扩频通信系统工作原理

c1(t d )c1(t ˆd ) c2 (t d )c2 (t ˆd ) 1
因此有用信号被解扩。 解扩的有用信号通过带通滤波器，
而无用项被滤除， 于是 z(t) 2S cos[IFt d (t)]
上述过程已假设接收机载波相位已达到正确同步，由z(t)可 见数据已调信号已完全恢复。z(t)信号经过解调后即可恢复 原始数据
• 所谓干扰容限, 是指在保证系统正常工作的条件下, 接收机
能够承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数, 用Mj表示,
有
M
j

GP

LS


S N
o

d
B
式中Ls为系统内部损耗，(S/N)0为系统正常工作时要求 的最小输出信噪比，即相关器的输出信噪比或解调器的 输入信噪比；Gp为处理增益。
• 直扩系统是将要发送的信息用伪随机序列（PN）扩展到 一个很宽的频带上，在接收端用与发送端相同的伪随机序 列对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的信息。
2.1.1直扩系统的组成
直扩系统组成原理框图
信源 高放
a(t)
扩频
c(t)
PN码
d(t)
s(t)
调制
f0
振荡器
混频
fL
本振
（a）
r(t)
解扩

a(t) an gd (t nTa )
n0
式中: an为信息码, 取值＋1或－1。
1 ga (t) 0
0≤t≤Ta
其他
Ta为信息码元宽度。
• 跳频系统的频率合成器产生的频谱图和跳频系统的射频信 号的频谱图如图２-９所示。理想的频率合成器产生的频 谱图为离散的、等间隔的、等幅的线谱，占用的频带为Ｂ
• 干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能抵抗的极限干扰 强度，因而干扰往往比处理增益能更确切的反应系统的抗 干扰能力。
2.1.4直扩系统的主要用途及特点
主要特点：
（1）具有较强的抗干扰能力。扩频系统经过相关接收，将 干扰功率扩展到很宽的频带上去，使进入信号频带内的干扰 功率大大降低，提高了解调器输入端的信噪比，从而提高了 系统的抗干扰能力。
直扩系统主要用途： 主要用于通信抗干扰、卫星通信、导航、保密通信、测距和 定位等方面。
2.1.5常用直扩调制方式
• 常用的直扩方式有正交相移键控（QPSK）直接序列扩频 和最小频移键控（MSK）。下面具体介绍（QPSK）：
• 1）具有任意数据相位调制的QPSK直接序列扩频系统 • 下图为一般QPSK直接序列扩频系统发端框图。其中数据
调制可采用任意数据相位调制方法。正交混合网络将输入 功率在两个正交支路中均分。QPSK调制器的输出为
def
s(t) Sc1(t) cos[0t d (t)] Sc2 (t) sin[0t d (t)] = a(t) b(t)
• 式中, c1(t)和c2(t)分别为同相和正交扩频波形， 扩频波形 的取值为±1。 假设这些扩频波形是切普(Chip)同步的，
高放
混频
中放
解调
频 率 合成 器
… PN码 产 生 器
同 步 系统
图2-8跳频系统的组成
• 信源产生的信息流去调制频率合成器产生的载频，得到射 频信号。频率合成器产生的载频受伪随机码的控制。跳频 系统解调多采用FSK、ASK等进行非相干解调。
• ２.２.２ 跳频系统的信号分析
• 设信源产生的信号a(t)为双极性数字信号, 则
并且彼此独立。s(t)
Sc1(t) cos[0t d (t)]
def
Sc2(t)sin[0t d (t)] = a(t) b(t)
• 上式中两个正交项的功率谱均与 BPSK信号的功率谱形式
相同， 故总QPSK信号的功率谱等于两项功率谱的代数和。
这时可通过计算S(t)信号自相关函数来求其功率谱。
s' I (t) sI(t)c'(t) a(t)c(t)c'(t) cosIt
若本地产生的伪随机码序列c'(t)与发端产生的c(t)同步， 有c'(t)=c(t)，则c(t)c'(t)=1，这样分量s'I(t)为
后面所接收的滤波器的频带正好能让信号通过，因 此可以进入解调器进行解调，将有用信号解调出来。
• PN码就是伪随机码，具有与二元随机序列性质相似的周 期性码组。是一种预先确定,并可重复实现的具有某种随 机特性的码,它仅有2个电平,是具有与白噪声类似的自相关 性质的0和1所构成的编码,只是幅度概率分布不再服从高 斯分布。
2.1.2直扩系统的信号分析
信号源产生的信号a(t)为信息流，码元速率为Ra,码元宽度为 Ta，Ta=1/Ra,则信号a(t)为
• 接收端的伪随机码产生器产生的伪随机序列与发送端的相同， 但起始时间和初始相位可能不同，为c'(t)。解扩与扩频过程 相同，用本地伪随机码序列c'(t)与接收到的信号相乘，相乘 后为r'I(t)=rI(t)c'(t)=s'I(t)+n'I(t)+J'I(t)+s'J(t)
• 先看信号s'I(t),则
• 功率谱如图
Gc()
o
1

2π NTc
2 Tc

(a)
Gs()
c

(b)
图2-4(a)为c(t)的功率谱，(b)为s(t)的功率谱
2.1.3 处理增益与干扰容限
处理增益与干扰容限是扩频系统的两个重要抗干扰指标下面 分别讨论。
1. 处理增益 在扩频系统中, 传输信号在扩频和解扩的处理过程中, 扩展频 谱系统的抗干扰性能得到提高, 这种扩频处理得到的好处, 就 称之为扩频系统的处理增益, 其定义为接收相关处理器输出 与输入信噪比的比值, 即
＝ｆＮ－ｆ１，每个频率之间的间隔为∆ｆ。某一时刻的频 率是Ｎ个频率中的一个，由伪随机码确定如图２-９（ａ） 所示。图２-９（ｂ）为跳频信号的频谱图，在某一时刻 跳频系统是窄带的，从整个区间看，信号在整个区间跳变，
式中a(t)和c(t)的自相关函数分别为 Ra( )和Rc( )
• c(t)为长度是N的周期性伪随机序列，故自相关函数也是周
期为N的周期性函数，为
1
Rc( ) 1
N
其波形如图2-3所示：
Rc( )
1
－NTc
－Tc o
Tc
1 N

NTc
Байду номын сангаас
图2-3 Rc( ) 的波形图
• 对Rc( )进行傅里叶变换，得到c(t)的功率谱密度为
• 一般QPSK扩频接收机框图如下图所示。 其中带通滤波器 的中心频率为ωIF， 其带宽足以不失真地通过数据已调信 号。 利用简单的三角等式变换可得x(t)和y(t)：
2
x(t)
S 2
c1
(t


d
)c1
(t

ˆd
)
cos[IFt

dy(t(t))]

S 2
c12((ttdd))cc21((tt
第二章 扩频系统的工作原理
• 直接序列（DS）扩频系统（SS） • 跳频 • 线性跳频扩频系统 • 混合扩频系统
2.1直接序列扩频系统
• 直接序列扩频通信系统是目前应用较为广泛的一种扩频系 统。对其研究最早，成果较多，如美国的国防卫星通信系 统，全球定位系统，航天飞机通信用的跟踪和数据中继卫 星系统等。
ˆˆdd))ssiinn[[IIFFtt
dd((tt))]]
y(t)
S 2
c12((ttdd))cc21(t
ˆd
)
sin[IFt
d
(t)]

S 2
c2
(t


d
)c2
(t

ˆd
)
sin[IFt

d
(t
)]
如果S2接c2 (收t 机d )解c2 (扩t 码ˆd )相sin位[I正Ft 确d (，t)] 则
（2）具有很强的隐蔽性和抗侦查、抗窃听、抗侧向的能力。 扩频信号的谱密度很低，使信号湮没在噪声之中，不易被敌 方截获、侦查、测向和窃听。
（3）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。
（4）可以提高分辨率的测向、定位。利用直扩系统伪随机 码的相关性，可以完成精度很高的测距和定位。 （5）具有选址能力，可以实现码分多址。 （6）抗多径干扰。
• 在接收端，收到的扩频信号进高放和混频后用与发端同步 的伪随机序列对中频的扩频调制信号进行相关解扩，将信 号的频带恢复成信息序列a(t)的频带，即中频信号；然后 再进行解调，恢复出所传输的信息a(t),从而完成信息的传 输。对于干扰信号和噪声，因与伪随机码序列不相关，在 相关解扩的作用下，相当于进行了一次扩频。干扰信号和 噪声频带被扩展后，谱密度降低，大大降低了进入信号通 频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪比和信干比提高， 从而提高系统抗干扰能力。
cn为伪随机码码元，取值+1或-1；gc(t)为门函数。
• 扩频过程实质上是消息流a(t)与伪随机码序列c(t)模2或相 乘的过程。伪随机码速率Rc比信息速率Ra大得多，一般 Rc/Ra>>1且为整数，所以扩频后的序列速率仍为伪随机 码速率Rc,扩展的序列d(t)为

d (t) a(t)c(t) dngc(t nTc) n0 1an cn
dn 1an cn
• 用此扩展后的序列去调制载波，将信号搬到载频上去。用 于直扩系统的调制，原则上大多数数字调制方式均可，但 应视具体情况，根据系统的性能要求来确定，较多的用 BPSK,MSK,QPSK,TFM等。