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扩 频 通 信扩 频 通 信主讲主讲 :: 范道尔吉范道尔吉
内蒙古大学信息工程学院电子工程系
田日才 编著 清华大学出版社田日才 编著 清华大学出版社
第一章：扩频通信的理论基础第一章：扩频通信的理论基础1.1 1.1 扩频通信基本概念扩频通信基本概念1.2 1.2 扩频通信系统的分类扩频通信系统的分类1.3 1.3 扩频通信系统的模型扩频通信系统的模型1.4 1.4 扩频通信系统的处理增益与主要扩频通信系统的处理增益与主要特点特点
1.11.1 基本概念基本概念香农公式 香农公式 C------C------ 信道容量（比特信道容量（比特 // 秒）秒） N-----N----- 噪声功率噪声功率 B----B---- 信号带宽（赫兹）信号带宽（赫兹） S------S------ 信号功率 信号功率 若信源信息速率若信源信息速率 RR 小于或等于信道容量小于或等于信道容量 CC ，通过，通过编码，信源的信息能以任意小的差错概率通过信道编码，信源的信息能以任意小的差错概率通过信道传输。传输。
)1(log2 NSBC
)1ln(44.1NS
BC
NS
BC 44.1
SNCB 7.0
说明：说明：1.1. 要增加系统信息传输速率，则要求增加信道容量 要增加系统信息传输速率，则要求增加信道容量 2.2. 信道容量信道容量 CC 常数时，带宽常数时，带宽 BB 和信噪比和信噪比 S/NS/N 可以互可以互换。 换。 3.3. 当当 BB 增加到一定程度后，信道容量增加到一定程度后，信道容量 CC 不可能无限不可能无限的增加。的增加。4.4. C=1.44*S/NC=1.44*S/N5.5. B=0.7C*N/SB=0.7C*N/S
例：例： N/S=100(20dB) C=3kb/S N/S=100(20dB) C=3kb/S 那么 那么 B=0.7*C*B=0.7*C* （（ N/SN/S ）） =0.7*3*100=210KHz=0.7*3*100=210KHz 这就说明在噪声比信号功率大这就说明在噪声比信号功率大 100100 倍的倍的情况下信息速率情况下信息速率 =3kb/s=3kb/s 的信号在的信号在 210KHz210KHz的信道上仍然可以保证可靠通信。的信道上仍然可以保证可靠通信。 扩频通信正好是利用这一原理。用高速扩频通信正好是利用这一原理。用高速的扩频码来扩展待传输信号带宽的手段，达的扩频码来扩展待传输信号带宽的手段，达到系统抗干扰能力的目的。到系统抗干扰能力的目的。
扩频码是什么呢？扩频码是什么呢？ 扩频码就是伪噪声序列。比如扩频码就是伪噪声序列。比如 mm 序列。序列。 香浓指出：在高斯白噪声干扰下，在平均功率香浓指出：在高斯白噪声干扰下，在平均功率受限的信道上，实现有效和可靠传输的最佳信受限的信道上，实现有效和可靠传输的最佳信号形式是具有白噪声统计特性的信号。因为白号形式是具有白噪声统计特性的信号。因为白噪声具有理想的自相关特性。噪声具有理想的自相关特性。
2)( 0NfS f
)(2
)()( 02 tNdfefSR fj
)(2
)( 0 NR
1.2 1.2 扩频通信系统的分类扩频通信系统的分类 直接序列系统直接序列系统 频率跳变系统频率跳变系统 时间跳变系统时间跳变系统 线性脉冲调频系统线性脉冲调频系统 混合扩频通信系统混合扩频通信系统
1.2.11.2.1 直接序列系统直接序列系统
发射系统
乘法器 调制器 发射机
时钟源 伪码发生器 载波发生器
数据源
直接序列调制扩展频谱通信系统 DS-SS
混频器 调制器 解调器
时钟源伪码发生器
数据
接收系统
中频滤波器本地震荡器
1.2.2 1.2.2 频率跳变系统频率跳变系统
发射系统
混频器 调制器 发射机
时钟源
发中频振荡器 频率合成器
数据源频率跳变扩展频谱通信系统 FH-SS
伪码发生器 指令译码器
频率跳变又可以分为快跳和慢跳频率跳变又可以分为快跳和慢跳 Tc>Tb Tc>Tb 叫做慢跳叫做慢跳 否则叫做快跳否则叫做快跳
1.2.3 1.2.3 时间跳变系统时间跳变系统
发射系统
调制器 高频开关存储器
载波时间跳变扩展频谱通信系统 TH-SS
伪码发生器指令译码器数据
1.2.4 1.2.4 线性脉冲调制系统线性脉冲调制系统
发射系统
线性脉冲调制系统 chirp 是指系统的工作频率在一定的脉冲时间间隔内线性的扫过一个很宽的频带，形成一带宽很宽的扫频信号，或者系统的带宽在给定时间内线性的增大或减小，使发射信号的频谱占据很宽的频带。
1.2.5 1.2.5 混合扩频通信系统混合扩频通信系统•频率跳变 - 直接序列混合扩频通信系统•时间跳变 - 频率跳变混合扩频通信系统•时间跳变 - 直接序列混合扩频通信系统
调制器 混频器 发射机
时钟源
发中频振荡器 频率合成器
数据源
伪码发生器 指令译码器
乘法器直接扩频码发生器
1.3 1.3 扩频通信系统的模型扩频通信系统的模型 直接序列系统的模型直接序列系统的模型
s(t))2cos( 00 tf
射频振荡器
发射机m 序列发生器
编码器
数据源{an}
d(t) c(t)
发射系统
m 序列发生器
低通滤波器压控振荡器
射频滤波器 r(t) s(t)
接收系统
R(t)
])(2cos[2^^
0 dd tff
)(^
dr Ttc
)()()()( idid TtstNTtstr
)()())(2cos()()( 0
idi
dddd
TtstNtffTtcTtAd
dthffTcrtu ddd )(])(2cos[)()(2)(^^
0
)2cos()()()( 0tftctAdts
当接收端和发送端同步时：
1)()(
)()(^
^
^
drdr
drdr
dd
TtcTtc
TtcTtc
TT
dd
dd ff
^
^
dthTdAtu ds )()()(
只要基带滤波器能无失真的传输数字信号，经基带数字检测处理后，收端就能 恢复出原始信号。
1.4 1.4 扩频通信系统的处理增益与主扩频通信系统的处理增益与主要指标要指标1.4.1 1.4.1 处理增益处理增益 GpGp ：可以标示扩频通信系统的抗：可以标示扩频通信系统的抗干扰能力的优劣。干扰能力的优劣。
输出信噪比输出信噪比 == 相关器的输出信噪比相关器的输出信噪比输入信噪比输入信噪比 == 接收机的输入信噪比接收机的输入信噪比
in
outp )/(
/GNSNS ）（
输入信号噪声功率比输出信号噪声功率比
直接扩频的处理增益：直接扩频的处理增益： 调频系统的处理增益：调频系统的处理增益： 跳时系统的处理增益：跳时系统的处理增益： 混合系统的处理增益：混合系统的处理增益： Gp=Gp1*Gp2*Gp3Gp=Gp1*Gp2*Gp3
b
cp RRG
b
ssp BBG
片数发射信号所占用的时间帧内所有时间片数
pG
处理增益表示经过扩频接收机处理以后，处理增益表示经过扩频接收机处理以后，使信号增强的同时抑制输入到接收机干扰使信号增强的同时抑制输入到接收机干扰信号的大小。处理增益越大，则系统的抗信号的大小。处理增益越大，则系统的抗干扰能力就越强。干扰能力就越强。
1.4.2 1.4.2 扩频系统的干扰容限扩频系统的干扰容限 干扰容限：标示扩频通信系统在干扰环境中干扰容限：标示扩频通信系统在干扰环境中的工作能力。的工作能力。 处理增益的不断提高并不能代表接收机的正处理增益的不断提高并不能代表接收机的正常工作。处理增益增加到一定程度后信噪比常工作。处理增益增加到一定程度后信噪比不再继续改善。目前国际上直接扩频的最大不再继续改善。目前国际上直接扩频的最大处理增益约为处理增益约为 70dB70dB 。。 例如：系统的处理增益例如：系统的处理增益 50dB,50dB, 噪声功率比信噪声功率比信号大号大 105105 倍，即信噪比是倍，即信噪比是 -50dB-50dB ，则相关器，则相关器输出输出 0dB0dB ，但是在，但是在 0dB0dB 下接收机是无法正下接收机是无法正常工作的。常工作的。
干扰容限的定义：干扰容限的定义：Mj=Gp/Lsys(S/N)outMj=Gp/Lsys(S/N)outMj—Mj— 干扰容限干扰容限Gp—Gp— 处理增益处理增益Lsys—Lsys— 系统实现损耗系统实现损耗(S/N)out—(S/N)out— 相关器输出信噪比，也是系统中相关器输出信噪比，也是系统中中频滤波器或基带滤波器的输入信噪比。中频滤波器或基带滤波器的输入信噪比。一般用一般用 dBdB 标示：标示：[Mj]dB=[Gp]dB-{[Lsys]dB+[(S/N)out]dB}[Mj]dB=[Gp]dB-{[Lsys]dB+[(S/N)out]dB}
例如：某扩频系统的处理增益为例如：某扩频系统的处理增益为 17dB,17dB, 基基带滤波器要求输入最小信噪比是带滤波器要求输入最小信噪比是 8dB8dB ，系，系统的实现损耗为统的实现损耗为 3dB3dB ，则干扰容限为多少？，则干扰容限为多少？ Mj=17-Mj=17- （（ 3+83+8 ）） =6dB=6dB 标示此系统最差只能在干扰比信号高标示此系统最差只能在干扰比信号高 6dB6dB的环境下工作。的环境下工作。
1.4.3 1.4.3 扩频通信系统的主要特点扩频通信系统的主要特点 抗干扰性能好抗干扰性能好 选择性寻址能力强选择性寻址能力强 保密性好保密性好 频谱密度低频谱密度低 高分辨率测距高分辨率测距
扩频通信应用
