1.1 扩频通信基本概念
1.1.1 通信系统评价指标
- 设计和评价通信系统性能的主要指标：
- 有效性：
- 通信系统传输信息效率的高低。
- 以最合理、最经济的方法传输最大数量信息。
- 数字通信系统中，用单位频带传输速率衡量，bit/s/Hz。
可靠性：
数字传输方案可分为两类
- 有限电力：像卫星通信一样，这些方案提供了有限的可用电力的有效利用
- 有限带宽：如移动无线，其中的方案实现了有限带宽的有效利用，可用于需求的服务
- 这两种方案都容易受到敌方干扰和无线电干扰
扩频概念的新颖之处在于它在交换带宽扩展的基础上提供了对此类攻击的保护，从而提高了抗干扰能力
扩频的优点
干扰形式
- 人为干扰，敌方
- 单频干扰、固频干扰，干扰频率对准通信的中心频率形成同频干扰
- 窄带干扰，干扰信号的频带很窄，落入地方通信频带范围内，效果最好的位置是对准中心频率
- 正弦脉冲干扰，与单频干扰类似，不同点在于以脉冲方式发送，峰值功率较强
- 跟踪式干扰，由频率跟踪系统和干扰机组成
- 转发式干扰，把有用信号接受下来，再经放大和噪声污染后发送出去
- 宽带阻塞式干扰
- 非人为干扰，来自自然界
- 人为干扰，敌方
抗干扰技术
扩频技术发展历程
- 摩尔斯有线电报，电通信阶段
- 亚历山大本电传打字电报专利
- 麦克斯韦电磁辐射理论，赫兹证明，无线通信出现
- 贝尔，电话，电磁感应原理
- 1879，第一个专用人工电话交换系统
- 1880，付费电话系统运营
- 1896，马可尼无线电报
- 1907，电子管，电子信息时代
- 1918，调幅无线电广播
- 1925，多路通信
- 1936，调频无线电广播
- 1937，雷沃斯脉冲编码调制，数字通信基础
- 1938，电视广播开播
- 二战期间，雷达和微波通信发展
- 1946，数字电子计算机问世
- 1947，晶体管
- 1948，香农信息论，通信统计理论
- 扩频技术在二战时期被提出
- 最好的抗干扰措施就是好的工程设计和扩展工作频率
- 海蒂拉玛，扩频通信思想的主导者
- 跳频通信
扩频通信不等于CDMA
伪随机：（PRN codes）
- 一般通信系统框图：
- 扩频定义
- 扩频传输是一种当信号占用带宽超过最低必要发送信息的情况时的传输手段
- 通带传播通过独立于数据的编码方式来完成
- 接收端同步接收并使用码来解读和后续数据恢复
- 初衷
- 围绕提高信息传输的可靠性而提出的一种有别于常规通信系统的新调制理论和技术
- 描述
- (1) 信号频谱用某特定扩频函数（与信息无关）扩展后成为宽频带信号
- (2) 接收端利用相同扩频函数将扩展的频谱进行压缩，恢复为原来待传信号的带宽，从而传输信息
- 特点
- 传输带宽远大于常规通信系统带宽。信息已不再是决定传输信号带宽的一个重要因素，传输信号带宽主要由扩频函数来决定。
- 判断扩频通信系统准则
- 传输信号带宽远大于被传输的原始信号带宽（原本不必如此！）
- 传输信号带宽主要由扩频函数决定，通常是伪随机（伪噪声）编码信号，与传输信息无关（传统通信系统带宽由传输信息所决定！）
收益
- 具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰等能力
扩展频谱通信技术的理论基础
- 香农信道容量理论
- 香农最佳信号理论
- 哈尔凯维奇（А.А.Харкевич ）抗多径衰落理论
香农信道容量理论
- 信息理论香农(C·E·Shannon)信道容量公式：
- 令C是希望具有的信道容量，即信息速率，有：
- 对于典型干扰环境，有
幂级数展开得：
说明：
- 在信道中当传输系统的S/N下降时，可以用增加系统传输带宽B的办法来保持信道容量C不变。（C是系统无差错传输信息速率）
- 对于任意给定的噪声信号功率比，只要增加用于传输信息的带宽B，就可增加在信道中无差错地传输信息的速率C。
- 增加信道带宽后，在低信噪比情况下，信道仍可在相同的容量下传送信息。甚至在信号被噪声淹没情况下，只要相应的增加传输信号的带宽也能保持可靠通信。
- 扩频通信系统正是利用这一原理，用高速率扩频码来扩展待传输信息信号带宽，达到提高系统抗干扰能力的目的。
香农最佳信号理论：
- 香农指出：【在高斯白噪声干扰情况下】，在平均功率受限的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。
- 白噪声信号具有理想自相关特性，功率谱密度为:
- 【维纳辛钦定理】平稳随机信号,自相关函数可积,则自相关函数和功率谱密度构成一对傅里叶变换
- 自相关函数：
- 由于对白噪声信号处理困难。使用伪噪声序列代替白噪声，它们统计特性相近。
- 伪噪声序列很接近于高斯信道要求的最佳信号形式。（次最优信号）
哈尔凯维奇抗多径衰落理论：- 从克服多径干扰的角度
- 上世纪50年代，哈尔凯维奇(俄)在理论上证明：
- 要克服多径干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式应该是具有白噪声统计特性的信号形式。
- 伪噪声码很接近白噪声的统计特性，因而扩频通信系统又具有（固有）抗多径干扰的能力。
功率谱特点：
- FH-SS：Frequency Hopping Spread Spectrum Communication System，频率跳变扩展频谱通信系统，简称跳频系统。
- DS-SS：Direct Sequence Spread Spectrum Communication System，直接序列调制扩展频谱通信系统，简称直扩系统。
- 扩频通信系统基本原理：（以DS-SS系统为例）
接收机
- [VCO] voltage controlled oscillator 电压控制振荡器
- 【假设】
- 信号功率: P1= P0;
- 码分多址干扰信号功率: P,=Po;
- 多径干扰信号功率: P3=P01
- 其他进入接收机干扰和噪声信号功率: N=P00
- 所有信号功率谱均匀分布在Brp= =2Rc带宽之内。
- 相关解扩后，有用信号频带变窄，无失真通过带宽为Bb=2Rb 中频滤波器。其他信号与本地参考伪噪声码无关，频带被展宽，大部分能量落在中频滤波器通频带之外，被中频滤波器滤除。解扩前后的信噪比发生显著改变。
- 扩频技术的本质
- 是一种信息传输方式
- 发端扩频码调制，使占用带宽远大于信号带宽
- 收端采用相同的扩频码进行相关处理再解调
- 频谱被扩展
- 传输信息需要带宽，信息带宽或基带信号频带宽度
- 为了提高频率利用率，通常都尽量采用等宽大体相当的信号来传输信息，属于窄带信号
- 牺牲有效性，换取可靠性
- 扩频比率很高，属于宽带信号（为了通信的安全性和可靠性）
- 采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱
- 时间上有限的信号，频谱无限
- 直接序列扩频系统，窄脉冲高速率的码序列。再用信息调制
- 采用何种扩频码与所传信息数据无关。不影响信息传输的透明性。
在接收端用相关解调解扩
直接序列扩频
- 扩频+解扩
- m序列发生器，模拟通信乘法器，数字系统使用模二和
- 理论上扩频码调制和载波调制无先后顺序，但根据难易程度会存在先后
- 解扩一般先进行解扩解调，得到解扩增益，再进行载波解调
- 射频带宽的变化
- 扩频信号并不能扩展噪声的频谱，但可以扩展干扰的频谱
主要的扩频方式
- 直接序列扩频
- 待传信号与高速伪随机序列直接相乘
- 通常采用相移键控psk调制，可以抑制载波的双边带调幅波
- 频率跳变系统
- 使发射频率随伪随机码的变化而跳变
- 频率变化周期由码片的间隔决定
- 频率跳跃的周期大于信息码元的比特宽度则为慢跳变系统
- 快跳变系统更便于频率分集
- 时间跳变系统
- 主要用在时分多址通信中
- 时间跳变系统是使信号在时间轴上离散的跳变
- 用一伪随机码序列进行选择的多时隙的时移键控
- 由于采用了窄的很多的时隙发送信号，相对来讲信号的频谱就展宽了
- 和时分系统区分开，不是在时间帧中分配固定时隙
- 简单的时间跳变系统抗干扰性不强
- 从抑制干扰角度看，系统得益较少
- 对定时要求严格
- 线性脉冲调频系统
- 系统的频率在一给定的脉冲时间间隔内线性的扫过一个很宽的频带
- 混合扩频
- 直接序列扩频
根据扩频信号产生方式：
- 直接序列系统；DS-SS
- 频率跳变系统；FH-SS
- 时间跳变系统；TH-SS
- 线性脉冲调频系统；
- 混合扩频通信系统；
- (1) 频率跳变-直接序列混合扩频系统；
- (2) 时间跳变-频率跳变混合扩频系统；
- (3) 时间跳变-直接序列混合扩频系统；
- 作用机制不同：
- DS-SS：信息数据；
- FH-SS：载波频率；
- TH-SS：发射机启闭；
1.2.1 直接序列系统
- 名称：
- 直接序列调制扩展频谱通信系统 Direct Sequence Spread Spectrum Communication System，DSSS，简称直接序列系统或直扩系统。
- 工作原理：
- 待传信号与高速率伪噪声（伪随机）码波形相乘，去直接控制载波信号的某个参量（如PSK），来扩展传输信号带宽。用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。
调制方式选取：
名称：
- 频率跳变扩展频谱通信系统（Frequency Hopping Spread Spectrum Communication System，FH-SS），简称跳频系统。
- 功能描述：
- 用二进制伪随机码序列去控制射频载波振荡器输出信号频率，使发射信号载波频率随伪随机码变化而跳变。
- 载波频率数通常是几千~几万个离散频率，每次输出哪一个由伪随机码决定。
工作原理
- 发射机：发射载波频率在一个预定频率集内由伪随机码序列控制频率合成器(伪)随机的由一个跳到另一个。
- 接收机：频率合成器也按照相同的顺序跳变，产生一个和接收信号频率相差 fIF(中频频率)的参考本振信号。
- 混频后得到频率固定的中频信号，此过程称为解跳。
- 解跳后的中频信号经放大后送到解调器解调，恢复出传输的信息。
与常规通信系统区别：
- 发射机载波发生器和接收机中的本地振荡器。频率跳变通信系统中这二者输出信号频率是跳变的。
- FH-SS发射机的载波发生器和接收机中的本地振荡器主要由伪随机码发生器与频率合成器两部分组成。
- 快速响应的频率合成器是频率跳变系统成败的关键部件。
速度
- 控制频率跳变的指令码(伪随机码)的速率，没有直接序列扩频系统中的高，一般为几十比特每秒-几千比特每秒。
- 调制方式
- 数据调制方式常用多进制（M-ary）频移键控。
分类
- 根据跳频速率不同，可分为：
- 频率慢跳变系统；
- 频率快跳变系统；
频率慢跳变系统
- 假设：调制采用二进制频移键控，Tb是信息比特宽度每Tb秒数据调制器输出两个频率中的一个。每隔 Tc秒系统输出信号的射频频率跳变到一个新的频率上。
- 若Tc＞Tb，则称为频率慢跳变系统。
- 频率快跳变系统
- 慢跳系统，频率跳变速度比数据符号的变化速度慢。若在每个数据符号中，射频输出信号的载波频率跳变多次，则称为频率快跳变系统。
- 快跳频的一个明显好处：可以在每个发射符号上得到频率分集增益。
- 在部分频带被干扰时，或在微波移动电话应用中，当传输信道导致快速信号衰落时，这一点特别有意义。
- 示例：Slow Frequency Hop Spread Spectrum Using MFSK (M=4, k=2)
- 示例：Fast Frequency Hop Spread Spectrum Using MFSK (M=4, k=2)
FH-SS特点：
名称
- 时间跳变扩展频谱通信系统（Time Hopping Spread Spectrum Communication System，TH-SS）的简称，主要用于时分多址（TDMA）通信中。
- 功能描述：
- 使发射信号在时间轴上离散跳变。把时间轴分成许多时隙，称为时片，若干时片组成一跳时时间帧，在一时间帧内哪个时隙发射信号由扩频码序列去进行控制。
- 用一伪随机码序列进行选择的多时隙的时移键控。由于采用了窄得很多的时隙去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。
- 发送端：
- 数据先存储，伪随机码序列控制存储器的输出与高频开关通断，调制后信号由高频开关经天线发射。
- 接收端：
- 当伪码发生器与发端同步时，信号就能按时通过高频开关进入接收机。解调后的数据经缓冲存储器，便恢复原来的均匀数据流。
- 【条件】只要收发两端时间上严格保持同步，就能正确恢复原始数据
- TH-SS系统是通过发射机关闭，接收机也关闭，此间一切干扰不能进入接收机而达到抗干扰目的。
- 抗干扰方式过于消极，抗干扰性不强，通常不单独使用。常与DS、FH混合使用，进一步提高系统抗干扰能力。
具有多址能力。近年来出现的脉冲UWB技术是单独采用跳时技术的系统，碰撞问题是其主要问题，是产生多址干扰和多径干扰的根本原因，需通过跳时序列设计解决，通过序列相关函数度量。
1.2.4 线性脉冲调频系统
概念：
- 系统工作频率在给定脉冲时间间隔内线性地扫过一个很宽的频带，形成带宽很宽的扫频信号。（工作频率在一给定时间间隔内线性增大或减小，使发射信号频谱占据很宽范围）
- 在语音频段，线性调频听起来类似于鸟的“啾啾”叫声，所以线性脉冲调频也称为鸟声调制。
- 特点：
- 一种不需要用伪随机码序列调制的扩频调制技术。由于占用的频带宽度远远大于信息带宽，从而也可获得较好的抗干扰性能。
- 工作原理：
- 线性调频信号特点：
- （1）发射脉冲信号的瞬时频率在信息脉冲持续时间Tb内随时间作线性变化，频差为：
- （2）脉冲持续时间Tb内，信号瞬时频率为：
- （3）时域表达式：
- 接收解调：
- 可用匹配滤波器来实现。由色散延迟线构成。对低频成分延迟时间长，对高频成分延迟时间短，于是频率由低到高的调频信号通过匹配滤波器后，各频率分量几乎同时输出，信号叠加在一起，形成了脉冲时间的压缩，使输出信号幅度增加，能量集中，将有用信号检出。不匹配信号在时间上没有压缩，甚至反被扩展。
1.2.5 混合扩频通信系统
- 常用系统：
- 频率跳变-直接序列混合扩频系统(DS/FH)；
- 直接序列-时间跳变混合扩频系统(DS/TH)；
- 频率跳变-时间跳变混合扩频系统(FH/TH)；
注意：比单一的直接序列、频率跳变、时间跳变体制有更优良的性能。
（1） FH-DS
- 特点：能够大大提高扩频系统的性能，且通信隐蔽性好、抗干扰能力强、频率跳变系统的载波频率难于捕捉、适应于多址通信或离散寻址和多路复用。
- （2）TH-FH
- 适用场合：特别适用于大量电台同时工作，其距离或发射功率在很大范围内变化，需要解决通信中远近效应问题的场合，主要用于多址和寻址，扩展频谱不是其主要目的。
- 远近效应：在同一工作区域内，由于接收机对于不同位置的发射机在电波传播距离有远近之分，形成电波传播路径的衰减不同，近距离发射机发送来的信号场强要远大于远距离发射机发送来的信号场强。在接收机中强信号将对弱信号产生抑制作用，造成接收机不能很好地接收远距离发射机发送来的信号。
- （3）TH-DS
- 当直接序列系统中可使用的扩频码序列的数目不能满足多址或复用要求时，增加时分复用(TDM)是一种有效的解决办法。既可增加的地址数，又可改善邻台的干扰性能。
1.3 扩频通信系统模型
1.3.1 DS系统模型
- 发射信号时域模型：
- 假设调制方式为PSK
- 接收信号时域模型：
- 假设条件：
- d(t)和c(t)相互独立
- 符号宽度是码元宽度的整数倍
- 传输影响：
- 一般情况：随机延时、多普勒频移和随机相移
- 接收信号模型： （不考虑信号电平衰减）
- 假设条件：
- 接收系统数学模型：
- 设基带滤波器h(t) 带宽与信息带宽相同，射频滤波器无失真传输信号，则基带滤波器输出为：
- 扩频码同步:
- 载波同步:
- 基带滤波器输出:
- （2）发射信号模型：
- 频率合成器输出信号：
- 离散频率由于受伪码控制，故具有周期性，序列周期为N，
- 故有：
- 跳频发射机输出信号：
- （3）接收系统数学模型：
- 接收信号：
- 本地频率合成器输出：
- 混频器输出：
- 伪随机编码理论：
- 两周期序列的复合序列周期为两个子序列周期的最小公倍数。
- 【假设】：中频滤波器为理想窄带带通滤波器
- 中频滤波器输出为：
- 【假设】：接收机已同步
- 中频滤波器输出为：
- 由于
- 则有：
- 【假设】选取的各频点
，均满足关系：
- 物理含义：混频后的和频信号分量
都远远落在中频滤波器通带外，因而第二项忽略不计。 - 滤波器输出为：
- 由于
- 滤波器最后输出信号为：
- 即
只要
，解跳后的中频信号就可无失真通过中频滤波器，经解调器解调后，最后恢复出发射信号
。
1.4 扩频系统处理增益与主要特点
1.4.1 扩频系统的处理增益
（1）处理增益
概念：- 目的：
- 衡量扩频通信系统抗干扰能力的优劣
- 定义：
- 接收机解扩(跳)器(相关器)的输出信噪比与输入信噪比之比
- 物理意义：
- 表示经过扩频接收机处理后，使信号增强的同时抑制输入到接收机干扰信号能力的大小。处理增益越大，则系统抗干扰能力越强。
- 体现使用扩频技术与不使用时性能之间的差别。
- 最佳码速率：
- 扩频系统处理增益决定了系统抗干扰能力的强弱。是否越大越好？
- 当扩频码速率不断增大时，干扰电平不断下降。干扰电平减小至与接收机热噪声的电平相当时，影响接收机输出信噪比的主要因素不再是干扰信号，若再进一步增大扩频码速率，并不能改善输出信号的信噪比。故通常将解扩后干扰电平等于热噪声电平时的码片速率称为系统的最佳码速率。
工程技术状态：
- DS-SS：工程应用，10dB ~ 60dB
- FH-SS：工程应用，40dB ~ 50dB
其他表示含义：
- 若进入接收机解扩器的干扰与噪声的功率谱密度均匀分布，
，则有：
- 若进入接收机解扩器的干扰与噪声的功率谱密度均匀分布，
- 解扩器输入信噪比：
- 接收机解扩器相关处理：
- （1）有用信号无失真通过，功率不变，为P；
- （2）干扰和噪声只有少部分通过滤波器（带宽Rb），大部分被滤除；
- 解扩器输出干扰与噪声功率为：
- 解扩器输出信噪比：
- 扩频处理增益：
- 说明：处理增益与扩频信号带宽Bss（解扩前信号带宽）成正比，与信息信号带宽Bb（解扩后信号带宽）成反比。
（2）各种系统的处理增益：
直接序列扩频系统：
- DS中，码片速率通常是信息速率的整数倍，
- 频率跳变系统：
- 若频率跳变间隔不小于信息码所占用的带宽（不存在频谱重叠），即
且
- 若频率跳变间隔不小于信息码所占用的带宽（不存在频谱重叠），即
- 时间跳变系统:
- 处理增益定义为一帧中所分时片数和发射信号所占时片数的比值（即发射机工作时间的占空比倒数）
- 线性调频系统：
- 线性脉冲调频信号带宽近似等于其瞬时频率变化范围△F，信息带宽为1/Tb
- 通常选用
- 混合扩频系统：
- 处理增益计算原则：处理增益等于扩频信号带宽和解扩后信号带宽的比值，即扩频接收机输入信号带宽和输出信号带宽的比值。
- 例子：DS-FH系统
- 扩频信号带宽：
- 解扩后带宽：
- DS-FH系统扩频增益：
1.4.2 扩频系统的干扰容限
问题引出
- 处理增益反映系统抗干扰能力的强弱。
- 利用扩频码的相关性，扩频接收机使有用信号增强的同时，抑制了所有其他输入信号（与扩频码不相干）的影响。
- 问题：系统正常工作情况下，干扰信号功率到底能多大呢？
干扰容限定义（Jamming Margin）
- 物理含义：表示扩频系统在干扰环境中能够工作的能力
- 干扰容限与系统输出信噪比、系统内部信噪比损耗
（射频滤波器损耗、相关处理器损耗、放大器信噪比损耗等）有关
[x] 例子
干扰门限
- 实际工程应用中，接收机相关解扩和解调器都达不到理想的线性要求，其非线性及码元跟踪误差将导致信噪比损失。
- 扩频接收机实际上容许输入的J/S较干扰容限还要低。实际允许的输入干扰电平称为“干扰门限”
- 实际工程中，要精心设计相关解扩器及码元同步跟踪系统，使干扰门限满足：
1.4.3 扩频系统主要特点
(1) 抗干扰能力强
- 具有很强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰能力，特别适合军事通信系统运用。
- 相对常规通信系统，扩频系统等对多径干扰不敏感，对移动通信很有利。
(2) 选择性寻址能力强
- 可实现码分多址组网；
- 所有收发信机同时使用相同频率工作；
- 网络同步比常规通信体制易于实现；
- 便于实现机动灵活的随机接入，便于采用计算机进行信息控制和交换。
(3) 保密性能好，信息隐蔽以防窃取
- 频谱结构主要由扩频码决定，与传输信息无关。
- 信息隐蔽程度或安全程度取决于所用扩频码。
- 数字信息调制后类似随机噪声，采用普通侦察手段和破译方法不易发现和识辨信号；
- 且传输信号功率谱密度低，侦察接收机难以检测，系统具有截获概率低，保密性能高，适用于军事保密通信系统中。
(4) 频谱密度低，对其他通信系统干扰小
- 在输出信号功率相同情况下，扩频信号单位频带内功率低。
- 频谱密度低，对空间通信大有好处。
- 当空间通信系统在地面上产生的电波通量密度太大时，会造成对地面通信系统的干扰。
- 使用扩频码分多址技术可解决常规通信系统中电波拥挤的大难题，所以扩频码分多址通信在城市移动通信中有广阔的应用前景。
(5) 高分辨率测距
- 测距是扩频技术另一个突出应用。
- 无线电测距在测量距离增大时，反射信号变弱，造成接收困难，故需加大发射信号功率。
- 而增大脉冲雷达信号的峰值功率，会受到设备和器件限制；
- 加大信号的脉冲宽度，又会降低测距分辨率。
- 利用连续波雷达测距时，会出现距离模糊问题。
- 利用扩频技术测距，扩频码序列长度决定测距系统的最大不模糊距离；
- 而扩频码速率决定测距系统分辨率。
- 长周期高速率伪随机码产生已不存在问题。
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