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 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。 网络对抗。如：计算机病毒、软件攻击等。 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

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。 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。 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!

s2

s3

s1

Multiplexing

f

tc

k2 k3 k4 k5 k6k1

f

tc

f

tc

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

f

t

ck2 k3 k4 k5 k6k1

Time 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

f

Time 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 to

code multiplex• Precise coordination

requiredt

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 technology

k2 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 22958958 个个 PCSPCS 经营许可证中经营许可证中 , , 选择 CDMACDMA 占占 51% , 51% , D-AMPSD-AMPS 占占 20%, GSM20%, GSM 占占 28%28% 。。 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 ）

跳频系统跳频系统跳频系统组成

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。

PNÂë·¢ÉúÆ÷ ƵÂʺϳÉÆ÷输出

时钟

跳频器技术指标：频率转换时间＜ 1μs；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 212

－ 1 ）；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。

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。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。

跳速跳速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： Rh:＞ 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。

跳频频谱跳频频谱

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。

跳频波形跳频波形跳频信号波形

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 Th 。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。

跳频特点跳频特点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。

跳频特点跳频特点

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。

跳频特点跳频特点

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。

跳频特点跳频特点

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。

跳频特点跳频特点

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 1

PN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 dB

TT

Gp

fD

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 f2

Bfff || 21

tt 0)(

22)

21cos()( 2

0TtTttts

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

BTTfBBWGa

P

基本方式DS/FH混合方式

总处理增益GDS/FH ＝ GDS·GFH

•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 1~100MHz 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

nS

nSe

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。 无线电管理部门不能监测到扩频信号？无线电管理部门不能监测到扩频信号？ 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。

44.11

max00

RnS

nEb dB

nEb 6.1694.0

44.11

min0

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

HBB

i

i

NS

NS

0

0

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,RiS0,N0

fm’,BH,R0

)1(log2i

ii N

SBR )1(log0

020 N

SBR 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

i

i

NS

tfA

tfNS

)(

)(222

2

0

0

AM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：

i

iff NS

mmNS

)1(3 2

0

0

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 t

f 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 为差错概率 Eb为比特信号能量 n0 为噪声功率谱密度 因为，

信号功率 S＝ Eb／ Tb (Tb为信息持续时间 ) 噪声功率 N＝ Bn0 (B为信号频带宽度 ) 信息带宽 F＝ l／ Tb

则 Pe f(TbBS/N) = f(S/N×B/F )结论 :信噪比和带宽是可以互换的。

扩频通信系统的数学模型

Ss[.] 信道 Ss-1[.] S(

t)

n(t)

J(t)

区间 [fa ， fb] )()()( '' tJtnts

Ss-1{ Ss [s （ t ） ]}=s （ t ）

Ss-1[n （ t ） ]= Ss [n （ t ） ]

=n’(t)Ss

-1[J （ t ） ]= Ss [J （ t ） ] =J’(t)

扩频通信系统的物理模型

—般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。 一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调 制为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。 与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解 扩部分。

主要参数1 、处理增益（扩频增益） Gp(Spreading Gain) 频谱扩展后的信号带宽 B与频谱扩展前的信息带宽 F之比： Gp＝ B／ F 在扩频通信系统中．接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相 关处理后的带宽为 F 的信息，而排除掉宽频带 W 中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。处理增益 Gp反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。因此，也可定义为接收相关处理器输出与输入信噪比的比值，即

ii

ooP NS

NSG//

输入信噪比输出信噪比

处理增益只有在解扩之后才能获得。

主要参数2 、干扰容限扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为：

其中： Ls 为系统内部损耗，（ S／ N） 0 为系统正常工作时要求的 （解扩器）最小输出信噪比（解调前要求的对应于一定误 码率的 S/N ）。

])([ osPj NSLGM

另一种干扰容限定义：PJ/PS(条件：设备性能、工作环境、干扰性质）

主要参数扩频通信系统不怕干扰？扩频通信系统的抗干扰能力用干扰容限来衡量，一旦 C/I 小于（ S／ N） 0 ，系统将受到干扰。从现有的扩频通信系统干扰来看，扩频通信系统的抗干扰能力是有一定限度的。对于扩频系统，宽带干扰比窄带干扰更严重？这个认识在干扰功率相同的情况下是错误的。因为在相同的功率前提下，带宽信号与 PN码的卷积比窄带信号与 PN码的卷积带宽要宽，导致相对功率谱密度较低。因此通过接收机滤波器后的干扰信号较小，因此宽带信号干扰效果不如窄带干扰效果明显。事实上直接序列扩频通信系统最怕的干扰是瞄射式干扰，即干扰频率与扩频通信系统采用的射频频率相同。

完！