《西安电子科技大学》PPT课件

西安电子科技大学 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室刘 乃 安扩 展 频 谱 技 术 （ 1） 主 要 内 容1、 扩 频 技 术 概 述2、 扩 频 通 信 系 统3、 扩 频 系 统 的 伪 随 机 码4、 扩 频 系 统 的 相 关 接 收5、 扩 频 系 统 的 同 步6、 扩 频 系 统 的 应 用 第 1章 扩 频 技 术 概 述历 史1、 开 始 于 19世 纪 20年 代 雷 达 的 发 明 ， 为 了 提 高 分 辨 率 ，注 重 扩 频 思 想 。 二 次 世 界 大 战 （ WWII） 中 ， 军 队 对 抗 干 扰也 有 此 思 想 。 但 真 正 有 关 扩 频 通 信 技 术 的 观 点 是 在 1941年由 好 莱 坞 女 演 员 Hedy Lamarr 和 钢 琴 家 George Antheil提出 的 。 基 于 对 鱼 雷 控 制 的 安 全 无 线 通 信 的 思 路 ， 他 们 申 请了 美 国 专 利 #2.292.387。 不 幸 的 是 ， 当 时 该 技 术 并 没 有 引起 美 国 军 方 的 重 视 。2、 世 界 上 第 一 个 直 接 序 列 扩 频 系 统 是 在 美 国 的 联 邦 通 信实 验 室 (FTL)于 1949年 由 Derosa和 Rogoff完 成 的 ， 成 功 的工 作 在 New Jersey和 California之 间 的 通 信 线 路 上 。扩 频 通 信 ， 即 扩 展 频 谱 通 信 (Spread Spectrum Communication)， 它与 光 纤 通 信 、 卫 星 通 信 ， 一 同 被 誉 为 进 入 信 息 时 代 的 三 大 高 技 术 通 信传 输 方 式 。 历 史3、 理 论 研 究 紧 跟 其 上 ， 1950年 Basore首 先 提 出 把 这 种 扩 频系 统 称 作 NOMACS（ Noise Modulation And Correlation Detection System） 这 个 名 称 被 使 用 相 当 长 的 时 间 。 4、 1951年 后 ， 美 国 的 ASC(Army Signal Corps-陆 军 通 信兵 )要 求 进 一 步 研 究 NOMACS， 想 把 它 应 用 于 高 频 无 线 电 传 通信 线 路 ， 以 对 抗 敌 人 的 干 扰 。 1952年 由 Lincoln Laboratory研 制 出 P9D型 NOMACS 系 统 ， 并 进 行 了 试 验 。 以后 在 1953-1955年 Lincoln Lab研 制 出 了 F9C型 无 线 电 传 机 系统 。 5、 很 快 ， 美 国 海 军 和 空 军 也 开 始 研 究 他 们 自 己 的 扩 频 系 统 ，空 军 使 用 名 称 为 “ Phatom” （ 鬼 怪 ， 幻 影 ） 和 “ Hush-Up”（ 遮 掩 ） ， 海 军 使 用 名 称 为 “ Blades” （ 浆 叶 ） 。 那 时 设备 庞 大 ， 是 用 电 子 管 装 的 ， 设 备 要 装 几 间 屋 子 ， 使 应 用 受 到 限 制 。 在 晶 体 管 出 现 后 ， 特 别 是 集 成 电 路 出 现 后 ， 才 使扩 频 系 统 得 到 广 泛 使 用 。 历 史6、 第 一 本 有 关 扩 频 系 统 的 专 著 是 R.C.Dixon于 1976年 出 版 ， 是 一 本IEEE专 利 ， 1977年 出 版 。 1978年 在 日 本 京 都 召 开 国 际 无 线 通 信 咨 询 委员 会 公 布 研 究 成 果 。 1982年 在 美 国 召 开 第 一 次 军 事 通 信 会 议 ， 两 次 报告 在 军 事 中 的 应 用 。 1985年 美 国 提 出 CDMA(码 分 多 址 )的 概 念 同 年 美 国联 邦 通 信 委 员 会 (FCC)制 定 扩 频 通 信 的 标 准 和 规 范 ， 逐 步 转 入 民 用 的 商业 化 研 究 。 20世 纪 90年 代 ， 美 国 国 家 航 空 和 航 天 管 理 局 提 出 CDMA方 式的 频 谱 利 用 率 高 于 FDMA方 式 ， 对 扩 频 通 信 的 研 究 产 生 深 远 影 响 ， 其 后各 公 司 逐 步 生 产 商 业 产 品 。7、 最 近 的 二 十 几 年 扩 频 技 术 得 到 越 来 越 广 泛 的 使 用 。 比 如 美 国 的 全 球定 位 系 统 (GPS)设 备 简 单 ， 定 位 精 度 高 ， 全 球 使 用 。 通 信 数 据 转 发 卫 星系 统 (TDESS),码 分 多 址 (CDMA)卫 星 通 信 系 统 ， 特 别 是 NASA和 军 用 卫 星通 信 系 统 几 乎 都 使 用 扩 频 技 术 ， 码 分 多 址 移 动 通 信 系 统 ， 这 些 都 是 DS系 统 。 FH系 统 如 多 种 跳 频 电 台 ， 如 SINCGARS（ 30-80Mhz） 。 跳 时 -跳 频混 合 型 如 JTIDS系 统 （ Joint Tactical Information Distribution System)。 我 国 正 式 把 扩 频 技 术 作 为 国 家 主 要 项 目 进 行 研 究 是 在 70年 代 。8、 以 后 在 卫 星 通 信 ， 数 据 传 输 ， 定 位 ， 授 时 系 统 中 都 有 使 用 。 今 后 ，在 卫 星 通 信 ， 移 动 通 信 系 统 ， 定 位 系 统 等 领 域 将 会 得 到 进 一 步 广 泛 使用 。SC-CDMA、 MC-CDMA， 单 天 线 系 统 ， 多 天 线 系 统 。 历 史 总 结产 生 与 发 展 基 于 两 方 面 ：信 息 战 信 息 对 抗 电 子 对 抗 通 信 对 抗提 高 频 带 利 用 率 信 息 战 的 内 容q电 子 对 抗 。 如 ： 电 磁 波的 侦 测 与 隐 蔽 、 通 信 干扰 与 抗 干 扰 、 雷 达 干 扰与 抗 干 扰 等 。q网 络 对 抗 。 如 ： 计 算 机病 毒 、 软 件 攻 击 等 。q消 息 对 抗 。 如 ： 加 密 与解 密 、 消 息 的 收 集 与 欺骗 等 。 特 点 高 度 的 对 抗 性 极 端 的 机 密 性 应 用 的 综 合 性 对 实 战 环 境 的 依 赖 性 采 用 新 技 术 的 超 前 性信 息 战 的 内 容 及 特 点 v通 信 侦 察 ： 使 用 通 信 侦 察 设 备 来 探 测 、 搜 索 、 截 获 敌 方的 无 线 通 信 信 号 ， 对 信 号 进 行 测 量 、 分 析 、 识 别 、 监 视以 及 测 向 和 定 位 ， 以 获 取 信 号 频 率 、 电 平 、 调 制 方 式 等技 术 参 数 以 及 电 台 位 置 、 通 信 方 式 、 通 信 特 点 、 网 络 结构 和 属 性 等 情 报 。v通 信 干 扰 ： 使 用 通 信 干 扰 设 备 发 射 专 门 的 干 扰 信 号 ， 破坏 或 扰 乱 敌 方 的 无 线 通 信 ， 是 通 信 对 抗 的 进 攻 手 段 。v通 信 抗 干 扰 ： 在 军 事 通 信 设 备 及 系 统 中 采 用 的 通 信 反 侦察 、 反 干 扰 措 施 ， 是 通 信 对 抗 的 防 御 手 段 。 本 次 讲 座 重点 讨 论 有 关 通 信 抗 干 扰 问 题 。通 信 对 抗 的 分 类 通 信 中 遇 到 的 干 扰 人 为 干 扰 和 非 人 为 干 扰 军 事 通 信 中 非 敌 意 的 人 为 干 扰 : 多 径 干 扰 、 多 用 户 干 扰 、 环 境 噪 声 干 扰 、 其 它 电 台 的 干 扰等 。 军 事 通 信 中 敌 意 的 人 为 干 扰 : 1 单 频 干 扰 (固 频 干 扰 )、 窄 带 干 扰 2 脉 冲 干 扰 、 梳 状 干 扰 3 跟 踪 式 干 扰 、 瞄 准 式 干 扰 4 转 发 式 干 扰 5 宽 带 阻 塞 式 干 扰 、 压 制 干 扰 6 升 空 干 扰 、 智 能 化 干 扰 提 高 全 民 的 国 防 意 识 ； 了 解 通 信 高 技 术 的 一 个 主 要 领 域 ； 民 用 与 军 用 的 互 相 转 换 、 互 相 借 鉴 、 互 相支 撑 ； 为 进 入 军 事 通 信 领 域 提 供 一 些 入 门 知 识 。为 什 么 要 研 究 通 信 抗 干 扰 ？ 信 号 隐 蔽 性 无 线 信 号 的 隐 蔽 性单 位 面 积 天 线 ， 在 单 位 带 宽中 所 能 截 获 的 信 号 功 率 信 号 方 式 的 隐 蔽 性双 工 方 式 、 调 制 方 式 、 多 路方 式 、 编 码 方 式 、 同 步 方 式 信 号 参 数 的 隐 蔽 性特 别 是 与 抗 干 扰 有 关 的 参 数 ，如 ： 扩 频 序 列 、 跳 频 序 列 、同 步 参 数 、 信 令 参 数 等 。 信 号 鲁 棒 性 用 干 扰 容 限 三 个 层 次 的 条 件 ， 即 ： a、 设 备 性 能 。 如 ： 比 特 差 错 率 、 语音 质 量 、 同 步 及 信 令 性 能 、 网 络 性 能等 ， 可 以 定 一 个 门 限 ， 在 此 门 限 以 下用 户 不 能 接 受 。 b、 工 作 环 境 。 如 ： 单 台 设 备 还 是 多台 设 备 、 有 无 天 线 抗 干 扰 措 施 、 干 扰源 是 否 升 空 等 。 c、 干 扰 性 质 。 如 ： 干 扰 性 质 、 干 扰强 度 、 干 扰 时 间 等 。通 信 抗 干 扰 性 能 通 信 中 的 抗 干 扰 技 术 1 扩 展 频 谱 技 术 （ DS、 FH） 2 开 发 强 方 向 性 的 毫 米 波 频 段 3 加 密 技 术 4 猝 发 通 信 技 术 如 流 星 余 迹 通 信 5 天 线 零 相 技 术 6 分 集 技 术 通 信 中 的 抗 干 扰 技 术 （ 另 一 种 分 类 法 ） （ 1） 频 率 域采 用 频 率 域 处 理 ， 如 ： 直 扩 、 跳 频 、 跳 扩 。 （ 2） 时 间 域采 用 时 间 域 处 理 ， 如 ： 瞬 时 、 跳 时 等 。 （ 3） 空 间 域采 用 空 间 域 处 理 ， 如 ： 自 适 应 天 线 等 。 （ 4） 其 它 数 字 处 理如 ： 干 扰 抵 销 、 纠 错 编 码 等 无 线 频 谱 提 高 无 线 电 频 谱 资 源 的 利 用 率 有 线 资 源 的 带 宽 是 无 限 的 无 线 资 源 的 带 宽 是 有 限 的窄 带 系 统 （ 1） 拓 展 高 频 段 （ 2） 压 缩 信 息 带 宽 （ 3） 高 性 能 的 编 码 与 调 制 技 术宽 带 系 统 扩 频 技 术 或 CDMA技 术 复 用 与 多 址 单 载 波 与 多 载 波 单 天 线 与 多 天 线 Multiplexing in 4 dimensions space (si) time (t) frequency (f) code (c) Goal: multiple use of a shared medium Important: guard spaces needed! s2s 3s1 Multiplexing ftc k2 k3 k4 k5 k6k1 ftc ftc channels ki Frequency multiplex Separation of spectrum into smaller frequency bands Channel gets band of the spectrum for the whole time Advantages: no dynamic coordination needed works also for analog signals Disadvantages: waste of bandwidth if traffic distributed unevenly inflexible guard spaces k3 k4 k5 k6 f t c ft c k2 k3 k4 k5 k6k1Time multiplex Channel gets the whole spectrum for a certain amount of time Advantages: only one carrier in themedium at any time throughput high even for many users Disadvantages: precise synchronization necessary fTime and frequency multiplex A channel gets a certain frequency band for a certain amount of time (e.g. GSM) Advantages: better protection against tapping protection against frequency selective interference higher data rates compared tocode multiplex Precise coordinationrequired t c k2 k3 k4 k5 k6k1 Code multiplex Each channel has unique code All channels use same spectrum at same time Advantages: bandwidth efficient no coordination and synchronization good protection against interference Disadvantages: lower user data rates more complex signal regeneration Implemented using spread spectrum technologyk2 k3 k4 k5 k6k1 f t c CDMA技 术 早 已 在 军 用 抗 干 扰 通 信 研 究 中 得 到 广 泛应 用 ， 1989年 .11月 ， Qualcomm在 美 国 的 现 场 试 验证 明 CDMA用 于 蜂 窝 移 动 通 信 的 容 量 大 ， 并 经 理 论 推导 其 为 AMPS容 量 的 20倍 。 这 一 振 奋 人 心 的 结 果 很快 使 CDMA成 为 全 球 的 热 门 课 题 。 95年 香 港 和 美 国 的CDMA公 用 网 开 始 投 入 商 用 。 96年 韩 国 用 自 己 的 CDMA系 统 开 展 大 规 模 商 用 ， 头 12个 月 发 展 了 150万 用 户 。1998年 全 球 CDMA用 户 已 达 500多 万 ， CDMA的 研 究 和商 业 进 入 高 潮 ， 有 人 说 1997年 是 CDMA年 。 美 国 已 拍卖 的 选 择1999年 CDMA在 日 本 和 美国 形 成 增 长 的 高 峰 期 ， 全 球 的 增 长 率 高 达 250%， 用户 已 达 2000万 。 中 国 CDMA的 发 展 并 不 迟 ， 也 有 长 期 军 用 研 究 的 技 术 积 累 ，93年 国 家 863计 划 已 开 展 CDMA蜂 窝 技 术 研 究 。 94年 Qualcomm首 先 在 天 津 建 技 术 试 验 网 。 1998年 具 有 14万 容 量 的 长 城CDMA商 用 试 验 网 在 北 京 、 广 州 、 上 海 、 西 安 建 成 ， 并 开 始小 部 份 商 用 。 联 通 也 计 划 在 广 东 、 北 京 、 天 津 、 上 海 等 地建 CDMA商 用 试 验 网 。 韩 国 CDMA数 字 蜂 窝 移 动 通 信 在 政 府 的 强 有 力 的 组 织下 ， 得 到 了 迅 猛 的 发 展 。 CDMA网 络 运 营 仅 一 年 多 便 发 展 到400万 用 户 ， 其 用 户 密 度 远 高 于 我 国 用 户 密 度 最 大 的 珠 江 三角 洲 地 区 。 韩 国 CDMA网 络 运 行 正 常 ， 笔 者 曾 在 韩 国 多 次 用CDMA的 蜂 窝 和 PCS手 机 、 WLL电 话 打 回 国 内 ， 呼 通 率 高 ， 语音 清 晰 ， 末 发 生 过 掉 话 断 线 （ 包 括 高 速 公 路 上 ） 。 韩 国CDMA的 运 营 情 况 ， 充 分 证 明 了 CDMA技 术 是 成 熟 的 ， 其 系 统容 量 和 话 音 质 量 较 目 前 其 它 蜂 窝 系 统 （ GSM、 TDMA、 PDC、TACS、 AMPS） 是 最 优 的 。 目 前 ， 国 际 通 用 的 CDMA标 准 主 要 是 由 美 国 国 家 标 准 委 员 会 ANSI TIA开 发 颁 布 的 。 ANSI（ American National Standard Institute） 作 为美 国 国 家 标 准 制 订 单 位 ， 负 责 授 权 其 它 美 国 标 准 制 订 实 体 ， 其 中 包 括电 信 工 业 解 决 方 案 联 盟 ATIS、 电 子 工 业 委 员 会 EIA以 及 电 信 工 业 委 员 会TIA。 TIA主 要 开 发 IS（ Interim Standards,暂 定 标 准 ） 系 列 标 准 ， 如CDMA系 列 标 准 IS95、 IS634、 IS41等 。 IS系 列 标 准 之 所 以 被 列 为 暂 定 标准 是 因 为 它 的 时 限 性 ， 最 初 定 义 的 标 准 有 效 期 限 是 5年 ， 现 在 是 3年 。除 了 IS系 列 标 准 之 外 ， TIA还 颁 布 其 它 类 型 的 规 范 ， 如 电 信 系 统 公 告TSB（ Telecommunications Service Bulletin） 文 件 。 TSB不 是 标 准 ，但 可 以 提 供 与 现 存 标 准 相 关 的 信 息 或 对 工 业 界 非 常 重 要 的 其 它 事 宜 。TIA开 发 出 的 标 准 在 经 ANSI所 有 成 员 同 意 之 后 即 可 成 为 ANSI的 正 式 标 准 。TIA目 前 由 9个 TR委 员 会 组 成 ， 即 TR8、 TR14、 TR29、 TR30、 TR32、 TR34、TR41、 TR45、 TR46， 其 中 与 CDMA标 准 关 系 最 为 密 切 的 是 TR45（ 移 动 和个 人 通 信 公 用 标 准 ） ， 它 的 下 面 包 括 7个 子 委 员 会 ， 分 别 负 责 不 同 接 口标 准 的 制 订 ， 如 TR45.2负 责 网 络 部 分 ， TR45.4负 责 A接 口 部 分 ， TR45.5负 责 空 中 接 口 等 。 除 了 ANSI TIA之 外 ， 其 他 一 些 标 准 化 组 织 和生 产 厂 商 对 CDMA标 准 的 制 订 也 起 到 积 极 作 用 。 如CDG（ CDMA发 展 小 组 ） 和 3GPP2（ 负 责 第 三 代 CDMA移动 通 信 标 准 的 制 订 ） ， 先 后 推 出 了 有 关 A接 口 的 IOS系 列 标 准 ， 涉 及 的 内 容 包 括 从 窄 带 的 CDMA到 第 三 代移 动 通 信 宽 带 CDMA。 一 批 知 名 的 通 信 公 司 如MOTOROLA、 LUCENT、 NORTEL、 QUALCOMM等 首 先 提出 了 有 关 CDMA标 准 的 方 案 和 建 议 ， 经 过 多 次 协 商 讨论 ， 最 终 修 改 成 为 目 前 被 普 遍 接 受 的 通 用 标 准 。 Um接 口 标 准 的 发 展 CDMA在 蜂 窝 系 统 中 的 应 用 几 乎 是 和 GSM同 时 被提 出 来 的 ， 但 一 直 没 有 得 到 重 视 ， 其 中 的 主 要 原 因在 于 CDMA的 蜂 窝 系 统 必 须 具 有 高 速 、 精 确 的 功 率 控制 要 求 ， 否 则 整 个 系 统 难 以 理 想 地 工 作 甚 至 出 现 系统 崩 溃 。 功 率 控 制 技 术 在 当 时 的 条 件 下 还 难 以 攻 破 ，直 到 QUALCOMM公 司 解 决 了 这 一 难 题 后 这 一 状 况 才 有所 变 化 。 该 解 决 方 案 主 要 是 通 过 测 量 移 动 台 和 基 站的 接 收 功 率 ， 利 用 开 环 和 闭 环 相 结 合 的 功 率 控 制 方式 ， 命 令 移 动 台 调 整 发 射 功 率 ， 使 移 动 台 输 出 的 功率 电 平 在 维 持 适 当 性 能 的 情 况 下 达 到 最 小 。 一 方 面减 轻 了 对 其 他 用 户 的 干 扰 ， 同 时 有 助 于 克 服 衰 落 ，使 得 CDMA码 分 多 址 技 术 应 用 于 蜂 窝 移 动 通 信 成 为 可能 ， 并 由 此 拉 开 了 CDMA数 字 蜂 窝 移 动 通 信 系 统 蓬 勃发 展 的 序 幕 。 QUALCOMM公 司 于 1990年 7月 公 布 了 最 早 的CDMA标 准 ， 经 过 许 多 移 动 通 信 运 营 商 和 制 造 厂 家 的协 商 讨 论 ， 于 1990年 9月 发 布 了 建 议 标 准 的 修 订 版本 ， 并 于 1990年 10月 公 布 了 暂 行 规 定 ， 成 为 此 后 一段 时 间 内 被 广 泛 认 可 的 主 要 规 范 。 1993年 7月 ， 美国 ANSI TIA再 次 征 集 各 方 面 的 建 议 ， 经 会 议 讨 论后 正 式 将 其 确 认 为 IS95标 准 ， 即 “ 双 模 式 宽 带 扩 频蜂 窝 系 统 的 移 动 台 基 站 兼 容 标 准 ” 。 IS95标 准 由此 成 为 CDMA移 动 通 信 的 核 心 标 准 ， 世 界 上 许 多 国 家以 此 为 蓝 本 生 产 和 建 设 码 分 多 址 数 字 移 动 通 信 系 统 。 经 过 多 年 的 开 发 修 订 ， 以 IS95为 代 表 的 窄带 CDMA系 列 标 准 已 经 日 趋 完 善 。 IS95系 列 标 准 的 发展 先 后 经 历 了 IS95、 IS95A、 TSB74、 IS95B（ ANSI95） 、 IS2000、 IS2000A等 多 种 标 准 。 需 要补 充 说 明 的 是 TSB74是 与 IS95A有 关 的 TSB文 件 ， 是在 IS95A的 基 础 上 增 加 了 14.4kb/s速 率 组 、 指 配 或切 换 到 PCS频 段 、 MIN/IMSI共 存 等 内 容 。 作 为 第 三代 移 动 通 信 标 准 之 一 的 IS2000及 IS2000A完 全 兼 容IS95标 准 ， 也 就 是 说 现 有 的 IS95系 统 可 以 平 滑 过 渡到 第 三 代 移 动 通 信 。 基 本 概 念 （ 扩 频 、 扩 谱 、 展 频 、 展 谱 ） 扩 展 频 谱 技 术 是 用 比 信 号 带 宽 宽 得 多 的 频 带 宽 度 来 传输 信 息 的 技 术 。 扩 频 通 信 是 将 待 传 送 的 信 息 数 据 用 伪 随 机编 码 (扩 频 序 列 ： Spread Sequence)调 制 ， 实 现 频 谱 扩 展 后再 传 输 ； 接 收 端 则 采 用 相 同 的 编 码 进 行 解 调 及 相 关 处 理 ，恢 复 原 始 信 息 数 据 。 是 一 种 宽 带 的 编 码 传 输 系 统 。扩 频 通 信 方 式 与 常 规 的 窄 带 通 信 方 式 的 区 别 ： （ 1） 信 息 的 频 谱 扩 展 后 形 成 宽 带 传 输 ；（ 2） 用 扩 频 码 序 列 来 展 宽 信 号 频 谱 ； （ 3） 相 关 处 理 后 恢 复 成 窄 带 信 息 数 据 。 基 本 过 程 主 要 特 点1、 抗 干 扰 能 力 强 ， 特 别 是 抗 窄 带 干 扰 能 力 强 。 宽 带 干 扰 可 为 阻 塞 干 扰 。 干扰由于不知道扩频伪随机码 主 要 特 点2、 可 检 性 低 (LPI-Low Probability of Intercept)， 不 容 易 被 侦 破 ， 对各 种 窄 带 通 信 系 统 的 干 扰 很 小 。 3、 抗 多 径 衰 落 多径分离与 RAKE 接收 主 要 特 点4、 具 有 多 址 （ SSMA） 能 力 ， 易 于 实 现 码 分 多 址 （ CDMA） 技 术5、 可 抗 频 率 选 择 性 衰 落 。 6、 频 谱 利 用 率 高 ， 容 量 大 （ 可 有 效 利 用 纠 错 技 术 、 正 交 波 形 编 码技 术 、 话 音 激 活 技 术 等 ） 。 7、 能 精 确 地 定 时 、 测 距 与 定 位 。 8、 数 模 兼 容 ， 可 开 展 多 种 通 信 业 务 。 主 要 应 用1、 军 事 通 信 （ DS电 台 ,FH电 台 ， JTIDS） ， 现 在也 开 始 民 用 和 商 用 。2、 卫 星 通 信 （ 多 址 ， 抗 干 扰 ， 便 于 保 密 ， 降 低平 均 功 率 谱 密 度 ）3、 移 动 通 信 （ 多 址 ， 抗 干 扰 ， 便 于 保 密 ， 抗 多径 ， 提 高 频 谱 利 用 率 ）4、 雷 达 、 导 航 5、 无 线 本 地 环 路 ， WLAN6、 GPS（ 选 址 ， 抗 干 扰 ， 保 密 ， 测 距 ）7、 测 试 仪 ， 干 扰 仪 测 时 延 ， 无 码 测 试 仪8、 其 他 基 本 方 式根 据 伪 随 机 码 插 入 通 信 信 道 的 位 置 不 同 PA 基 本 方 式直 序 扩 频 （ DSSS） Modul-2Adder EXOR充 当Modul-2加 法 器 直 扩 系 统 的 特 点 具 有 较 强 的 抗 干 扰 能 力 。 抗 干 扰 能 力 的 大 小 与 处 理 增 益 成 正 比 。 抗阻 塞 干 扰 （ 可 以 是 窄 带 、 部 分 带 、 梳 状 干 扰 等 ） 的 能 力 差 ， 这 是 因 为直 扩 增 益 一 般 都 小 于 滤 波 器 的 防 护 度 。 具 有 很 强 的 隐 蔽 性 和 抗 侦 察 、 抗 窃 听 、 抗 测 向 的 能 力 。 扩 频 信 号 的谱 密 度 很 低 ， 可 使 信 号 淹 没 在 噪 声 之 中 ， 不 易 被 敌 方 截 获 、 侦 察 、 测向 和 窃 听 。 直 扩 系 统 可 在 10dB-15dB乃 至 更 低 的 信 噪 比 条 件 下 工 作 。具 有 选 址 能 力 ， 可 实 现 码 分 多 址 。 扩 频 系 统 本 来 就 是 一 种 码 分 多 址通 信 系 统 ， 用 不 同 的 码 可 以 组 成 不 同 的 网 ， 组 网 能 力 强 ， 其 频 谱 利 用率 并 不 因 占 用 的 频 带 扩 展 而 降 低 ， 采 用 多 址 通 信 后 ， 频 带 利 用 率 反 而比 单 频 单 波 系 统 的 频 带 利 用 率 高 。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 。抗 多 径 干 扰 。 直 扩 系 统 有 较 强 的 抗 多 径 干 扰 的 能 力 ， 多 径 信 号 到 达接 收 端 ， 由 于 利 用 了 伪 随 机 码 的 相 关 特 性 ， 只 要 多 径 时 延 超 过 伪 随 机 码 的 一 个 切 普 ， 则 通 过 相 关 处 理 后 ， 可 消 除 这 种 多 径 干 扰 的 影 响 ， 甚至 可 以 利 用 这 些 多 径 干 扰 的 能 量 ， 提 高 系 统 的 信 噪 比 ， 改 善 系 统 的 性能 。可 进 行 高 分 辨 率 的 测 向 、 定 位 。 利 用 直 扩 系 统 伪 随 机 码 的 相 关 特 性 ，可 完 成 精 度 很 高 的 测 距 和 定 位 。 基 本 方 式跳 频 扩 频 （ FHSS） 跳 频 系 统 组 成跳 频 器 由 频 率 合 成 器 和 跳 频 指 令 发 生 器 构 成跳 频 器 输 出 的 跳 变 的 频 率 序 列 就 是 跳 频 图 案 可 以 利 用 伪 随 机 发 生 器 来 产 生 跳 频 指 令 ， 或 者 由 软 件 编 程 来 产 生 跳 频 指 令跳 频 单 元 称 为 载 波 保 护 单 元 CPA(Carrier Protect Assemble) 跳 频 器 及 对 跳 频 器 的 要 求要 求 输 出 频 谱 要 纯 ， 输 出 频 率 要 准 、 稳 ，否 则 接 收 和 发 射 两 端 不 易 同 步 ， 不 能 可 靠地 进 行 通 信 ；跳 频 图 案 要 多 ， 跳 频 规 律 随 机 性 要 强 ，从 而 可 加 强 通 信 的 保 密 性 能 ；要 求 频 率 转 换 速 度 要 快 ， 输 出 的 可 用 频率 数 要 多 。 跳 频 速 率 越 快 ， 通 信 频 率 的 跳变 越 不 易 被 干 扰 或 破 译 ， 但 频 率 跳 变 太 快也 会 使 频 谱 展 宽 ， 且 使 得 跳 频 器 结 构 复 杂 ，成 本 高 ；跳 频 器 输 出 频 率 要 高 。 频 率 越 高 ， 可 利用 的 频 率 范 围 越 宽 ， 跳 频 通 信 产 生 的 频 率数 越 多 ， 保 密 性 就 越 强 ； 跳 频 器 必 须 要 有 很 高 的 可 靠 性 和 稳 定 性 、抗 震 性 ， 适 合 于 战 术 通 信 和 移 动 通 信 使 用的 要 求 ；跳 频 器 要 求 体 积 小 、 轻 便 ， 使 跳 频 电 台适 用 于 携 带 式 移 动 通 信 。 PN码发生器 频率合成器 输 出时 钟跳 频 器 技 术 指 标 ：频 率 转 换 时 间 1s；电 台 输 出 的 寄 生 信 号 频率 低 于 选 定 频 率 80dB；跳 频 信 号 带 宽 60MHz；频 率 数 为 4095（ 即 2121） ；跳 频 速 率 为 105h/s 跳 频 图 案跳 频 通 信 中 载 波 频 率 改 变 的 规 律 ， 也 称时 -频 矩 阵 常 采 用 伪 随 机 改 变 的 跳 频 图 案 (a)中 所 示 为 一 快 跳 频 图 案 ， 它 是 在 一个 时 间 段 内 传 送 一 个 码 位 (比 特 )的 信 息 。通 常 称 此 时 间 段 叫 跳 频 的 驻 留 时 间 ， 称频 率 段 为 信 道 带 宽 。 (b)所 示 是 一 慢 跳 频 图 案 ， 它 是 在 一 个 跳频 驻 留 时 间 内 传 送 多 个 (此 处 3个 )码 位 (比特 )的 信 息 。 q图 案 本 身 的 随 机 性 要 好 ， 要 求 参 加 跳 频的 每 个 频 率 出 现 的 概 率 相 同 。 随 机 性 好 ， 抗 干 扰 能 力 也 强 。 周 期 要 长 。q保 密 性 要 强 ， 密 钥 量 要 大 ， 要 求 跳 频 图 案 的 数 目 要 足 够 多 。 这 样 抗 破 译 的能 力 强 。 各 图 案 之 间 出 现 频 率 重 叠 的 机 会 要 尽 量 的 小 ， 要 求 图 案 的 正 交 性要 好 。 这 样 将 有 利 于 组 网 通 信 和 多 用 户 的 码 分 多 址 。 跳 速一 般 跳 频 系 统 可 根 据 跳 频 速 率 为 快 跳 频 （ FFH） 、 中 速 频跳 （ MFH） 和 慢 速 跳 频 （ SFH） ， 有 两 种 划 分 方 式 。 第 一种 是 将 跳 速 （ Rh） 与 信 息 速 率 （ Ra） 相 比 较 来 划 分 ， 若 跳频 速 率 Rh大 于 信 息 速 率 Ra， 即 Rh Ra， 为 快 速 跳 频 ； 反 之 ，Rh Ra为 慢 速 跳 频 。 另 外 一 种 划 分 方 式 是 以 跳 速 来 划 分 ：SFH： Rh: 10 100h s， 如 以 色 列 的 VHF 88、 美 国 的Scimitar-H;MFH: Rh: 100 500h s， 如 美 国 的 SINCGARS V；FFH： R h: 500h s， 如 美 国 的 Scimitar-V。跳 频 速 率 不 同 ， 抗 干 扰 性 能 不 同 ， 复 杂 程 度 和 成 本 也 不 同 。 箭 头 所 示 是 载 波 频 率 跳 变 的 过 程 。 载 波 频 率 之 间 的 频率 间 隔 就 是 信 道 带 宽 ， 跳 频 的 载 波 数 目 乘 上 信 道 带 宽 就是 跳 频 带 宽 。 跳 频 信 号 波 形频 率 合 成 器 从 接 受 指 令 开 始 建 立 振 荡 到 达 稳 定 状 态 的 时 间 叫 作 建 立 时间 ； 稳 定 状 态 持 续 的 时 间 叫 驻 留 时 间 ； 从 稳 定 状 态 到 达 振 荡 消 失 的 时 间叫 消 退 时 间 。 从 建 立 到 消 退 的 整 个 时 间 叫 作 一 个 跳 周 期 ， 记 作 T h。 建立 时 间 加 上 消 退 时 间 叫 作 换 频 时 间 。 只 有 在 驻 留 时 间 (记 作 TD)内 才 能 有效 地 传 送 信 息 。 主 要 特 点抗 干 扰 性 强 跳 频 通 信 抗 干 扰 的 机 理 是 打 一 枪 换 一 个 地 方的 游 击 策 略 ， 敌 方 搞 不 清 跳 频 规 律 ， 因 而 具 有 较强 的 抗 干 扰 能 力 。 一 方 面 ， 我 方 的 跳 频 指 令 是 个伪 随 机 码 ， 其 周 期 可 长 达 十 年 甚 至 更 长 的 时 间 。另 一 方 面 ， 跳 变 的 频 率 可 以 达 到 成 千 上 万 个 。 因此 ， 敌 方 若 在 某 一 频 率 上 或 某 几 个 频 率 上 施 放 长时 间 的 干 扰 也 无 济 于 事 。 主 要 特 点跳 频 图 案 的 伪 随 机 性 和 跳 频 图 案 的 密 钥 量 使 跳频 系 统 具 有 保 密 性 。 即 使 是 模 拟 话 音 的 跳 频 通 信 ， 只 要 敌 方 不 知道 所 使 用 的 跳 频 图 案 就 具 有 一 定 的 保 密 的 能 力 。当 跳 频 图 案 的 密 钥 足 够 大 时 ， 具 有 抗 截 获 的 能 力 。分 集 接 收 技 术 是 克 服 信 号 衰 落 的 有 效 措 施 ， 利用 载 波 频 率 的 快 速 跳 变 ， 具 有 频 率 分 集 的 作 用 ，从 而 使 系 统 具 有 抗 多 径 衰 落 的 能 力 。 条 件 是 跳 变 的 频 率 间 隔 具 要 大 于 衰 落 信 道 的相 关 带 宽 ， 通 常 是 能 满 足 这 个 条 件 的 。 主 要 特 点易 于 实 现 码 分 多 址 ， 频 谱 利 用 率 高 跳 频 通 信 可 以 利 用 不 同 的 跳 频 图 案 （ 正 交 性 ）或 时 钟 ， 可 构 成 跳 频 码 分 多 址 系 统 ， 在 一 定 带 宽内 容 纳 多 个 跳 频 通 信 系 统 同 时 工 作 ， 达 到 频 谱 资源 共 享 的 目 的 ， 从 而 大 大 提 高 频 谱 利 用 率 。兼 容 性 跳 频 通 信 系 统 可 以 与 不 跳 频 的 窄 带 通 信 系 统在 定 频 上 建 立 通 信 。 可 与 常 规 的 定 频 电 台 互 通 ，容 易 将 常 规 电 台 加 装 跳 频 模 块 即 可 变 成 跳 频 电 台 。 主 要 特 点抗 “ 远 一 近 ” 效 应 。 所 谓 远 近 效 应 是 指 大 功 率 的 信号 (近 处 的 电 台 )抑 制 小 功 率 信 号 (远 端 的 电 台 )的 现象 。 对 此 ， 需 要 在 系 统 中 采 用 自 动 功 率 控 制 以 保 证远 端 和 近 端 电 台 到 达 接 收 机 的 有 用 信 号 是 同 等 功 率的 。 这 一 点 ， 增 加 了 直 接 扩 展 频 谱 系 统 在 移 动 通 信环 境 中 应 用 的 复 杂 性 ， 对 直 扩 系 统 的 影 响 很 大 。 对 跳 频 系 统 来 说 ， 这 种 影 响 就 小 得 多 ， 甚 至 可以 完 全 可 克 服 。 这 是 因 为 当 大 功 率 信 号 只 在 某 个 频率 上 产 生 远 近 效 应 ， 当 载 波 频 率 跳 变 至 另 一 个 频 率时 则 不 再 受 其 影 响 。 主 要 特 点采 用 快 跳 频 和 纠 错 编 码 系 统 用 的 伪 随机 码 速 率 比 直 扩 系 统 低 得 多 ， 同 步 要求 比 直 扩 低 ， 因 而 时 间 短 、 入 网 快 。 基 本 方 式跳 时 扩 频 （ THSS） TDMA,能 用时 间 的 合 理 分配 避 开 强 干 扰多 个 跳 时 信号 可 能 重 叠需 用 纠 错 编码 或 协 调 方 式的 TDMA抗 干 扰 方 法主 要 是 减 小 占空 比 ， 干 扰 的方 法 是 连 续 发射 强 干 扰 很 少 单 独 使用 抗 干 扰 ， 多混 合 方 式开 关 基 本 方 式跳 时 扩 频 （ THSS） 接 收 处 理 增 益 为占 空 比 的 倒 数门 1PN码门 2 检 测检 测 判 决 输 出 本 地 PN码 ， 与发 端 同 步 选 通 门 ， 选 通传 号 和 空 号 基 本 方 式UWB系 统 （ 一 种 特 殊 的 跳 时 扩 频 系 统 ） 时 基产 生 脉 冲 调 制 器 UWB脉 冲发 生 器数 据 输 入 数 据 合 成 PN码 产 生 宽 带放 大 器 乘 法 器 积 分 器 基 带 信号 处 理模 板 脉 冲 发 生 器脉 冲 调 制 器 时 基产 生PN码产 生 同 步 /跟 踪控 制 相 关 器 数 据 输 出多 址 方 式 为 TH 基 本 方 式UWB系 统 的 处 理 增 益 （ 两 部 分 ）低 占 空 比 增 益 假 设 接 收 机 与 发 射 机 同 步 ， 接 收 机 使 用 时 间 窗 口 检 测 来 提 高 信 噪 比 。 理 想 条 件下 ， 在 脉 冲 到 来 的 时 间 前 和 后 时 间 窗 关 闭 ， 进 入 窗 口 的 噪 声 非 常 小 。Tf为 脉 冲 重 复 周 期 ， Tp为 脉 冲 宽 度 。 数 据 速 率 受 限 。)(lg10 dBTTG pfD 脉 冲 积 分 增 益 为 提 高 接 收 机 的 检 测 灵 敏 度 ， 发 射 端 需 要 发 射 多 个 （ Ns） 脉 冲 来 传 输 一 个 比特 信 息 。 在 收 端 对 这 些 脉 冲 串 进 行 积 分 ， 获 得 积 分 增 益 。UWB系 统 总 处 理 增 益 为 两 者 之 和 。 通 常 此 值 较 大 （ 如 大 于 40dB） ， 因 此 ， UWB系 统可 以 在 低 信 噪 比 的 环 境 下 工 作 。 )(lg10 dBNG sI 基 本 方 式线 性 调 频 (Chirp)发 射 脉 冲 ， 其 载 频 在 信 息 脉冲 持 续 时 间 T内 线 性 变 化f1 f2Bfff | 21 tt 0)( 22)21cos()( 20 TtTttts 产 生 方 法 接 收 方 法匹 配 滤 波 器 由 色 散 延 迟 线 （ DDL）构 成 ， 这 种 延 迟 线 对 高 频 成 分 延时 长 ， 对 低 频 成 分 延 时 短 。 因 此 ，频 率 由 高 变 低 的 载 波 信 号 通 过 匹配 滤 波 器 后 ， 各 种 频 率 几 乎 同 时到 达 输 出 端 ， 这 些 信 号 成 分 叠 加在 一 起 ， 形 成 对 脉 冲 时 间 的 压 缩 ，使 输 出 信 号 的 幅 度 增 加 ， 能 量 集中 ， 形 成 一 相 关 峰 。 相 关 峰线 性 调 频 信 号 不 需 要 用 伪 随 机 码 控 制 。线 性 调 频 信 号 占 用 的 频 带比 信 息 带 宽 大 得 多 ， 体 现 了频 谱 的 扩 展 。处 理 增 益 为 信 号 带 宽 与 信息 信 号 带 宽 之 比 BTTfBBWG aP 基 本 方 式DS/FH混 合 方 式 总 处 理 增 益GDS/FH GDSGFH提 高 了 系 统 的 抗干 扰 能 力 降 低 实 现 的 难 度 基 本 方 式DS/TH混 合 方 式 直 扩 信 号 t多 址 能 力 很 强 ， 实际 上 具 有 TDMA和CDMA多 址 功 能 ， 因而 可 以 容 纳 更 多 的 用户 。 特 点 比 较扩 频 方 式 优 点 缺 点DS 通 信 隐 蔽 性 好 信 号 易 产 生 ， 易 实 现 数 字 加密 能 达 到 1100MHz带 宽 同 步 要 求 严 格 “ 远 一 近 ” 特 性 不 好FH 可 达 到 非 常 宽 的 通 信 带 宽 有 良 好 的 “ 远 一 近 ” 特 性 快 跳 可 避 免 瞄 准 干 扰 模 拟 或 数 字 调 制 灵 活 性 大 快 跳 时 设 备 复 杂 多 址 时 对 脉 冲 波 形 要 求高 慢 跳 隐 蔽 性 差 ， 快 跳 频率 合 成 器 难 做TH 与 TDMA自 然 衔 接 ， 各 路 信号 按 时 隙 排 列 良 好 的 “ 远 一 近 ” 特 性 数 字 、 模 拟 兼 容 需 要 高 峰 值 功 率 需 要 准 确 的 时 间 同 步 对 连 续 波 干 扰 无 抵 抗 能力 理 论 基 础1、 信 息 论 中 的 香 农 (Shannon) 定 理 C-信 道 容 量 （ 比 特 /秒 ） N-噪 声 功 率 B-带 宽 （ 赫 兹 ） S-信 号 功 率（ 1） 要 增 加 信 道 容 量 ， 可 通 过 增 加 传 输 带 宽 B或 增 加 信 噪 比 S/N， 且增 加 B比 增 加 S/N更 有 效 。（ 2） 在 无 差 错 传 输 的 信 息 速 率 C不 变 时 ， 带 宽 B和 信 噪 比 S/N可 互 换 。即 可 通 过 增 加 B来 降 低 系 统 对 S/N的 要 求 ； 也 可 以 通 过 增 加 信 号 功 率来 降 低 信 号 传 输 带 宽 。 sbitNSBC /)1(log2 理 论 基 础（ 3） 当 B增 加 到 一 定 程 度 时 ， C不 可 能 无 限 地 增 加 ， 有 一 极 限 值 ， 即 说 明 ： 在 S和 n0（ 白 噪 声 的 功 率 谱 密 度 ） 一 定 时 ， C是 有 限 的 。当 S/N很 小 时 （ 0.1） 得 到 ：即 ， 在 无 差 错 传 输 的 信 息 速 率 C不 变 时 ， 如 N/S很 大 ， 则 必 须 使 用 足 够 大 的 带 宽 B来 传 输 信 号 。 SNCB 44.1 002 02 44.1log )1(loglimlim nSnSe BnSBC BB 理 论 基 础（ 4） 信 息 速 率 R的 极 限 值 为 R Rmax C ， 当 B趋 于 无 穷 大 时 ， 信 道要 求 的 最 小 信 噪 比 为 Eb/n0 ， Eb为 码 元 能 量 ， S EbRmax 。 因 此 ， 信 道要 求 最 小 信 噪 比 为可 知 ： 扩 频 系 统 可 在 负 信 噪 比 或 噪 声 下 工 作 。 实 际 上 现 有 的 扩 频 通 信 设 备 都 有 一 个 主 要 技 术 指 标 即 对 应 于 一 定 误码 率 的 接 收 系 统 的 灵 敏 度 。 如 果 接 收 信 号 电 平 小 于 此 值 ， 该 通 信 系 统将 不 能 正 常 工 作 。 而 此 接 收 系 统 的 灵 敏 度 电 平 一 般 在 -85 -100dBm之间 。 这 个 电 平 值 是 完 全 在 无 线 电 管 理 部 门 的 仪 器 仪 表 监 测 的 范 围 内 。如 采 用 21dBi增 益 天 线 ， 40dB增 益 低 噪 声 放 大 器 ， HP系 列 频 率 分 析 仪 ，系 统 的 接 收 灵 敏 度 可 达 到 -140dB左 右 ， 完 全 可 以 监 测 到 扩 频 信 号 。 因 此 说 无 线 电 管 理 部 门 监 测 不 到 扩 频 通 信 信 号 的 说 法 是 完 全 错 误 的 。 事实 上 各 级 无 线 电 管 理 部 门 已 经 通 过 对 扩 频 信 号 进 行 监 测 的 方 法 查 找 了不 少 非 法 设 立 的 扩 频 通 信 系 统 。 44.11max00 Rn SnEb dBnEb 6.1694.044.11min0 理 论 基 础 Si,Ni编 码 系 统 与 非 编 码 系 统 的 带 宽 与 信 噪 比 互 换编 码 系 统 HBBiiNSNS 00结 论 ： 输 出 信 噪 比 与 带 宽 成 指 数 关 系 ， 带 宽 的 增 加 能 明 显 地 提 高 系 统 的 输 出 信 噪 比 。 增 加 带 宽 的 有 效 途 径 是 通 过 编 码 或 调 制 的 方 法 ， 增 加 信 号 的 多 余 度 。 理 想 带 通 系 统 ： 能 够 实 现 极 限 信 息 速 率 传 输 且 能 达 到 任 意 小 差 错 概 率 的 通 信 系 统编 码 器 信 道 解 码 器输 入fm B B,Ri S0,N0fm ,BH,R0)1(log2 iii NSBR )1(log 0020 NSBR H 解 码 （ 解 调 ） 前 后 信 息 速 率 不 变 ， Ri=R0 理 论 基 础编 码 系 统 与 非 编 码 系 统 的 带 宽 与 信 噪 比 互 换非 编 码 系 统 iiNStfA tfNS )()(2 22 200AM系 统 ： AM信 号 的 表 达 式 为结 论 ： 输 出 信 噪 比 与 输 入 信 噪 比 成 正 比 ， 与 带 宽 无 关 。 不 存 在 带 宽 与 信 噪 比 的 互 换 关 系 。 FM系 统 ： iiff NSmmNS )1(3 200 结 论 ： 输 出 信 噪 比 与 输 入 信 噪 比 成 正 比 ， 与 带 宽 有 关 。 带 宽 与 信 噪 比 可 互 换 。 增 加 带 宽 可 以 换 取 信 噪 比 ， 但 效 率 不 高 。 ttfAts 0cos)( ）式 中 ， A为 信 号 振 幅 ， f（ t） 为 调 制 信 号 ， |f（ t） |A。)(cos)( 00 tf dttfktAts A为 信 号 振 幅 ， f(t)为 调 制 信 号 ， kf为 调 制 系 数 或 调 制 灵 敏 度 。 理 论 基 础2、 柯 捷 尔 尼 可 夫 关 于 信 息 传 输 差 错 概 率 的 公 式 ： Pe f(Eb/n0) Pe