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1、第四章 扩频信号,西安电子科技大学 张林让,引言,扩频(调制)是一种通信技术：被发射的调制信号在发射到信道之前，其频带被扩大若干倍(简称扩频)；而在接收端，接收信号的频带则被缩小相同倍数(谓之解扩或缩频) 如果通信信道不存在某种窄带(相对于扩频带宽而言)干扰，并且扩频和解扩的带宽相同，那么解扩之后，接收信号将完全等同于扩频之前的被发射信号。,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,引言,白噪声下的信号匹配接收其输出只与信号能量有关、而与信号的波形无关。从中我们还看不出扩频的必要性. 然而，当存在窄带干扰时,扩频的必要性便突现出来.由于干扰是在发射信号被扩频之后才加入的，所以接收端的解
2、扩操作在将期望信号缩回到原带宽的同时，还会将非期望信号(即干扰)的带宽扩频同一倍数，从而使窄带干扰变成了宽带干扰，减小了其功率谱密度。因此，扩频可以用来减小干扰对接收性能的影响，实现抑制窄带干扰的目的，并且扩频越宽、窄带干扰的抑制能力就越强,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,引言,在军用通信中，友台往往被敌台侦测或截获，并且容易受到故意施放干扰(故意干扰)的攻击扩频技术最早就是为了解决这两个问题而被提出来的 利用扩频达到降低通信台被侦测性：低截获概率(LPI: low Probability of intercept)通信系统 减小敌台施放的干扰影响：抗干扰(AJ：antija
3、m)通信系统,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,4.1 扩频与解扩,扩频序列cn，必须有以下性质 （1）均值近似为零，即： （2）自相关函数为周期函数 （3）本身是周期函数： ，任意整数k,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,扩频原理,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,扩频原理,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,图(a)波形 数据比特（低速率带宽较窄） 图(b)波形 码片波形（速率高、频带宽） 图(a)图(b)=图(c)发射信号（速率变高，频带变宽扩频） 扩频信号：,相关接收机（解扩）,接收信号 相关接收机（解扩）,西安电子科技大学
4、 雷达信号处理国防科技重点实验室,窄带干扰,白噪声,比特总能量Eb，比特间隔（码元间隔）T，单个比特幅值,相关接收机（解扩）,解扩（对扩频信号解除扩频） 参见图6.1.1，图(c)图(b)=图(a),西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,相关接收机（解扩）,对窄带干扰扩频 , 干扰频带大大展宽，变为 ，总能量不变，故能量密度大大减小（见下图）。 对宽带噪声基本无扩频作用，噪声宽带本来,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,相关接收机（解扩）,假设通信台以比特率 （比特/秒）和发射功率S(W)发送信号 解扩后信噪比：,干扰+噪声总能量,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科
5、技重点实验室,相关接收机（解扩）,发射信号带宽，从 （Hz）增大为 （Hz）， （窄带）干扰带宽从 扩展为 ， 若J表示干扰总功率，则 为扩频后干扰的功率谱密度（参见上图）， （宽带）噪声带宽带宽不变，平均功率N0不变。 通常 （干扰功率大于噪声功率）,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,相关接收机（解扩）,解扩频后信干噪比,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,原信干比,扩频比，又称扩频系统的扩频增益,提高解扩后的信干噪比：,（1）采用大的信干比（不实用） （2）采用大的扩频增益（实用、有效）,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,离散扩频信号的相关接收
6、机,相关接收机输出,最佳检测器是单电平的检测器 , 发射比特 , 发射比特,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,因为自相关性质,信息比特的恢复要求,接收机用于同接收信号相乘的扩频序列必须与相关检测之前接收到的扩频序列同步。 若不同步,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,比特信息丢失！,扩频信号应具有的性质：,（1）扩频信号是不可预测的、伪随机的宽带信号 （2）扩频信号带宽传输数据的带宽 （3) 接收机中必须有与宽带载波同步的扩频信号副本,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,伪噪声序列,使扩频信号是不可预测、伪随机的宽带信号的常用方法是采用伪噪声序列作扩
7、频信号。 伪噪声（PN：pseudonoise）序列也称伪随机序列，是用确定性方法产生的序列，但它却近似具有随机产生序列所希望的某些关键随机特性。,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,伪噪声序列,通常要求所产生的伪噪声序列满足： 容易产生 既具有很低的自相关函数，又具有很低的互相关函数 具有很长的周期 很难由一段短的序列重构 常用伪噪声序列：m序列、Gold序列,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,4.2 直接序列扩频,在多用户通信中，本质上是通过赋予每个用户不同的特征波形（Signature waveforms）或扩频波形实现多用户检测。 码片序列: 第i个用户在
8、时刻k的码片值， ，PN序列 扩频波形（码片序列脉冲波形） : 第i个用户的特征波形（特征波形）。,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,脉冲成形函数,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,通过脉冲成形函数实现 脉冲成形函数（码片脉冲函数或码片波形），应满足条件：,常用脉冲成形函数：,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,（1）矩形脉冲： （2） 函数：,直接序列扩频波形的生成,应指出：特征波形本身并不载有待发送的任何信息，但它是不同用户的“收听身份证”。 特征波形为确定性信号，通常约定它具有单位能量，即,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,频
9、谱利用率明显提高,多个用户的分离,多个用户的分离取决于特征波形之间的相关性，若正交，多用户之间很容易分离,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,直接序列扩频的特征波形的特点由以下三要素决定,（1）码片波形 频谱利用率 （2）每个比特的码片数目 扩频增益 （3）长度为的二进制码片序列 自相关、互相关特性,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,扩频因子（扩频增益）,对固定的持征波形时间宽度，其带宽与N成正比 在一个正交的同步正交序列扩频CDMA系统中，可以支持的用户数小于或等于N 大的N有利于提高通信系统的保密性因为它们将阻碍非合法用户破解持征波形的企图，防止他们对发射的信
10、息进行窃听。 由于持征波形的能量谱与N成反比，所以大的N值可减小由同时存在的窄带发射引起的干扰同理，低截获概率的通信能力也随N值的升高而增强,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,扩频因子（扩频增益）,随着N的增大，由窄带人为干扰引起的通信性能下降将得到缓解 随着N的增大，能够确定的信号达到时间的可靠性增加这将使得接收机的定时同步变得容易，并提高接收机抗多径效应的能力,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,4.3 扩频技术的应用,1窄带干扰抑制 2码间干扰抑制,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,码间干扰,3多址干扰抑制,西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室,要求：扩频码正交、码元同步、无多径存在，加性白噪声,