第3章擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)3.1擴(kuò)展頻譜通信概述3.2擴(kuò)展頻譜技術(shù)的原理3.3擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的同步3.4聲表面波器件在擴(kuò)譜系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1擴(kuò)展頻譜通信概述

3.1.1擴(kuò)展頻譜技術(shù)的起源及發(fā)展

擴(kuò)譜是一種信號(hào)帶寬大于傳送信息帶寬的傳輸方法。信號(hào)帶寬由某一獨(dú)立于傳送信息的序列來(lái)控制，在接收端采用同步的序列來(lái)進(jìn)行解擴(kuò)及信息恢復(fù)。雖然擴(kuò)譜理論剛剛形成時(shí)，人們將擴(kuò)譜定義為“信號(hào)帶寬遠(yuǎn)大于傳送信息帶寬”，但是，隨著擴(kuò)譜技術(shù)的應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)譜系統(tǒng)的信號(hào)帶寬并不一定要遠(yuǎn)大于所傳信息的帶寬，甚至在信號(hào)帶寬只有所傳信息帶寬的數(shù)倍時(shí)，仍能夠體現(xiàn)擴(kuò)譜技術(shù)的一些特征。因此，這些系統(tǒng)也是擴(kuò)譜系統(tǒng)。擴(kuò)譜技術(shù)的理論提出得很早，但擴(kuò)譜概念真正形成并在通信中得到應(yīng)用卻較晚。1935年，Telefunken的工程師PaulKotowski和KurtDannehl申請(qǐng)了一個(gè)德國(guó)專(zhuān)利，其專(zhuān)利中發(fā)射機(jī)用一個(gè)由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生器產(chǎn)生的等帶寬噪聲對(duì)話音進(jìn)行“偽裝”，接收機(jī)利用一個(gè)相同的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生器產(chǎn)生相同的噪聲，當(dāng)正確同步后，就可以去除噪聲對(duì)話音信號(hào)的影響。該專(zhuān)利雖然應(yīng)用在模擬話音加密中，但卻具有了擴(kuò)譜系統(tǒng)的一些基本要素，因此被認(rèn)為是一個(gè)有關(guān)直接序列擴(kuò)譜（DirectSequenceSpreadSpectrum,DS－SS）專(zhuān)利的早期結(jié)構(gòu)形式。1942年8月11日，好萊塢的女影星HedyLamarr和鋼琴演奏家GeorgeAntheil獲得了編號(hào)為2292387的美國(guó)專(zhuān)利。在該專(zhuān)利中，兩人提出了一種采用“跳頻”方式的保密通信，用于海軍魚(yú)雷制導(dǎo)，其目的是在用無(wú)線電方式進(jìn)行魚(yú)雷制導(dǎo)時(shí)，避免被敵人干擾。1944年，美國(guó)國(guó)際電話與電報(bào)公司（InternationalTelephoneandTelegraphCorp,ITT）在向國(guó)家防御研究委員會(huì)（NationalDefenseResearchCommittee,NDRC）提交的一份報(bào)告中建議：如果采用編碼控制窄帶信號(hào)的頻率偏移，使得信號(hào)在每一時(shí)間段占據(jù)寬頻率波段中的某一部分，敵人將不得不采用寬帶的干擾信號(hào)。這一建議雖然沒(méi)有被采用，但它提出的通信體制即是今天為人們所熟知的跳頻通信體制。1952年，麻省理工學(xué)院的研究生BennettBasore在他的博士論文中采用了NOMAC（NoiseModulationAndCorrelation）來(lái)描述所研究的擴(kuò)譜通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用發(fā)送參考信號(hào)的方法，避免了接收端對(duì)噪聲載波的同步問(wèn)題。該論文比較了寬帶高斯環(huán)境下傳輸參考信號(hào)系統(tǒng)和存儲(chǔ)參考信號(hào)系統(tǒng)的性能，并對(duì)45dB擴(kuò)展因子的射頻系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果?，F(xiàn)在，一般認(rèn)為NOMAC是擴(kuò)譜通信系統(tǒng)研究的開(kāi)端。傳輸參考信號(hào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）接收機(jī)中無(wú)需載波同步。

（2）不需要在接收機(jī)中存儲(chǔ)或產(chǎn)生載波。

另一方面，傳輸參考信號(hào)系統(tǒng)也有明顯的缺點(diǎn)：

（1）當(dāng)信號(hào)和參考通道的信噪比較低時(shí)，系統(tǒng)的性能較差。

（2）需要額外的帶寬作為參考信號(hào)通道。

（3）由于參考通道傳輸?shù)氖歉蓛舻臄U(kuò)頻載波，因此保密性差。

（4）很難實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和參考信號(hào)通道的完全匹配，如群時(shí)延。

（5）當(dāng)信號(hào)和參考通道的中心頻率已知時(shí)，很容易被干擾。

（6）不具有抗多徑能力。3.1.2擴(kuò)展頻譜通信的理論基礎(chǔ)

雖然目前人們一般認(rèn)為擴(kuò)譜技術(shù)的理論基礎(chǔ)是香農(nóng)的信道容量公式，但是擴(kuò)譜理論實(shí)際上是和香農(nóng)的信息理論幾乎在同一時(shí)期逐漸發(fā)展并建立起來(lái)的。香農(nóng)理論雖然不能直接用于抗干擾研究中，但是它給出的結(jié)果也確確實(shí)實(shí)影響了通信工程師們的想法。

香農(nóng)信道容量公式給出了帶限加性高斯白噪聲（AdditiveWhiteGaussianNoise，AWGN）波形信道的信道容量公式，即（3－1－1）由式（3－1－1）可知，在信號(hào)功率及信道容量不變的情況下，可以通過(guò)加大信號(hào)帶寬來(lái)降低系統(tǒng)對(duì)信噪比的要求。在這一理論的鼓舞下，無(wú)線電工程師學(xué)會(huì)（theInstituteofRadioEngineers，IRE）在1953年成立了信息理論專(zhuān)業(yè)組（ProfessionalGrouponInformation[JP]Theory，PGIT），該組的首任三位主席依次是NathanMarchand、W.G.Tuller和LouisdeRosa，Marchand和deRosa這對(duì)密友對(duì)擴(kuò)譜系統(tǒng)在那一時(shí)期的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。目前在對(duì)擴(kuò)譜通信或CDMA通信的研究中，很多情況下將擴(kuò)譜偽隨機(jī)序列稱(chēng)為擴(kuò)譜向量，即從向量空間的角度來(lái)理解擴(kuò)譜的作用：擴(kuò)譜相當(dāng)于將原來(lái)低維向量空間的信號(hào)向量（即常規(guī)通信信號(hào)）用擴(kuò)譜向量擴(kuò)展到高維的信號(hào)向量空間，而信號(hào)承載的信息量不變。即擴(kuò)譜是在用一種高維數(shù)的向量來(lái)傳遞低維數(shù)的信息，大大增加了信號(hào)的冗余度，利用增加的信號(hào)冗余度再結(jié)合相關(guān)處理，最終達(dá)到抗干擾的目的。3.1.3擴(kuò)展頻譜技術(shù)的特點(diǎn)

相對(duì)于普通的窄帶調(diào)制，擴(kuò)譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）低截獲概率（LowProbabilityofIntercept，LPI）特性。當(dāng)擴(kuò)譜系統(tǒng)的信號(hào)頻譜帶寬遠(yuǎn)大于所傳信息帶寬時(shí)，相對(duì)常規(guī)系統(tǒng)而言，擴(kuò)譜信號(hào)占據(jù)了更大的帶寬，因此在發(fā)射功率相同的情況下，擴(kuò)譜信號(hào)的功率譜密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的功率譜密度。而在接收端，擴(kuò)譜系統(tǒng)甚至可以在信號(hào)完全淹沒(méi)在噪聲的情況下工作。即當(dāng)接收到的擴(kuò)譜信號(hào)功率譜密度低于信道噪聲（包括接收機(jī)前端熱噪聲和信道中的加性噪聲）的功率譜密度時(shí)，接收機(jī)仍可正常工作。此時(shí)，在不了解擴(kuò)譜信號(hào)有關(guān)參數(shù)的情況下，偵察接收機(jī)難以對(duì)擴(kuò)譜信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視、截獲，更難以對(duì)其進(jìn)行測(cè)向。因此，擴(kuò)譜信號(hào)具有天然的低截獲概率特性。實(shí)際上，擴(kuò)譜技術(shù)正是目前低截獲概率系統(tǒng)所采用的一項(xiàng)主要技術(shù)。（2）強(qiáng)抗干擾能力。擴(kuò)譜技術(shù)發(fā)展的一個(gè)最初的目的就是增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)干擾的抗拒能力。擴(kuò)譜系統(tǒng)通過(guò)接收端的解擴(kuò)處理，使解擴(kuò)后的干擾功率被大大壓制，而擴(kuò)譜信號(hào)本身在解擴(kuò)前后的功率可以近似保持不變。因此，擴(kuò)譜技術(shù)的采用提高了接收機(jī)信息恢復(fù)時(shí)信號(hào)的信干比，這相當(dāng)于提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。不同的擴(kuò)譜系統(tǒng)對(duì)干擾的抑制能力是不一樣的，這取決于擴(kuò)譜系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，這一點(diǎn)將在后面的章節(jié)中討論。（3）高時(shí)間分辨率。由于擴(kuò)譜系統(tǒng)的信號(hào)帶寬寬，因此，在接收端對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理時(shí)，其時(shí)間分辨率較窄帶系統(tǒng)要高得多。這樣，擴(kuò)譜技術(shù)非常適合在雷達(dá)、導(dǎo)航定位、制導(dǎo)及高精度授時(shí)等領(lǐng)域應(yīng)用，用以提高雷達(dá)的距離分辨率、導(dǎo)航定位和制導(dǎo)的精度。實(shí)際上，早期的擴(kuò)譜技術(shù)正是首先應(yīng)用在雷達(dá)系統(tǒng)中的。

（4）天然的信息保密性。當(dāng)擴(kuò)譜系統(tǒng)采用的偽隨機(jī)序列周期很長(zhǎng)且復(fù)雜度較高時(shí)，敵方難以識(shí)別擴(kuò)譜信號(hào)的有關(guān)參數(shù)，信息不易被破譯和截獲，所以說(shuō)擴(kuò)譜技術(shù)具有天然的保密特性。當(dāng)然，擴(kuò)譜技術(shù)的這種保密特性有其局限性，一般單純的擴(kuò)譜保密適用于保密要求不高的一些場(chǎng)合，如商業(yè)通信中。而在軍用擴(kuò)譜通信中，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的保密性，仍然要采用其他一些信息加密措施。（5）具有碼分多址能力。當(dāng)不同的擴(kuò)譜系統(tǒng)用戶(hù)采用互相關(guān)特性較好的偽隨機(jī)序列作為擴(kuò)譜序列時(shí)，這些系統(tǒng)可以在同一時(shí)刻、在同一地域內(nèi)工作在同一頻段上，而相互造成的影響（事實(shí)上是干擾）可以很小，這就是擴(kuò)譜系統(tǒng)的碼分多址。雖然目前對(duì)CDMA系統(tǒng)的容量有不同的看法，有的人認(rèn)為CDMA系統(tǒng)容量較TDMA等系統(tǒng)要高，有人認(rèn)為它們的容量相當(dāng)甚至CDMA容量要小，但是如今CDMA通信已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在民用通信系統(tǒng)中，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)和正在研究中的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)都應(yīng)用了CDMA技術(shù)。3.1.4擴(kuò)展頻譜技術(shù)的分類(lèi)

人們雖然受到香農(nóng)公式的啟發(fā)而開(kāi)始研究擴(kuò)譜技術(shù)，但是香農(nóng)公式卻沒(méi)有給出擴(kuò)譜實(shí)現(xiàn)的途徑。人們?cè)谔剿鲾U(kuò)譜技術(shù)的過(guò)程中，逐漸統(tǒng)一了對(duì)擴(kuò)譜調(diào)制體制與常規(guī)調(diào)制體制的認(rèn)識(shí)，目前一般認(rèn)為它們的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）擴(kuò)譜信號(hào)的帶寬大于傳輸信息的帶寬。

（2）擴(kuò)譜信號(hào)的帶寬由特定的擴(kuò)頻函數(shù)決定。

雖然寬帶模擬調(diào)頻信號(hào)的帶寬也遠(yuǎn)大于傳輸?shù)幕鶐盘?hào)帶寬，但是由于其帶寬不是由擴(kuò)頻函數(shù)決定的，因此它不屬于擴(kuò)譜技術(shù)。擴(kuò)展頻譜技術(shù)至今已經(jīng)經(jīng)歷了近六十年的發(fā)展，今天人們?nèi)匀辉趯?duì)擴(kuò)譜技術(shù)進(jìn)行研究，但是擴(kuò)譜技術(shù)的基本種類(lèi)卻沒(méi)有什么變化，人們普遍將擴(kuò)譜技術(shù)分為以下幾種：

（1）直接序列（DirectSequence，DS）擴(kuò)譜。直接序列擴(kuò)譜一般簡(jiǎn)稱(chēng)為直擴(kuò)，是指直接用雙極性或多極性的偽隨機(jī)序列，對(duì)已調(diào)制或未調(diào)制信息的載頻進(jìn)行調(diào)制，以達(dá)到擴(kuò)展信號(hào)頻譜目的的擴(kuò)譜技術(shù)。用于直擴(kuò)的偽隨機(jī)序列的碼片速率和擴(kuò)譜的調(diào)制方式?jīng)Q定了直擴(kuò)系統(tǒng)的信號(hào)帶寬。

（2）跳頻（FrequencyHopping，F(xiàn)H）。跳頻指采用偽隨機(jī)序列控制系統(tǒng)發(fā)射的信號(hào)頻率，使其按照一定的規(guī)律，在給定的頻段內(nèi)周期地跳變。（3）跳時(shí)（TimeHopping，TH）。跳時(shí)是指采用偽隨機(jī)序列來(lái)控制系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)的有無(wú)和持續(xù)的時(shí)間。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，采用跳時(shí)方式時(shí)，由于發(fā)射信號(hào)的最小持續(xù)時(shí)間小于信息碼元周期，因此發(fā)射信號(hào)的頻譜要寬于未跳時(shí)的信號(hào)頻譜，以達(dá)到頻譜擴(kuò)展的目的。但是由于跳時(shí)信號(hào)是一種低占空比的信號(hào)，其抗干擾能力不能和直擴(kuò)、跳頻技術(shù)相比，因此單獨(dú)采用跳時(shí)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)譜的系統(tǒng)很少，因此本書(shū)在介紹擴(kuò)譜技術(shù)時(shí)，不再對(duì)跳時(shí)進(jìn)行詳細(xì)介紹。（4）線性調(diào)頻（Chirp）。線性調(diào)頻是指周期地控制信號(hào)頻率由高到低或由低到高變化，以擴(kuò)展信號(hào)頻譜寬度的技術(shù)。

（5）混合體制。所謂混合體制，是指在一個(gè)擴(kuò)譜系統(tǒng)中采用了兩種或兩種以上的擴(kuò)譜技術(shù)，以便結(jié)合各種擴(kuò)譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到更好的性能。如美軍的JTIDS就是一種FH/DS混合擴(kuò)譜體制的通信系統(tǒng)。

3.2擴(kuò)展頻譜技術(shù)的原理

3.2.1直擴(kuò)系統(tǒng)（DS－SS）

直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)又稱(chēng)“平均”系統(tǒng)或偽噪聲系統(tǒng)，它是目前應(yīng)用較廣泛的一種擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)。為大家所熟知的GPS（GlobalPositionSystem）就是一種典型的直擴(kuò)系統(tǒng)；在國(guó)外已獲得成功的空間探測(cè)器“噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”(JPL)測(cè)距技術(shù)也采用了直接序列擴(kuò)譜調(diào)制；TATS－I軍用衛(wèi)星中的擴(kuò)展頻譜多址(SSMA)系統(tǒng)等都使用DS－SS。目前，直接序列調(diào)制還用于各種測(cè)試系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備，預(yù)計(jì)它將會(huì)被更多領(lǐng)域所采用。

1.直擴(kuò)系統(tǒng)的組成

圖3－1給出了一種典型的直擴(kuò)通信系統(tǒng)原理框圖。圖中發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)編碼器后，首先進(jìn)行信息的BPSK調(diào)制，然后用產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列對(duì)BPSK信號(hào)進(jìn)行直擴(kuò)調(diào)制，擴(kuò)譜后的寬帶信號(hào)經(jīng)功率放大器后由天線發(fā)射出去。接收端接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)前端射頻放大后，用本地偽隨機(jī)序列對(duì)直擴(kuò)信號(hào)完成“逆擴(kuò)譜調(diào)制”，然后信號(hào)通過(guò)窄帶帶通濾波器，之后與本地載波相乘去載波，再經(jīng)過(guò)低通濾波、積分抽樣后，送至數(shù)據(jù)判決器，恢復(fù)出數(shù)據(jù)。圖3－1直擴(kuò)通信系統(tǒng)原理框圖

（a）直擴(kuò)發(fā)射機(jī)原理框圖；（b）直擴(kuò)接收機(jī)原理框圖圖3－1中虛線框中的部分分別完成擴(kuò)譜調(diào)制與解擴(kuò)的作用。在該模型中，擴(kuò)譜偽隨機(jī)序列和信息同樣采用了BPSK調(diào)制方式，擴(kuò)譜調(diào)制是通過(guò)直接對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。直擴(kuò)信號(hào)可以用下式來(lái)表示(3－2－1)其中：P為直擴(kuò)信號(hào)的平均功率；d(t)是雙極性單位功率的基帶數(shù)據(jù)信號(hào)，取值為±1；c(t)是雙極性單位功率的偽隨機(jī)序列信號(hào)；ω0是載頻；φ0是載頻的初相。由式(3－2－1)可見(jiàn)，d(t)完成的是信息的調(diào)制，而c(t)完成了直擴(kuò)調(diào)制。在信號(hào)格式不變的情況下，顯然擴(kuò)譜調(diào)制和信息調(diào)制的順序是可以改變的。并且，雙極性序列的相乘對(duì)應(yīng)二元序列的異或運(yùn)算。因此，直擴(kuò)調(diào)制也可以用數(shù)字電路完成。當(dāng)擴(kuò)譜偽隨機(jī)序列與信息序列的時(shí)鐘是同步的時(shí)，經(jīng)過(guò)數(shù)字處理后輸出的高速基帶序列的速率與偽隨機(jī)序列的速率相同，即調(diào)制后的帶寬取決于偽隨機(jī)序列的速率。圖3－2直擴(kuò)系統(tǒng)的工作波形示意圖

（a）直擴(kuò)發(fā)射機(jī)工作波形示意圖;

（b）直擴(kuò)接收機(jī)工作波形示意圖圖3－2給出了系統(tǒng)工作的各部分波形示意圖，其中圖（a）是發(fā)射機(jī)的工作波形，圖（b）是接收機(jī)的工作波形，圖中的基帶數(shù)據(jù)和偽隨機(jī)序列信號(hào)都是單位功率的雙極性信號(hào)。由圖3－2可見(jiàn)，發(fā)射機(jī)發(fā)送的低速率基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)載波調(diào)制后，成為窄帶BPSK信號(hào)。設(shè)基帶碼速率為Rb，則窄帶信號(hào)的第一零點(diǎn)帶寬為2Rb。BPSK信號(hào)再經(jīng)過(guò)擴(kuò)譜調(diào)制后，擴(kuò)譜信號(hào)的帶寬主要由高速率的擴(kuò)譜偽隨機(jī)序列的速率決定。圖3－2中給出的是BPSK調(diào)制，如果偽隨機(jī)序列的速率為Rc，則直擴(kuò)信號(hào)的第一零點(diǎn)帶寬為2Rc。一般有Rc>>Rb，因此，擴(kuò)譜調(diào)制后信號(hào)的頻譜被大大展寬了。在接收端，直擴(kuò)信號(hào)經(jīng)過(guò)解擴(kuò)處理后，偽隨機(jī)序列調(diào)制成分被去掉，信號(hào)恢復(fù)成為一個(gè)普通的BPSK信號(hào)，其帶寬為2Rb。該信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)后，就可恢復(fù)出發(fā)送的信息。在接收機(jī)中，我們假設(shè)接收端已經(jīng)完成了偽隨機(jī)序列的同步和載波同步。圖3－3直擴(kuò)接收機(jī)解擴(kuò)處理前后的信號(hào)功率譜示意圖

（a）接收機(jī)輸入信號(hào)功率譜；（b）解擴(kuò)處理后的信號(hào)功率譜；

（c）經(jīng)過(guò)窄帶濾波器后的信號(hào)功率譜

2.處理增益與干擾容限

前而我們以直擴(kuò)系統(tǒng)為例定性介紹了擴(kuò)譜系統(tǒng)的抗干擾原理，實(shí)際上，任何擴(kuò)譜系統(tǒng)都有這樣一個(gè)特性，即經(jīng)過(guò)解擴(kuò)器后信干比得到提高。顯然，信干比提高的幅度的高低體現(xiàn)了擴(kuò)譜系統(tǒng)的抗干擾性能。人們將擴(kuò)譜系統(tǒng)的這一指標(biāo)定義為擴(kuò)譜系統(tǒng)的處理增益。處理增益（ProcessingGain）是指擴(kuò)譜系統(tǒng)接收機(jī)相關(guān)檢測(cè)器（解擴(kuò)器）輸出信噪比與接收機(jī)輸入信噪比的比值。處理增益越大，標(biāo)志著擴(kuò)譜系統(tǒng)對(duì)干擾的抑制能力越強(qiáng)。本書(shū)中，處理增益用GP表示，即(3－2－2)針對(duì)不同的干擾樣式，同一個(gè)系統(tǒng)的處理增益是不同的。目前人們一般采用針對(duì)高斯白噪聲干擾的理論值來(lái)定義處理增益，即將在理想處理情況下，相關(guān)解擴(kuò)器對(duì)高斯白噪聲干擾信噪比的提高的倍數(shù)作為系統(tǒng)的處理增益。處理增益雖然給出了系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入接收機(jī)的干擾的抑制能力，但通過(guò)處理增益，并不能直觀地知道擴(kuò)譜系統(tǒng)的抗干擾能力。由于我們最關(guān)心的是系統(tǒng)在接收機(jī)輸入端所能容忍的最大干擾強(qiáng)度，因此，衡量擴(kuò)譜抗干擾能力的另一個(gè)更直觀的指標(biāo)是干擾容限。干擾容限定義為擴(kuò)譜系統(tǒng)在解調(diào)性能滿(mǎn)足要求的前提下，接收機(jī)前端所能容忍的最大干信比，一般用Mj來(lái)表示。所謂“解調(diào)性能滿(mǎn)足要求”，對(duì)于模擬話音通信系統(tǒng)來(lái)講，是指系統(tǒng)話音可懂度滿(mǎn)足一定的要求（如要求話音可懂度在90％以上），而對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)來(lái)講，是指系統(tǒng)的誤碼率滿(mǎn)足一定的要求（如對(duì)于數(shù)字話音通信系統(tǒng)，一般要求誤碼率小于10-3，而數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)至少要求誤碼率小于10-6

，甚至更高）。干擾容限綜合考慮了影響系統(tǒng)抗干擾能力的各種因素，是一個(gè)非常直觀的指標(biāo)。既然干擾容限與處理增益都直接或間接地反映了擴(kuò)譜系統(tǒng)的抗干擾能力，那么它們之間必然存在一定的關(guān)系，這個(gè)關(guān)系可以用式（3－2－3）來(lái)表示：(3－2－3)式中，為在系統(tǒng)解調(diào)滿(mǎn)足要求的情況下，相關(guān)解擴(kuò)器輸出端的最小信噪比；L定義為系統(tǒng)的執(zhí)行損耗。系統(tǒng)的執(zhí)行損耗包括由系統(tǒng)前端射頻放大器噪聲系數(shù)、射頻濾波器損耗、同步剩余誤差、相關(guān)解擴(kuò)器實(shí)際解擴(kuò)處理時(shí)的非理想性等各種因素造成的系統(tǒng)的信噪比的損失。系統(tǒng)的執(zhí)行損耗在實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)是不可避免的，但是可以通過(guò)各種技術(shù)措施來(lái)降低，如采用低噪聲系數(shù)的射頻前端放大器、提高擴(kuò)譜系統(tǒng)的同步精度等。

3.直擴(kuò)信號(hào)的頻譜

假設(shè)擴(kuò)譜偽隨機(jī)序列采用的是m序列。定義(3－2－4)則m序列的自相關(guān)函數(shù)為(3－2－5)式(3－2－5)中的第一項(xiàng)可以表示為由信號(hào)與系統(tǒng)的知識(shí)可知，其對(duì)應(yīng)的傅氏變換為式(3－2－5)中的第二項(xiàng)及其對(duì)應(yīng)的傅氏變換為這樣,m序列的功率譜密度函數(shù)可以表示為(3－2－6)擴(kuò)譜與信息調(diào)制后的信號(hào)頻譜為m序列譜與窄帶信號(hào)譜的卷積，這樣直擴(kuò)信號(hào)的功率譜為若干間隔為Rb的窄帶信號(hào)譜的疊加，其示意圖如圖3－5所示。當(dāng)偽隨機(jī)序列長(zhǎng)度N=Rc/Rb時(shí)，其各個(gè)窄帶譜是正交疊加的。可見(jiàn)，理想直擴(kuò)信號(hào)的頻譜基本上受m序列頻譜的控制，其載波的抑制度也受偽隨機(jī)序列特性的影響。當(dāng)偽隨機(jī)序列的“1”和“0”數(shù)量相同，即為平衡序列時(shí)，其序列譜中沒(méi)有直流分量，理想直擴(kuò)信號(hào)的載波分量為0。當(dāng)然，實(shí)際信號(hào)的譜特性還受到調(diào)制器性能等因素的影響，這里不作詳細(xì)討論。圖3－4

m序列功率譜示意圖圖3－5直擴(kuò)信號(hào)功率譜示意圖上面討論的都是基于偽隨機(jī)序列的長(zhǎng)度N=Rc/Rb的情況，這種直擴(kuò)調(diào)制一般被稱(chēng)為短碼擴(kuò)譜調(diào)制。如果N>Rc/Rb，則稱(chēng)為長(zhǎng)碼擴(kuò)譜調(diào)制，此時(shí)對(duì)擴(kuò)譜信號(hào)頻譜特性的分析與上述分析過(guò)程類(lèi)似，但是窄帶譜之間不再是正交疊加的關(guān)系。

4.直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾性能分析

1）直擴(kuò)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

圖3－1中，發(fā)射信號(hào)可以表示為(3－2－7)信號(hào)傳輸要產(chǎn)生時(shí)延τ和多普勒頻移ωd，因此進(jìn)入接收機(jī)的信號(hào)為(3－2－8)其中：n(t)為加性噪聲干擾；si(t)為多址干擾、人為干擾。經(jīng)過(guò)帶通濾波后，有(3－2－9)(3－2－10)經(jīng)過(guò)解擴(kuò)同步后，時(shí)延、多普勒頻移、載波相位都能正確估計(jì)出來(lái)，即若濾除式（3－2－10）中的二次諧波分量，且假設(shè)所有的處理都是線性的，則送入基帶匹配濾波器的信號(hào)為(3－2－11)若不考慮干擾，則基帶匹配濾波器的輸出為(3-2-12)式中，h(t)為基帶匹配濾波器的沖激響應(yīng)。2)DS系統(tǒng)在廣義平穩(wěn)干擾下的處理增益

圖3－1中，接收機(jī)接收的信號(hào)表示為(3－2－13)設(shè)進(jìn)入接收機(jī)的廣義平穩(wěn)干擾信號(hào)為(3－2－14)假設(shè)干擾與信號(hào)的載波同頻同相（即干擾為瞄準(zhǔn)式干擾的情況），則經(jīng)過(guò)濾波后，干擾信號(hào)的表示式為式中，n(t)是均值為0的基帶高斯白噪聲干擾。由系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可知，基帶匹配后的輸出可以表示為(3－2－15)當(dāng)只分析干擾輸出分量時(shí)，上式中的時(shí)延τ不會(huì)影響最后輸出的干擾能量，因此可以忽略時(shí)延τ，將式(3－2－14)帶入式（3－2－15）中，得到基帶匹配濾波輸出的干擾信號(hào)為(3－2－16)濾除二次諧波分量后，式（3－2－16）化簡(jiǎn)為(3－2－17)為了得到輸出干擾的功率，首先必須知道:

(1)由于信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)與其功率譜密度函數(shù)為傅氏變換對(duì)，即(3－2－18)因此噪聲的功率可以表示為(3－2－19)

(2)若a(t)·b(t)=c(t)且a(t)與b(t)是相互獨(dú)立的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，則有且(3－2－20)其中：A(ω)為a(t)的功率譜密度函數(shù)；B(ω)為b(t)的功率譜密度函數(shù)；C(ω)為c(t)的功率譜密度函數(shù)；

(3)一個(gè)傳輸函數(shù)為H(ω)的線性系統(tǒng)，其輸入信號(hào)的功率譜密度函數(shù)為X(ω),則輸出信號(hào)的功率譜密度函數(shù)Y(ω)為(3－2－21)由式(3－2－19)得到輸出干擾功率為(3－2－22)其中：H(ω)是基帶濾波器的傳輸函數(shù)；表示輸出干擾的功率。從式（3－2－22）可以看出，廣義平穩(wěn)干擾功率譜密度SN(ω)和頻譜很寬的擴(kuò)頻信號(hào)的功率譜密度SCr(ω)卷積后，輸出的干擾信號(hào)頻譜被展寬，經(jīng)過(guò)基帶濾波后，大大降低了廣義平穩(wěn)干擾n(t)對(duì)系統(tǒng)的影響。由于信號(hào)與本地?cái)U(kuò)頻信號(hào)的相關(guān)性強(qiáng)，在卷積過(guò)程中把信號(hào)能量集中到帶通濾波器帶寬內(nèi)，因此提高了信號(hào)電平。將式（3－2－22）展開(kāi)后得到(3－2－23)設(shè)偽隨機(jī)碼具有理想的自相關(guān)特性，其自相關(guān)函數(shù)為(3－2－24)則其功率譜密度函數(shù)為(3－2－25)假設(shè)基帶濾波器是理想低通濾波器，即(3－2－26)將式(3－2－25)、式(3－2－26)帶入式(3－2－23)，得(3－2－27)(3－2－28)由DS系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可知，有用信號(hào)在基帶濾波器的輸出為(3－2－29)所以有用信號(hào)的輸出功率為(3－2－30)將式(3－2－26)代入式（3－2－30）可得(3－2－31)因此(3－2－32)即DS系統(tǒng)對(duì)廣義平穩(wěn)干擾的處理增益(3－2－33)3)直擴(kuò)系統(tǒng)對(duì)單頻連續(xù)波干擾的處理增益

由DS系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可知，接收到的信號(hào)為(3－2－34)其中：P為接收到的有用信號(hào)的功率；Pj為干擾信號(hào)的功率；ω0為有用信號(hào)的載頻；ωj為干擾信號(hào)的載頻；φj為干擾信號(hào)的載頻初始相位。式(3－2－24)中忽略了信號(hào)的傳輸時(shí)延τ，但這并不影響最后的分析結(jié)果。

假設(shè)處于干擾最?lèi)毫拥那闆r，即(3－2－35)經(jīng)過(guò)相關(guān)處理后，輸出的有用信號(hào)為(3－2－36)當(dāng)基帶濾波器歸一化后，由式(3－2－31)可得輸出的有用信號(hào)功率 ，經(jīng)過(guò)相關(guān)處理后輸出的干擾信號(hào)為(3－2－37)濾除二次諧波分量后,式(3－2－37)變?yōu)?3－2－38)由式(3－2－24)、式(3－2－25)可知，本地偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器輸出的偽碼c(t)的自相關(guān)函數(shù)為其功率譜密度函數(shù)為所以，輸出的干擾信號(hào)功率譜密度函數(shù)為(3－2－39)輸出的干擾信號(hào)功率為(3－2－40)當(dāng)基帶濾波器歸一化后，輸出的干擾信號(hào)功率為(3－2－41)由ωb<<ωc可知：(3－2－42)因此，有4)直擴(kuò)系統(tǒng)抗多徑的基本原理

多徑干擾是由于電波傳播過(guò)程中，遇到各種反射體（如電離層、對(duì)流層、高山和建筑物等）引起信號(hào)反射、折射，在接收端收到的直接路徑信號(hào)與這些隨機(jī)群反射信號(hào)之間的干涉形成的干擾。多徑干擾是限制雷達(dá)低仰角跟蹤的主要因素。通信時(shí)由于信道的頻率選擇性衰落和多徑傳輸時(shí)延，都會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的波形失真和展寬，從而增大誤碼率。多徑干擾對(duì)信號(hào)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）包絡(luò)起伏。

（2）頻率彌散。

（3）頻率選擇性衰落。

常規(guī)通信抗衰落的方法主要有以下幾種：

（1）分集接收。分集接收中又包括頻率分集、時(shí)間分集、空間分集、角度分集和極化方向分集等幾種方式。

（2）時(shí)頻編碼和時(shí)頻相編碼。

（3）射束分離。射束分離是指選擇最強(qiáng)路徑的信號(hào)，或按照一定關(guān)系（等增益、最大比等）合并。

（4）信道均衡。信道均衡可以補(bǔ)償信道多徑傳輸引起的碼間串?dāng)_。

下面我們來(lái)建立一個(gè)簡(jiǎn)單的雙射束多徑信號(hào)模型。假設(shè)兩個(gè)路徑之間的時(shí)差為τ，兩個(gè)路徑的信號(hào)分別為(3－2－46)即兩條射束的傳輸系數(shù)相同，則接收信號(hào)為(3－2－47)故接收信號(hào)功率為(3－2－48)

可見(jiàn)由于多徑傳播，接收信號(hào)功率隨兩條路徑之間延時(shí)的不同而起伏。當(dāng)多徑數(shù)目增加時(shí)，其變化的情況將更復(fù)雜。如果采用抗多徑的最佳信號(hào)，即高斯白噪聲信號(hào)，則接收功率為(3－2－49)其中：為歸一化自相關(guān)函數(shù)。R(τ)和R（0）分別為對(duì)于高斯白噪聲，有R(τ)=P0δ(τ),即r(τ)=0(τ≠0)，則(3－2－50)但是實(shí)際系統(tǒng)接收到的是帶限高斯白噪聲，即噪聲功率譜密度為(3－2－51)則接收到的噪聲的自相關(guān)函數(shù)為(3-2-52)(3－2－53)因此(3－2－54)即接收功率的相對(duì)起伏為(3－2－55)又(3－2－56)

一般地，人們希望由多徑衰落引起的功率下降不超過(guò)一定的數(shù)值，這樣就可以得到(3－2－57)(3－2－58)

可見(jiàn)，在采用高斯白噪聲作為通信信號(hào)的情況下，只要系統(tǒng)帶寬足夠?qū)挘涂梢允褂啥鄰揭鸬男盘?hào)功率下降得足夠小。

擴(kuò)頻系統(tǒng)中采用偽噪聲碼(PseudoNoise，PN）來(lái)逼近白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性。

PN碼的自相關(guān)特性為(3－2－59)則有(3－2－60)(3－2－61)

所以采用PN碼作為通信信號(hào)傳送信息時(shí)，由于PN碼具有良好自相關(guān)特性，因此當(dāng)時(shí)延|τ|<Tc時(shí)，合成信號(hào)發(fā)生起伏衰落，而當(dāng)|τ|≥Tc時(shí)，多徑信號(hào)不會(huì)引起有用信號(hào)的衰落，即對(duì)這樣的多徑信號(hào)不敏感。因而對(duì)于直擴(kuò)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是其信號(hào)本身的尖銳自相關(guān)特性使得其對(duì)滿(mǎn)足一定條件的多徑信號(hào)不敏感，而且它的這種特性可以被利用來(lái)分離不同路徑的多徑信號(hào)，然后進(jìn)行合并，從而達(dá)到利用多徑信號(hào)提高通信質(zhì)量的目的，這就是直擴(kuò)系統(tǒng)的Rake接收機(jī)。

5.直擴(kuò)系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)

1)直擴(kuò)調(diào)制技術(shù)

由于BPSK信號(hào)的頻譜滾降特性不好，帶外分量較大,這樣的信號(hào)通過(guò)帶通濾波器后，會(huì)引起信號(hào)包絡(luò)的起伏，因此，實(shí)際應(yīng)用中往往采用頻譜滾降特性更好的其他調(diào)制方式，并且對(duì)基帶信號(hào)加入波形成形濾波，以降低信號(hào)的帶外頻譜分量。此時(shí)一般將信息與擴(kuò)譜調(diào)制分別考慮，如IS－95的下行調(diào)制中，信息采用BPSK調(diào)制，而擴(kuò)譜調(diào)制采用了QPSK調(diào)制。其調(diào)制原理如圖3－6所示。圖3－6

IS－95下行調(diào)制原理圖

圖3－6中的Dn(t)為發(fā)送的數(shù)據(jù),其速率小于19.2kb/s；Wn(t)為劃分物理信道的64位長(zhǎng)Walsh序列，速率為19.2×64=1.2288Mb/s，其中各個(gè)不同物理信道的Walsh序列是不同的；CI(t)和CQ(t)分別為正交和同相支路所采用的長(zhǎng)度為32768的M序列，速率同樣為1.2288Mb/s。CI（t）和CQ（t）的作用是對(duì)信號(hào)加擾，同時(shí)用來(lái)區(qū)分不同的基站。

當(dāng)然，擴(kuò)譜調(diào)制或者說(shuō)頻譜的擴(kuò)展也可以先在基帶完成，然后再進(jìn)行載波調(diào)制，這樣可以達(dá)到同樣的效果，其原理方框圖如圖3－7所示。圖3－7

QPSK調(diào)制的直擴(kuò)系統(tǒng)

通過(guò)分析知道，圖3－7可以等效轉(zhuǎn)換為類(lèi)似于圖3－6的形式，其中同相和正交支路的擴(kuò)譜偽隨機(jī)序列分別是C（t）的隔1采樣序列的奇數(shù)位序列和偶數(shù)位序列。

為了進(jìn)一步降低信號(hào)的帶外抑制，某些系統(tǒng)的擴(kuò)譜還采用了MSK調(diào)制，而信息調(diào)制仍然采用BPSK調(diào)制。其原理方框圖如圖3－8所示。圖3－8

MSK調(diào)制的直擴(kuò)系統(tǒng)

這種方法首先用偽隨機(jī)序列進(jìn)行MSK調(diào)制，然后將調(diào)制后的寬帶MSK信號(hào)作為寬帶“擴(kuò)譜載波”進(jìn)行二相信息調(diào)制。雖然這樣輸出的信號(hào)并不是嚴(yán)格的MSK信號(hào)，但是也達(dá)到了降低信號(hào)帶外頻譜分量的目的。

目前數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾试诓粩嗵岣?，而有限的頻譜資源則限制了擴(kuò)譜調(diào)制技術(shù)的運(yùn)用。如果采用圖3－1所示的短碼直擴(kuò)調(diào)制，帶寬的擴(kuò)展與碼長(zhǎng)成正比關(guān)系。這樣在帶寬有限的情況下，很難采用長(zhǎng)度較長(zhǎng)的偽隨機(jī)序列作為擴(kuò)譜序列。此時(shí)往往采用多進(jìn)制的調(diào)制方式，這種多進(jìn)制的擴(kuò)譜調(diào)制方法又被稱(chēng)為M－ary擴(kuò)譜調(diào)制，其原理框圖如圖3－9所示。發(fā)送的數(shù)據(jù)首先經(jīng)串并轉(zhuǎn)換成為k路并行的數(shù)據(jù)，其中每一路的數(shù)據(jù)速率都降低為原來(lái)的1/k。在每個(gè)符號(hào)周期內(nèi)，并行的k路數(shù)據(jù)控制偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器從2k個(gè)偽隨機(jī)序列中產(chǎn)生一個(gè)偽隨機(jī)序列發(fā)送出去。這樣，信息就不再由擴(kuò)譜信號(hào)的相位信息攜帶，而由擴(kuò)譜偽隨機(jī)序列本身攜帶。相對(duì)圖3－1所示的系統(tǒng)，由于其符號(hào)速率降低到了原來(lái)的1/k，因此可以采用k倍長(zhǎng)度的偽隨機(jī)序列。但是，此時(shí)系統(tǒng)所采用的偽隨機(jī)序列的數(shù)量也增加為2k個(gè)，并且這些偽隨機(jī)序列之間必須有良好的互相關(guān)特性，才能保證接收端的正確接收。圖3－9多進(jìn)制擴(kuò)譜調(diào)制的原理框圖

為了降低偽隨機(jī)序列數(shù)量的要求，一般有兩種方法。一種是采用相干的調(diào)制方式，即不但偽隨機(jī)序列本身攜帶信息，其信號(hào)相位也攜帶信息，這樣，一個(gè)序列的正相和反相能分別代表不同的信息，從而使碼數(shù)量降低一半。但是這樣的話就必須采用相干的接收方式。另外一種方法是采用并行組合的方式，即在每個(gè)符號(hào)周期內(nèi)同時(shí)發(fā)送多個(gè)序列，這樣就可以降低對(duì)序列數(shù)量的要求。

例如一個(gè)k=5的M－ary擴(kuò)譜系統(tǒng)，如果不采用并行組合的方式，共需要32個(gè)偽隨機(jī)序列；而如果每次發(fā)送3個(gè)序列，則有C37=7×6×5/(3×2)=35>32，即只要7個(gè)序列就可以滿(mǎn)足要求。

2)直擴(kuò)信號(hào)的相關(guān)接收

正如上面介紹的那樣，直擴(kuò)系統(tǒng)接收部分的原理與發(fā)送端沒(méi)有任何區(qū)別，因此接收端和發(fā)送端可以采用相同的相關(guān)方式進(jìn)行處理，如圖3－1所示。另外一種非常重要的對(duì)直擴(kuò)信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)的方法為匹配濾波器法，即采用與發(fā)送偽隨機(jī)序列相匹配的匹配濾波器對(duì)直擴(kuò)信號(hào)進(jìn)行接收。這種方法尤其被廣泛應(yīng)用在采用聲表面波（SurfaceAcousticWave，SAW）器件的擴(kuò)譜系統(tǒng)中。這里只闡述其基本的原理，具體的實(shí)現(xiàn)方法和處理過(guò)程可以參閱3.4節(jié)中的相關(guān)內(nèi)容。

針對(duì)圖3－2的發(fā)射信號(hào)，接收端可以采用匹配濾波器進(jìn)行解擴(kuò)處理。如果發(fā)送的信號(hào)表示為式（3－2－1）的形式，則其對(duì)應(yīng)的匹配濾波器的沖激響應(yīng)可以表示為(3－2－62)其中:

一般T>Tb，經(jīng)過(guò)匹配濾波器后，輸出的是相關(guān)峰信號(hào)，信息則由相關(guān)峰的相位攜帶。圖3－10給出了16位M序列擴(kuò)譜信號(hào)匹配后的相關(guān)峰信號(hào)。圖3－10直擴(kuò)信號(hào)相關(guān)峰的示意圖

對(duì)M－ary擴(kuò)譜信號(hào)的接收處理較為復(fù)雜，如果發(fā)送端采用了L個(gè)擴(kuò)譜序列，則接收端就需要L個(gè)解擴(kuò)支路同時(shí)工作，以進(jìn)行解擴(kuò)處理，其工作原理圖如圖3－11所示。對(duì)于并行組合M－ary擴(kuò)譜信號(hào)的接收，其原理同上，只是接收端的譯碼器有所不同。圖3－11

M－ary擴(kuò)譜接收機(jī)原理框圖

3）直接序列系統(tǒng)中射頻帶寬的考慮

直接序列系統(tǒng)中射頻帶寬直接影響系統(tǒng)的能力，系統(tǒng)帶寬和傳送的信息速率決定了系統(tǒng)的處理增益，也就決定了系統(tǒng)抗干擾能力的優(yōu)劣。對(duì)于DS－SS的射頻帶寬，一般取為功率譜主瓣第一零點(diǎn)間的帶寬。對(duì)于BPSK信號(hào)，該主瓣的3dB帶寬是1.2Rc，Rc是碼比特速率。在任何情況下，DS－SS的射頻帶寬都幾乎嚴(yán)格地是序列比特速率的函數(shù)。前面所介紹的偽碼產(chǎn)生的功率譜是（sinx／x）2型的偽噪聲譜，其帶寬為2Rc。實(shí)測(cè)直接序列信號(hào)中的功率分布為：總功率的90%包含在等于2倍比特速率的帶寬內(nèi)；總功率的93%包含在等于4倍比特速率的帶寬內(nèi)；總功率的95%包含在等于6倍比特速率的帶寬內(nèi)。

如果我們?nèi)」β首V主瓣為擴(kuò)頻帶寬，則信號(hào)功率損失較小，只有10％的功率包含在旁瓣中。但是信號(hào)功率損失并不是限制帶寬的惟一結(jié)果，因?yàn)榕园曛邪撕芏嘤捎谡{(diào)制而引起的諧波功率。因此若過(guò)分限制射頻帶寬就等效于限制了調(diào)制偽碼的上升沿和下降沿，將使偽隨機(jī)碼尖銳的三角形相關(guān)函數(shù)頂峰變圓，這將影響系統(tǒng)的抗干擾性能。

綜合前面幾個(gè)因素，在確定直接序列帶寬時(shí)，必須考慮功率損失、處理增益和待傳信息速率及系統(tǒng)抗干擾能力的要求。特別是當(dāng)DS信號(hào)用于測(cè)距系統(tǒng)中時(shí)，射頻帶寬受限的問(wèn)題將更加重要。限帶寬后相關(guān)函數(shù)的變壞會(huì)導(dǎo)致測(cè)距精度的下降，即降低了距離分辨率。

直擴(kuò)系統(tǒng)的處理增益一般定義為發(fā)射信號(hào)的偽碼速率與信息比特速率的比，實(shí)際的系統(tǒng)處理增益是該比值的函數(shù)。

如果對(duì)DS－SS中射頻帶寬與信息帶寬之比值不加任何限制，則系統(tǒng)的處理增益可以無(wú)限制地增加，但實(shí)際上這是不可能的。一方面信息比特速率確定后，處理增益的增加意味著偽隨機(jī)序列速率的提高和射頻帶寬的加寬。信息比特速率不能無(wú)限降低，而射頻帶寬不能無(wú)限提高。并且提高偽隨機(jī)序列速率后，處理的難度也相應(yīng)增加。例如：如果系統(tǒng)的信息速率為32kb/s，直擴(kuò)系統(tǒng)的處理增益為30dB，則短碼擴(kuò)譜的序列長(zhǎng)度將達(dá)到1000位，而偽隨機(jī)序列的速率則為32Mb/s，BPSK調(diào)制的第一零點(diǎn)帶寬達(dá)到64MHz。其處理起來(lái)的難度已經(jīng)相當(dāng)大，尤其當(dāng)射頻頻率較低，信號(hào)的相對(duì)帶寬較大時(shí)。增加處理增益的另一種方法就是盡量降低信息速率。在數(shù)字話音通信中可以采用壓縮率更高的編碼方式。如一般軍用CVSD編碼的話音速率為32kb/s，而現(xiàn)代的話音聲碼器在4.8kb/s，甚至2.4kb/s的速率下就可以達(dá)到64kb/sPCM話音的水平。

6.直擴(kuò)通信中的遠(yuǎn)近效應(yīng)

在直擴(kuò)多址通信中，可以利用互相關(guān)性好的偽隨機(jī)序列分別作為不同用戶(hù)的擴(kuò)譜序列，實(shí)現(xiàn)在同一地域、同一時(shí)間、同一頻段的多址通信，即所謂的碼分多址（CDMA）通信。在進(jìn)行CDMA通信時(shí)，如果其他地址的直擴(kuò)發(fā)射機(jī)距離接收機(jī)較近，而期望接收地址的發(fā)射機(jī)距離接收機(jī)較遠(yuǎn)，則其他地址的直擴(kuò)信號(hào)將對(duì)接收機(jī)造成嚴(yán)重干擾，在移動(dòng)通信中甚至可能造成對(duì)遠(yuǎn)端移動(dòng)臺(tái)信號(hào)無(wú)法正常接收的結(jié)果。

假設(shè)有兩個(gè)中心頻率為f的CDMA信號(hào)，且兩部發(fā)射機(jī)發(fā)射的功率相同，均為PdBm；期望用戶(hù)的擴(kuò)譜地址碼為c1(t)，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的距離為s1;另一個(gè)地址用戶(hù)的擴(kuò)譜地址碼為c2(t)，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的距離為s2。WIM傳播模型的路徑損耗為(3－2－63)其中,s≥0.02,單位為km;f的單位為MHz。接收到的期望信號(hào)功率和干擾信號(hào)功率分別為則有

假設(shè)兩個(gè)地址碼序列的歸一化互相關(guān)函數(shù)的絕對(duì)值的最大值為Rmax(c1,c2),則兩個(gè)信號(hào)在經(jīng)過(guò)解擴(kuò)相關(guān)處理后輸出的信號(hào)電平差為

為了對(duì)抗“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，在CDMA移動(dòng)通信中一般采用以下兩種方法：

（1）采用功率控制技術(shù)。即通過(guò)控制信道，控制不同距離用戶(hù)的發(fā)射功率，使得所有用戶(hù)的信號(hào)功率到達(dá)中心站時(shí)的功率相同。

（2）采用多用戶(hù)檢測(cè)技術(shù)。采用自適應(yīng)算法，調(diào)整接收機(jī)的相關(guān)解擴(kuò)器參數(shù)，使得相關(guān)器對(duì)有用信號(hào)的接收沒(méi)有損失，而盡量抑制其他多址信號(hào)通過(guò)相關(guān)器后的響應(yīng)。實(shí)際上這是一種不完全相關(guān)的檢測(cè)方法，會(huì)引起噪聲電平的提高，但是該方法可以有效抑制多址干擾，降低“遠(yuǎn)近效應(yīng)”對(duì)CDMA通信的影響。3.2.2跳頻系統(tǒng)（FH－SS）

1.跳頻通信系統(tǒng)的基本概念

圖3－12給出了跳頻通信系統(tǒng)的原理框圖。圖3－12跳頻通信系統(tǒng)原理框圖

發(fā)送端用偽隨機(jī)序列控制頻率合成器的輸出頻率，經(jīng)過(guò)混頻后，信號(hào)的中心頻率就按照跳頻頻率合成器的頻率變化規(guī)律變化。在接收端的跳頻頻率合成器與發(fā)送端按照同樣的規(guī)律跳變，這樣在任何一個(gè)時(shí)刻，接收端頻率合成器輸出的頻率與接收信號(hào)正好相差一個(gè)中頻。這樣，混頻后就輸出一個(gè)穩(wěn)定的窄帶中頻信號(hào)。此中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)窄帶解調(diào)后就可以恢復(fù)出發(fā)送的數(shù)據(jù)。與直擴(kuò)系統(tǒng)一樣，跳頻系統(tǒng)同樣需要同步，關(guān)于同步的問(wèn)題，本書(shū)放在后面的章節(jié)中專(zhuān)門(mén)討論。

跳頻系統(tǒng)在每一個(gè)頻率上的駐留時(shí)間的倒數(shù)稱(chēng)為跳頻速率。當(dāng)系統(tǒng)的跳頻速率大于信息符號(hào)速率時(shí)，稱(chēng)為快跳系統(tǒng)。此時(shí)系統(tǒng)在多個(gè)頻率上依次傳送相同的信息，信號(hào)的瞬時(shí)帶寬往往由跳頻速率決定。當(dāng)系統(tǒng)的跳頻速率小于信息符號(hào)速率時(shí)，稱(chēng)為慢跳系統(tǒng)。此時(shí)系統(tǒng)在每一跳時(shí)間內(nèi)傳送若干波特的信息，信號(hào)的瞬時(shí)帶寬由信息速率和調(diào)制方式?jīng)Q定。目前絕大多數(shù)的跳頻系統(tǒng)都是慢跳系統(tǒng)。

跳頻系統(tǒng)的頻率隨時(shí)間變化的規(guī)律稱(chēng)為跳頻圖案。為了直觀地顯示跳頻系統(tǒng)的跳頻規(guī)律，可以用圖形方式將跳頻圖案顯示出來(lái)。圖3－13給出了一種跳頻圖案。圖3－13跳頻圖案

該跳頻圖案中共有8個(gè)頻率點(diǎn)，頻率跳變的次序?yàn)閒3、f1、f5、f7、f4、f8、f2、f6。實(shí)際應(yīng)用中，跳頻圖案中頻率的點(diǎn)數(shù)可以有幾十個(gè)到數(shù)千個(gè)，一般認(rèn)為跳頻系統(tǒng)的處理增益就等于跳頻點(diǎn)數(shù)。如當(dāng)跳頻頻率點(diǎn)為200個(gè)時(shí)，其處理增益即為23dB。而跳頻系統(tǒng)完成一次完整跳頻過(guò)程的時(shí)間也很長(zhǎng)，在每個(gè)跳變周期中，一個(gè)頻率有可能出現(xiàn)多次。跳頻圖案中兩個(gè)相鄰頻率的最小頻率差稱(chēng)為最小頻率間隔。跳頻系統(tǒng)的當(dāng)前工作頻率和下一時(shí)刻工作頻率之間的頻差的最小值稱(chēng)為最小跳頻間隔。實(shí)際的最小跳頻間隔都大于最小頻率間隔，以避免連續(xù)幾個(gè)跳頻時(shí)刻都受到干擾。

FH－SS的核心是跳頻頻率合成器。可輸出的頻率點(diǎn)數(shù)和跳頻轉(zhuǎn)換速率是頻率合成器的主要指標(biāo)，也是決定整個(gè)跳頻系統(tǒng)性能的主要參數(shù)。跳頻點(diǎn)數(shù)越多，則擴(kuò)展的頻譜越寬，系統(tǒng)的處理增益GP就愈大；跳頻速率越高，就能更好地適應(yīng)高速數(shù)據(jù)傳輸，并能更有效地抑制干擾，特別是人為轉(zhuǎn)發(fā)式干擾。

2.跳頻系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

窄帶調(diào)制采用BPSK調(diào)制的跳頻系統(tǒng)的輸出信號(hào)可以表示為(3－2－64)式中：P為發(fā)射信號(hào)的功率；d(t)為基帶數(shù)據(jù)信號(hào)，是一個(gè)雙極性不歸零信號(hào)；ω0為最低跳頻頻率；ωΔ為最小跳頻間隔；k(t)的取值為［0,1,…,N-1］，它反映了跳頻系統(tǒng)的跳頻規(guī)律；N為跳頻點(diǎn)數(shù)；φ0為載波的初相。

接收機(jī)接收到的信號(hào)為(3－2－65)其中：Pi為接收信號(hào)的功率；n(t)為噪聲干擾；J(t)為其他干擾。當(dāng)接收端完成跳頻的同步后，其接收機(jī)中跳頻頻率合成器的輸出為(3－2－66)其中，ωI為中頻頻率。這樣，混頻后的輸出為經(jīng)過(guò)中頻帶通濾波器后，得到的信號(hào)為(3－2－67)式中:第一項(xiàng)是有用信號(hào)，是標(biāo)準(zhǔn)的BPSK調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過(guò)BPSK解調(diào)后就可得到發(fā)送的數(shù)據(jù)；J′(t)是干擾經(jīng)過(guò)混頻、濾波處理后的輸出；n′(t)是噪聲經(jīng)混頻、濾波處理后的輸出。

對(duì)于J′(t)，當(dāng)干擾頻率與當(dāng)前工作頻率相差一個(gè)中頻以上時(shí)，中頻濾波器就會(huì)將干擾濾除掉，而不會(huì)對(duì)解調(diào)造成影響。即使在某一時(shí)刻干擾與信號(hào)頻率重合，由于干擾方一般不知道跳頻系統(tǒng)的跳頻圖案，在下一跳頻時(shí)間間隔內(nèi)也難以保持與信號(hào)的頻率重合，因此干擾難以奏效。

對(duì)于n′(t)，跳頻系統(tǒng)在任何一個(gè)跳頻時(shí)間間隔內(nèi)與常規(guī)窄帶系統(tǒng)的工作過(guò)程是完全一樣的，因此白噪聲對(duì)跳頻系統(tǒng)的影響與對(duì)常規(guī)系統(tǒng)的影響是一樣的。如果認(rèn)為進(jìn)入跳頻接收機(jī)的白噪聲n(t)是布滿(mǎn)整個(gè)跳頻頻段的寬帶噪聲，經(jīng)過(guò)解跳處理后，n′(t)成為窄帶高斯白噪聲，那么噪聲功率在解跳前后是有變化的，即跳頻系統(tǒng)對(duì)白噪聲是有處理增益的，處理增益的大小一般等于跳頻點(diǎn)數(shù)N。

3.轉(zhuǎn)發(fā)式干擾對(duì)跳頻通信的影響

所謂轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，是指干擾機(jī)將接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)一定的處理（一般是加上噪聲調(diào)制）后，作為干擾激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)功放后發(fā)送出來(lái)形成的干擾。轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的特點(diǎn)是干擾頻率自然對(duì)準(zhǔn)通信頻率，不必進(jìn)行頻率估計(jì)、重合等處理。對(duì)于常規(guī)通信，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾容易達(dá)到理想的干擾效果。

對(duì)跳頻系統(tǒng)干擾的一個(gè)重點(diǎn)是首先得到跳頻系統(tǒng)的跳頻圖案，然后根據(jù)該圖案發(fā)送干擾。由于目前跳頻圖案的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，每個(gè)完整的跳頻周期有可能達(dá)到數(shù)天，甚至數(shù)月時(shí)間，要得到跳頻圖案是相當(dāng)困難的。但是轉(zhuǎn)發(fā)式干擾不必對(duì)跳頻圖案進(jìn)行偵察就可以施放干擾，實(shí)施起來(lái)比較簡(jiǎn)單，因此轉(zhuǎn)發(fā)式干擾也往往被作為干擾跳頻通信的一種有效手段。但并不是說(shuō)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾就一定能夠?qū)μl系統(tǒng)形成有效干擾，因?yàn)镕H－SS系統(tǒng)的頻率在不斷變化，當(dāng)達(dá)到一定條件后，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾將不再奏效。圖3－14給出了FH－SS通信中發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及干擾機(jī)的配置圖。圖3－14轉(zhuǎn)發(fā)式干擾示意圖圖3－14中跳頻收、發(fā)機(jī)間的距離為Si，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)到發(fā)射機(jī)的距離為St，到接收機(jī)的距離為Sr。由于通信的頻率在不斷變化，只要轉(zhuǎn)發(fā)式干擾到達(dá)接收機(jī)時(shí)干擾頻率與通信頻率不重合，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾就將失效?；蛘哒f(shuō)，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)接收到信號(hào)并進(jìn)行處理，發(fā)送干擾直到干擾到達(dá)接收機(jī)時(shí)，通信頻率已經(jīng)跳變到另外一個(gè)頻率上，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾就不會(huì)對(duì)跳頻通信產(chǎn)生影響。根據(jù)圖3－14的配置可知，跳頻通信信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間延遲為Si/c(c為電波的傳播速度），到達(dá)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)的時(shí)間延遲為St/c，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾到達(dá)接收機(jī)的延遲時(shí)間為Sr/c。設(shè)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的時(shí)間為τ,那么只要跳頻速率R滿(mǎn)足(3－2－68)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾就將失效。

例如，當(dāng)收、發(fā)機(jī)距離為20km，干擾機(jī)與發(fā)射機(jī)距離為15km、與接收機(jī)距離為12km時(shí)，如果忽略干擾機(jī)的處理時(shí)間，則為了有效抑制轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，跳頻速率必須滿(mǎn)足：目前美國(guó)的JTIDS系統(tǒng)已做到76000跳／s。

4.相關(guān)差分跳頻通信

相關(guān)差分跳頻通信是近年來(lái)出現(xiàn)的跳頻通信方式。美國(guó)Sanders公司研制成功的相關(guān)跳頻增強(qiáng)擴(kuò)譜（CorrelatedHoppingEnhancedSpreadSpectrum，CHESS）電臺(tái)采用這種差分跳頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在短波波段5000跳/s的跳頻速率和最高19.2kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

差分跳頻的基本原理是：當(dāng)前時(shí)刻的工作頻率fn由上一跳的工作頻率值fn-1和當(dāng)前時(shí)刻的信息符號(hào)Dn決定，即(3－2－69)其中,G(fn-1,Dn)是一個(gè)特定的函數(shù)，本書(shū)中稱(chēng)之為G函數(shù)，它決定了差分跳頻的數(shù)據(jù)－頻率映射關(guān)系。由此可見(jiàn)，相鄰跳變頻率之間通過(guò)數(shù)據(jù)序列建立了一定的相關(guān)性，亦即相鄰頻率的相關(guān)性攜帶了待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，因此這種跳頻方式也被稱(chēng)為相關(guān)差分跳頻。假設(shè)系統(tǒng)共有N個(gè)頻率點(diǎn)，每次跳頻所傳送的信息符號(hào)由k個(gè)信息比特組成，則根據(jù)信息的不同，系統(tǒng)下一時(shí)刻的跳頻點(diǎn)有2k種可能。通過(guò)合理設(shè)計(jì)信息與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以使相鄰的跳頻頻率點(diǎn)不同，以防連續(xù)受到干擾。相關(guān)差分跳頻的跳頻圖案體現(xiàn)在G函數(shù)上，而該跳頻圖案中又?jǐn)y帶了信息。因此，對(duì)G函數(shù)的研究是相關(guān)差分跳頻系統(tǒng)中的重要內(nèi)容。這里介紹一種加法型的G函數(shù)。

設(shè)跳頻頻率集為{f0,f1,…，fN-1}，頻率點(diǎn)數(shù)為N，信息符號(hào)集合為{0,1,2,…，2k-1}，即每跳攜帶k比特信息。那么，一種加法型的G函數(shù)可以表述如下：若當(dāng)前的工作頻率為fn，下一跳要傳輸?shù)男畔閄，下一跳的工作頻率為fm，則有在接收端，通過(guò)寬帶接收信息后，判斷當(dāng)前工作頻率和前一跳的工作頻率，由G函數(shù)的反變換即可恢復(fù)出發(fā)送的信息。例如，有一個(gè)k=2的采用上面定義的加法型G函數(shù)的相干差分跳頻系統(tǒng)，假設(shè)其跳頻點(diǎn)數(shù)為10，其G函數(shù)可以用表3－1來(lái)表示。

若其起始工作頻率的為，傳送的信息為11、01、00、10、01、10、10、00則根據(jù)表3-1，其跳頻頻率依次為

如果在接收的過(guò)程中，出現(xiàn)了錯(cuò)誤，即在某一時(shí)刻，在幾個(gè)頻率點(diǎn)上都收到了信號(hào)，則依靠G函數(shù)的相關(guān)性，可以糾正部分的錯(cuò)誤。

例如,對(duì)于上面發(fā)送的信號(hào)，假設(shè)收到的頻率依次為可用一種倒立的樹(shù)形結(jié)構(gòu)圖將信息調(diào)制的路徑表示為如圖3－15所示的形式。由圖3－15可見(jiàn)，在t0→t1的時(shí)刻，由于出現(xiàn)了不可能的頻率跳變圖案，傳輸?shù)腻e(cuò)誤被糾正，而在t3→t4→t5時(shí)刻，傳送的錯(cuò)誤不可糾正，最多會(huì)導(dǎo)致2比特的誤碼。圖3－15接收數(shù)據(jù)解調(diào)路徑圖

相關(guān)差分跳頻與傳統(tǒng)的跳頻方式不同，具有很多新的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)包括：

（1）系統(tǒng)中不需要基帶信息的調(diào)制，實(shí)際上它是一種非相干的調(diào)制方式。在接收端采用合適的檢測(cè)算法便可完成數(shù)據(jù)檢測(cè)。如果采用序列檢測(cè)方式，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)糾錯(cuò)。即使部分頻點(diǎn)受到干擾，也能保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，提高了傳輸質(zhì)量。

（2）只要系統(tǒng)的跳頻點(diǎn)數(shù)足夠多，能夠?qū)崿F(xiàn)高速的跳頻，就可以實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）不需要對(duì)跳頻圖案進(jìn)行設(shè)計(jì)，也無(wú)需跳頻圖案的同步。圖3－15接收數(shù)據(jù)解調(diào)路徑圖3.2.3線性調(diào)頻擴(kuò)譜系統(tǒng)（Chirp－SS）

線性調(diào)頻擴(kuò)譜系統(tǒng)是基于線性調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生和壓縮的擴(kuò)譜系統(tǒng)。

1.線性調(diào)頻信號(hào)

線性調(diào)頻信號(hào)是一種信號(hào)瞬時(shí)頻率隨時(shí)間線性變化的信號(hào)，根據(jù)頻率的遞增或遞減關(guān)系，又分為兩種：正斜率和負(fù)斜率線性調(diào)頻信號(hào)。圖3－16給出了正斜率和負(fù)斜率兩種線性調(diào)頻信號(hào)。線性調(diào)頻信號(hào)又被稱(chēng)為Chirp信號(hào)，它被廣泛應(yīng)用在脈沖壓縮雷達(dá)和壓縮接收體制接收機(jī)中。圖3－16線性調(diào)頻信號(hào)

（a）正斜率線性調(diào)頻信號(hào)；（b）負(fù)斜率線性調(diào)頻信號(hào)

線性調(diào)頻信號(hào)可以表示為(3－2－70)式中：寬度為1的矩形函數(shù)；ω0為中心頻率；T為線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)寬；μ為調(diào)頻斜率，μ=±2πB/T，其中的正負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)線性調(diào)頻信號(hào)的正負(fù)斜率,B為線性調(diào)頻信號(hào)的調(diào)頻帶寬，當(dāng)信號(hào)的時(shí)寬和帶寬的積很大時(shí)，B約等于信號(hào)的實(shí)際帶寬。

由式（3－2－70）可知，線性調(diào)頻信號(hào)的頻譜為(3－2－71)

從式(3－2－71)可以看出，信號(hào)的頻譜集中在±ω0附近。通常當(dāng)ω0>>2πB時(shí)，可以認(rèn)為正負(fù)兩部分頻譜互不重疊。下面只討論正頻譜，此時(shí)式（3－2－71）中第一項(xiàng)的積分起主導(dǎo)作用，即(3－2－72)式中:;最后得到頻譜的表示式為(3－2－73)式中為菲涅爾積分，其數(shù)值可在專(zhuān)用的函數(shù)表中查出。

由式（3－2－73）可得線性調(diào)頻信號(hào)的幅度譜和相位譜。幅度譜為(3－2－74)相位譜為(3－2－75)

當(dāng)給定線性調(diào)頻信號(hào)的參數(shù)B和T時(shí)，可以根據(jù)菲涅爾積分表得到信號(hào)的幅度譜和相位譜。對(duì)于線性調(diào)頻信號(hào)，時(shí)帶積（時(shí)寬和帶寬的乘積）越大，其幅度譜越接近于矩形，頻譜寬度和調(diào)頻帶寬B也更接近。當(dāng)時(shí)帶積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1時(shí)，根據(jù)菲涅爾積分的性質(zhì)，可知其幅度譜接近于矩形，即(3－2－76)而相位譜具有平方律的形式，即(3－2－77)

2.線性調(diào)頻信號(hào)的匹配接收

由于線性調(diào)頻信號(hào)本質(zhì)上是一種模擬調(diào)制的擴(kuò)譜信號(hào)，因此往往采用與其對(duì)應(yīng)的匹配濾波器進(jìn)行匹配接收。

根據(jù)其信號(hào)頻譜，可求得匹配濾波器的沖激響應(yīng)和傳輸函數(shù)分別為(3－2－78)(3－2－79)即，其幅頻傳輸特性與線性調(diào)頻信號(hào)頻譜類(lèi)似，接近于矩形；而其相位特性為(3－2－80)其群延遲特性為(3－2－81)或者表示為(3－2－82)匹配濾波器的輸出信號(hào)為(3－2－83)令t-t0=t′,則有(3－2－84)式(3－2－84)的右端為(3－2－85)即(3－2－86)經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算，式(3－2－86)變?yōu)?3－2－87)當(dāng)|t′|<<T時(shí)，定義時(shí)帶積D=TB，則式(3－2－87)變?yōu)?3－2－88)式(3－2－88)是載頻為ω0、包絡(luò)為Sa函數(shù)的相關(guān)峰，相關(guān)峰的包絡(luò)時(shí)寬（第一零點(diǎn)底寬）為2/B。根據(jù)匹配濾波器的理論，峰點(diǎn)的信噪比為(3－2－89)而匹配濾波器的實(shí)際輸出有一固定的延時(shí)，為(3－2－90)圖3－17給出了線性調(diào)頻信號(hào)的匹配波形圖。圖3-17Chirp信號(hào)相關(guān)峰波形3.2.4跳時(shí)系統(tǒng)(TH－SS)

跳時(shí)擴(kuò)譜系統(tǒng)是用偽隨機(jī)序列來(lái)鍵控發(fā)射機(jī)的，即將一個(gè)信息碼元的持續(xù)時(shí)間分成若干個(gè)時(shí)隙，由偽隨機(jī)序列控制在哪一個(gè)時(shí)隙中發(fā)射信號(hào)。由于信號(hào)不是連續(xù)發(fā)射的，故跳時(shí)擴(kuò)譜信號(hào)的占空比小于1，一般在偽隨機(jī)序列控制下，占空比可以達(dá)到50%。圖3－18給出了采用15位m序列“000100110101111”控制的跳時(shí)信號(hào)，其中在碼元為“1”時(shí)開(kāi)啟發(fā)射機(jī)，在碼元為“0”時(shí)關(guān)閉發(fā)射機(jī)。圖3－18跳時(shí)信號(hào)波形圖

由于跳時(shí)信號(hào)的占空比小于1，在發(fā)射瞬時(shí)功率不變的情況下，比特能量降低，對(duì)發(fā)射機(jī)的利用效率降低，因此，跳時(shí)技術(shù)通常在擴(kuò)譜系統(tǒng)中不單獨(dú)使用，而與其他擴(kuò)譜方式結(jié)合，組成混合式擴(kuò)譜方式，如與FH－SS混合使用，或者利用偽隨機(jī)序列控制的跳時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)分多址（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA）。

跳時(shí)可用來(lái)減少時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)之間的干擾，但它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有嚴(yán)格的定時(shí)要求，以保證發(fā)射機(jī)之間的重疊最小。而且，和其他擴(kuò)頻通信系統(tǒng)一樣，跳時(shí)系統(tǒng)必須選擇互相關(guān)特性小的偽碼序列。跳時(shí)系統(tǒng)的處理增益，按定義應(yīng)該等于信碼被劃分成的時(shí)隙數(shù)目或占空比的倒數(shù)。3.2.5混合擴(kuò)譜系統(tǒng)

1.跳頻／直接序列混合擴(kuò)頻系統(tǒng)（FH／DS）

在FH／DS系統(tǒng)中，擴(kuò)展頻譜信號(hào)是由載波頻率跳變的直接序列信號(hào)組成的。圖3－19給出了系統(tǒng)的原理框圖，圖3－20給出了信號(hào)的頻譜圖。圖3－19

FH/DS混合擴(kuò)譜系統(tǒng)原理框圖圖3－20

FH/DS信號(hào)的頻譜圖由圖3－19可見(jiàn)，F(xiàn)H／DS系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)是直接序列調(diào)制器與跳頻載波的直接疊加。這種混合調(diào)制器與單純的直接序列調(diào)制的區(qū)別在于，它的載波是按跳頻圖案變化的，而不像單純DS調(diào)制那樣是固定不變的。這種混合調(diào)制器與單純的跳頻系統(tǒng)的區(qū)別在于，每次跳變必須把直擴(kuò)(sinx／x)型功率譜依跳頻圖案的規(guī)則搬移，且跳變頻道的最小間隔必須等于直接序列的偽碼速率（其目的在于保證相鄰跳變頻道之間的正交性）。圖3－19中的跳頻偽隨機(jī)序列發(fā)生器向頻率合成器提供跳頻圖案，直擴(kuò)偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器向平衡調(diào)制器提供DS擴(kuò)譜調(diào)制序列，故平衡調(diào)制的輸出就是FH／DS信號(hào)。FH/DS系統(tǒng)在任何一個(gè)跳頻時(shí)間內(nèi)都是一個(gè)直擴(kuò)系統(tǒng)，即其瞬時(shí)頻譜也是寬帶的，而在一個(gè)跳頻周期內(nèi)它是由許多直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的頻譜構(gòu)成的。占有一定帶寬的直接序列信號(hào)按照跳頻圖案(即時(shí)頻矩陣圖)偽隨機(jī)地出現(xiàn)，每個(gè)直接序列信號(hào)在發(fā)射瞬間只覆蓋系統(tǒng)總帶寬的一部分頻段，采用這種混合系統(tǒng)能夠提高系統(tǒng)的抗干擾能力并簡(jiǎn)化設(shè)備，降低分機(jī)部件的技術(shù)難度，還能達(dá)到多址的目的。

FH／DS系統(tǒng)的處理增益為跳頻和直擴(kuò)系統(tǒng)的處理增益的乘積，如果用分貝表示則是相加的關(guān)系，即dB(3－2－91)

當(dāng)單純使用跳頻或直擴(kuò)難以達(dá)到指定的擴(kuò)譜帶寬：即單純用直擴(kuò)則偽碼發(fā)生器時(shí)鐘速率Rc已達(dá)到最大值，或者跳頻器的可用跳頻數(shù)已達(dá)到最大限度，那么使用混合式FH／DS調(diào)制特別有價(jià)值。例如，某系統(tǒng)要求擴(kuò)展頻譜后的射頻帶寬為1000MHz，數(shù)據(jù)速率5kbps。若采用DS-SS，則要求偽碼發(fā)生器的工作速率500Mb／s；若采用FH-SS，則要求跳頻器輸出的跳頻數(shù)N=100000，跳頻間隔5kHz。這樣高的偽碼速率或這么大的跳頻數(shù)，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上困難極大。但是，如果采用FH／DS系統(tǒng)，則用50Mb／s的偽碼發(fā)生器和一個(gè)只需跳頻數(shù)為20、最小頻率間隔為50MHz的頻率合成器就能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。顯然，這種混合系統(tǒng)的各部件技術(shù)難度就降低了，便于工程實(shí)現(xiàn)。

2直擴(kuò)／線性調(diào)頻混合擴(kuò)譜系統(tǒng)（DS/Chirp）

直擴(kuò)信號(hào)在每個(gè)偽隨機(jī)序列碼元周期內(nèi)都是一串連續(xù)的正弦波，而DS/Chirp混合擴(kuò)譜信號(hào)在每個(gè)偽隨機(jī)序列的碼元周期內(nèi)都是一個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)。如圖3-21所示，可見(jiàn)在每一個(gè)碼元周期內(nèi)的線性調(diào)頻信號(hào)的相位受偽隨機(jī)序列的控制，形成DS/Chirp混合擴(kuò)譜信號(hào)。圖3-21DS/Chirp混合擴(kuò)譜信號(hào)圖3－22

DS/Chirp混合擴(kuò)譜系統(tǒng)的原理框圖

3.跳時(shí)／直接序列（TH／DS）混合擴(kuò)頻系統(tǒng)

當(dāng)DS－SS中使用的獨(dú)立地址碼數(shù)不能滿(mǎn)足多址和復(fù)用的要求時(shí)，在DS－SS中增加時(shí)分復(fù)用(TDM)是一種有效的辦法。因?yàn)镈S－SS中收、發(fā)兩端之間已有準(zhǔn)確的偽碼時(shí)鐘同步，所以它已經(jīng)具有很好的定時(shí)，足以維持時(shí)分復(fù)用正常工作，這就為增加TH技術(shù)帶來(lái)了方便。因此，在DS－SS中增加TH工作時(shí)，只需要增加一個(gè)通斷開(kāi)關(guān)及有關(guān)的控制電路即可。圖3－23給出了TH／DS系統(tǒng)的原理框圖。圖3－23

TH/DS系統(tǒng)的原理框圖

對(duì)于跳時(shí)工作來(lái)說(shuō)，啟閉控制信號(hào)可以很容易地從直接序列擴(kuò)頻碼發(fā)生器得到。發(fā)射機(jī)的n級(jí)偽碼發(fā)生器輸出除供給直接序列做載波平衡調(diào)制外，還另選n-r級(jí)狀態(tài)并行輸出到一致門(mén)(又稱(chēng)符合門(mén))。當(dāng)它們都處于“1”狀態(tài)時(shí)，即控制射頻開(kāi)關(guān)發(fā)出脈沖載波信號(hào)。在偽碼的一個(gè)周期中，n-r級(jí)出現(xiàn)全“1”的狀態(tài)為2r次，也就是說(shuō)發(fā)射機(jī)在一個(gè)偽碼周期中發(fā)射2r次(這里1<r<n)，而且由于全“1”狀態(tài)出現(xiàn)的分布是偽隨機(jī)的，因此發(fā)射也是偽隨機(jī)的。

接收機(jī)的工作狀態(tài)與發(fā)射機(jī)類(lèi)似，只要用與所接收的發(fā)射信號(hào)同步的控制信號(hào)去啟閉接收機(jī)的前級(jí)，使其正常工作即可。圖3－23中未畫(huà)出DS－SS中所需的同步跟蹤環(huán)路。接收機(jī)的啟閉時(shí)間是通過(guò)該環(huán)路控制偽碼發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可解決傳播延遲問(wèn)題。

TH／DS系統(tǒng)中由于在DS－SS的基礎(chǔ)上加入了跳時(shí)，因此這一偽隨機(jī)的時(shí)間分配可以容納更多信道的用戶(hù)。與單純的碼分復(fù)用相比，TH/DS系統(tǒng)改善了工作狀態(tài)，增加了獨(dú)立地址數(shù)，對(duì)近臺(tái)干擾的抑制效果比較好。

3.3擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的同步

3.3.1概述

在前面章節(jié)的討論中，我們都假設(shè)擴(kuò)譜接收機(jī)產(chǎn)生的本地參考信號(hào)與接收信號(hào)完全同步，事實(shí)上擴(kuò)譜系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)一樣，在接收機(jī)正確解調(diào)信息之前必須完成同步。除了常規(guī)系統(tǒng)中包含的同步內(nèi)容之外，擴(kuò)譜接收機(jī)還要完成擴(kuò)譜偽隨機(jī)序列的同步與跟蹤，這樣才能對(duì)接收到的擴(kuò)譜信號(hào)進(jìn)行正確的解擴(kuò)處理。

之所以要進(jìn)行同步，主要原因是：

（1）收發(fā)機(jī)之間存在頻率偏移。擴(kuò)譜發(fā)射機(jī)與接收機(jī)采用了各自的頻率源，而不同頻率源產(chǎn)生的信號(hào)頻率和相位是有差別的。當(dāng)然，在系統(tǒng)指標(biāo)中要規(guī)定收發(fā)機(jī)頻率源的精確度和穩(wěn)定度，但是這種差別仍然是不可避免的。例如，假設(shè)有一直擴(kuò)系統(tǒng)，其偽隨機(jī)序列的產(chǎn)生頻率為2.048MHz，若規(guī)定收發(fā)機(jī)的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于1×10-6，則收發(fā)機(jī)產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列的頻率最大差值將達(dá)到4Hz左右。

（2）電波傳播有延時(shí)。

電波經(jīng)過(guò)信道傳播后都會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，而且一般這一延時(shí)是在變化的。為了使接收機(jī)產(chǎn)生的本地參考信號(hào)在相位（包括載波相位、偽隨機(jī)序列相位等）上與接收信號(hào)保持一致，必須采用相應(yīng)的延時(shí)估計(jì)和跟蹤環(huán)路。

（3）存在多普勒頻移。很多人都有過(guò)這樣的經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)站在鐵路線上觀察駛近的列車(chē)時(shí)，列車(chē)?guó)Q笛的聲音尖利而急促，而遠(yuǎn)去的列車(chē)發(fā)出的鳴笛聲卻相對(duì)低沉一些，這就是聲音在傳播過(guò)程中的多普勒效應(yīng)。電磁波在傳播過(guò)程中也同樣存在多普勒效應(yīng)：當(dāng)收發(fā)機(jī)之間有相對(duì)速度或傳輸信道是時(shí)變信道時(shí)，都會(huì)使接收到的信號(hào)在頻率上發(fā)生變化。頻率變化的幅度與信號(hào)本身的頻率、收發(fā)機(jī)的相對(duì)速度、信道變化的速率等因素有關(guān)。

（4）存在多徑傳播等其他因素。通信信號(hào)經(jīng)過(guò)多徑信道（典型的如短波信道、城市移動(dòng)通信信道等）和散射信道傳輸后，由于多徑信號(hào)或群反射、散射信號(hào)之間的相互影響，使信號(hào)發(fā)生頻率彌散和相位變化。

對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)，其同步包括載波同步、位同步、群同步（或幀同步）等。

載波同步主要是解決接收端相關(guān)檢測(cè)時(shí)的載波頻率和相位跟蹤的問(wèn)題。位同步是對(duì)數(shù)字符號(hào)的同步和對(duì)碼元的起止時(shí)刻進(jìn)行跟蹤。數(shù)據(jù)通信中的數(shù)據(jù)一般是通過(guò)由一定數(shù)目的碼元及一個(gè)用于識(shí)別和同步的“幀頭”組成的一個(gè)幀來(lái)進(jìn)行傳輸?shù)?。群同步的任?wù)就是給出每個(gè)幀的起始和結(jié)束時(shí)刻。擴(kuò)譜通信除了上述的同步內(nèi)容外，還需要對(duì)擴(kuò)譜碼序列進(jìn)行同步，其任務(wù)就是給出擴(kuò)譜碼序列的起始和結(jié)束時(shí)刻，這是實(shí)現(xiàn)擴(kuò)譜通信解擴(kuò)的前提條件。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中往往將擴(kuò)譜通信的擴(kuò)譜碼序列同步與載波同步、位同步等結(jié)合起來(lái)。本書(shū)中主要討論對(duì)擴(kuò)譜碼序列的同步問(wèn)題。3.3.2直擴(kuò)系統(tǒng)的同步

圖3－24同步系統(tǒng)的同步過(guò)程

1.直擴(kuò)信號(hào)的捕獲

捕獲又稱(chēng)初始同步或粗同步，其任務(wù)是完成偽隨機(jī)序列的粗同步，對(duì)偽隨機(jī)序列的相位同步精度一般小于一個(gè)或1/2個(gè)偽碼碼片時(shí)長(zhǎng)。對(duì)捕獲的要求是：

（1）抗干擾能力強(qiáng)。同步是直擴(kuò)通信信號(hào)正常接收的前提，而捕獲是同步的前提，因而捕獲的抗干擾能力在很大程度上決定了系統(tǒng)的抗干擾能力。捕獲在受到強(qiáng)干擾、強(qiáng)噪聲或深衰落的影響時(shí)，要求其捕獲概率要盡量大，錯(cuò)誤捕獲的概率要盡量小。

（2）速度快。接收機(jī)同步電路所獲得的同步信息通常會(huì)經(jīng)受干擾和噪聲的污染以及多徑衰落的損害，而直擴(kuò)接收機(jī)又通常在低信噪比或低信干比的條件下工作，因而要很快地建立同步，即迅速捕獲，是非常關(guān)鍵而又比較困難的一步。

（3）電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

1）滑動(dòng)相關(guān)法圖3－25滑動(dòng)相關(guān)器的原理框圖設(shè)通信開(kāi)始時(shí)系統(tǒng)處于失步狀態(tài)，積分清洗器的輸出只有噪聲并低于捕獲門(mén)限，捕獲判決器的輸出控制本地偽碼產(chǎn)生器，使之處于搜索狀態(tài)。捕獲判決器每隔一個(gè)積分周期對(duì)捕獲情況進(jìn)行一次判決，決定是否需要繼續(xù)調(diào)整本地偽碼的相位。當(dāng)捕獲判決器有信號(hào)輸出并超過(guò)預(yù)定門(mén)限時(shí)，即認(rèn)為它捕獲到了信號(hào)，但為了防止噪聲或干擾引起偶然的假捕獲，通常要連續(xù)觀察幾次，等到捕獲判決器的輸出信號(hào)超過(guò)門(mén)限的次數(shù)累計(jì)到規(guī)定值后，才認(rèn)為滑動(dòng)相關(guān)捕獲檢測(cè)器確實(shí)捕獲到了信號(hào)，于是，捕獲判決器的輸出將使本地偽碼產(chǎn)生器轉(zhuǎn)換狀態(tài)，即由捕獲狀態(tài)轉(zhuǎn)入鎖定跟蹤狀態(tài)。如果接收機(jī)在跟蹤過(guò)程中因受到干擾等影響而失步，接收機(jī)要控制滑動(dòng)相關(guān)檢測(cè)器重新啟動(dòng)，對(duì)信號(hào)重新進(jìn)行捕獲?；瑒?dòng)相關(guān)法存在一個(gè)突出的缺點(diǎn)是：當(dāng)兩個(gè)偽碼之間的相位差很大，而且偽碼長(zhǎng)度很長(zhǎng)時(shí)，要逐位檢查（滑動(dòng)）以達(dá)到捕獲的時(shí)間可能很長(zhǎng)。為了估計(jì)這種搜索時(shí)間，假設(shè)滑動(dòng)相關(guān)器對(duì)本地PN碼相位每次調(diào)整一位，令K為兩個(gè)偽碼之間的初始相位差數(shù)，即本地PN碼相位需要調(diào)整K次才能夠與接收信號(hào)PN碼相位達(dá)到粗同步。顯然，初始相位差數(shù)的最大值等于偽碼的長(zhǎng)度N-1。T1表示每次判決所需的時(shí)間，它也是積分抽樣時(shí)間，這里設(shè)T1等于1個(gè)信息比特寬度；d表示防止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換出現(xiàn)錯(cuò)誤所需連續(xù)觀察的次數(shù)。由此可得最大的搜索時(shí)間為(3－3－1)

取偽碼長(zhǎng)度N=2047，信息碼速率為1.2kb/s，d=5，則可得最長(zhǎng)捕獲時(shí)間為如果在捕獲的過(guò)程中再考慮信號(hào)載波的同步問(wèn)題，那么最大捕獲時(shí)間還會(huì)成倍增加。顯然，捕獲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)是實(shí)際系統(tǒng)所不能接受的。因此，設(shè)法減小捕獲時(shí)間是必須解決的問(wèn)題。

2）前置碼(同步頭)法

因?yàn)橛糜谕降膫未a和用于傳輸信息的偽碼不必相同，所以可以采用一種專(zhuān)門(mén)的前置碼供同步使用。前置碼一般較短，典型的長(zhǎng)度約為幾十、幾百到幾千位，可由一個(gè)短碼重復(fù)幾次組成。發(fā)射機(jī)在發(fā)送有用信息之前，先發(fā)送前置碼，供通信對(duì)方的接收機(jī)建立同步，接著再發(fā)送有用信息。當(dāng)然，接收機(jī)在建立同步之后，應(yīng)具有必需的同步保持能力。

采用前置碼的辦法雖然可以提高捕獲和同步速度，但因?yàn)榍爸么a不能太長(zhǎng)，故容易受到噪聲和干擾的影響而產(chǎn)生錯(cuò)誤捕獲。盡管如此，由于這種方法簡(jiǎn)便易行，能適應(yīng)各種應(yīng)用環(huán)境的需要，因而仍是一種應(yīng)用非常廣泛的方法。

3）匹配濾波器法

用匹配濾波器對(duì)偽碼進(jìn)行快捕是一種行之有效的辦法。這種方法可以在中頻實(shí)現(xiàn)，也可以在基帶實(shí)現(xiàn)。在中頻多采用聲表面波(SurfaceAcousticWave,SAW)延遲線實(shí)現(xiàn)，在基帶多采用移位寄存器實(shí)現(xiàn)。圖3－26是在基帶實(shí)現(xiàn)匹配濾波器(相關(guān)器)的簡(jiǎn)例。這里給定的同步序列為1110010，當(dāng)全部序列進(jìn)入七位移位寄存器后，累加器的輸出就會(huì)超過(guò)捕獲門(mén)限，在門(mén)限判決器輸出端就可以得到一周期的脈沖串，脈沖所在的位置就是PN碼的捕獲區(qū)域。圖3－26基帶匹配濾波器捕獲器原理方框圖用這種辦法進(jìn)行捕獲和同步可以得到較高的速度，一般在幾個(gè)序列周期內(nèi)即可以完成捕獲和同步過(guò)程。若序列周期等于信息比特周期，則在幾個(gè)信息比特周期內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)捕獲和同步。當(dāng)然，基帶解擴(kuò)處理的前提是載波與位同步都已經(jīng)完成，而在干擾較嚴(yán)重的情況下，解擴(kuò)前進(jìn)行載波與位同步的性能也將受到很大的影響。因此，一般采用在中頻或射頻直接進(jìn)行匹配濾波的方法。這種方法不需要載波和位同步，但是信號(hào)載波和PN碼時(shí)鐘的漂移都會(huì)對(duì)這種捕獲方式的性能造成影響。模擬匹配濾波器一般采用SAW延遲線，本書(shū)將在3.4節(jié)中討論該內(nèi)容。

4）發(fā)射參考信號(hào)法

發(fā)射參考信號(hào)法即接收端不必產(chǎn)生本地參考信號(hào)，而是接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的參考信號(hào)。這種方法可以大大簡(jiǎn)化接收機(jī)的設(shè)計(jì)，使得接收機(jī)盡量地簡(jiǎn)單，其原理框圖如