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扩频通信系统的分类及原理
扩频通信系统的关键问题是在发信机部分如何产生宽带的扩频信号,在收信机部分如何解调扩频信号。根据通信系统产生扩频信号的方式,可以分为下列几种。 1.2.1 直接序列扩展频谱系统 直接序列扩展频谱系统(Direct Sequece Spread Spectrum Communication Systems,DS-SS),通常简称为直接序列系统或直扩系统,是用待传输的信息信号与高速率的伪随机码波形相乘后,去直接控制射频信号的某个参量,来扩展传输信号的带宽。用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。直接序列扩展频谱通信系统的简化方框图参见图1-5。 在直接序列扩频通信系统中,通常对载波进行相移键控(Phase Shift Keying,PSK)调制。为了节约发射功率和提高发射机的工作效率,扩频通信系统常采用平衡调制器。抑制载波的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力也有利。 在发信机端,待传输的数据信号与伪随机码(扩频码)波形相乘(或与伪随机码序列模2加),形成的复合码对载波进行调制,然后由天线发射出去。在收信机端,要产生一个和发信机中的伪随机码同步的本地参考伪随机码,对接收信号进行相关处理,这一相关处理过程通常常称为解扩。解扩后的信号送到解调器解调,恢复出传送的信息。 图1-5 直接序列扩频通信系统简化图 (a) 发射系统;(b) 接收系统 1.2.2 跳频扩频通信系统 跳频扩频通信系统是频率跳变扩展频谱通信系统(Frequecy Hopping Spread Spectrum Communication Systems,FH-SS)的简称,或更简单地称为跳频通信系统,确切地说应叫做“多频、选码和频移键控通信系统”。它是用二进制伪随机码序列去离散地控制射频载波振荡器的输出频率,使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变。跳频系统可供随机选取的频率数通常是几千到 个离散频率,在如此多的离散频率中,每次输出哪一个是由伪随机码决定的。频率跳变扩展频谱通信系统的简化方框图参见图1-6。 图1-6 频率跳变扩频通信系统简化方框图 频率跳变扩频通信系统与常规通信系统相比较,最大的差别在于发射机的载波发生器和接收机中的本地振荡器。在常规通信系统中这二者输出信号的频率是固定不变的,然而在跳频通信系统中这二者输出信号的频率是跳变的。在跳频通信系统中发射机的载波发生器和接收机中的本地振荡器主要由伪随机码发生器和频率合成器两部分组成。快速响应的频率合成器是跳频通信系统的关键部件。 图1-8频率快跳变系统频率跳变示意图 图1-7中, , , 。数据调制器根据二进制数据信号选择两个频率中的一个,即每隔 秒数据调制器从两个频率中选择一个。频率合成器有8个频率{ , , , , , , , }可供跳变,每传送3个比特后跳变到一个新的频率。该频率跳变信号在收信机中同本地参考振荡信号进行下变频,参考本振频率的集合为{ , , , , , , , },下变频后的中频信号集中在频率为 、宽度为 的频带中。 图1-9 时间跳变扩频通信系统简化方框图 在发送端,输入的数据先存储起来,由扩频码发生器产生的扩频码序列去控制通-断开关,经二相或四相调制后再经射频调制后发射。在接收端,当接收机的伪码发生器与发端同步时,所需信号就能每次按时通过开关进入解调器。解调后的数据也经过一缓冲存储器,以便恢复原来的传输速率,不间断地传输数据,提供给用户均匀的数据流。只要收发两端在时间上严格同步进行,就能正确地恢复原始数据。 图1-10 线性脉冲调频原理图 在脉冲持续时间Tb内,信号的瞬时频率为 性脉冲调频信号的接收解调可用匹配滤波器来实现,参见图1-10(b)。它是由色散延迟线构成的。这种延迟线对信号的高频成分延迟时间长,对低频成分延迟时间短,于是频率由高到低的载频信号通过匹配滤波器后,各频率成分几乎同时输出。这些信号成分叠加在一起,形成了脉冲时间的压缩,使输出信号幅度增加,能量集中,将有用信号检出。而与滤波器不匹配的信号在时间上没有压缩,甚至反被扩展。这就完成了和直接序列扩频及跳频扩频系统类似的过程,从而获得输出信噪比改善的好处。 色散延迟线或调频脉冲匹配滤波器压缩扫频信号,通常是线性压缩。压缩比为D=?FTb = 。 线性脉冲调频扩频技术和通信的关系不大,本书不作讨论。 1.2.5 混合扩展频谱通信系统 以上几种基本的扩展频谱通信系统各有优缺点,单独使用其中一种系统时有时难以满足要求,将以上几种扩频方法结合起来就构成了混合扩频通信系统。常见的有频率跳变-直接序列混合系统(FH/DS),直接序列-时间跳变混合系统(DS/TH),频率跳变-时间跳变混合系统(HF/TH)等。它们比单一的直接序列、跳频、跳时体制有更优良的性能。 (1) 频率跳变-直接序列混合系统 频率跳变-直接序列混合系统可看作是一个载波频率作周期性跳变的直接序列扩频系统,其系统组成方框图见图1-11。 图1-11频率跳变-直接序列混合扩频系统方框图 采用这种混合方式能够大大提高扩频系统的性能,并且有通信隐蔽性好、抗干扰能力强、频率跳变系统的载波频率难于捕捉,便于适应于多址通信或离散寻址和多路复用等特点,尤其在要求扩频码速率过高或跳频数目过多时,采用这种混合系统特别有利。 图1-12时间跳变-直接序列混合扩频系统方框图 从上面的介绍中,我们可以看出,除在通信中很少使用的线性脉冲调频方式外,其余几种扩频方式可以任意组合来组成混合扩频通信系统。从理论角度讲,这是毫无疑义的,但在工程实现上还是存在某些需要解决的问题,如在频率跳变-直接序列混合扩频系统中,由于直接序列系统中扩频码的同步捕获时间不可能太短,这就限制了频率跳变系统的频率跳变速率,而在频率跳变系统中很难保证跳变载波相位的连续性,这进一步增加了直接序列系统扩频码序列的同步捕获时间。又比如由时间跳变系统组成的混合扩频系统的高频开关问题,在图1-9中我们并没有画出发射机的功率放大器,若把高频开关放置在功率放大器的后面,存在是否能研制出开关时间短而载荷大功率的高频开关,目前国内高频开关的水平在小功率时开关时间在ns的量级上,几十~几百mW的开关时间是几十ns,当功率在几十~几百W时开关时间为?s~ms量级了;若把高频开关放置在功率放大器的前面,发射机的发射建立时间将加长,这是因为功率放大器输出信号的功率从无到有是需要时间的,能量的建立不可能在瞬间完成。 [此贴子已经被作者于2009-5-22 1:15:42编辑过]
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