1、1跳频通信和扩频通信 跳频通信是扩频通信的一个分支，它的突出优点是抗干扰性强，因而很适用于军事领域。当 70 年代末第一部跳频电台问世以后，就预示着其发展势头锐不可挡。到了年代，世界各国军队普遍装备跳频电台。这十年是跳频电台发展速度最快的十年。广泛使用跳频电台曾被誉为 80 年代频段无线电通信发展的主要特征。90 年代，跳频通信如虎添翼，在军用跳频通信领域已相当成熟的同时，跳频通信的应用又拓宽到民用领域。业内人士指出，跳频通信是对抗无线电干扰的有效手段，称其为无线电通信的“杀手锏”。跳频通信是如此的神奇，以致于自其问世至今的短短 30 年间，倍受世界各国，特别是几大军事强国的青睐。 2 跳频通
2、信的基本概念 2.1 定义我们在用收音机收听某电台，当电台在中波和短波两个波段上播放同一个节目时，有这样的体会：若中波波段信号不好，则随即换到短波波段收听；当短波波段信号不好，则又换回到中波波段收听。这种以更换波段的手段来改善收听效果的方法，就是跳频的通俗含义。只不过这种跳频仅在接收端发生，而且是由人工干预来实施跳频的。我们假设，当广播电台发送的频段也能“紧跟”收音机用户更换的话，那么，这种通信方式就是跳频通信。因此，跳频通信可这样描述：通信收发双方同步地改变频率的通信方式称为跳频通信。 2.2 同步条件 (通信条件)与定频通信相比，跳频通信的载波频率一直在跳变。工作中，发方以相当快的速率（跳
3、速）改变频率，收方必须与发方同步地改变频率，双方才能保持通信。也就是说，跳频通信时，收发双方必须采用同一种跳频图案。跳频电台之间要成功地进行跳频通信，收发双方必须同时满足三个条件：跳频频率相同；跳频序列相同；跳频的时钟相同（允许存在一定的误差）。三个条件缺一不可，否则无法实现跳频通信。 3 跳频通信的主要特点 3.1 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
4、事。2另外，跳频频率受伪随机码控制而不断跳变，在每一个频率的驻留时间内，所占信道的带宽是很窄的。由于频率跳变的速率非常快，因而从宏观上看，跳频系统又是个宽带系统，即扩展了频谱。事实上，跳频的带宽就是频率的数目与每个频率所占信道带宽的乘积。由扩频通信理论可知，扩展频谱的好处可以换取更好的信噪比。也就是说，如果扩展了频带，就可以在较低的信噪比的情况下，照样可用相同的信息速率、任意小的差错概率来传递信息，甚至在信号被噪声完全湮没的情况下，也能保持可靠的通信。由此可见，抗干扰性强是跳频通信最突出的优点。 3.2 频谱利用率高人们早已认识到频谱资源十分宝贵，因此，提高频谱利用率也是现代通信的基本要求之一
5、。跳频通信可以利用不同的跳频图案或时钟，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。 3.3 易于实现码分多址多址通信是指许多用户组成一个通信网，网内任何两个用户都可达成通信，并且多对用户同时通信时又互不干扰。应用跳频通信可很容易地组成这样一个多址通信网。网内各用户都被赋于一个互不相同的地址码，这个地址码恰似电话号码。每个用户只能收到其他用户按其地址码发来的信号才可判别出是有用信号，对其他用户发来的信号，则不会被解调出来。 3.4 兼容性对于跳频通信而言，兼容的含义是指一个跳频通信系统可以与一个不跳频的窄带通信系统在定频上建立通信。显而易见，兼容的
6、好处在于，先进的跳频电台可与常规的定频电台互通。这在跳频电台的研制上比较容易实现只要将常规电台加装跳频模块即可变成跳频电台。显然，跳频模块是整个跳频电台的关键部件。 4 跳频电台的组网 4.1 组网过程组网前，网内所有跳频电台均处于搜索扫描状态，当主台（中心台）按下收发转换开关（PPT 键）时，主台首先发出同步信号，该同步信号被网内其他属台正确接收后，各属台先自动校正本台的时钟，再将自己的跳速自动跟踪到主台的跳速上，尔后建立通信联络。通信完毕，网内所有电台再次回到搜索扫描状态，以等待下一次同步组网。为了使网内电台仅在本网中搜索扫描，网内各台需在组网前设置呼叫参数。这样，网内电台只有当监听到对本
7、网或本台的呼叫时才进入跳频建立状态，也就是说，属台只与呼叫本网网号的主台同步。34.2 组网方法4.2.1 组网方法分类跳频电台的组网方法，根据跳频图案分为正交和非正交两种。如果多个网所用的跳频图案在时域上不重叠(形成正交)，则组成的网络称为正交跳频网。如果多个网所用的跳频图案在时域上发生重叠，则称为非正交跳频网。此外，根据跳频网的同步方式，跳频电台的组网方法又有同步网和异步网之分。正交跳频网为了使跳频图案不发生重叠，要求全网做到严格定时，故一般采用同步网方式组网。从严格意义上讲，正交跳频网是同步正交跳频网，一般简称为同步网。非正交跳频网的跳频图案可能会发生重叠，即网与网之间在某一时刻跳频频率
8、可能会发生碰撞（重合），因而可能会产生网间干扰。不过，这种网间干扰通过精心选择跳频图案和采用异步组网方式，是完全可以减少到最低限度的。因此，非正交跳频网常采用异步组网方式。异步非正交跳频网一般简称为异步网。显然，跳频电台的组网比定频电台的组网复杂得多。4.2.2 同步组网同步组网方法所有的网都使用同一张频率表，但每个网的频率秩序不同；各网在统一的时钟下实施同步跳频。例如，某跳频电台的跳频频率表为 f1、f2、f3、f4 四个频率，若要组织四个跳频网，则组织方法为：1#网按 f1、f2、f3、f4 的秩序跳频；2#网按 f2、f3 、 f4 、f1 的秩序跳频； 3#网按 f3、f4 、f1、f
9、2 的秩序跳频；4#网按 f4、 f1、f2、f3 的秩序跳频。此外，为了使某一瞬间不发生频率碰撞，四个网还必须在统一的时钟下实施跳频通信。这样，在某一瞬间，仅仅存在着不同秩序但又不重复的四个频率集。同步组网的优缺点同步组网的优点显而易见：一是频率利用率高。各网都使用同一张频率表（但频率秩序不同）。理论上讲，有多少个跳频频率就可组成多少个正交跳频通信网。二是不存在网间干扰。某一时刻，网间不会发生频率重叠，因而不会发生网与网之间的干扰。然而，同步组网方法的缺点也是十分突出的。首先，各网必须“步调一致” ，否则，只要有一个网不同步，将会造成全网失步而瘫痪。其次，同步组网方式实际上是将各网组成一个大
10、的群网，建网时需要所有的子网（上例中的 1#至 4#网）内的电台都响应同步信号，才能将各电台的跳频图案完全同步起来，因而建网速度比较慢。再者，同步时间比较长，因为，同步组4网方法必须使用统一的密钥，一旦泄密，整个群网的跳频图案都会被暴露无遗。最后，同步组网时，频率表的选择难度比较大，一旦某个频率受到干扰或效果不佳，则换频必须是全局性的。有鉴于此，目前使用的跳频电台很少采用同步组网方法。4.2.3 异步组网异步组网方法非正交网虽然可能会发生网间干扰，但通过精心选择跳频图案和采用异步方式组网，是可以减少网间频率重叠的概率。常见的组网方法是：不同的网络应采用不同的跳速或不同的频段。若网络和电台的数量
11、不多，则可考虑采用同一频率集组网；反之应考虑采用不同的频率集。在同一频率集内若要求每两部或三部电台组成个网，并且网数不多时，可以通过以下两种手段来组成不同的跳频网：一是通过设置不同的密钥号；二是通过不同的时钟来组网。异步组网的优点由于异步组网不需要全网的定时同步，因而可以降低对定时精度的要求，而且在技术上容易实施。此外，它还有容易建立系统的同步、用户入网方便以及组网灵活等优点，因而得到广泛的应用。异步组网的关键采用异步组网的方法，各网按各自的时间和跳频序列工作。由于各跳频网之间没有统一的时间标准，因而异步组网时，如果多网采用同一频率表，频率序列虽不同，但也有可能发生频率碰撞。显然，这种频率碰撞
12、的机会是随着网络数量的增加而增多的。毋庸置疑，异步组网工作时，为了实现多网之间互不干扰，频率表的选择以及频率序列（即密钥）的选择就成了异步组网的关键这正是跳频通信在应用上的主要研究方向。5 跳频通信的应用与发展 跳频通信的发展历程可概括为：40 年代末理论先导，60 年代研制攻关，70 年代末产品问世， 80 年代逐步推广，90 年代广泛应用，21 世纪飞速发展。诚然，跳频通信是由电子对抗而首先应用于军事领域的。但是，它在民用通信的应用也越来越受到人们的密切关注。目前，跳频通信的理论和技术已很成熟。55.1 跳频通信在军事通信中的应用与发展跳频通信自问世以来之所以如此迅猛发展，这主要得益于跳频
13、通信本身所具备的突出优点。这些优点又能符合现代信息战条件下电子对抗的要求。海湾战争表明，跳频电台在通信中发挥了突出的作用。目前，跳频系统的跳速维持在如下水平：短波电台100 跳/秒，超短波电台500 跳/秒。但每秒千跳以上的跳频电台也已问世。可以乐观地预测，到了 21 世纪，跳频电台的跳速可发展到每秒几万跳，甚至每秒百万跳。跳频带宽一般可工作到全频段。跳频频率集虽然目前已达到 300 个的水平，但上万个频率集的跳频系统也已研制出来。跳频系统的同步时间目前已达到几百毫秒的数量级，今后必定越来越短。因为，同步建立时间越短，信息被敌方发现、截获和测向的概率就越低，通信的隐蔽性越好当然，通信干扰与反干
14、扰是一对矛盾，它们互相制约，但又互相促进发展。跳频通信并不惧怕单频干扰和多频干扰，但跟踪式干扰是跳频通信的“天敌”。跟踪式干扰的步骤是：侦听、处理、施放干扰。当本方截获到敌方的跳频图案后，迅速地以同样的跳频图案施放干扰，由于两个跳频图案的矢量迭加必然带来接收方的一片盲然，致使敌方无法达成正常的跳频通信。据报载，国外已有能同时监视 80 个相邻信道，扫描搜索速度为 80,000 信道/ 秒的侦察接收机问世，这种侦察接收机的截获跳频图案的概率几乎达到 100。这是迄今为止对付跳频通信最理想的反干扰手段。为了对付跟踪式干扰，人们总是希望尽可能缩短跳频信号的驻留时间，使侦察接收机无可乘之机。这就要求跳
15、频系统的跳速尽可能快。基于这方面考虑，目前世界各国竞先研制快速跳频通信装备。另外，跳频系统的技术发展又受到元器件、编解码技术等因素的制约。目前，跳频速率尚未达到每秒 5000 跳。若达到这个水平，则目前的跟踪式干扰机便无能为力了。为此，跳频通信将向以下两个方面发展：一个是跳频与直接序列扩频混合使用方式，另一个是跳频与直接序列扩频、跳时三者混合使用方式。这样可以优势互补，共同发展。 5.2 跳频通信在民用通信中的应用与发展90 年代以来，跳频通信在军事通信领域的应用中取得巨大成就的基础上，又开始向民用通信领域进军。原因有二：一是“无线革命”的兴起。数字蜂窝移动通信、个人通信、室内无线通信等新兴通
16、信方式，要求解决频带拥挤问题，由于跳频通信的频谱利用率较高，因此，人们自然就考虑到采用跳频通信来解决这个问题。二是市场需求的推动。采用新的通信技术不仅出于占有国内市场的考虑，也是为了争取国外市场。在移动通信领域，扩容乃当务之急。跳频或扩频码分多址技术的增容潜力无比强大。据专家估算，采用跳频或扩频码分技术后，目前的容量可提高6倍。这是一个十分惊人的数字。为此，许多专家学者纷纷倡导采用跳频或扩频码分多址技术来解决扩容问题。在有线通信领域，考虑到一方面扩建需要巨大的投资，另一方面，无线个人通信又可作为有线通信网的应急手段，因此，跳频也是一条值得通信系统建设考虑的途径。如果采用跳频通信，可以预见未来会
17、有“无线城市”和“无线办公室”的不断涌现。另外，加强在光纤通信中应用跳频技术的研究，也是跳频技术的一个发展方向。在一些要求信息保密的部门或场所，如公安部门、安全部门、政法部门、证券市场等，采用跳频通信作为其内部通信，则可以起到保密信息的作用，原因是跳频通信被截获的概率很低。在广播领域，原先的一个调频电台只能传送一个单声道和一个立体声节目，采用跳频技术后，则可传送 75 个立体声调频节目，而且是数字信号。扩频通信的基本概念通信技术和通信理论的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题开展的。所以，有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。有效性，是指通信系统传输信息效率的高
18、低。这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。由于信息在传输过程中受到干扰，收到的与发出的信息并不完全相同。可靠性就是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度。因此，可靠性决定于系统抵抗干扰的性能，也就是说，决定于通信系统的抗干扰性。在模拟通信系统中，传输可靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。在数字通信系统中，传输可靠性是用差错率来衡量的。扩展频谱通信由于具有很强的
19、抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了应用。近年来，扩展频谱通信技术的理论和应用发展非常迅速。扩频通信是扩展频谱通信的简称。我们知道，频谱是电信号的频域描述。承载各种信息(如语音、图象、数据等)的信号一般都是以时域来表示的，即表示为一个时间的函数 。信号的时域表示式 可以用傅立叶变换得到其频)(tf )(tf域表示式 。频域和时域的关系由(1-1)确定：)(fFdtetffFfj2)(1-1)tfj)(函数 的傅立叶变换存在的充分条件是 满足狄里赫莱(Dirichlet)条件，或)(tf t在区间(-，+ )绝对可积，即 必须为有限值。df)(扩展频谱通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩
20、频函数（与待传7输的信息码无关）扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，再利用相应的手段将其压缩，从而获取传输信息的通信系统。也就是说在传输同样信息时所需要的射频带宽，远远超过被传输信息所必需的最小的带宽。扩频后射频信号的带宽至少是信息带宽的几十倍、几百倍甚至几万倍。信息已不再是决定射频信号带宽的一个重要因素，射频信号的带宽主要由扩频函数来决定。由上述可见，扩频通信系统有以下两个特点：(1) 传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽；(2) 传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常是伪随机(伪噪声)编码信号。以上两个特点有时也称为判断扩频通信系统的准则。扩频通信系统最大的特点是其
21、具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的能力。这里我们先定性地说明一下扩频通信系统具有抗干扰能力的理论依据。扩频通信的基本理论根据是信息理论中的山农（CEShannon）信道容量公式：(1-2)1(log2NSWC式中 C 为信道容量 (bit/s)，W 为信道带宽(Hz)，S 为信号功率(W)，N 为噪声功率(W)。山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。令 C 是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，对(1-2) 式进行变换(1-3)1(log4.eSC对于干扰环境中的典型情况，当 时，对式(1-2)用幂级数展开，并N略
22、去高次项得(1-4)SW4.1或(1-5)C7.0由式(1-4)和(1-5)可看出，对于任意给定的噪声信号功率比 ，只要增加SN用于传输信息的带宽 W，理论上就可以增加在信道中无误差地传输的信息率C。或者说在信道中当传输系统的信号噪声功率比 下降时，可以用增加系统S传输带宽 W 的办法来保持信道容量 C 不变。对于任意给定的信号噪声功率比，可以用增大系统的传输带宽来获得较低的信息差错率。扩频通信系统正是NS利用这一原理，用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目的。扩频通信系统的带宽比常规通信体制大几百倍乃至几万倍，所以在相同信噪比的条件下，具有较强的抗干扰的能力。山农指出，在高斯噪声
23、的干扰下，在限平均功率的信道上，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。这是因为高斯白噪声信号具8有理想的自相关特性，其功率谱为- f (1-6)2)(0NfS它的自相关函数为(1-7)(2)()(02dfefRj其中： 为时延，(1-8)(白噪声的自相关函数具有 函数的特点，说明它具有尖锐的自相关特性。)(但是对于白噪声信号的产生、加工和复制，迄今为止仍存在着许多技术问题和困难。然而人们已经找到一些易于产生又便于加工和控制的伪噪声码序列，它们的统计特性逼近于高斯白噪声的统计特性。伪噪声序列的理论在本书以后的章节要专门讲述，这里仅简略引用其统计特性，借以说明扩频通信系统的实质。
24、假设某种伪噪声序列的周期(长度)为 N，且码元都是二元域 上的元1,素。一个周期(长度)为 N，码元为 的伪噪声二元序列 的归一化自相关函数icic为(1-9)(mod01)(NRiic式中 ，1，2 ，3，。当伪噪声序列周期(长度)N 取足够长或 N时，0式(1-9)可简化为(1-10)(od01)(NRc比较式(1-7)和式(1-10)，看出它们比较接近，当序列周期(长度)足够长时，式(1-10)就逼近式(1-7)。所以伪噪声序列具有和白噪声相类似的统计特性，也就是说它逼近于高斯信道要求的最佳信号形式。因此用伪噪声码扩展待传输基带信号频谱的扩频通信系统，优于常规通信体制。图 1-1 扩展频
25、谱通信系统模型s(t)数据源编码器m 序列发生器发射机射频振荡器and(t)c(t) cos(2f0t+)中频滤波器VCO m 序列发生器射频滤波器R(t) r(t) v(t)至数据检测器fdT)(rtc2cos2(f0+fIF+ )t+ d(b)接收系统(a)发射系统9图 1-2 理想扩展频谱系统波形早在 50 年代，哈尔凯维奇() 已从理论上证明：要克服多径衰落干扰的影响，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。采用伪噪声码的扩频函数逼近白噪声的统计特性，因而扩频通信系统又具有抗多径干扰的能力。现在我们以直接序列扩频通信系统为例，来研究扩频通信系统的基本原理。它的原理方
26、框图如图 1-1 所示。图 1-1(a)是发射系统方框图，图 1-1(b)是接收系统方框图。信源产生的信息流 通过编码器输出二进制码流 。二进制码流中所na)(td含的两个符号的先验概率相同，均为 ，且两个符号相互独立，其波形图如图211-2(a)所示，二进制数字信号 与一个高速率的二进制伪噪声码 的波形)(td )(tc（如图 1-2(b)所示，伪噪声码为 m 序列）相乘，得到如图 1-2(c)所示的复合信号 ，这就扩展了传输信息的带宽。一般伪噪声码的速率是 Mb/s 的)(tcd量级，有的甚至达到几百 Mb/s。而待传输的信息流 经编码器编码后的码速na率较低，如数字话音信号一般为 163
27、2kb/s，这就扩展了调制信号的带宽。扩频后的复合信号 对载波进行调制(直接序列扩频一般采用 PSK 调制)，)tc然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 表示，(ts如图 1-2(d)所示。扩频信号 的带宽取决于伪噪声码 的码速率。在 PSKts )(tc调制的情况下，射频信号的带宽等于伪噪声码速率的 2 倍，而几乎与数字信息流的码速率无关。以上处理过程就达到了扩展数字信息流频谱的目的。Rcf0f f fBbfIF fIFBb多径信号 窄带干扰白噪声白噪声有用信号有用信号多径信号 多径信号窄带干扰有用信号白噪声窄带干扰(a) 接收机输入 (b) 混频器输出 (c) 中频滤
28、波器输出Tb(a) d(t)+1-1Tb(e) d(t)+1-1s(t)=d(t)c(t)cos2f0t+(t)(d) s(t)P2 (b) c(t) +1-1 Tc(c) d(t)c(t) +1-110图 1-3 扩频接收机中频滤波器输出频谱在接收端用一个和发射端同步的伪噪声码 所调制的本地振荡信号)(drTtc，与接收到的 进行相关处理。相关处理是将两个信)(2cosIF0tffd )(ts号相乘，然后求其数学期望(均值)，或求两个信号瞬时值相乘的积分。当两个信号完全相同时(或相关性很好)，得到最大的相关峰值，经数据检测器恢复发射端的信号 。若信道中存在着干扰，这些干扰包括窄带干扰、)(t
29、人为瞄准式干扰、单频干扰、多径干扰和码分多址干扰，它们和有用信号同时进入接收机，如图 1-3(a)所示。图 1-3 中， 为伪噪声码速率，)(1ts cR为射频频率， 为中频频率， 为被基带数字信息 调制的已调波信号0fIFfbB)(td的带宽。由于窄带噪声和多径干扰与本地扩频信号不相关，所以在进行相关处理时被削弱，实际上干扰信号和本地扩频信号相关处理后，其频带被扩展，也就是干扰信号的能量被扩展到整个传输频带之内，降低了干扰信号的电平(单位频率内的能量)，如图 1-3(b)所示。由于相关器后的中频滤波器通频带很窄，所以中频滤波器只输出被基带信号 调制的中频信号和落在滤波器通频带内的那)(td部
30、分干扰和噪声，而绝大部分的干扰和噪声能量被中频滤波器滤除，这样就大大地改善了系统的输出信噪比，如图 1-3(c)所示。关于这一特性，我们将在扩频通信系统的性能分析一章中作进一步分析。为了对扩频通信系统的这一特性有一初步了解，我们以解扩前后信号功率谱密度示意图来说明这一问题。假设有用信号的功率为 ，码分多址干扰01P信号的功率 ，多径02干扰信号的功率 ，3其他进入接收机的干扰和噪声的功率 。再假0N设所有信号的功率谱是均匀分布在 的带宽之内。cR2解扩前的信号功率谱见图1-4 中的(a) ，图中各部分的面积都相等，为 。0P解扩后的信号功率谱见图1-4 中的(b)，各部分的面积保持不变。通过相
31、关解扩后，有用信号的频带被压缩在很窄的带宽内，能无失真的通过中频滤波器(滤波器图 解扩前后信号功率谱密度示意图的带宽为 。其它信号因和本地扩频码无关，频带没有被压缩，进入中频滤bB波器的能量很少，大部分能量落在中频滤波器的通带之外，被中频滤波器滤除2Rc 2RcBb(a) 解扩前 (b) 解频后有用信号多址信号多径信号噪声有用信号多址信号多径信号噪声11了。我们可以定性的看出，解扩前后的信噪比发生了显著的改变。1.2 扩频通信系统的分类扩频通信系统的关键问题是在发信机部分如何产生宽带的扩频信号，在收信机部分如何解调扩频信号。根据通信系统产生扩频信号的方式，可以分为下列几种。1.2.1 直接序列
32、扩展频谱系统(DS-SS)图 1-5 直接序列扩频通信系统简化图直接序列扩展频谱系统是用待传输的信息信号与高速率的伪随机码波形相乘后，去直接控制射频信号的某个参量，来扩展传输信号的带宽。用于扩展频谱的伪随机序列称为扩频码序列。直接序列扩展频谱通信系统的简化方框图参见图 1-5。在直接序列扩频通信系统中，通常对载波进行相移键控调制。为了节约发射功率和提高发射机的工作效率，扩频通信系统常采用平衡调制器。抑制载波的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力也有利。在发信机端，待传输的数据信号与伪随机码(扩频码)波形相乘(或与伪随机码序列模 2 和 )，形成的复合码对载波进行调制，然后由天线发射出去。在收信机
33、端，要产生一个和发信机中的伪随机码同步的本地伪随机码，对接收信号进行解扩，解扩后的信号送到解调器解调，恢复出传送的信息。1.2.2 跳频扩频通信系统(FH-SS)图 1-6 频率跳变扩频通信系统简化方框图跳频扩展频谱通信系统是频率跳变扩展频谱通信系统的简称，更确切地说应叫做“多频、选码和频移键控通信系统”。它是用二进制伪随机码序列去离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪随机码的变化而时钟源乘法器 调制器 发射机载波发生器伪码产生器混频器本地振荡器时钟源 伪 码 产生器 调制器解调器 中频 放大器数据 数据调制器 频率 合成器伪码产生器混频器时钟源 伪 码 产生器 频率 合成器
34、解调器 中频 放大器数据数据时钟源12跳变。跳变系统可供随机选取的频率数通常是几千到 个离散频率。每次移频20是根据伪随机码决定的。频率跳变扩展频谱通信系统的简化方框图参见图 1-6。频率跳变扩展频谱通信系统主要由伪随机码产生器和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扩展频谱通信系统的关键部件。频率跳变扩频通信系统发信机的发射频率，在一个预定的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。收信机中的频率合成器也按照相同的顺序跳变，产生一个和发射频率只差一个中频的本振频率，经混频后得到一个频率固定的中频信号。这一中频信号经放大后送到解调器解调，恢复出传输的信息。
35、在频率跳变扩频通信系统中，控制频率跳变的指令码(伪随机码)的速率，没有直接序列扩频通信系统中的伪随机码速率高，一般为每秒几十跳到几万跳，根据频率跳变的速度，可以将频率跳变系统分为慢频率跳变系统和快频率跳变系统两种。假设数据调制采用频移键控调制，T 是一个信息比特宽度，每 秒数据调LT制器输出 2L 个频率中的一个。每隔 秒系统输出信号的射频频率跳变到一个cT新的频率上。若 ，这样的频率跳变系统称为慢频率跳变系统。现举例说LTc明慢频率跳变系统的工作过程，参见图 1-7。图 1-7，L=2， ， ， 。数据调制器根据二进sdW2dksW3制码选择 4 个频率中的一个，即每隔 秒数据调制器从 4
36、个频率中选择T1 个。频率合成器有 ， 个频率可供跳变，每传送 2 个符号或 43k83k个比特后跳变到一个新的频率。发送信号在收信机中同本地振荡信号进行下变频，本振频率的集合为 ，下变 dddd W,3,7,2,6,5,0频后的中频信号频率集中在宽度为 的频带中。TcTs 时间T0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 WdWdWS 频率13图 1-7 慢频率跳变系统频率跳变示意图图 1-8 快频率跳变系统频率跳变示意图在慢频率跳变系统中，频率的跳变速度比数据调制器输出符号的变化速度慢。若在每个数据符号中，
37、射频输出信号的频率跳变多次，这样的频率跳变系统就叫做快频率跳变系统。图 1-8 给出了快频率跳变系统输出射频信号的频率。在图 1-8 中， ， ， ，k=3。2LcdTLWdks21.2.3 跳时扩频通信系统(TH-SS)时间跳变也是一种扩展频谱技术，跳时扩频通信系统是时间跳变扩展频谱通信系统的简称，主要用于时分多址(TDMA)通信。与跳频相似，跳时是使发射信号在时间轴上跳变。我们先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。因此，可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。由于采用了窄得很多的时片去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。图 l-8
38、是跳时系统的原理方框图。在发端，输入的数据先存储起来，由扩颇码发生器产生的扩频码序列去控制通-断开关，经二相或四相调制后再经射频调制后发射。在接收端，当接收机的伪码发生器与发端同步时，所需信号就能每次按时通过开关进入解调器。解调后的数据也经过一缓冲存储器，以便恢复原来的持续时间，提供给用户均匀的数据流。只要收发两端在时间上严格同步TcTs 时间0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 WdWdWS 频率14进行，就能正确地恢复原始数据。跳时也可以看成是一种时分系统，所不同的地方在于它不是在一帧中固定分配一定位置的时片，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位
39、 图 1-8 时间跳变扩频通信系统简化方框图置的时片。跳时系统能够用时间的合理分配来避开附近发射机的强干扰，是一种理想的多址技术，但当同一信道中有许多跳时信号工作时，某一时隙可能有几个信号相互重叠，因此。跳时系统也和跳频系统一样，必须采用纠错编码，或采用协调方式构成时分多址。由于简单的跳时抗干扰性不强，很少单独使用。跳时通常都与其他方式结合使用，组成各种混合方式。从抑制于扰的角度来看，跳时系统得益甚少，其优点在于减少了工作时间的占空比。一个干扰发射机为取得干扰效果就必须连续地发射，因为干扰机不易侦破跳时系统所使用的伪码参数。跳时系统的主要缺点是定时要求太严。1.2.4 线性脉冲调频系统(Chi
40、rp)线性脉冲调频系统是指系统的载频在一给定脉冲时间间隔内线性地扫过一个宽带范围。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。线性调频是一种不需要用伪码序列调制的扩频调制技术，由于线性调频信号占用的频带宽度远大于信息带宽，从而也可获得很大的处理增益。线性调频信号的特点是，发射脉冲信号的瞬时频率在信息脉冲持续周期 T内随时间作线性变化，在脉冲起始和终止时刻的频差(1-11)cBfF21式中： 为脉冲起始时刻的频率；1f为脉冲终止时刻的频率；2为瞬时频率变化范围；F为线性调制后的带宽。cB线性脉冲调频，是作为雷达测距的一种工作方式使用的，其基本原理如图1-9
41、所示。发射波是一个宽脉冲(图中 a)，被变换成频偏为 的宽带调频波（通常F是线性调频）发射(图中 b，c) ，接收机解调用具有频率范围大、延迟时间小的脉冲压缩滤波器(特性如图中 d)，其输出为极窄的压缩脉冲(图中 e)。线性脉冲调频信号的产生，可由一个锯齿波信号调制压控振荡器(VCO)来载波 f0调制器 开关伪码产生器控制门 存储器伪码产生器存储器解调器数据数据(c)(d)(e)(a)f1 f2(b)T15实现，如图 1-10 所示。线性脉冲调频信号的接收可用匹配滤波器解调。它是由色散延迟线(DDL)构成的。这种延迟线对信号的高频成分延迟时间长，对低频成分延迟时间短，于是频率由高到低的载频信号
42、通过匹配滤波器后，各频率成分几乎同时输出。这些信号成分叠加在一起，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，如图 1-10 所示。而与滤波器不匹配的信号在时间上没有压缩，甚至反被扩展。这就完成了和直接序列扩频及跳频系统类似的过程，从而获得输出信噪比改善的好处。色散延迟线或调频脉冲匹配滤波器图 1-9 线性脉冲调频原理图图 1-10 线性脉冲调频的产生和接收解调原理示意图压缩扫频信号，通常是线性压缩。压缩比为 D=TF= 。T但线性脉冲调频和通信关系不大，本书不作讨论。1.2.5 混合扩展频谱通信系统以上几种基本的扩展频谱通信系统各有优缺点，单独使用其中一种系统时有时难
43、以满足要求，将以上几种扩频方法结合起来就构成了混合扩频通信系统。常见的有频率跳变-直接序列混合系统(FH/DS)，直接序列 -时间跳变混合系统(DS/TH)，频率跳变-时间跳变混合系统 (HF/TH)等。它们比单一的扩频、跳频、跳时体制有更优良的性能。1.3 扩展频谱通信系统的模型1.3.1 直接序列扩频系统的模型我们以二元直接序列扩展频谱通信系统为例，来讨论扩展频谱通信系统的数学模型。假设系统的调制方式为 PSK，图 1-11(a)就是在这种情况下的发射机系统数学模型。发射机输出 PSK 信号的表达式为(1-12)(2cos)( 00ttfAtfm式中： 为载波的中心频率；0fA 为载波的振
44、幅；为载波的初始相位；)(t为二进制序列所控制的载波相位。ms(t)数据源编码器m 序列发生器发射机射频振荡器and(t)c(t) cos(2f0t+)(a)发射系统低通滤波器VCO m 序列发生器射频滤波器R(t) r(t) v(t)至数据检测器(b)接收系统dfdT)(rtc2cos2(f0+ )t+ 压控振荡器匹配滤波器发射端 接收端16图 1-11 扩频通信系统模型17为运算方便，假设 A=1， 。若规定二进制序列中的“+1”对应于0)(t，而二进制序列中的“-1”对应于 ，则有0)(tm )(tm(1-13)时当 二 进 制 序 列 为 时当 二 进 制 序 列 为 12cos)(0
45、tftf可见，这种调制信号可等效为一个只取1 的二值波形，是一个对载波实行抑制后的幅度调制信号(1-14)tftf0cs)(式中(1-15)”时当 二 进 制 序 列 为 “时当 二 进 制 序 列 为 11)(tm在图 1-10(a)中，我们用 表示数据流 经编码后的数字信号波形，tdna表示扩频码信号波形。 和 都是二进制信号波形，且都满足式(1-15)。)(tc)(c图 1-11(a)的射频输出信号 的表达式可写为ts(1-16)tft02os)(为方便分析，我们假设 和 是相互独立的，且 的码元宽度 是)(tdc)(tdbT码元宽度 的整数倍，以上的假设是符合实际情况的。在传播过程中，
46、传)(tccT输信号受到各种信号和干扰噪声的污染。有用信号在传输过程中一般要产生随机时延 、多普勒频移 和随机相移 。进入接收机的信号为ddf(1-17)()()1 didTtsnTtsR式中： 为有用信号；)(1dTts是信道中的所有加性噪声、工业干扰等；n表示同一扩频系统的多址干扰以及其它无线电设备发出的信i号，也包括有用信号本身的多径延迟以及人为干扰信号（敌方的干扰）。接收信号经射频滤波器后，用 表示)(tr(1-18)()2cos)() 0 diddd TtsntfTttr 式中： 表示通过射频滤波器后的带限加性噪声；n表示落入射频滤波器通带内的干扰信号。its信号进入收信机后进行与发
47、射端相反的变换，就可以恢复出传输的信息。在扩频接收机中，这个反变换就是解扩和解调。一般都采用相关解扩技术。相关解扩就是利用扩频码(伪随机码)的相关特性(1-19)1)(0tck式中： 为扩频码序列， 为扩频码波形，符号“*”表示共轭，由于 是kc)(tc )(tc实函数，因此 。)(t若采用相干解调，则接收系统的数学模型如图 1-11(b)所示。图中两个乘法器是用来解扩和解调的， 是与发射端同步的本地扩频码， 是锁定)(drTtdT环路提供的控制跟踪量，作为对信道随机延时 的同步跟踪。本地射频压控振d18荡器输出的信号为 ，其振幅为 2。 及 是由锁相环路提)(2cos0tfd df供的同步跟
48、踪量。设基带滤波器的冲击响应为 ，其带宽与发射端数字信息信号带宽相同，h且射频滤波器能无失真的处理信号 ，则基带滤波器的输出为)(ts(1-20) dfTcrthtv dd )(2co)()( 0如果图 1-11(b)中相关器是理想的，并能有效地滤除二次谐波，且射频滤波器和基带滤波器都是线性的，则我们建立的模型也是线性的，即从接收机的输入端到基带输出端，整个处理过程都是线性的。在线性模型的情况下，我们可以利用叠加定理分别求出它们在基带滤波器输出端的响应，然后求总的响应。为了更好地理解扩频信号的解扩过程和扩频系统的数学模型，我们先只对有用信号进行分析，假设其它干扰信号和加性噪声都为零，这样式(1-18)可简化为(1-21)(2cos)()( 0 tfTttdr dd用式(1-21)代替式(1-20)中的 ，可得r(1-22)fc fthtvddr dd)(2cos)(00由于相关器是理想的并能有效的滤除二次谐波，利用(1-19)式，当(1-23)载 波 相 位 锁 定载 波 频 率 锁 定扩 频 码 码 元 同 步,drfTttT成立时，基带滤波器的输出信号为(1-24)dTthtv)()(从(1-24)式可知，只要基带滤波器能无失真的传输数字信息 ，经)(dTt基带数字检测器处理后，收信端就能恢复出发信端传输的信息 。na
