（通信与信息系统专业论文）直扩系统抗窄带干扰的变换域算法研究与系统实现.pdf

摘要 摘要 2 1 世纪的社会是信息化的社会。通信成了人类最密不可分的一个活动。随着 超大规模集成技术和数字信号处理技术的发展，数字通信称为当今通信的核心力 量。在数字通信领域中，直接序列扩频通信在目前得到了迅速的发展，其本身具 有干扰抑制特性，但当其处理增益不足以对抗强干扰时。问题就变得尤为突出， 我们不能无限制的增加扩频码长及带宽。为提高直接序列扩频通信系统( d s s s ) 的 抗窄带干扰的性能，有必要引入抗窄带干扰技术。本课题就是研究直扩系统中抗 窄带干扰的变换域算法以及基于数字中频技术的抗窄带干扰抵消器的硬件实现。 直扩系统抗强窄带干扰的研究，不仅是军事通信技术的迫切需求，而且对民 用通信系统也有很大的促进作用。近年来，国内外已有针对不同的干扰模型提出 的各种抗干扰算法和技术。对这些技术的了解和掌握有助于我们对抗干扰技术的 进一步研究。 本课题的工作是研究直扩系统中抗窄带干扰的变换域算法以及抗干扰数字中 频接收机的设计和部分的硬件实现。本文首先介绍了直扩系统的工作原理，在此 基础上介绍了变换域抗窄带干扰的两种算法，离散傅立叶变换( d f t ) 和调制重叠 变换( m l t ) ，并且根据直扩信号频谱特性，对后一种算法进行了相应的分析和合 理有效的改进，提出了一种基于取舍的阚值中值滤波算法，该算法使得系统在误 码性能、干扰抑制深度等指标上更优越。在充分研究算法的基础上，和项目组的 成员完成了整个抗窄带干扰数字中频接收机的研制。 在抗窄带干扰数字中频接收机中，一个很关键的问题就是数字中频模块的实 现。本文详细地说明了用a d 9 0 4 2 、a d 6 6 2 0 等芯片构成的数字中频处理模块的设 计、测试及工作流程，并对设计过程中涉及到的一些理论、原理进行了详细讨论 和定量推导。 论文的最后提出了研究总结、改进方案以及本课题今后的发展方向。 关键诃直接序列扩频系统；抗干扰技术；数字中频技术： a b s t r a c t a b s tr a c t t h e21s t c e n t u r y w i l lb eab r a n d n e wi n f o r m a t i o n s o c i e t y c o m m u n i c a t i o n b e c o m e sa n e c e s s a r ya c t i v i t ya m o n gh u m a nb e i n g w i t hg r e a tp r o g r e s s o ft h e t e c h n i q u eo fi n t e g r a t e dc i r c u i td e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n ga n dt e c h n i q u eo fd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ，d i g i t a lc o m m u n i c a t i o nb e c o m e st h em a i n s t r e a mt e c h n i q u ei n t h e c o m m u n i c a t i o n i nd i g i t a lc o m m u n i c a t i o nd o m a i n ，t h ed i r e c ts e r i e ss p r e a ds p e c t r u m s y s t e m ( d s s s ) i su s e dw i d e l y b e c a u s eo fi t s s t r o n g p o i n t h o w e v e r ，w h e n t h e p r o c e s s i n gg a i ni s n o th i g he n o u g ht os u p p r e s st h ei n t e r f e r e n c e ，s y s t e mp e r f o r m a n c e w i l ld e g r a d eg r e a t l y i n s t e a do fi n c r e a s i n gt h es p r e a d i n gf a c t o ra r b i t r a r i l y ，w ec a n f i n ds o m em o r ee c o n o m i c a la n de f f e c t i v em e t h o d s s oi ti sn e c e s s a r yt oi n t r o d u c et h e i n t e r f e r e n c e s u p p r e s s i n gt e c h n i q u e si n t o t h ed i r e c t s e r i e s s p r e a ds p e c t r u ms y s t e m t h i sa r t i c l ei sa b o u tt h er e s e a r c ho fs u p p r e s s i n gn a i t o w - b a n di n t e r f e r e n c ea n di t s s y s t e m t h ee m e r g e n td e m a n df o rt h er e s e a r c ho fi n t e r f e r e n c e s u p p r e s s i n g i nd i r e c t s e r i e ss p r e a d i n gs y s t e mi sn o to n l yi nm i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n ，b u ta l s oi nt h ec i v i l s y s t e m s i n r e c e n t y e a r s ，a i m e d a td i f f e r e n ti n t e r f e r e n c e m o d e l s ，m a n yd e s i g n m e t h o d sa n d i m p l e m e n t a t i o n t o o l sw e r e d e v e l o p e d g r a s p i n g t h em e t h o d sa n d i m p l e m e n t a t i o nt o o l sc a nh e l p su st ot h ed e v e l o p i n go ft h ei n t e r f e r e n c es u p p r e s s i n g t e c h n o l o g y t h i sp r o j e c ti sf o c u so nt h ea r i t h m e t i cr e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft h e s u p p r e s s i n gn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e ( n b i ) s y s t e m a tf i r s t ，t h eb a s i cs t r u c t u r ea n d o p e r a t i o n a lp r i n c i p l ea r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h i s ，d f ta n dm l t a r ei n t r o d u c e da s t w oi m p o r t a n ta r i t h m e t i ci nt r a n s f o r md o m a i n h a v i n ga n a l y s e st h es p e c t r u mo ft h e s i g n a li nd s s s ，t h el a t t e r a r i t h m e t i ci sa n a l y z e de n o u g ha n di m p r o v e de f f e c t i v e l y t h i si m p r o v em a k et h ep e r f o r m a n c e ，s u c ha se r r o rb i tr a t e ，s u p p r e s s i n gd e e p n e s sa n d s oo n ，b e t t e r b a s e da l la b o v e ，w eh a v er e s e a r c h e da n dd e s i g n e dt h er e c e i v e rf o r s u p p r e s s i n g n b t t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h em o d u l ei st h ek e yt ot h er e c e i v e rs u p p r e s s i n gn b i t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h ed e t a i l sa b o u tt h ed e s i g na n dt h es c h e d u l eo ft h es y s t e m ， w h i c hi s c o m p o s e db yt h ea d 9 0 4 2 ，a d 6 6 2 0a n ds o m eo t h e r s ，a n d d i s c u s s e sa n d d e d u c e st h ec o r r e l a t i v et h e o r ya n dp r i n c i p l e f i n a l l y ，t h i st h e s i sr a i s e st h ec o n c l u s i o n ，i m p r o v e ds c h e m ea n dt h ep r o s p e c to f 华南理工大学硕士学位论文 t h i sp r o j e c t k e y w o r d s d i r e c ts e r i e ss p r e a d i n gs y s t e m ：i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i n gt e c h n i q u e s ： d i g i t a lt e c h n i q u e o ni f 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特n d n 以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：；等闻弓工日期：扣。4 年月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：啦亍问- - 7 ：s 弧f 导师签名：“i u 日期：瑚扛年月占日 日期：沙毕年月g 日 第一章绪论 本章首先概述一下扩频通信的发展，接着介绍了直接序列扩频通信系统的抗 干扰技术以及软件无线电的产生以及发展概况，最后介绍本论文的主要内容。 1 1 扩频通信的发展及其优点以及引入抗干扰技术的必要性 随着无线通信的发展，提高频谱利用率显得极为迫切。而频谱共享造成了用 户之间的干扰，包括：不同通信体制共存，工作频段交叠，同一通信体制各用户 之间的干扰，多径效应，信道衰落，雷电，工业电火花，甚至人为的故意干扰等 等，通信系统的性能受到越来越严重的干扰的威胁。在此前提下，高抗干扰能力 成为通信系统的基本要求。而d s s s ( d i r e c ts e r i e ss p r e a ds p 、e c t r u m ，直接序列 扩频) 技术由于其卓越的高频谱利用率、抗干扰能力、高隐蔽性以及多址能力，在 无线通信中得到了广泛的应用。 从历史上看，早期的扩频系统是为军用保密( a d 数字通信系统的应用而研究 开发的，它起始于上个世纪4 0 年代。1 9 4 9 年d e r o s n 和r o g o f f 在美国的联邦通 信实验室( f t l ) 完成了世界上第一个直接序列扩频通信系统，成功地在n e wj e r s e y 和c a l i f o r n i a 之间的通信线路上实现通信。1 9 5 1 年后，美国海、陆、空三军先 后研错4 出它们自己的扩频通信系统。但由于当时的技术落后，所以设备庞大，价 格昂贵。随着集成电路的出现及其技术的不断提高，扩频技术得到了迅速的发展 与广泛的应用。 与美国相比，世界上其他国家对扩频技术的研究相对滞后。英国、俄罗斯( 前 苏联) 大概是上世纪6 0 年代才开始研究。我国则更晚，在7 0 年代才把扩频技术作 为国家的主要项目来研究。 由于该技术刚开始主要是应用在军事通信方面，因此，各国关于扩频通信系 统的设计和开发工作都是保密的，直到7 0 年代，趋势才发生转变。随着日益增长 的民用通信系统容量的需求以及更加有效地利用频谱资源，各国开始提出在数字 蜂窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术。现在，扩频技 术已经广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数字通信、遥测、监控、 报警等系统中。 扩频技术采用远大于信息带宽的频带进行信号的传输，这就决定了它具有一 系列的优点： 抗干扰能力强，特别是抗窄带干扰的能力，这是扩频通信最突出的优点， 华南理工大学硕士学位论文 使得扩频技术特别适合应用于军事通信领域。 可检性低( l p i ) ，隐蔽性强，不易被侦破。适合于进行隐蔽通信。 具有多址能力，易于实现码分多址( c d i l a ) ，提高了频谱利用率以及通信系 统的容量。 可抗多径干扰，抗衰落性强。 能够精确定时和测距，使得扩频技术除通信外，还可以应用于导航、雷达 定位系统中。 然而，随着军事通信以及民用通信的进一步发展，为了进一步提高扩频通信 系统特别是军事扩频通信系统的抗干扰能力及其它战术的性能，必须引入抗干扰 技术。这是因为： 由于d s - s s 信号相对占用了较宽的频带，因此受干扰的可能性也更大，例 如宽带干扰、窄带干扰等，特别是受多窄带干扰的可能性也更大。虽然d s s s 技 术具有较强的抗窄带干扰能力，但在受到多个强窄带干扰时，系统的性能将大为 下降，特别是在军事领域。使用抗干扰技术可以提高系统的抗干扰能力，从而最 大限度地增强系统的在战术能力； d s - s s 信号的抗干扰能力由其扩频增益决定。扩频增益是通过增加带宽实 现的，当达到一定程度时，进一步提高扩频增益的代价很大，甚至是不可能的。 此时，抗干扰技术提供了一个代价较低的有效手段； 正因为扩频技术可以大大提高通信系统的抗干扰能力及其战术性能，新一 代军事通信系统尽量采用扩频技术。扩频通信系统的侦察、干扰和抗干扰也成为 通信电子战的研究热点，各国正在大力发展扩频通信系统抗干扰技术。由于扩频 技术的机理在于采用相对宽的频带，因而也为干扰提供了更大的可能性，使之会 受到单个窄带干扰，多个在窄带干扰，宽带干扰等各种干扰的攻击。因此，必须 研究其抗干扰技术。 为了获取电子战的胜利，通信双方均必须采用一切可能采用的手段。扩频 技术已经具有很强的抗干扰能力，再加上抗干扰技术可以进一步提高系统的抗干 扰能力，从而最大限度地增强系统的战术能力； 军民结合是军事系统技术研究和开发的重要内容。c d m a 是新一代移动通 信的最重要体制，是扩频技术的重要应用之一，其在军事上也有重要应用。c d m a 存在一系列干扰问题一一多用户干扰、同波道干扰、邻波道干扰、电磁兼容干扰 以及故意干扰等。 现装的和新式的通信系统在不断增加，为了保证扩频通信系统正常工作， 必须使之能兼容各种系统，比如同频段的军事电台与各种民用电台和蜂窝无线通 信网、微波频段军事通信系统与民用系统，军事通信系统与计划要发射的大量低 轨道卫星通信系统等。 2 第一章绪论 1 2 直接序列扩频抗干扰技术的发展 由于信息传输过程中干扰的普遍存在，研究扩频系统的抗干扰性能就显得很 有实际意义。直接序列扩频( d s - s s ) 是扩频技术里面最简单的一种技术，其应用也 最广泛，因此，有必要介绍一下d s s s 系统的抗干扰技术的发展。 对于d s - s s 系统，进入接收机的干扰有：同一扩频系统中各地台站的信号及 其它无线电系统发出的信号，一般可以把它们归类为带限平稳高斯随机过程：人 为干扰在现代通信对抗中有窄带瞄准式干扰和宽带阻塞式干扰以及转发干扰；自 然干扰主要有雨雪干扰、信道衰落和多路径干扰等。对于不同的干扰样式，直扩 系统的抗干扰性能是不同的i l 】。在给定的处理增益条件下，直扩系统对宽带噪声 具有良好的抗干扰能力；对于部分频带噪声，由于能量相对集中，其危害比宽带 噪声要大，因此直扩系统对部分频带噪声的抗干扰性能比宽带噪声要差；对单频 以及多频载波干扰，直扩系统有良好的抗干扰特性；但是超过了干扰容限的定额 干扰将会导致直扩系统的通信中断或者性能的急剧恶化。对于脉冲干扰，由于其 能量在时间上相对集中，直扩系统对它的抗干扰性较差。误码率的分析也表明【2 l ， 直扩系统具有良好的抗宽带干扰、部分带宽干扰、多载波干扰的能力，而抗脉冲 干扰的能力最差。为了提高宣扩系统的抗干扰能力，基本的途径是增加系统的扩 频处理增益：增大伪码序列的长度，提高码片速率，这就意味着要占用更宽的频 谱资源。在实际应用中，由于可供使用的频谱资源有限，从而制约了直扩技术的 应用频段，并且限制了直扩系统抗干扰能力的发挥。因此，采用对各种信号处理 技术降低扩频系统带内的噪声功率来改善信噪比，在解扩前对信号进行一定的滤 波处理，从而提高直扩系统的处理增益是一种有效的手段。常有的方法有口j ： 直扩系统信号谱梳状滤波法。基于直扩信号的离散性，对离散谱线的直扩 信号梳状滤波，滤除梳状滤波带外的干扰。 干扰信号自适应估值滤波法。对于基于干扰的估值和对消，抑制干扰信号 和噪声。 干扰陷波法。基于变换域处理技术，在变换域抑制干扰信号。通常这类技 术可分为两种：变换域处理结构( t d p ) 和时域的横向滤波器处理技术。这两种方 法各有优缺点，基于d f t 的t d p 窄带干扰抑制具有实时性，但是变换前引入的 时间窗使得其对频域具有较大的旁瓣，故很难彻底地将干扰去除；相反，时域处 理技术具有更彻底的窄带干扰抑制能力，但是由于收敛速度不快，因此它往往只 能处理慢变的干扰。 3 华南理t 大学硕士学位论文 1 3 本研究课题的来源与论文的章节安排 本研究课题是笔者参与的一个预研项目。本课题的重点在于研究一种可用于 扩频通信的中频抗多窄带干扰的自适应陷波器，并且提出一套可行的方案，最终 加以实现。论文介绍了扩频通信系统的工作原理，抗干扰的基本理论，着重提出 一个可行的变换域算法以及一个有效可行系统的设计。 本论文的结构如下： 第一章是绪论，概述了扩频通信技术的发展特点以及其抗干扰技术发展状况； 第二章论述了直扩系统的基本原理； 第三章介绍了直扩系统抗干扰技术的基本原理； 第四章研究了变换域抗干扰算法的原理以及特点，并对m l t 算法进行了改进 以及计算机仿真： 第五章根据选定的算法，论述了一种可行的系统方案，并加以实现： 然后是结论，最后是参考文献和致谢。 4 第二章直扩系统工作原理 第二章直扩系统工作原理 2 1 载波传输技术 载波传输是把基带信号以一定方式调制到载波上进行传输，一般用于无线信 道或宽带有线信道( 如光纤等) 。载波信号与基带信号传输之间有密切的联系。 在许多情况下，可以把载波信号等效成基带信号，因而可把基带信号传输的分析 方法和结论应用于对载波信号的分析。 发蚺 ，、 i 髓 图2 一l载波信号传输简化图 f i g 2 - ls i g n a lt r a n s m i s s i o no nc a r r i e rw a v e 载波信号传输流程可以简化成上图2 1 所示的模型： 发端：调制前的成形滤波器日。( ，) 和发送端带通滤波器日，( ，) ( 包括变频后 滤波) ，使得发送信号的谱具有一定的形状和一定的带宽。调制器是选用一定的 调制方式( a s k 、f s k 、p s k ) 把基带信号频谱搬到中频或射频上。 收端：接收滤波器h 。( ，) 用来滤除信号带宽之外的干扰和噪声，解调后滤波 器h 。( ，) 用来对波形响应进行选择。在数字通信中解调器常用相干解调方法，因 为其性能比非相干解调好许多，它的具体形式由载波信号的调制方式决定。，l ( f ) 是 加性噪声，可以是外来的，也可是接收机本身的。再生器对经吼( ，) 滤波器和基 带信号y ( f ) 进行判决，并按一定的逻辑恢复出与发端数字信号序列d ( t ) 相应的接 5 华南理工大学硕士学位论文 收序列j ( f ) ，实际上j ( f ) 仅是d ( f ) 的估计值，有时可能出错。 从对载波参数的改变方式上可把调制方式分成三种类型：a s k 、f s k 和p s k 。 每种类型又有多种不同的具体形式。如在a s k 有正交载波调制技术、单边带技术、 残留边带技术和部分响应技术等。 2 2 直扩技术的理论基础 2 2 1 直扩系统的组成和原理 扩频技术是应用在载波传输上的一个很广泛的技术。在扩频通信系统中，根 据使用的扩频技术的不同，又可分为直接序列的扩频系统( d s ) 、跳频系统( f h ) 以及它们的混合系统。由于直扩技术原理简单，应用最广泛，在这里我们来介绍 直扩技术以及直扩系统。 直接序列扩频( d s s ) ，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号 的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成 原始的信息。图2 - 2 是直扩系统的组成和原理框图。假设发送一频带限于厶以内 的窄带信息。将此信息进行扩频处理，常用的方法是用一高码率为正的伪随机序 列对窄带信号进行二相相移键控调制( b p s k ) ，得到带宽为正的宽带信号。这一展 宽的频谱信号再送到发射机去对射频矗进行调制后由天线辐射出去。 图2 - 2 直扩系统组成与原理框图 f i g 2 - 2 t h es t r u c t u r ea n dt h e o r yo fd s s s 6 第二章直扩系统工作原理 输入值峰 _ ( t ) 刚码 c ( t ) 扩期信崎 m ( t ) c t ) 调制饼母 mc t ) e ( t ) 。o - “t t 解鞠后的俯蟹 - ( t c ( i 解扩詹俯峙 ( ) j t b 。 ( a ) r t 广t r t 广 一 1 l juu u ( b ； r 广 广 广n 广 一 uuuul j ( 。； 1nnm 九nmn ，1m nm 九nn 九mf 。 uwuuw vvwvvwuv i vwpi v 一 ( d ) 广 广 厂 厂 广 一 1 t 。l jl _ jl jl _ jl j 一 ( e ) i 1 l ( f ) 图2 - 3扩频信号的扩展与解扩变换关系 f i g 2 - 3 t h es i g n a l so ft h es p r e a ds p e c t r u mp r o c e d u r e 具体的直接序列扩频通信的工作原理如下：先用周期性的伪随机噪声序列 ( p n ) ，如图2 3 中的b ，与信息信号相乘，得到扩频信号r e ( t ) c ( f ) ，如图2 - 3 中 的c ，它包含原始信息和p n 码信息：然后再把扩频信号r e ( t ) c ( t ) 与载波c o s ( o j + 中) e t 相乘，得到p s k 信号，如图2 3 中的d 。此信号的相位载有原始信息和p n 码信息。 这个信号经过天线发射出去后在接收点接收，接收机收到信号经解调、滤波可得 到r e ( t ) c ( f ) ，如图2 - 3 中的e ，扩频信号与接收机里面的p n 码相乘，称为解扩， 得到原始信息，如图2 - 3 中的f 。 扩频技术的两个基本理论根据是香农定理和柯捷尔尼可夫潜在抗干扰理论。 香农定理为式( 2 一1 ) ： c = w l o g ( 1 + s n ) ( 2 - 1 ) 式中，w 是传输带宽，c 是信息容量，它的原理是在给定信号功率s 和噪声功率n 的条件下用一种编码系统，以很小的误码率，以接近c 的传输速率传输信息。此 式也可以理解为：用大的带宽w 和小的信噪比s n 或者小的带宽w 和大的信噪比 s n 来传输同样容量c 的信息。扩频正是用大的带宽w 来换取小的信噪比s n 。由 上式可知，对任意给定的信噪比，只要增加传输信息的带宽，理论上就可以增加 在信道中无误差地传输的信息率。柯捷尔尼可夫理论公式为式( 2 2 ) ： 只= f ( e l n 。)( 2 - 2 ) 式中，只是误码率，e 是每比特信号能量，n o 是噪声功率谱密度。设传输带宽为w ， 信号功率是s = e t ，噪声功率n = w x n 。，信号持续时间为t ，信息信号带宽a f = l i t ， 将这些式子代入式( 2 2 ) 得： 7 t t t t t 华南理_ 丁大学硕士学位论文 e ，疗o = s t ( n ，w ) = ( s ，) + o v ，z x f ) ( 2 3 ) 上式说明，只是由( s i n ) ( w i a f ) 决定的，就是说，传输一定的带宽f 的 信号，信噪比s n 可以和带宽w 互换，这个结果和香农定理完全一致，在扩频通 信中，w f 是处理增益，处理增益越大，( s ，n ) ( w a f ) 越大，误码率越低， 通信安全可靠性越好，总之，扩频通信是用宽的带宽w 来换取低的s n ，或者说 用宽的带宽g 换取低的误码率，提高通信系统的抗干扰能力和增强通信的隐蔽性。 这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。 2 2 2 直扩系统的处理增益及其局限性 假设信号的带宽为b d ，扩频后信号带宽为b 。，则处理增益g ，由式( 2 - 4 ) 可得： g ，= b s b 。( 2 - 4 ) 处理增益是扩频系统的一个重要的性能量度，但是这一指标还不能说明扩频 系统就能在干扰比信号大处理增益倍的环境中正常工作。为此，我们给出另外一 个性能指标一一干扰容限。干扰容限m j 表示扩频系统在干扰环境中的工作能力。 定义如式( 2 - 5 ) ： m = g p 一【二。+ ( s ，j ) 。】 ( 2 - 5 ) 式中，k 是系统损失，( s n ) 。是系统输出端必须的信噪比。 由上式可知，当信号的带宽b o 确定以后，系统的处理增益主要取决于扩频 序列的带宽。扩频通信抗干扰、保密、实现同步等功能都与所采用的扩频序列密 切相关，它具有类似随机信号的一些统计特性，但又具有一定的规律，容易产生 和复制。扩频序列应该具有如下理想的特性： 有尖锐的自相关性； 尽可能小的互相关值，应接近于零； 足够多的序列数，即码周期，以确保抗侦破、抗干扰的要求； 有足够多的独立地址数，以实现码分多址的要求； 工程上易于产生、加工、复制和控制。 最大长度线性移位寄存器序列( 简称m 序列) 是一类很重要的伪随机序列，最 早应用于扩频通信，也是目前研究得最深入的伪随机序列。g o l d 序列具有良好的 互相关性，序列数也远远多于m 序列，便于多址应用。寻找( 产生) 各种伪随机序 列，计算它们的自相关值和互相关值，组成互为优选的系列集，对提高扩频通信 系统的性能来说至关重要。 由于现实技术与工艺水平，以及频谱资源的限制，处理增益也相应地具有局 限性。一般而言，最大只能做到3 0 d b 左右。面对某些带内的强干扰信号以及战时 敌方的有意人为干扰，其通信能力受到很大的限制。而且，数据速率与处理增益 8 第二章直扩系统工作原理 是一对矛盾，过大的扩频增益不利于数据速率的提高。因此我们就必须考虑其他 廉价而有效的方法来提高系统的性能。 图2 - 4 抗干扰模块简化框图i f i g 2 - 4s u p p r e s s i n g i n t e r f e r e n c em o d e lb a s i cf r a m ei 图2 5 抗干扰模块简化框图2 f i g 2 5s u p p r e s s i n gi n t e r f e r e n c em o d e l b a s i cf r a m e 2 为此人们提出了各种抗干扰的算法，并把这些算法集成在一个抗干扰模块当 中，如图2 4 、图2 - 5 所示，在接收端引入一定的抗干扰技术，加入针对干扰的 抑制装置，能够较好地提高直扩系统抗干扰的能力。 针对不同的干扰，可根据不同的信号处理技术设计不同的抗干扰模块，加在 系统的中放输入端( 如图2 - 4 ) ，或是加在系统的中放输出端后( 如图2 5 ) 将该模块 集成，可方便地安装在现有的通信系统中，从而达到用低的成本来提高直扩通信 系统的抗干扰能力。 9 华南理工大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章首先介绍直接序列扩频系统的工作原理和理论基础，直扩系统处理增益 以及其局限性，讨论了提高直扩系统抗干扰能力的一些途径，最后提出了在直扩 系统中引入抗干扰模块以提高系统抗干扰性能的概念。 1 0 第三章d s s s 多窄带干扰抑制技术简介 第三章d s s s 多窄带干扰抑制技术简介 直接序列扩频系统的广泛运用及其美好前景。使得直扩系统的相关技术得到 迅猛发展。其中直扩系统的抗干扰技术引起了国内外学者的广泛兴趣，并己取得 一定的研究成果，其中包括干扰的种类、特性及其对直扩系统抗干扰性能的影响， 针对特定干扰的各种抗干扰算法及相关硬件实现方法等。这一章我们主要研究伪 随机序列的功率谱特性以及各种干扰的特性，并且简单介绍多窄带干扰的抑制的 基本算法与技术。 3 1 信息信号的频谱特性 在研究抗干扰技术之前，我们首先要研究一下信息信号的频谱特性，这样我 们才能够对干扰与有用信息的加以区别，才能更好地研究各种抗干扰技术。下面 我们从m 序列开始，研究一下扩频信号的频谱特性。 3 1 1m 序列的平均功率谱密度 m 序列是一种伪随机序列，根据平稳随机过程理论，它的平均功率谱密度为 其自相关函数的付氏变换，即 s r ( 纠= r c ( r ) e - j 。 d r ( 3 1 ) 其中也c ( f ) 为自相关函数，在一个周期，即0 s f s n t c 内，r 。( f ) 如图3 2 的( a ) 所示，其表达式如下： r c 2 - 一毒c + 寺 1 华( 1 + 上n ) 一上n 乙 、 。 0 f 乙 f ( n 一1 ) t c ( 3 - 2 ) ( n l 归；f n t c 把上式代入( 3 - 1 ) 可得： 蹦，) - 莹w 一嘁) = 警【箐】2 重尻，一静+ 警 ( 3 - s ) 华南理工大学硕士学位论文 若n - * ，则s r ( ，) 为连续形 蹦，) - 瓦帮哪i n c 2 ( 织) 其频谱如图3 一l 所示。 2 i 乙 巧 l2 ( 3 - 4 ) 图3 - 1 & ( ，) 的连续谱 f i g 3 - 1t h es p e c t r u mo f & ( ，) 由上图可知，m 序列谱具有以下特点： 谱是离散的，因为尺一c ( f ) 是周期性的。谱线间隔为丙1 云，谱线包络呈 s i n c 2 ( x ) = s i n x x 2 型，如n 很大，则谱线间隔很小，近似为连续谱；谱线间隔随 p n 序列周期的增大而减少，随码片长度的减少而增大。 直流分量( 式中第二项) 的强度与p n 码周期n 2 成反比； 第一个零点在，2 毒处，主瓣宽度为毒5 f o = o 时，凡2 寺。n 很大时，风2 0 。 3 1 2 直接序列扩展频谱系统信号的频谱特性 直接扩频序列信号的频谱，是由一组对称的【s i n x x 2 型分布的边带组成。包 络内为一系列变周期的脉冲串，也可以看作是半周期的方波。当码序列调制载波 时，输出频谱实际上是由码的各种半周期波分量产生的一系列谱的组合。而码序 列中宽度最窄的脉冲等于码序列的时钟周期。具体产生过程可以形象地用图3 - 2 表示。图( a ) 为伪码的相关函数和功率谱密度。图( b ) 为伪码波形与基带信息波形相 乘，在频域中则为两个频率函数的卷积，如图( c ) 所示。卷积的结果得到功率谱 g ，( ，) ，如图( d ) 所示。所得信息码与伪码之复合信号再对射频载波作平衡调制， 在频域上即把的g 。( ，) 频谱搬移到载波频率，c 上，如图( e ) 所示。在图3 2 中，瓦为 伪码码元长度，p 为伪码周期长度，正是载波频率，詹。是伪码速率，r 为信息速 率【4 1 。 第三章d s s s 多窄带干扰抑制技术简介 r a c ( f ) l 1j , - l l p卜1 l ，p ( a ) 伪码波形 二，e 广 几几 ( b ) 伪码功率谱 ：二二口二 r ( c ) 一 ( d ) 一卜_ t 1 p t ， 信息码波形 厂 一r b r b l 。一r c ( e ) 图3 2 伪随机平衡调制过程信号及频谱示意图 f i g 3 - 2t h es p e c t r u mo ft h es i g n a l d u r i n g t h ep nm o d u l a t i o np r o c e d u r e 过去，在讨论直扩系统处理增益时，采用的是宏观分析方法，即依据功率谱 包络的分析，研究宽带前端电路的直扩系统经过解扩得到的扩频处理增益。在推 导宽带前端直扩系统的处理增益时，有四个条件f 5 】：( 1 ) 将直扩系统视为线性系统。 即要求宽带射频滤波器是理想的，能无失真地处理信号；混频器( 乘法器) 是理 想的；基带滤波器处理信号也是理想的。( 2 ) 理想的系统同步于跟踪。即要求实现 理想的频率估计和相位估计。( 3 ) 干扰为具有单位平均功率的广义平稳随机干扰。 ( 4 ) 信号与干扰的功率比为1 。 若直扩信号的射频带宽为w d s ，解扩处理将使信号功率谱和干扰功率谱都发 生变化，有用直扩信号的带宽变窄而干扰的带宽变宽，通过带宽w i 的窄带滤波 1 3 ，轧 正 华南理工大学硕士学位论文 将带外的干扰滤除，从而改善了输出端的信号干扰功率比。必须指出的是，这实 际是直扩处理增益的近似表达式。 值得注意的是，采用微观分析，对功率谱大的谱线进行分析，研究谱线分布、 数目和间隔。提出在射频采用与直扩信号谱线匹配的梳妆滤波器，即窄带射频接 收，以提高直扩系统的处理增益。当直扩系统采用窄带射频接收时，梳妆滤波器 对有用的直扩信号无影响，其信号功率无损通过，而对带外干扰和噪声具有抑制 作用，使干扰功率有所减少。结果是：可在一定程度提高系统输出端的信号干扰 功率比，即对系统处理增益有所提高。因此，在工程设计中，在工程设计中，窄 带接收直扩系统的处理增益g n d s 可表示为： g n d s g p d s = w d s 3 , v b ( 3 5 ) 在典型的直接序列扩展频谱通信接收机中，其前端为射频宽带系统，带宽为 w d s 。如果接收机前端依照直扩信号功率谱的结构进行设计，采用与直扩信号离 散功率谱相匹配的频域梳妆滤波器，则可形成对直扩信号频谱的窄带接收。 定义频域梳妆函数【6 】： c o m b ( f ) = c ，( f - n f o ) ( 3 6 ) 若依梳妆函数构造的频域滤波器与直扩信号的离散谱线匹配，则构成窄带带 通滤波器，通过滤波器可滤除窄带的带外噪声和干扰，从而其输出将可获得信号 与噪声和干扰比的改善。 直扩信号窄带接收的实现，从原理上讲，可以采用并联的窄带滤波器组。但 实际上，它受限于谱线间隔的大小和并联滤波器的数目。当采用频域处理技术时， 需要解决时域，频域变换及频域，时域变换的时标问题，它还涉及到码片宽度与信 号处理速度等技术实现的问题。因此，在射频端采取措施在现有技术条件下，可 能不如在中频端方便【7 j 。 3 2 干扰分类及其特性 对于d s s s 系统，进入接收机的干扰按照干扰来源的不同可分为三种：( 1 ) 同 一扩频系统中各地台站的信号( 称为多址信号) 以及其它无线电系统发出的信号， 一般可以把这些干扰归类为带限平稳高斯随机过程；( 2 ) 人为的恶意干扰，是指现 代通信对抗中的窄带瞄准式干扰和宽带阻塞式干扰以及转发干扰等等：( 3 ) 自然 干扰，主要是指雨雪干扰、信道衰落和多径干扰等。这些干扰对于接收系统来说， 主要的样式有： 阻塞式噪声干扰。它是在系统参量未知的条件下常用的一种干扰方式，其 1 4 第三章d s s s 多窄带干扰抑制技术简介 功率谱密度至少覆盖了整个扩频系统的通信频带，相当于提高了接收机的热噪声 电平，可以用带限高斯白噪声作为其数学模型。 部分带宽噪声干扰。它把功率集中在比扩频系统带宽窄的频带之内，落在 通带内时它是一种有效的干扰方式。与阻塞式噪声干扰相比，部分带宽噪声干扰 可以提高干扰功率密度，从而加大接收机的处理难度。 单频或者多频连续波干扰。该干扰主要是针对直扩信号载波频率的，当对 准载波时，是一种很有效的干扰方式，而且它们容易产生。 脉冲噪声干扰。它是最有效的一种干扰方式，是由脉冲噪声干扰机发射的 脉冲调制的带限高斯白噪声。若其占空比为q ，则同部分带宽噪声干扰相比，脉 冲干扰功率也将提高i q 倍。对于单频或者多频连续波干扰也可以用脉冲调制。 回答式干扰。这是一种在通信对抗一方有先验知识( 系统参量已知) 的条件 下的干扰，它具有与扩频信号参数相似的干扰波形，即干扰样式与信号的频域和 时域特征相吻合，或者干扰波形与扩频信号波形同步而且强相关。 如文献 1 所述，不同的干扰对不同调制方式的扩频系统会造成不同的误码 率。例如，在b p s k q p s k 数据调制方式的扩频通信系统里，对于阻塞式高斯白噪 声，比特差错率可以表示为： b = q ( 扛丽了) = q f ( 3 7 ) 式中，r 是比特率。j 是噪声干扰功率，霄是零到零扩频波形带宽，p 是信号功率 n 。是热噪声单边功率谱密度，k 是常数，通常可以认为是1 。 由上式可知，对于阻塞式高斯白噪声干扰，扩频系统的处理增益决定了它的 抗干扰性能。 而对于部分带宽噪声干扰，其比特差错率则为： r ：q r 对于窄带干扰，其比特差错率则为： ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) 对于脉冲噪声干扰，其比特差错率则为： 州t 俐c 一，+ 胨 伊 式中，p 为占空比，当忽略热噪声时，上式变为： 1 5 华南理工大学硕士学位论文 最z d 翻捌厣2 p 哥p w ， ( 3 - 1 1 ) 由上可知，直扩系统对上述干扰都有一定的抗干扰作用，但是当干扰强度超 出系统的干扰容限时，系统性能会急剧恶化甚至不能工作，因此引入各种抗干扰 技术有助于提高系统在强干扰环境中工作的能力。 3 3 抗强窄带干扰算法与技术简介 d s s s 具有抑制通信信道中有意或者无意干扰的能力，因而被广泛应用于抗干 扰通信领域。但是，由于其处理增益受到传输带宽和系统复杂度的限制，仅靠扩 频增益已不足以对干扰进行抑制。特别是在强干扰的场合，必须采取进一步的措 施迸一步提高扩频通信系统的抗干扰能力。因此干扰抑制技术一直是扩频通信领 域的研究热点之一。下面我们简单介绍一下目前国内外在直扩系统抗干扰技术的 研究( 包括各种结构、算法和相应的硬件实现) 。 3 3 1 强窄带干扰信号的模型 在各种干扰中，近年来随着直扩技术的广泛应用，研究得最多的是强窄带干 扰的抑制。窄带干扰通常有三个基本的模型，即音频信号、熵窄带随机过程和窄 带数字通信信号。音频信号是一些正弦信号的和( 在文献 8 中讨论了窄带干扰模 型，指出由多个正弦波之和或由窄带噪声模拟窄带干扰具有几乎相同的性能) ，这 一信号模型对模拟音频干扰和其它谐波干扰现象很有用。当假设窄带干扰信号是 由m 个正弦信号复合而成时，其数学模型可以用式( 3 - 1 3 ) 来表示： f ( 足) = 雁m 柑嘞( 3 - 1 2 ) f f i l 式中，只和，f 分别是第f 个正弦波的功率和归一化频率； 办 为均匀、独立分布在 ( o ，2 石) 上的随机相位。 将窄带干扰信号模拟为熵窄带随机过程，可以简化模型结构，比如可以将窄 带干扰信号模拟为自回归( a r ) 信号。当假设干扰信号是p 级a r 过程时，其数学模 型描述为式( 3 1 4 ) = 口t j ) + p ( 七) ( 3 1 3 ) j = l 式中，e ( k ) 为方差为2 的白高斯过程。 由于数字通信技术在现代通信中己占有极其重要的位置，所以更为接近实际 1 6 第三章d s s s 多窄带干扰抑制技术简介 的窄带干扰信号模型应为数据速率比扩频切普率低得多的数字信号引。在扩频通 信系统中，一般认为它是p s k 数字调制信号。当假设窄带干扰序列是b p s k 数字调 制信号时，其数学模型描述为： i ( k ) = v ( k ) c o s o 哦+ 们( 3 1 4 ) 式中，v ( k ) 是等概率