第8章扩展频谱技术的应用精选文档.ppt

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1、第第8章章 扩展频谱技术扩展频谱技术的应用的应用本讲稿第一页，共七十七页8.1 地面战术移动通信系统地面战术移动通信系统 8.1.1国外战术跳频电台概况电子战已成为现代战争的重要组成部分,而通信对抗是电子战的一个极其重要的分支,是指挥、控制、通信和情报(简称C3I)系统的核心。由于扩频技术具有抗干扰能力强,保密性能、抗侦破和抗衰落性能好等特点,使得扩频技术首先在军事领域得以应用。表8-1列出了部分国外的扩频电台的主要参数,以供参考（略）。本讲稿第二页，共七十七页8.1.2跳频电台中的主要技术问题1.跳频速率跳频电台的抗敌方有意干扰的能力与跳频速率有着密切的关系。跳频速率越高,抗跟踪干扰的能力就

2、越强,信号被截获的可能性就越小,但是实现的技术难度也越大,成本也就越高。在战术电台中,跳频速率通常是这样化分的:低于100跳秒的称为低速跳频,100500跳秒之间的称为中速跳频,500跳秒以上的称为高速跳频。本讲稿第三页，共七十七页2.跳频图案跳频图案是跳频系统的核心。所谓跳频图案,就是在通信过程中电台频率与时间的变化方案。在一个网络中具有同一跳频图案,以保证网中各电台的可靠通信。一次通信中,电台选择一组频率,不同时间选择不同频率,这就构成一组图案。对跳频图案的主要要求是保密性和随机性。本讲稿第四页，共七十七页3.跳频电台的同步问题跳频电台通常是传送数字话音的,因此存在着一般数字通信中的各种同

3、步问题。在战术电台中通常采用非相干的调制解调方式,一般不存在载波同步问题。位同步和数字系统一样,从信码中提取同步信息。由于跳频速率总是低于或远低于信码速率,即一跳由许多数据码元构成,因此一般一跳构成一个自然帧。本讲稿第五页，共七十七页对跳频同步的主要要求是:(1)能自动和快速地建立起同步。(2)同步抗干扰性能要好,既要能抗非人为干扰,也要能抗人为干扰。(3)能进行后入网的同步。本讲稿第六页，共七十七页4.跳频电台的组网问题组网能力是现代通信的基本要求之一。跳频电台的组网与跳频图案和组网方式有关。而跳频图案又与跳频的频率数密切相关,因此,跳频的频率数越多,跳频组网的数目也越多,组网时选择的灵活性

4、就越大,碰撞的概率也越小。本讲稿第七页，共七十七页跳频电台组网有两种方式,即正交和非正交组网。所谓正交组网,也称为同步组网,是指各网在同一时钟全同步的情况下,各网的跳频是等角跳变的,或者说多个跳频电台所采用的跳频图案在时频矩阵上相互不发生重叠。本讲稿第八页，共七十七页8.1.3PRC-80跳频电台简介PRC-80跳频电台是VHF/FM收发信机,有定频和跳频两种工作模式,其基本指标列在表8-1中,其跳频部分的参数为:跳频速率为200h/s,跳频频率数为256,能组128个网,有迟后入网功能,跳频图案为复杂非线性,跳频序列周期大于1011bit,跳频密钥量大于264。PRC-80跳频电台由信道单元

5、和跳频/保密单元两部分组成,其组成框图和跳频/保密单元框图分别示于图8-1和图8-2中。本讲稿第九页，共七十七页图8-1PRC-80跳频电台组成框图本讲稿第十页，共七十七页由图8-1可知，信道单元由如下模块组成:AMM为天线匹配模块;PA为功放模块;LPF为低通滤波器;TSP为发送信号处理模块;RSP为接收处理模块;CCM为中心控制模块;LOG为逻辑处理模块;SYN为频率合成器模块;TUN为调谐模块;PS为电源模块。跳频/保密单元由如下模块组成:TC为定时模块;RC为接收模块;SYS为系统模块;SEC为保密模块;BBCC为基带模块。本讲稿第十一页，共七十七页图8-2PRC-80跳频电台跳频/保

6、密单元框图本讲稿第十二页，共七十七页8.2 卫星通信系统卫星通信系统 主要表现在下述几个方面:(1)与TDMA相比,不需要各用户间的严格时间同步。(2)具有随机选址的能力。(3)卫星转发器的频带可以得到有效利用,不需要设立保护频带。(4)对卫星转发器和地面接收机的GT值的要求低(G为天线增益,T为接收机噪声温度),终端设备比较简单。本讲稿第十三页，共七十七页VSAT系统可以容纳低通信业务量的成千上万个用户站。在美国,1989年就已设置了48000个VSAT站,广泛应用于商业、银行、宾馆、能源和交通业等部门。VAST网结构如图8-3所示。本讲稿第十四页，共七十七页图8-3VAST网示意图本讲稿第

7、十五页，共七十七页8.3 民用移动通信系统民用移动通信系统 蜂窝式公众移动通信系统是20世纪80年代发展起来的,集无线、有线、传输、交换和处理等技术于一身的现代移动通信系统,是典型的民用移动通信系统。移动通信的发展趋势必然是数字化,考虑到与ISDN的联接,采用时分制是必要的。但在移动通信中采用时分制,有两个制约因素,即传播时延和多径干扰。本讲稿第十六页，共七十七页CD900系统是一个有中心的时分多路(TDM)时分多址(TDMA)系统,其中还使用了(32,12)的软扩频。该系统工作于900MHz,每个小区的时分数据信包帧结构如图8-4所示。本讲稿第十七页，共七十七页图8-4CD900系统小区帧结

8、构本讲稿第十八页，共七十七页GSM系统仍采用CCITT建议的公用陆地移动网(PLMN)的体系结构和接口命令,但接口协议及信令有所不同。GSM系统组成如图8-5所示,它由移动站(MS)、基站子系统(BSS)、网络子系统(NSS)及操作和维护子系统(OSS)组成。本讲稿第十九页，共七十七页图8-5GSM系统组成本讲稿第二十页，共七十七页图8-6GSM系统业务信道帧结构本讲稿第二十一页，共七十七页由图8-6可知,8.25bit的保护时间为30s,这相当于电波传播9km。因此,如果小区半径不超过9km,则移动台不论在小区内的任何地方,这个保护时间足以保证基台收到的用户信息不会重叠。本讲稿第二十二页，共

9、七十七页8.4 JTIDS系统系统 1.JTIDSTDMA系统结构及参数JTIDS系统是一个时分多址(TDMA)接入、无中心和信息共享的多用户系统。图8-7是其工作示意图。图中的信息分发系统就是将各用户要传送的信息组织在一个周期性的时间分隔的系统中,各用户根据需要从此系统中得到其他用户的信息。它的时间分隔系统可以从图8-8的信号格式中看出。本讲稿第二十三页，共七十七页图8-7JTIDS系统工作示意图本讲稿第二十四页，共七十七页图8-8JTIDS的信号格式本讲稿第二十五页，共七十七页2.JTIDS的功能JTIDS的通信功能是JTIDS系统的基本功能,从上述介绍中可以很容易地看出这一点。JTIDS

10、的导航功能是建立在网内各对象之间的相对定位基础上的。本讲稿第二十六页，共七十七页下面结合本系统采用的一种有源同步(精同步的一种)法说明其定位功能。有源同步法又叫RTT法,此时要实现精同步的成员向某一已实现精同步的成员(donor)发出询问信号(这是通信的一种格式),回答信号中包括收到的时间和发射回答的时间,即图8-9上的TOAD和TR,这样,询问者便能根据收到回答信号的时间TOAU等,由下两式决定自己发送的准确时刻和传播时延TP:TOAD=+TP(8-1)TOAU+=TR+TP(8-2)本讲稿第二十七页，共七十七页图8-9JTIDS的有源同步法本讲稿第二十八页，共七十七页3.JTIDS中保密、

11、抗干扰的考虑由于战场环境复杂,JTIDS系统在设计时就对抗干扰和保密方面作了许多考虑,采取了一些有效措施来加以解决。(1)信息保密。在传送的数据中进行数字加密,跳频中的跳频图案也是加密的。(2)采用DS-FH混合扩频方式。这是系统中抗各种干扰,特别是抗有意干扰的主要措施。(3)抗多径及多卜勒效应的考虑。本讲稿第二十九页，共七十七页(4)信道编码。JTIDS是以传输数据为主设计的。(5)抗跟踪和转发干扰的考虑。在FH系统中跳频速率是抗拒跟踪干扰和转发干扰的重要参数。本讲稿第三十页，共七十七页8.5 GPS 系系 统统 8.5.1系统概况全球定位系统主要由三大部分组成,即空间星座部分、地面监控部分

12、和用户设备部分。1.空间星座部分GPS系 统 的 空 间 星 座 部 分 由 24颗 导 航 卫 星(Navstar)组成,其中包括3颗备用卫星,用以必要时代替发生故障的卫星。工作卫星分布在6个轨道面内,每个轨道面上有4颗卫星。本讲稿第三十一页，共七十七页2.地面监控部分GPS的地面监控部分目前主要由分布在全球的5个地面站组成,其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站,它们的任务是跟踪并保证卫星质量。5个地面站均具有监测站的功能,其中有一个主控站和三个注入站。3.用户设备部分用户设备部分的主要任务是接收GPS卫星发射的信号,以获得必要的导航和定位信息及观测量,并经数据处理而完成导航和定位工作。本

13、讲稿第三十二页，共七十七页图8-10GPS接收机原理图本讲稿第三十三页，共七十七页1.CA码(Clear/Acquisition)CA码是由两个10级反馈移位寄存器相组合而产生的,其构成如图8-11所示。两个移位寄存器于每星期日子夜零时,在置“1”脉冲作用下全处于1状态,同时在1.023MHz的时钟驱动下,两个移位寄存器分别产生码长为1023位、周期为1ms的m序列G1(t)和G2(t)。本讲稿第三十四页，共七十七页图8-11C/A码构成示意图本讲稿第三十五页，共七十七页2.P码(Precise)P码的产生原理与CA相似,采用两组各有两个12级的寄存器产生,码长约为2.351014位,周期约为

14、267天,码速为10.23Mc/s。实际的P码周期被分成38部分,除1部分闲置外,其余分给地面监控站和不同的卫星使用。不同卫星使用P码的不同部分,但都具有相同的码长和周期。本讲稿第三十六页，共七十七页3.数据码(D码)数据码实际上就是导航电文,它包含了卫星的星历、工作状态、时间系统、卫星运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由CA码捕获P码等导航信息。本讲稿第三十七页，共七十七页4.GPS卫星的信号每个GPS卫星都向地面连续发射两种导航信号L1和L2,它们都采用直接序列扩频,以增强抗干扰能力。L1和L2的载频分别为1575.42MHz和1227.60MHz,它们都从同一个基本频率10.23MH

15、z(CA码和P码也由此频率得到)倍频得到,倍频次数分别为154和120。本讲稿第三十八页，共七十七页图8-12GPS卫星信号构成示意图本讲稿第三十九页，共七十七页8.5.3GPS的定位原理GPS的定位原理同目前航空控制系统中广泛使用的“罗兰”(LORAN)导航系统的原理类似,只不过GPS要在三维立体空间内定位。下面以接收CA码为例,介绍其定位原理。本讲稿第四十页，共七十七页当同步时,可以得到接收到的时间t2(以目标站的时基为参考),同时从收到的数据中又得到发送的时间t1(以卫星上的时基为参考)。以系统时间和GPS接收机时间表示的信号发送和接收的时间关系如图8-13所示。本讲稿第四十一页，共七十

16、七页图8-13GPS定位原理示意图本讲稿第四十二页，共七十七页8.6 无无 线线 局局 域域 网网 8.6.1无线局域网的特征1.网络拓扑结构WLAN的拓扑结构可分为无中心(PeertoPeer)和有中心(Hub-Based)两类。无中心结构的网络要求其中任一节点均可与其它节点通信,又称自组织网络(Adhoc)。由于无中心节点控制网络的接入,各站都可以竞争共用信 道,所 以 多 数 无 中 心 结 构 的 WLAN都 采 用CSMA(CarrierSenseMultipleAccess)类 型 的MAC(MediumAccessControl)协议。本讲稿第四十三页，共七十七页2.传输媒介及传

17、输方式WLAN的传输媒介有两种,即无线电波和红外线。红外无线局域网采用小于1m的红外线作为传输媒质,其使用不受无线电管理部门的限制。红外信号要求视距传输,有较强的方向性,检测和窃听困难,对邻近区域的类似系统也不会产生干扰,但由于它具有较高的背景噪声(如日光等),易被黑色物体吸收、被亮的物体扩散性地反射、被镜子和有光泽的金属直接反射,因而通信距离短,在室外使用会受到很大限制。本讲稿第四十四页，共七十七页3.无线局域网的优势无线局域网的出现弥补了有线网络的缺陷,它在很多方面都具有有线网络所无法比拟的优势。(1)安装的灵活性:允许网络建设到有线网络不可达的地方;(2)网络的伸缩性:允许网络配置成多种

18、拓扑结构以满足特定应用和安装的需求;本讲稿第四十五页，共七十七页(3)网络的移动性:向用户提供实时的信息接入,无线局域网将数据连接和用户的移动性结合起来,经过简单的配置,形成可移动的局域网;(4)网络的低成本:虽然无线局域网初期的硬件投资较有线网络偏高,但从整个安装的开销及生命周期成本来看则比有线网络低得多,尤其对于经常需要移动、增加和改变的网络来说,长期的成本收益是非常显著的。本讲稿第四十六页，共七十七页4.应用环境目前，无线局域网已不再只作为有线网络的替代和补充,而是可以提供室内外的不同领域的高速多媒体业务。其应用方式也十分灵活,可以单独组成专用网,也可以以多种方式接入互联网。下面列出了一

19、些主要应用。本讲稿第四十七页，共七十七页1)室内应用(1)大型办公室、车间、医院等机构;(2)超级市场、智能仓库、零售商用WLAN来简化频繁的网络重配;(3)临时办公室、会议室、证券市场等;(4)公司培训站点和学校校园网络,信息查询、交换和学习。本讲稿第四十八页，共七十七页2)室外应用(1)城市建筑群间通信;(2)动态环境中的网络管理者，工矿企业厂区自动化控制与管理网络;(3)银行、金融证券城区网络，城市交通信息网络;(4)矿山、水利、油田等区域网络，港口、码头、江河、湖坝区域网络;(5)野外勘测、实验等流动网络，军事、公安等流动网络。本讲稿第四十九页，共七十七页8.6.2无线局域网标准无线局

20、域网的标准很多,但从目前来看,占统治地位的是IEEE802.11系列标准。1.IEEE802.11系列标准IEEE802.11是IEEE组织在1997年制定的一个无线局域网标准,它定义了物理层(PHY)及媒介接入控制层(MAC)的结构。本讲稿第五十页，共七十七页2.HiperLAN标准HiperLAN是下一代高速无线LAN技术,它能给最终用户提供高达25Mb/s的高速数据。HiperLAN标准是由欧洲电信标准协会(ETSI)制定的,它所制定的标准有4个:HiperLAN1、HiperLAN2、HiperLink和HiperAccess。其中，HiperLAN1和2用于高速无线LAN接入,Hip

21、erLink用于室内无线主干系统,HiperAccess则用于室外对有线通信设施提供固定接入。本讲稿第五十一页，共七十七页8.6.3WLAN的组成及工作原理类似有线局域网,在计算机中插入无线网卡(或适配器)并运行相应的软件,该计算机即可接入相应的无线局域网络。因此,无线局域网设备有无线网卡、无线接入点(AP)、无线网桥(Bridge)、无线网关(Gateway)和无线路由器等。下面仅介绍无线网卡和无线接入点(AP)的组成原理。本讲稿第五十二页，共七十七页1.无线网卡无线网卡一般由网络接口控制器(NIC)、扩频调制及解扩解调(SS)单元及微波收发信机(RF&ANT)单元等三部分组成,如图8-14

22、所示。其中:NIC(NetworkInterfaceController)为网络接口控制单元,完成移动主机与网络物理层连接的接口控制;BBP(BaseBandProcessor)是基带处理单元;IF(IntermediateFrequency)是中频调制解调器;RF(RadioFrequency)是射频单元。本讲稿第五十三页，共七十七页图8-14无线局域网网卡的组成本讲稿第五十四页，共七十七页图8-15无线网卡系统逻辑框图本讲稿第五十五页，共七十七页2.无线接入点(AP)AP作为移动终端与有线网络通信的接入点,其主要任务是协调多个移动终端对无线信道的访问,所以其功能主要对应于OSI模型中的MA

23、C层。它有如下功能:(1)将无线网络的帧格式(IEEE802.11帧)与有线网络的帧格式(IEEE802.3帧)进行转换,实现有线网络与无线网络之间的帧的存储、转换、转发,实现桥接功能。本讲稿第五十六页，共七十七页(2)负责本CELL内的管理,包括终端的登陆、认证、散步和漫游的管理。(3)对移动终端MT的散步、漫游的管理与Internet兼容,即在散步或漫游后仍可以保持连接,做到“操作透明性”和“性能透明性”。(4)具有简单网管功能。从逻辑上讲,AP由无线收发部分、有线收发部分、管理与软件部分及天线组成,如图8-16所示。本讲稿第五十七页，共七十七页图8-16AP组成图本讲稿第五十八页，共七十

24、七页8.6.4无线局域网中的扩频技术ISM频段的无线局域网产品几乎均采用了扩频技术,它们有如下优点:(1)无须无线电管理部门的批准;(2)有较高的噪声容限和保密性;(3)有较强的抗干扰能力;(4)可用软件来选择信道,实现信道共享;(5)易实现多址通信,频谱利用率较高。本讲稿第五十九页，共七十七页8.7 蓝蓝 牙牙 技技 术术蓝牙(Bluetooth)技术实际上是一种短距离无线电技术,它使得现代一些轻易携带的移动通信设备和电脑设备,不必借助电缆就能联网,并且能够实现无线上因特网,其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电,组成一个巨大的无线通信网络。本讲稿第六十页，共七

25、十七页1)蓝牙技术的基本参数如下:(1)工作频段:ISM频段,2.4022.480GHz；(2)双工方式:全双工,TDD时分双工；(3)业务类型:支持电路交换和分组交换业务；(4)数据速率:1Mb/s；(5)非同步信道速率:非对称连接721/57.6kb/s,对称连接432.6kb/s；本讲稿第六十一页，共七十七页(6)同步信道速率:64kb/s；(7)功率:美国FCC要求功率不超过0dbm(1mW),其他国家可扩展为100mW；(8)跳频频率数:79个频点/每频点1MHz瞬时带宽；(9)跳频速率:1600h/s；(10)工作模式:暂停(PARK)/保持(HOLD)/呼吸(SNIFF)；(11

26、)数据连接方式:面向连接业务SCO,无连接业务ACL；本讲稿第六十二页，共七十七页(12)纠错方式:1/3FEC,2/3FEC,ARQ；(13)鉴权:采用反应逻辑算术；(14)信道加密:采用20位、40位、60位密钥；(15)语音编码方式:连续可变斜率调制CVSD；(16)发射距离:一般可达10m,增加功率情况下可达100m。本讲稿第六十三页，共七十七页2)蓝牙系统主要由以下功能单元组成:(1)天线射频单元；(2)链路控制单元；(3)链路管理单元；(4)软件功能Definitions。本讲稿第六十四页，共七十七页图8-17示出了蓝牙协议栈的基本结构和各种协议之间的相互关系,但这种关系在某些应用

27、中是有变化的。需要说明的是,不是任何应用都必须使用全部协议,而是可以只使用其中的一列或多列。本讲稿第六十五页，共七十七页图8-17蓝牙协议栈本讲稿第六十六页，共七十七页8.8 测距与测速系统测距与测速系统 无线电测距、测速的基本原理,就是由发射机发射某一频率f0的无线电波,然后测量由目标反射回来的信号相对于发射信号的时延和多卜勒频移fd,从而决定发射接收机至目标的距离d和目标的径向运动速度Vr。这几个物理量之间有如下关系:(8-10)(8-11)本讲稿第六十七页，共七十七页通过比较判决电路可以判明接收信号的相位是具有最大相关输出的那个支路的本地基准m序列相位。在系统中还设置有统计从扩频信号发射

28、到接收机有最大相关输出这段时间内m序列经过的周期数的计数器。如果第k(k=1,2,3,N)个支路输出最大,则所接收到的信号的相位对于发射时的相位差(即时延)(8-12)本讲稿第六十八页，共七十七页图818m序列扩频雷达系统本讲稿第六十九页，共七十七页由此可见,被测目标至雷达的距离为(8-13)应该指出,这里的相位解调器k的基准信号为m序列的第k个相位,实际上是发射的m序列经k个切普移位后得到的新的m序列。如果只考虑在一个伪码周期内的测量,则最大测量距离为(8-14)本讲稿第七十页，共七十七页测距精度(或分辨率)为(8-15)图8-18中每个相关检测支路的输出接2m+1个(图中是3个)窄带滤波器

29、,这些滤波器的中心频率选为fi=f0-(M+1-i)fi=1,2,3,2M+1(8-16)本讲稿第七十一页，共七十七页式中,f为某给定的频率值,M为正整数,且满足下述关系:(8-17)一般地,M越大,f越小,测量精度越高,设备也越复杂。由式(8-11)可得目标运动的径向速度为(8-18)本讲稿第七十二页，共七十七页8.9 其它方面的应用其它方面的应用 8.9.1电力线或照明线扩频载波通信几乎无处不在的交流电源线如果直接将其作为传输信道,则有许多问题。一方面,不同类型的电源线对信号所呈现的特性阻抗、衰减常数不大相同,用电负载也有所不同,且经常变化。本讲稿第七十三页，共七十七页扩频载波技术SSC(

30、SpreadSpectrumCarrier),即利用线性调频脉冲来有效地将信息带宽展宽许多倍,形成信号带宽。SSC电力线信号是一个扫频脉冲或很短的线性调频脉冲。本讲稿第七十四页，共七十七页8.9.2微弱通信使用无线电的收发设备,必须就工作频带、发射功率、作用范围和使用性质等,向无线电管理部门提出申请,经批准后才能作用。但当一个通信装置的发射功率非常小,对其它通信设备和通信信道几乎没有影响时,就可以不用申请批准而自由使用,这就是微弱通信。一般情况下,是否属于微弱通信,是以距发送设备100m(有的国家定为30m)处的信号的最大场强是否小于15sm为标准的,也有的国家要求更为严格。本讲稿第七十五页，

31、共七十七页8.9.3矿井通信在矿井、隧道等通信中,一般采用有线通信。但当出现塌方等危急情况时,为了保证通信联络,最好采用无线通信方式。由于电波对地面的穿透力随频率的增高而降低(一般30W功率信号,30MHz时穿透力约为300m,15MHz时约为800m,5MHz时约为1300m),而用常规的通信方式,在射频降低时各种干扰会使其通信不畅,采用低射频的扩频无线通信技术就可解决这一问题。本讲稿第七十六页，共七十七页8.9.4各种测量在许多测量中,由于环境不同和干扰的影响,使常规的测量方法无法奏效,如果用扩频信号作测试信号,接收机采用相关接收,就可抑制掉干扰,得到较为理想的测试结果。如对天线方向图的测量,就可用这种方法。本讲稿第七十七页，共七十七页