省发射功率和提高发射机工作效率,通常使用抑制载波的双相平衡调制。采用平衡调制的另一优

34、点是在电子对抗战中,对方使用常规接收机检测载波比较困难。因为该载波电平远远低于由伪码调制产生的sinx/x2频谱电平,从而提高了系统抗侦破的能力。所以直接序列调制中一般都采用双相平衡调制。图6-6是直接序列扩频系统的原理方框图。,图6-6 直接序列扩频系统(a)BPSK直接序列调制发送端；,图6-6 直接序列扩频系统(b)简化的BPSK直接序列发送端；,图6-6 直接序列扩频系统(c)BPSK直接序列扩频接收端,载波首先被数据信号x(t)调制,调制了的数据信号再被高速(宽频)的扩频信号g(t)进行恒包络调制,则发送信号可表示为式中,P为恒包络已调载波功率；0为角频率；x(t)和g(t)为相位调

35、制函数,x(t)由数据决定,g(t)由扩频序列决定。在通信原理中曾介绍过抑制载波的二进制相移键控(BPSK)调制,它的载波受数据的控制发生瞬间的相位跳变,扩频序列采用BPSK调制,且g(t)也是取值为+1或-1的双极性脉冲流,则式(6-24),(6-24),可表示为(6-25)先将数据脉冲流与扩频序列相乘,再用复合的x(t)调制载波。二进制数与脉冲电平的对应关系是：“脉冲值+1”对应二进制值“0”；“脉冲值-1”对应二进制值“1”。则DS/BPSK调制的二进制数据与扩频序列相乘可由模2加法器完成。,在不考虑噪声和干扰的情况下,相关检测器的输出信号为 图6-7是图6-6(b)和(c)DSBPSK

36、调制与解调的一个实例。图6-7（a）是二进制数据序列双极性脉冲波形等效形式x(t),二进制数与脉冲电平的对应关系如前所述；图6-7（b）是二进制扩频序列脉冲波形等效形式g(t)。数据序列与编码序列的模2加结果x(t)g(t)如图6-7(c)所示。,(6-26),图6-7（d）中的载波相位x(t)+g(t)是当x(t)g(t)为-1(数据与编码序列模2加的和为1)时取；当x(t)g(t)为1(数据与编码序列的模2加和为0)时取0。比较图6-7（b）的编码波形和图6-7（c）的合成波形,可以发现扩频通信的信号隐藏(signal hiding)特性,后者将信号x(t)“隐藏”其间。如果接收端不能精确

37、地掌握扩频编码序列的副本,就很难从迅速变化的扩频信号中正确地恢复出变化相对缓慢的数据信号。,图6-7 直接序列扩频信号传输图(a)二进制数据x(t)；(b)扩频序列g(t)；(c)发送序列x(t)g(t)；(d)发送载波的相位；(e)接收端本地编码产生的相移；(f)经接收端编码相移(解扩)后的接收载波相位；(g)解调出的数据波形,6.2.3 多进制直接序列扩频信号直接序列扩频虽然有一些独特的优点,但在实际应用中,也会遇到这样那样的问题。比如：为得到足够大扩频比,处理增益应尽可能大,但是,随着处理增益的增大,系统所占带宽也随之增大。例如,要传输16 kbs的数据,为获得30 dB的处理增益,扩频

38、后的传输带宽约为16 MHz。在频谱资源十分紧张的情况下,要占用过宽的频带,往往会受到限制。,在电台密集的频段中进行扩频通信,由于接收机前端电路的带宽过大,可能有许多电台的信号同时进入接收机,这不仅会使接收机的误码增多,而且会使接收机的前端电路出现阻塞现象的概率增加。要得到有效的抗多径和利用多径的能力,扩频系统的子码宽度必须足够小,信息比特的宽度必须足够长。显然,后者是对信息传输速率的一种约束,即信息传输速率不能太高。为了解决扩频系统占用频带过宽、外部干扰增多和信息传输速率受限的矛盾,采用多进制相移键控（MPSK）扩频技术是一种行之有效的办法。,这里所说的MPSK扩频技术是以M个码序列进行M进

39、制的信息传输,其目的是为了既能保留扩频系统的特点,又能压缩传输频带。图6-8是产生MPSK扩频信号的电路框图。图中,用2/M变换器把输入的二进制信息分成长为n位的码组,形成了M2n进制的信息。每个码组在M个长度为K(kn)的码序列矩阵中均对应一个惟一的码序列。码组选取码序列后,送入调制器中进行调制。码序列矩阵可以由伪随机序列或正交序列构成。设二进制信息速率为Rb=1/Ts,则码组速率为Rs=1/Ts=Rb/n,码序列的子码速率为KRsKRb/n，可见,这种扩频系统的处理增益Gp等于K,而传输带宽与二进制码移键控相比却减小了n倍。,图6-8 产生MPSK扩频信号的电路框图,当采用PSK调制时,第

40、i(i1,2,M)个码组的已调信号可写为式中,P为信号功率,ui(ui0,ui1,ui(k-1)是第i个码组所对应的码序列,G(t)是子码波形函数,。接收机的原理框图如图6-9所示。图中用M个匹配滤波器并行运算,从中选出输出最大的一个作为传输的码组,再经M/2变换,即可获得发送端传送的二进制信息。,(6-27),图6-9 MPSK匹配滤波扩频接收机原理框图,图6-10是另一种接收机的原理框图。它与图6-9不同的地方是先对子码进行解调,再在基带上进行相关处理,以便用于数字匹配滤波器实现解扩。,图6-10 MPSK扩频相干解调接收机原理框图,可以看出,多进制码移键控扩频信号的产生和检测都比较复杂。

41、可以说,这种系统的性能是以增加设备的复杂度为代价而换得的。因此,如何简化系统的复杂度,使之实现起来容易而可靠是非常关键的。下面给出四进制相移键控(QPSK)直接序列扩频系统实现的原理图。图6-11是用两个伪随机码和两个正交载波形成QPSK调制信号的电路框图。发送端输出的扩频信号为s(t)=m1(t)p1(t)cos(0t+)+m(t)p(t)cos(0t+)(6-28)其中,m1(t)和m(t)是输入信息经串/并变换得到的数字序列,p1(t)和p(t)是两个速率相同的伪随机码,可以由同一个产生器提供。,在接收端,用本地产生的两个伪随机码p1(t)与p2(t)分别对两个支路的输入信号进行解扩,然

42、后进行相干解调,接着对两个支路输出的信息比特进行交替取样,以恢复出传送的信息。除了用QPSK作调制以外,还可以用偏移四相相移键控（OQPSK）和最小频移键控（MSK）来实现直接序列扩频。偏移四相相移键控(OQPSK)就是将输入信息数字序列m2(t)相对于m1(t)延迟半个码元宽度。这样一来,m1(t)符号发生变化时,m2(t)符号不发生变化。因此,OQPSK调制信号的相位只能改变0或90。只需在QPSK直接序列扩频系统方框图的发送端Q通道m2(t)的线路中插入90移相网络,同样在其接收端I通道输入端插入90移相网络,即可形成OQPSK直接序列扩频系统。如图6-12所示。,图6-11 QPSK直

43、接序列扩频系统方框图,图6-12 OQPSK直接序列扩频系统,MSK调制类似于OQPSK调制,所不同的是OQPSK对输入二元序列是用矩形脉冲加权,而MSK对输入序列是用正弦脉冲加权。因而MSK调制信号不但包络是恒定的,而且相位变化也是连续的。按照一般的概念,在常规的通信系统中,把二进制传输改作多进制传输,其频带利用率可以提高,但因为要进行多进制判决,故相应的误码性能会下降。但是,在MPSK系统中,信息的检测是靠码序列的相关检测进行判决的,只要合理地设计码序列,使之具有良好的相关特性,就不会因为采用多进制而比二进制带来额外的损失。图6-13给出了几条误比特率Pb与信噪比PTp/N0的关系曲线。,

44、图6-13 PSK系统误比特率与信噪比的关系,6.2.4 直接序列扩频信号的相关解扩扩频通信系统中,接收端收到的信号一般是很微弱的,信号功率通常在101310-15W左右，而信道中的大气噪声在扩频通带内为1013 W左右,其他干扰噪声更大得多,有用信号被噪声淹没。所以扩频接收机一般要在输入端信噪比为0-30 dB条件下进行信号处理。一个设计良好的相关器,可以允许在输入信噪比低达-20-50 dB的恶劣条件下,从强干扰噪声中检测出微弱信号。在扩展频谱通信中,常用信号的相干性来检测淹没在噪声中的有用信号。所谓相干性,就是指信号的某个特定标记(通常指相位)在时间坐标上有规定的时间关系,具有这种性质的

45、信号称为相干信号。,通常假定扩频序列cn具有周期N,即式中,Z代表整数域。理论上,扩频序列必须具备两个关键性质。第一个性质是：扩频序列应该具有近似为零的均值,即,kZ,(6-29),(6-30),第二个性质是：扩频序列的时间自相关函数应该为周期函数(称之为离散时间周期自相关函数),并且满足 这两个性质是理想的,但在实际应用中可近似实现。例如,m序列就是近似具有以上两个性质的伪噪声序列,其离散时间周期自相关函数为,(6-31),(6-32),显然,若N足够大,m序列的均值近似等于零,其自相关函数也近似满足式(6-31)。图6-14示出了直接序列扩频信号的相关接收与解扩。我们先考虑单个比特(EbT

46、)的发射,其比特能量为Eb,比特间隔(码元间隔)为T秒。这个信号是一维的。,图6-14 直接序列扩频信号的相关接收与解扩,如图6-14所示,发射机将数据比特d(t)与二进制的1“码片”序列p(t)相乘,码片序列以速率fc(码片秒)随机选取,每比特共选取fcT个码片。扩频信号d(t)p(t)的维数为n=fcT。接收信号r(t)为r(t)=d(t)p(t)+J(t)0t T(6-33)接收机为相关接收机,由乘法器和积分器级联而成：接收信号r(t)与码片序列p(t)相乘,再对乘积作积分运算,即(6-34),这等价于求r(t)与码片序列的互相关函数。式中U称为判决变量,若U0,则判决发射的比特为+(E

47、b/T)1/2；若U0,则判决发射的比特为-(Eb/T)1/2。由于p(t)是一个只取+1或-1的二进制序列,所以p2(t)=1,从而得r(t)p(t)=d(t)p(t)2+J(t)p(t)=d(t)+J(t)p(t)(6-35)这说明,将接收信号r(t)与码片序列p(t)相乘有着双重的作用：(1)将扩频信号d(t)p(t)恢复到源信号p(t),这就是所谓的解扩；(2)将接收端的源干扰J(t)扩频为J(t)p(t),起到压制干扰的目的。例如,若J(t)是一具有(双边)功率谱密度N的加性高斯白噪声,并且扩频比为K,则相关接收机输出中的干扰分量JJ(t)p(t)的功率谱密度变为NJ/K,干扰能量得

48、以大大减小。,考察被迅速变化的随机序列调制的一无穷数据序列的功率谱。具有速率R=1T的随机数据序列的功率谱由给出,而扩频序列d(t)p(t)的功率谱为,(6-36),(6-37),如图6-15所示。,图6-15 数据与扩频信号的功率谱,1.直接式相关器直接式相关解扩原理如图6-16所示。相关器接收到发射端送来的相移键控(PSK)信号为f(c)g(m),这个信号在接收端同与发射端调制码相同的本地参考码 g(m)相乘,其效果与发射调制互补：每当伪码序列发生0-1或1-0跳变时,输入载波相位发生180的跳变。如果发射机的码与本地码相同且在时间上同步,那么每当发射信号相移时,在接收信号发生180相位跳

49、变处,本地参考码又使它发生一次180跳变,这样两个互补的相移结合就相互抵消了扩展频谱的调制,达到了解扩的目的。值得一提的是,这样一种相关运算不会影响后面基带解调器对原始信息的解调。,图6-16 直接式相关器中载波的恢复（a）调制相乘器(PSK调制)；(b)直接式相关器(与相移键控互补)；(c)双相相移键控载波恢复中的波形,2.外差式相关器外差式相关器顾名思义就是一种相关输出信号与输入信号中心频率不同的相关器。这种外差式相关器的原理框图如图6-17所示。,图6-17 外差式相关器原理图,在相关解扩的过程中,载有信息的信号被变换到一个新的中心频率(即某个中频)上,这就避免了直接泄漏的可能性,同时也

50、简化了接收机的设计,使外差式相关器后面的电路工作在较低的频率上,性能也较为稳定。在DS相关器中产生一个本地参考信号,它是与所接收的DS信号有一个频差的复本,即差一个中频fif,与发射端信号的区别仅仅在于本地参考信号是没有被信息码调制的。DS系统外差式相关器信号的频谱如图6-18所示,从频谱的搬移变换中,我们更能清楚地看出外差式相关器的工作过程。,图6-18 DS外差式相关器中信号的频谱,图6-17中本地参考信号是用与发射信号完全相同的办法来产生的,所以当发射机与接收机不是同时工作时,同一个伪码发生器可以担任发射机的调制器和接收机的本地参考信号这两者的工作。当收发转换工作时,可使用微处理器等多种