混合式扩频系统

新客网 XKER.COM 时间:2007-01-10 10:32:14  评论:

  7.1 为什么提出混合式扩频系统?
  7.1.1 直接序列扩展频谱系统的优点与局限
  直接利用码片速率极高的伪随机序列对信息比特流进行调制和利用相关
  接收方法进行解调的这种直接扩展频谱系统具有很多优点。但是也有不足之处。
  l  直接序列扩频的优点是:
   直扩信号的功率谱密度低,具有隐蔽性和低的截获概率,从而抗侦察;抗截获的能力强;另外,功率污染小,即对其它系统引起的电磁环境污染小,以利于多种系统共存。
   直扩伪随机序列的伪随机性和密钥量使信息具有保密性,即系统本身具有加密的能力。因为用伪随机序列对信息比特流进行扩展频谱,就相当于对信息的加密;而所拥有的码型不同的伪随机序列的数目,就相当于密钥量。当不知道直扩系统所采用的码型时,就无法破译。
   利用直扩伪随机序列码型的正交性,可构成直接序列扩展频谱码分多址系统。在这样的码分多址系统中,每个通信站址分配一个地址码(一种伪随机序列),利用地址码的正交性通过相关接收来识别出来自不同站址的信息。
  码分多址系统中的用户是共享频谱资源的。
   直接扩展频谱系统具有抗宽带干扰、抗多频干扰及单频干扰的能力。这是因为直接扩展频谱系统具有很高的处理增益,对有用信号进行相关接收,对干扰信号进行频谱扩展使其大部分的干扰功率被接收机中频带通滤波器所滤除的原因。
   利用直接扩展频谱信号的相关接收,它具有抗多径效应的能力。当直扩伪随机序列的码片宽度(持续时间)小于多径时延时,利用相关接收可以消除多径时延的影响,因而直接扩展频谱系统具有抗多径干扰的能力。  
   利用直接扩展频谱信号可实现精确的测距定位。直接扩展频谱系统除可进行通信外,还可利用直接扩展频谱信号的发送时刻与反回时刻的时间差,测出目标物的距离。因此,在同时具有通信和导航能力的综合信息系统中显示了直接扩展频谱系统的优势。
  直接扩展频谱系统适用于数字话音和数据信息的传输。这是由于扩频系统本身是数字系统所决定的。
  l     其局限性在于:
   直接序列扩展频谱系统是二个宽带系统,虽然可与窄带系统电磁兼容;但不能与其建立通信。另外,对模拟信源(如话音)需作预先处理(如语声编码)后,才可按入直扩系统。
   在直接扩展频谱系统的接收机存在明显的远近效应。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。
   直接扩展频谱系统的处理增益受限于码片(chip)速率和信源的比特率,即码片速率的提高和信源比特率的下降都存在困难。处理增益受限,意味着抗干扰能力受限,多址能力受限。
  7.1.2 跳频系统的扰点与局限
  利用伪随机序列指令码对系统的载波频率进行控制的跳频系统也具有其独特之处和局限性。
  其优点是:
   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。
   由于载波频率是跳变的,具有抗单频及部分带宽干扰的能力。当跳变的频率数目足够多时,跳频带宽足够宽时,其抗干扰能力是很强。
   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相关带宽。 
   利用跳频图案的的正交性可构成跳频码分多址系统,共享频谱资源,并具有承受过载的能力。 
   跳频系统为瞬时窄带系统,能与现有的窄带系统兼容通信。
  即当跳频系统处于某一固定载频时,可与现有的定频窄带系统建立通信。另外,跳频系统对模拟信源和数字信源均适用。
   跳频系统无明显的无近效应。
  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。这一点,使跳频系统在移动通信中易于得到应用与发展。
  跳频系统也有其缺点和局限:
   信号的隐蔽性差。
  因为跳频系统的接收机除跳频器外与普通超外差式接收机没有什么差别,它要求接收机输入端的信号噪声功率比是正值,而且要求信 号功率远大于噪声功率。所以在频谱仪上是能够明显地看到跳频信号的频谱。特别是在慢速跳频时,跳频信号容易被敌方侦察、识别与截获。
   跳频系统抗多频干扰及跟踪式干扰能力有限。
  当跳频的频率数目中有一半的频率被干扰时,对通信会产生严重影响,甚至中断通信。抗跟踪式干扰要求快速跳频,使干扰机跟踪不上而失效。
   快速跳频器的限制。
  产生宽的跳频带宽、快的跳频速率、伪随机性好的跳频图案的跳频器在制作上遇到很多困难,且有些指标是相互制约的。因此,使得跳频系统的各项优点也受到了局限。
  7.1.3 直接序列扩频与跳频扩频的互补性
  将直接序列扩频系统和跳频系统的优点与局限性作一对比,便可看出它们的优缺点是互补的,如表7-1所示。
  表7-1
   
  因此,提出将这两种扩展额谱技术组合起来,取长补短,可能会是更优异的一种扩展频谱系统。这就是直接序列/跳频(DS/FH)扩展频谱系统。
  7.1.4 跳时系统的特点
  跳时系统虽然也是一种扩展频谱技术,但因其抗干扰性能不强,通常并不单独使用。在时分多址通信系统中利用跳时来减少网内干扰,并能改善系统中存在的远近效应。
  将跳时(TH)分别与直接扩频(DS)和跳频(FH)相结合则构成直扩/跳时(DS/TH)系统和跳频/跳时(FH/TH)系统。若将直扩、跳频和跳时三者结合在一起则构成直扩/跳频/跳时(DS/FH/TH)扩展频谱系统。
  7.1.5 混合式扩频系统的好处
  正如上面所列举的,每一种扩展频谱系统都有各自的长处和短处,优点和局限性。
  比如,当抗干扰指标要求很高时,单独的任一种扩展频谱系统往往很难达 到要求,甚至遇到技术上的难题得不到解决;或者要大大增加设备的复杂程度从而使成本也大为提高。若是采用几种基本扩展频谱系统的组合,优势互补,则可满足高抗干扰指标的要求,又可能缓解某些技术难点,降低成本,从而达到更合理的性能价格比。当然,其代价是系统的复杂程度有所增加.
  概括而言,混合式扩展频谱系统可以带来的好处是:提高系统的抗干扰能力,降低部件制作的技术难度,使设备简化,降低成本,满足使用要求。
  以下举一例来说明采用混合式扩展频谱系统的必要性。
  例如某系统要求扩展频谱的射频带宽应达到1000MHz,试设计一扩展频谱系统。
  若采用直接序列扩展频谱系统来满足此项指标要求时,需要产生码片速率500Mchip/s的伪随机序列,这在技术上是难度极大的。
  如果用跳频系统来实现,假设跳频频率的间隔是25kHz时,要求跳频器输出的跳频频率数是4万个。制作跳频带宽为1000MHz这样的宽带和4万个输出频率的跳频器在技术上也是很困难的。
  但是,如果采用直接序列/跳频扩展频谱系统时,直接序列的码片速率用5Mchip/s,跳频器输出的跳频频率数为100个,最小跳频频率间隔为10MHz就可以满足要求。显然,这种混合式扩展频谱系统中的各部件的技术难度就大大降低了。
  7.2 几种主要的混合式扩展频谱系统
  7.2.1 直接序列与跳频混合式扩频系统 
  直接序列与跳频的组合可构成直扩/跳频(DS/FH)扩展频谱系统。直扩/跳频扩展频谱系统是在直接序列扩展频谱系统的基础上增加载波频率跳变的功
  能;它的基本工作方式是直接序列扩频,因此系统的同步也是以直接序列的同步为基础的。图7-1分别给出了直接序列/跳频(DS/FH)混合式扩展频谱系统的
  发送与接收端的构成及各点信号频谱图。
   
  图7-1
  在图7-1(a)中,经编码器输出的信息码与来自伪码发生器的伪随机序列(直扩码)在模2加法器中进行模2运算,模2加法器的输出就是扩展频谱信号。因而可将模2加法器和伪码发生器叫作直接序列扩展频谱器(扩频器)。
  图中标示①及②处的信号频谱示于图(b)中,分别是信息码频谱和DS信号频谱。频谱所展宽的倍数代表直接序列扩展频谱系统的处理增益。模2加法器输出的扩展频谱信号属于基带信号,此信号送至混频频带扩展频谱信号。
  假设频率合成器输出的载波频率是f3,则有图(b)④中用竖线所示出的直接序列扩频信号的频谱图。比较?与?可以看出,它们的频谱图是相同的,仅是作了一个载频的频率搬移。
  由图7-l(a)中还可以看出,伪码发生器和频率合成器所构成的就是跳频器;在跳频码的控制下频率合成输出频率跳变的载波序列f1,f3,f2,f6,f8…,f1。 因此,跳频器加上混频器就构成了一个频率跳变扩展频谱系统。
  当混频器的输入信号是一个直接序列扩展频谱时,混频器输出的信号就是一个直接序列加跳频的扩展频谱信号。图7-l(b)?中所示为频率合成器输出的频率跳变的载波信号频谱。箭头示出其跳变的规律;图④中所示即为直扩加跳频的扩展频谱信号的频谱,图中虚线所示的信号频谱表示随着载波频率的跳变而形成的宽带谱的样子。
  在图7-1(a)中,直扩系统用的伪随机序列和跳频系统用的伪随机跳频图案,都是由一个伪码发生器产生的,因此,它们在时间上是相互关联的,可由一个时钟来定时控制。
  图7-1(c)中给出接收端的框图。假若频率合成器输出的载波频率固定不变,并且接收的也是载波频率不变的一个直接序列扩展频谱信号。此信号经第一次混频后仍为频带信号,再和本地伪码发生器产生的

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