（信号与信息处理专业论文）关于在短波和超短波信道中应用扩频技术的研究.pdf

关于在短波摹弱超短波信遘中应用扩频技术的研究 摘要 短波超短波信道是无线通信倍道中鞭段约为3 3 0 0 m h z 的信道， 其中短波信邀的频段约为3 - 3 0 硼h z ，超短波信遭的频段约为3 0 一 3 0 0 m h z 。短波和超短波通信具有通信距离远、通信费用低廉、抗毁性 强等优点，因此在军事通信等领域中占有重要地位。 短波超短波透信主要通过天波传播，囊于电离层怠子密度的不蛰 变化，以及频段拥挤，快速衰落干扰严重，短波超短波通信质蹙容易 受到影响。短波数传中由于多径时延造成波形展宽，又由于电离层的 快速运动造成多谱勒凝移，使褥数转速率受到了剖终。扩频邋信以其 抗噪声、抗衰落、抗干扰、抗多径能力强，且具有消息隐蔽性、低截 获概率等优点而被广泛的应用，因此在短波超短波通信中结合扩频技 术有蔫广溺豹应爝懿录。 本文详细讨论了短波趣短波信道的特点和模型，扩频通信基本原 理，分集和r a k e 接收技术，以及多用户检测技术。在对理论进行深 入研究豹蠢时，对扩频短波遂信系统 乍窭了钫粪，将它与传统短波邋 信系统作了性能比较，并提燃了将软件无线电结构应用于扩频短波通 信系统的构思。 关键谲：短波超短波通信扩频通信r a k e 接收机多用户检测 r e s e a r c ho n s p r e a ds p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n o nt h es h o r t w a v e a n du l t r a s h o r t w a v ec h a n n e l a b s t r a c t t h e f r e q u e n c y b a n do fs h o r t w a v ea n du l t r a - s h o r t w a v e c h a r m e li sa b o u t 3 - 3 0 0 m h z ，w h i c ho fs h o r t w a v ei sa b o u t3 - 3 0 m h z ，a n dw h i c ho fu l t r a - s h o r t w a v ei s a b o u t3 0 3 0 0 m h z 。b e c a u s eo f i t s l o n gd i s t a n c e ，l o wc o s t a n ds t r o n ga n t i - r u i n ， s h o r t w a v ea n du l t r a - s h o r t w a v ec o m m u n i c a t i o n p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h em i l i t a r y c o m m u n i c a t i o nf i e l d ， s k y w a v ep r o p a g a t i o ni st h em a i nm o d ei nt h es h o r t w a v ea n du l t r a s h o r t w a v e c o m m u n i c a t i o n b e c a u s eo fv a r i a b l ee l e c t r o nd e n s i t l i m i t e df r e q u e n c yb a n d ，a n df a s t f a d i n g ，s h o r t w a v e a n du l t r a - s h o r t w a v ec o m m u n i c a t i o ni s e a s y t ob ei n t e r f e r e d m u l t i p a t hd e l a y c 越- ib r o a dw a v e f o r r n s a n de l e c t r o n s f a s tm o v e m e n ti n 也ei o n o s p h e r e c a nr e s u l ti n d o p p l e r s h i f t s ot h ed a t ar a t ei s l i m i t e d ，s p r e a ds p e c t r u m c o m m u n i c a t i o nc a ns u p p r e s st h ed e t r i m e n t a le f f e c t so fi n t e r f e r e n c ed u et o t m i n g ， i n t e r f e r e n c ed u et om u l t i p a t hp r o p a g a t i o n a n ds oo i l i ta l s oc a nh i d eas i g n a l b y t r a n s m i t t i n g i ta tl o wp o w e r t h u si th a sb r o a dp r o s p e c tt h a t s p r e a ds p e c l a u m c o m m u n i c a t i o n a p p l i e si nt h es h o r t w a v ea n d u l t r a * s h o r tw a v ec h a n n e l t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ec h a r a c t e ra n dt h em o d eo ft h es h o r t w a v ea n d u l t r a - s h o r t w a v ec h a n n e l ，s p r e a ds p e c t r u mt h e o r y , d i v e i s i t ya n dr a k er e c e i v e r , a n d m u l t i u s e rd e t e c t i o n i ta l s od i s c u s s e st h es i m u l a t i o no fs p r e a ds p e c t r u mh fs y s t e m ， a n dc o m p a r e st h ep e r f o r m a n c ew i t ht r a d i t i o n a lh fs y s t e m i ta d v i s e st h a ts p r e a d s p e c t r u mh fs y s t e ms h o u l da d o p t s o f t d e f i n e dr a d i os t r u c t u r e k e yw o r d s ：s h o r t w a v ea n du l t r a - s h o r t w a v ec o m m u n i c a t i o n ，s p r e a ds p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n ，r a k er e c e i v e r ，m u l t i u s e rd e t e c t i o n 声明 y 5 8 9 5 2 1 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：煎盘肇魍日期：兰! ! 垒! 星，盔 关于论文使用授权的说明 学化论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅利借 眺学校】j 以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密沦文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师镐躬 同期： 兰螋幺乏，兰! 日期：址坚i 。缓 北豪龆电大学硕士学位论文 前言 短波通信通常是指利用波长为l o o l o r e ( 频率为3 3 0 m h z ) 的电磁波进行 的无线电通信。目前也有把中波的高频段( 1 5 3 姗z ) 归至短波波段中去，所以 现有的许多短波通信设备，其波段范黼往往扩展到1 5 3 0 m h z 。1 程许多圈家， 也把短波通信认为是商频( h f ) 无线电遴信。多年来短波通信被广泛地用于政府、 军事、气象、商业等部门，用醴传送谣言、文字、图像、数掇等信息。尤其在军 事部门，它始终是军事指挥通信的重要手段之。第二次世界大战一直到今天 短波通信方式都在广播、舰船通信、航空通信及各种战术通信中广泛使用。i 莲入 上世纪八十年代之后，随着社会的发肫进步，在军事遇信中，数据通信的需求量 越来越大，这就需要更多的带宽去承载这些鼗务。丽短波酶天然缺陷怒带宽较窄， 只有3 0 m h z 。因此人们在战术电台中，使用了3 0 m h z 以上的频率，也就是超短波 频段的使用。僮是对于超短波频段监嚣欤未有过明确的翔分和定义，在实际静超 短波电台产晶中，有的规定最高频率为8 0 9 0 m h z ，有的规定最高频率为 4 0 0 “5 0 0 m h z 。1 2 l 短波信道中，由于电离层电子密度的不断变化，以及频段拥挤，快速衰落干 扰严重，两筏遂信质爨受到影孵。短波数健中由于多径时延造成波形震宽，又由 于电离层的快速运动造成多谱勒频移，使得数传速率受到了制约。扩频通信以其 抗噪声、抗衰落、抗= f 扰、抗多径链力强，且具有消纛豫蔽 生、低截获概率等侥 点而被广泛的应用，因此在短波波段采用扩频传输的通信方式受到了人们的高度 重裰。 本论文讨论的课题就是在这个背景中提出来的，内于短波通信在各方面的广 泛应用，研究在短波超短波信遴孛褒麓扩频技术，提建短波越短波通信质量秘性 能有着十分熏要的意义。 本论文载嚣数是鼹扩频短波超短波暹售系统避孬饶宾，褥割系统链麓改罄豹 结果。论文的主要内容有：第一部分介绍了扩频通信原理，第二部分介绍了短波 超短波信遵，第三郝分分绍了分集技零窝r a k e 接收技术，繁疆部分会绍了多雳 户检测技术，第五部分介绍了仿真的过程和结果。 3 北京邮电大学硕七学位论文 第一章扩频通信技术概述 扩频通信和窄带通信相比，具有许多难以替代的优良性能。它具有可以同频 使用，抗干扰性强，误码率低，抗多径衰落能力强，高数据率，高信道质量，远 的传输距离等优点，被广泛用于通信系统，雷达测距，卫星定位，电子医学测量 等。扩频通信技术有三种工作方式：直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ) 方式，跳变频率( f r e q u e n c y h o p p i n g ) 方式和跳变时间( t i m eh o p p i n g ) 方式。这罩只讨论直接序列扩频方式。 这一章首先介绍扩频通信技术的发展历史，然后介绍扩频通信的基本原理， 编码序列，编码捕捉和跟踪。 1 1 扩频通信发展历史 扩频通信理论方法，技术和应用的发展，经历了几个阶段，第一阶段是在1 9 7 7 年前后，在早期建立的扩频通信理论基础上，卓有成效地丰富和发展了扩频通信 的理论、方法和实用技术，1 9 7 7 年8 月i e e e 通信汇干0 的扩频通信专辑和1 9 7 8 年在r f 奉京都举行的国际无线通信咨询委员会( c c i r ) 全会对扩频通信的专门 研究就集中反映了扩频通信的研究成果，开始了世界性的对扩频通信的全面研 究。1 9 8 2 年美国第一次军事通信会议，公开展示了扩频通信在军事通信中的主 导作用，报告了扩频通信在军事通信各领域的应用，并开始民用扩频通信的调查。 i e e e 通信汇刊也在1 9 8 2 年5 月再次发表扩频通信专集，系统报道了扩频通信的 研究应用成果。这是扩频通信发展的第二阶段。1 9 8 5 年5 月美国联邦通信委员 会( f c c ) 制订了民用公共安全、工业、科学与医疗和业余无线电采用扩频通信 的标准和规范，明确规定公共安全用3 7 m h z 9 5 2 m h z ，最大输出功率为2 w 的 电台；工业、科学与医疗用9 0 2 m h z 9 2 8 m h z 、2 4 g h z 2 5 g h z 、5 7 2 5 g h z 5 8 5 g h z 三个频段，最大输出功率为1 0 0 m w 。世界各国相继行动，组织扩频通 倍专门研究机构和学术团体，开始了扩频通信的深入研究和广泛应用。这是扩频 通信发展的第三阶段。1 9 9 0 年1 月，c c i r 研究未来公众陆地移动通信系统 ( f p l m t s ：f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ) 的第八工作组 提出的实现f p l m t s 计划的技术报告中，明确建议采用扩频通信技术。美国国 4 霓京辩电太学碗= # 学链论文 家惑空察靛天誊霪鼹( n a s a ：n a g o t m l a e r o t 避u t i c s a n ds p a c e a d m i n i s t r a t i o n ) 瞧 提出采用扩频通信多址方式的频谱利用率高于采用频分多址方式的频谱幂【 用率 懿鼓零羧壹，开黎了姆扩颓通信楚零疫雳裂移麓通攘系统率瓣臻究t 1 9 9 1 每5 月，w i l l i a mc y l e e 在i e e e t r a n s o nv e c h i c u l a rt e c h n o l o g y 上发表“o v e r v i e wo f c e l l u l a rc d m a 一文，论证了在蜂鬻移动邋蕊孛具有凄率投镶懿c d m a 系统褰 量是f m 方式的2 0 储、t d m a 方式的4 倍的结论，引起了念世界移础通信、无 线透蔼学雾鹣激烈讨论，对扩蒙遥僚c d m a 遵搭投术熬骚究黎斑臻产生了深远 影响。以美圈q u a l c o m m 公司为首推出的i s * 9 5c d m a 通信技术、以w - c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 敬t d s c d m a 必主滚鹣篡三代移动透信系统标准纯建泌，确立了 c d m a 通信披术在移动通信中的稳圈地位，把扩频c d m a 通信的研究、应用和 发震撼囊了凝除段。胪1 1 2 扩频逶信基本源理 。2 。 妒凝疆攘燕l 撰鬣遴 扩建菝港避蕊( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) 楚耧鼹襁筮正交或尽可蓬 正交) 的不同编码分配给不同用户调制信号，将原信号的信母频谱带宽扩展，实 爨多翅户霹霹使震裁一菝率绥入系蓑帮魏络的遵蔷。扩震频谱遥售爨拣蔑强分多 址通信( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 。哪! 狲2 1 i t 6 1 获鼗薅巍罐渡寒器，扩频逶藉是与袭褒蠢豹鬻勰逶蘩方式完全不羼静。萝 频通储用伪随机编码把基带信号( 倍息数据帑带信号) 的频谱进行扩展，形成相 当宽带靛爨功率谱密瘦箍号发瓣。楚臻不嚣豹镄篷枫藕璐，不弱遵蕊麓户霹在篱 一频段、同时间工作，互不影响或影响极小。常规濑信是在频段上细分( 频分) 或辩秘主缨分( 霹势) 绘逶糖瘸户，彼蘧要不予挽姥分鬟霞髑。毽j 篓：，扩额邋楼 在调制、解调上是与众不同的。 扩频透信鸵基本熔理细凰1 一l 骈黎。绩息数撂d 经遗常数数撂谰铡蜃绩稷攀 宽为雪l 的信号( 骂为基带信母带宽) ，用扩频序列发生器产生的伪随机编码去对 基豢傣号终扩凝调制，形或繁蹙费岛 浆 同样处理方法，有 ( s n ) 。= 立r 扎b 十只 l - i ( s n ) 。= 4 睾 o 垦+ 霉骂 扩颓瓣调裁惑鹣信曝晓改善梵 。( s n ) o j , z , ：墨：g ( s ) 。罨。 7 北京邮电大学硕士学位论文 这个结果，与式( 1 4 ) 完全一致，扩频增益g 是扩频通信对信噪比改善程度的 度量。 1 3 扩频通信的编码序列 在扩频通信中，选择具有良好伪随机特性和相关特性的编码序列是非常重要 的，因为抗干扰、抗截获、信息数据隐蔽和保密、抗多径干扰和抗衰落、多址通 信、实现同步与捕捉等都是与编码序列的设计密切相关的。满足上述要求的扩频 编码应该具有以下特性：有尖锐的自相关特性，有处处为零的互相关值，不同码 元数平衡相等，有足够多的编码，有尽可能大的复杂度。1 9 7 6 年l r w e l c h ”】推 导出一个序列集最大的自相关和互相关低限，是扩频编码设计中努力去达到的目 标。 基本符合扩频序列理想特性的是伪随机序列，最简单、最常用的是m 序列。 m 序列有尖锐的自相关特性，有较小的互相关值，码元平衡。但序列数目不多， 序列复杂度不大。1 9 7 6 年r g o l d 提出了新的一类序列：g o l d 序列，它的自相关 旁瓣值和互相关值与m 序列的互相关值一样，序列数目大大增加，序列复杂度 也略有改善，是又一重要的扩频序列。m 序列和g o l d 序列都是线性序列。但它 们的复杂度都不高。非线性理论的研究和发展，造成非线性扩频序列的问世。8 0 年代提出的非线性扩频序列，如b e n t 序列，g m w 序列，n o 序列等，都具有较 好的相关特性，又有非常大的序列复杂度，对扩频通信有极大的意义和作用。 m 序列是最长线性反馈移存器序列的简称，它是由带线性反馈的移存器产生的周 j 1 1 最长的一种序列。一般说来，一个n 级反馈移存器可能产生的最长周期等于 ( 2 ”一1 ) 。线性反馈移存器的结构可以用一个方程表示，这个方程称为m 序列的 特征方程( 或特征多项式) 。只有当这个特征方程是本原多项式的时候，生成的 序列爿是具有最长周期的m 序列。m 序列具有很多优越的性质：在m 序列的一 个周期中，1 和“0 ”的数目基本相等；长度为k 的游程数目占游程总数的2 ， 其中1 k ( n 一1 ) ；一个m 序列与其经任意次迟延移位产生的另一不同序列模2 相加，得到的序列是本序列的移位序列；自相关函数为一个冲激函数。由于m 序列相对较简单，下面将比较详细讨论g o l d 序列。 1 3 1 序列相关特性 扩频编码序列要求与它自身的时间相移信号易于区分，同时还要求该信号与 北京邮电大学硕士学位论文 其德信号易予嚣分。熊实现这种区分和辨谖的簸重要测度是垮方差。缀设两个裰 同周期信号x ( o = x o + n ，j y ( f ) = y 0 + n ，则它们的区分辨识测度是： 手f + 【y ( ，) x ( ，) 】2 d t = + l f y 2 ( f ) 积+ f x 2 0 ) a t 士2 f y ( f ) x 国】式( i - - 8 ) 其中。y 2 ( f ) d r ，x 2 ( f ) 馥分别是y f ) ，善擘) 的能量，彼此之划不会溉滋。凼此， x ( f ) 与y ( f ) 能容易区分，辨识的充分必要条件是： r = f x ( t ) y ( t ) d t r 同时还要求x ( r ) - 与y ( t ) 的时间相移信号，o + f ) 容易区分辨识，即 霞( f ) = f x ( f ) y ( f + f 潲强r 如果y 馥+ 丁) = x + ，) ，则墨( f ) 是x ( f ) 信号的是楣关( o 蔓f 对嚣令n 绻矢量，若g ，毒( i = l ，2 ，撑) ，骞楚嚣不等式( c a u e h y i n e q u a l i t y ) ， 一1一l 一l ( q 岛) 2s ( 砰) ( 茸) 式( 1 1 4 ) * i拉l扛l 也就是说，两个矢量的内积小于两个矢量的长度之积，即： 9 北京邮电大学硕士学位论文 i b ( 刊( r ( o ) ) 。( b ( o ) ) 5 蔓n式( 1 一1 5 ) 设序列集合，中，有序列出，x ，y ，：，周期均为n ，这四个序列之间的互相关 可以写成： 一1 民，( f ) ( f + ”) 或 n - ! ( f ) 如( f + 月) 式( 1 - - 1 6 ) 如果= x ，z = y ，并且假设讨论的序列都是二值序列，且n = 0 ，则有 应用柯西不等式，式( 1 - - 1 7 ) 的右边第二项可以写成为 扣邺傩x r , ( 0 2 ) 4 隆c 。2 4 r ( 鹕( 叫兰i 2 ii 尺，( f ) 2i ，= 1 l，= l，- i 所以式( 1 1 7 ) 就变成 n - i ，n i、 厂n l、 ( f ) 2 2 + i b ( f ) 2i 【b ( f ) 2i 一o t 1i = l n i 厂n l、 厂n i、 月。( f ) 2 2 一ix r , ( 0 2 1 r y ( i ) 2 i 1 = 0 t = li = 1 式( 1 - - 1 9 ) ，式( 1 - - 2 0 ) 就是周期为n 的两个序列的互相关均方值， 式( 1 1 9 ) 给出了互相关均方值的上限，式( 1 2 0 ) 给出了它的下限。这些显示 了自相关和互相关之间的约束关系。 设周期序列的最大互相关为，即： r c = m a x ( i r 肿( f ) ) ( o i n 一1 ，x y ) 相关间隔( 相关时间) 不为零的最大自相关为 r a = m a x ( i 足( f ) i ) ( 1 i n 一1 )式( 1 2 2 ) 1 9 7 9 年d v s a r w a t e l l 7 1 给出了在一序列集合中有k 个序列满足式( 1 - - 2 1 ) 式( 1 - - 2 2 ) ，由此可简捷推证得： 1 0 ”+靠炸 + 0 脚 r 【 m = 尺 心 n m + 2 = 北京邮 b 大学硕士学位论文 壁+ 墨出、l n n 、n ( k - 1 ) 。 也就裁说，最大自相关( 相关时间不为零) 和最大互褶关的最大僮，满足以下不 等式： 尺m a x = m a x r a ) 晨 式中，k 是相关序列集合中的序列数。它就鼹d v s a r w a t e t l 最早给出的序列最 大楣关值低限。 ( 2 ) 序列部分相关特往 序列相关特性的男个重要度量魁序列部分相关特性。序削部分相关函数定 义为： 显然，有 ( d = 一l j 玉秘+ ，o 歹s 一l 一1 + j 墨一崩i - n s j 0 0 j 险n n - i ( o ) = x y , = ( o ) f # 0 ( o ) = 墨( o ) ，0 ( = 弓( o ) 利用序列部分相关函数，可以写出序列的偶相关( 周期棚关) 函数为： ( d = 吒( ，) + ( 一n ) 式( 1 - - 2 6 ) 序到鸯箱关蕊数惫： 螗”( ，) = g ，( ，) 一c _ 。( j 一) 设y ，甜，：为同一序列集合中的、周期为n 的序列，他们彼诧之间的部分相关值 为： n - 1 一l 婶一1 ( # ) 2 = q ( o q ( f ) = q ( q 1 2。他一1 、 那么 c m a x - - - - m a x 豫c 捌蹁 它羧是l 。r w e l c h 绘窭懿鄢分稷关篷下限。 1 3 , 2g o l d 痒判摄逮 1 9 6 7 年r g o l d t ”】提出和讨论了g o l dj 芋判，这是周翘为= 2 ”一l ，序列数 为+ 2 彼此最大自相关旁瓣和最大互相关有砖= r = ，( m ) 的伪随机序列。c 线性移位寄存器的特馥多项式g ( 工) = z ( x 鹕( x ) 中，蛰f d x ) 是强除本原特征 多项式，生成周期为l = 2 一l 的袋大长发序列， 0 ) 魑阶本原特征多项式， 生成周期为n 2 = 2 n l 的最大长度序列，那么g ( x ) 生成的序列周期 n = l c m ( i ，鸩) ，郎n 跫i ，鹄的最小公倍数。如果石( x ) 、，艿( x ) 是”阶的不 同本原特征多项式，那么g ( x ) 生成的序列周期也怒n = 2 ”一1 。 阶本原特征多项式彳( 工) 能艇成周期n = 2 ”一l 的序列a = ( a 0 ，a i ，搿。) a i 岜( o ，1 ) ( i = 0 ，l ，2 ，n 1 ) ，是m 序列，它的循环相移j 葶刿勋，t 2 a ，t “馥也 是r r l 序列。禺一个站阶本原多项式厶( 能生成同样阎麓的序列 1 2 北京邮电太学硕士学证论文 6 = ( 氐，磊，t ，一。) ，龟g ，1 ) = o ，1 ，2 ，n - i ) ，蟊i 孰= b + t 口( 七= o ，1 ，2 ，n 一1 ) 是特颡e 多项式g ( j ) = 彳( x ) 工( 爿) 生成的，周期为n = 2 ”l 的n 个序列。如果搬a 、 b 序列本身包据在痰，形成掰序列集会g ( a ，6 ) 共有n + 2 个j 挚捌，它们是： g ( a ，6 ) = ( 6 十群，6 + t a ，b + t 2 a ，b + t ”c t ，6 ，a ) 式中，“+ ”跫在( o ，1 ) 二傻竣上静模二樱熬。 设“是序列结合g ( 口，6 ) 中的一个序列，比如“= 6 + r 口“= 0 ，1 ，2 ，n 一1 ) 爨序捌嚣懿自裙关特烽为： 咒( o ) = ( 一驴( - 垆= i ；0 若j 0 ，则； n - i 一 民( ，) = ( 一1 ) “( - 0 “= 响“j + 由于个m 序捌与它的相穆序列相加，所得序列为该m 序列的勇相移序列 所以式( 1 - - 4 0 ) 就为： 一l 心( ，) = ( - 0 k ( p ) ( 譬o ) m - 0 g ( a ，6 ) 序列集合中的任序列，其自相关旁瓣值咒是生成浚序列的两个n 1 序 列辞、b 的互嘏关。 潞”，v 是序列集合g ( 口，6 ) 中的两个序列，u = b + t d ，v ；6 + r ，甜，f - ，这 两个膨列的互摆关为： 4 一- 1 一l r u v ( k ) = ( 1 ) “( 1 ) 、“= ( 1 妒“+ ，“ 由m 序列的性质，可得 毛，( j ) = ( 一1 ) 靠+ 一= r o 。( p ) 由蘧哥菟，g ( 稃，彩序磺集合中静在意两个序确之闯静夏稿关，等于稳成g ( 盘，国浮 列集裔的两个m 序列口、b 的互相关。设g ( 4 ，6 ) 序列集合的序列自相关旁瓣最大 蕴曩d ，互稻关最大毽麓，嗣g ( 疗，6 ) 漤歹| l 鑫奄生域序羁罐、b 静互裙关为冠。( f ) 时， 有： 氛= 疋= m a x l a ( i ) t o s f 一1 北京邮电大学硕士学位论文 如果口、b 是周期为n = 2 ”一1 的m 序列优选对，则由口、b 序列按式( 1 3 7 ) 构成的新序列：b + t 。a ( i = o ，1 ，2 ，n 一1 ) 和口、b 序列，叫g o l d 序列。下面给 出m 序列优选对的定义。 如果周期为n = 2 ”一1 的m 序列口、b ，当b = a q 】，g = 2 + 1 或q = 2 ”一2 + 1 ， 且p = g c d ( n ，) 与”满足珂e 为奇数，则m 序列口、b 之间的互相关如( f ) 是三值 的，他们的互相关值和一周期中出现次数为： 2 ( ) ”一1出现2 一1 + 2 ( 一2 17 2 次 一1出现2 ”一2 ”。一1 次式( 1 4 5 ) 一2 ( ) ”一1 出现2 一一1 - - 2 ( 一2 ) 7 2 次 如果定义，( ) ：1 + 2 l ”2 ”j ，其中ixl 表示取实数x 的整数部分。这样式( 1 - - 4 5 ) 给出的m 序列c l , b = a q 互相关值为： f r ( ) 一2 如( f ) = 一1 i f ( 聆) 这一对m 序列a 、b 被称为m 序列优选对，其互相关值为优选三值互相关。 下面介绍一种生成平衡g o l d 序列的方法。 g o l d 序列由i l l 序列优选对产生，设产生序列a 的n 阶本原特征多项式为h ( x 1 ， 产生序列b 的本原特征多项式为g ( x ) 。当b = a q ，q 满足式( 1 - - 4 5 ) 给出的优选 剥约束关系( g = 2 。+ 1 ) 时，在g ( x ) 本原特征多项式构成的线性移位寄存器的 初始状态置( f _ 1 ，2 ，h ) 给定后，产生序列a 的线性移位寄存器( 由h ( x ) 本原特 征多项式决定) 的初始状态r ( f = l ，2 ，n ) ，只要使第玎个寄存器状态与g ( x ) 的 第 个寄存器状态相异，即x i r ，就能产生平衡g o l d 序列。图1 2 是n = 2 ”一l 的平衡g o l d 序列的生成器，+ 表示任意初始状态。 ，二二，囊a 守。7 t 正于于丰l 三壹瓷滓商型， 1234567891 0 1 i _ - 一叫一r p 蔓匹止丑至jf 卜j j 一卜i ；j 、， 膏。 、，r 、一一一一 图i 一2n = 2 ”一1 的平衡g o l d 序列生成器| 5 】 对于n 为奇数，g = 2 ”一2 + l 的a ，b = 4 q 的r n 序列优选对，不能采用上 述硬件方法产生，但可以用迹函数，采用简单的检验算法来挑选平衡g o l d 序列， 其算法如下： 北京邮电大学硕士学位论文 ( 1 ) 给出序剜膳翡迹函数表示：i 缸。) ，霉蠢2 ) 瓦 2 ) ，i 洄。) 。 ( 2 ) 找巢一特定的非零元素g f ( 2 ”) ，声= a 。，则1 = 口。 ( 3 ) 鸯淡验证霉芦一t ) = 霉( ) 麓否兔“0 ”。若兔0 ，产生的g o l d 序确惫平 衡g o l d 序列。 麓辩为镁敬，g = 2 “一2 + l ，骶摈霉( 声w ) 是否受“l ”柬翔鬟。 对g o l d 序列来说，”为奇数，q = 2 + l 时，平衡g o l d 序列龛部可由硬件方法产 生；q = 2 “一2 + l 酵，全郝爵出检验算法产生。n 必强数，譬= 2 。+ 1 爵，大约 2 3 的平衡g o l d 序列可用硬件方法产生；q = 2 扑一2 。+ l 时，大约2 3 的平衡g o l d 痔残霹薄捡黢算法产生。【5 麓 铷 4 4 扩频通信的编码捕捉和跟踪 扩频通镶瑟通过扩频织调处理( 解扩) 来恢复窄带售号，也就是对扩频缡鹤 作相关处理来实现解扩，这就要求接收机的本地伪随机编码与发射来的扩频编码 楣位宠全同步，否则就不能实现同通信对方的连接，嚣是一片噪声。簧实现了| 司 步而不能保持闻步，也不能猴确可靠获取发送来的信息数据。因此，问步问题是 扩频i 驻信的一个重要旗本问题。扩频邋信获取扩频恳步的过糕叫初始同步，遗常 称为捕获( a c q u i s i t i o n ) ，保持殴获得的硒步叫同步保持，通常称为跟踪( t r a c k i n g ) 。 代表性的扩频序列捕捉方法有谢种。一种酬微扩频编码的滑动相关撼挝法 ( s l i p i n gc o r r e l a t i o n ) ，工作原邋如图1 3 所示。当本地扩频编码与输入信号的扩 频编码有楣饿差时，它们之闽作相关，其相关积分值时扩频编码自棚关旁瓣，低 予眈较门限，门限醵鞍器没裔输出，控制器将跟踪控制断开，让产生扩频编确的 时钟速度偏穆，使本地扩频编娼相位接收到的扩频编码相位在滑动。当与接收到 的扩颓编码楣位一致辩，稆关值为最大尖峰，门限眈较嚣有输出，控制器将转向 跟踪控制，时钟速度稳定，产生与接收到的扩频编码相位一致的本地扩频编码， 完成了扩颓编褥的捕获。舅一稀方法时使厢嚣配滤波器，常用的是声裘面波器件 ( s a w 期间) 。用s a w 抽头延迟线，s a w 卷积器，s a w 相关器等求实现扩频 编鹃的同步捕获。也脊耀c c d 器件藏大蕊模数字电褥赣件来完成的。 1 5 北京邮电大学硕士学位论文 图1 3 扩频编码滑动相关捕获原理p j 扩频编码的跟踪，是在扩频编码相位同步捕获成功的基础上工作的，要求能 使本地扩频编码与发送来的扩频编码的相位差保持尽可f t a , j , ，一般应小于扩频码 元宽r 的1 1 0 。最常使用的，最具有代表性的是图l 一4 所示的延迟锁相环( d l l ) 电路。该电路使用两个扩频编码相关器，它们的本地扩频编码相位与接受到的输 入扩频编码相位分别差+ 2 。一2 ，彼此相减得到图l 一4 所示的跟踪鉴别信 号。该信号经滤波器输出，去控制压控振荡器的时钟速率，从而调整本地扩频编 码的输出相位，达到与接收到的扩频编码相位一致。即本地扩频编码相位超前时， 跟踪鉴别输出信号为负，时钟速度降低，使本地扩频编码的码元生成速度降低， 从而消除超前，反之亦然。这样，使用延迟锁相环能很好地保持本地扩频编码与 接收到的扩频编码的良好同步。7 】【1 1 】f ”】f 1 3 1 1广一 一一一1 “榨” 图1 4 延迟锁相跟踪环1 5 1 一滤 ，h0 l， ，。、j 黼 【蓁 一【 - h _ 一 附 斛_ 喜 ；1吩 北京邮电太学硕士学位论文 第二章短波超短波信道特点和模型 人们对短波超短波信道的研究有悠久的历史。自从麦克斯韦于1 8 6 4 年提出 电磁波理论嚣，入 | 】藏开始了怼短波怒短波接道豹职究。在对短波天波接揆蚕努究 中，3 0 年代地球大气电离层及其对短波的反射特性得到确认。国际电联于1 9 8 2 年公糍了c c i r 关于缎波天波抟撂的系歹l 报豢，成为短波通蕊系统设诗的基本依 据。在对短波地波传播研究中，1 9 0 9 年，索朱菲尔德提出了有限导电地理论， 到立了电波地波传播理论。落顿于1 9 3 6 年至1 9 4 1 年，将索氐理论工程化，劳将 结果扩展到球形地面；巴日科于1 9 7 0 年提出考虑地表面粗糙腹的传播分析方法； 汉颠予1 9 7 7 霉提出大气尘埃对地波场强的贡献；糖蛰期吉孚导嚷特于1 9 7 9 年诞明 了地球超折射环境的存在：考布如壳于1 9 7 8 年提出日e 齐次球形地面与人造建筑 地面上地波损耗豹计簿方法：美国电磁兼容分析中心、列文、鲁思伽藤、匆科尔 及马| 血伽等，分别于1 9 7 5 年懋1 9 8 1 年提出了各自的地波损耗模型；美军于1 9 7 5 年公稚了世界范围地波通信图表；c c i r 于1 9 8 2 年发搬了典型地形条件下地波传 播曲线。 3 1 人们长期以来研究短波和超短波信道，锝到了很多重要的成果。本章主要介 绍愆波超短波信遒的特点，彩响电磁波传播的因素和短波超籁波信遒模型。 2 1 无线电信道简介 嚣线逶嵇畚统零l 溺在鑫凌窆蓠孛传撵静电磁波俸为载僖传输僖怠。在蠢由空 间内，不同工作频率的电磁波其传播方式大相径庭。因此根据不同频率电磁波传 播援德兹差舞，久稻篼无线傣遒划分为不同豹猿段。 2 1 弼吴体豹翔分方式如藤2 1 _ i j 吁示： 1 7 北京稚电太学磺士学位论文 颠袋 弼逢 一、一 、一一一一 毫米渡( 辩辩 警航 正糙通信 微波r 1 1 继 j 臼高频( 制r ) 空通信 蔷选 十 通信 特2 f ； t 额( u i i f ) 电桃 移动 缱也话、型憎臀制 菸舞顿( v i i f ) 电援、璃鞭r 。赫 q k 余无线电 高捌( 1 i f ) ! j f j 通付 短波r 播 中藏( * f j黼。樯 衄空 低频( ”) 导靛 戈线电报 甚低额( v i ，) 音频 图2 1 无线信造的频段划分及童要用途f 2 l 下瑟我翻寒分裂奔绍各令菝黢电磁渡镑捶豹特点。电磁渡在大气霸鑫国空潮 中差要有三种传播模式，地波传播、天波传播、视距( l o s ) 传播。每种传播模 式戆薅点热爱2 2 辑示。 地波传播 天波传播 税跆传播 图2 - 2 电磁波的传播模式f 2 l 在v l f 和音频频段，地球和魄离层成沩电磁波的波导，在这个频段，通信信 号可以传播到地球的任何角落，所以它主隳用于全球的岸船通信。但这个频段的 主要缺点怒可用僚遒带宽裰窄( 大约为中心频率的1 - 1 0 ) ，所以它只黥提供低 速业务，简且以模拟通信方式为主。这种信道下的主要噪声源于甏暴，丽且该频 段爝户闯的互抗较大。 在m f 频段，电磁波主要的传播途径悬地波传播，它主疆用于a m 广播粒海事 通信，脯广播静最大传播距离限镧在1 5 0 k m 左右。汴频段数据传输的主要噪声 一 北京邮电大学硕士学位论文 来源于大气噪声、人为噪声和接收机的热噪声。 而h f 频段的电磁波则主要通过天波进行传播，也就是通过电离层的反射术 实现大距离的通信。 在频率超过3 0 m h z 之后，电磁波会穿过电离层，因此在v h f 和更高的频段， 天波传播基本上已经消失了，所以这些频段可以用于卫星通信和地外通信，而在 地表，这个频段的电磁波主要是以视距( l o s ) 传播的形式进行的。这意味着发 信机和接收机必须位于一条视线上，而且在二者之间只能有很少的障碍物。对于 视距传播而占，它的覆盖面积受限于地表的曲率。因此，在视距传播信道的情况 下，为了增大覆盖面积，常常需要建设高塔来增高天线高度。在v h f 和u h f 频段， 限制通信系统性能的主要噪声是接收机的热噪声和宇宙噪声。而在高于l o g h z 的s h f 频段，大气状况成为限制信号传播的主要因素。 我们已经知道，短波超短波指的主要是h f 频段和v h f 的较低频段。在h f 频段，也就是短波波段，除了发信机和接收机之外，无需额外的设备就可以实现 远距离的数据传输，这主要在战略电台中使用；而超短波波段虽然传输距离相对 较近，却在战术电台中广泛使用。因此，在今天的条件下，对短波超短波通信这 一古老而又新兴的通信方式继续进行研究还有着深远的实际意义。 2 2 短波超短波信道概述 超短波信道中，电磁波传播的最主要模式是l o s 传播( 1 i n e o f s i g h t ) ，对 于陆地通信系统，这意味着发送机和接收机的天线必须是直达l o s ，没有什么障 碍。一般地，超短波通信限制性能的最主要噪声为接收机前端所产生的热噪声和 天线接收到的宇宙噪声。和短波通信相比，超短波通信受到的干扰较少，所以下 面将主要详细介绍短波通信信道。 。 频率在3 - - 3 0 m h z 范围内的无线电波被称为高频( h f ) 无线电波，又称为短 波。它可以用地面波和天波的形式来传播。若短波靠地面波传播时，由于地面波 的衰减随频率的升高而增加，因此对常用的发射功率而言，短波的传播距离只有 几十公里；若短波以天波传输时，由于电离层的反射使其距离可达几千公里。同 时由于电离层具有抗毁性好、对短波吸收小、通信线路建立迅速等优点，通常短 波通信采用天波传输。 4 1 2 l i e 2 2 】f 2 3 1 t 9 嚣寨癣鑫大学磺l ? 学往幸螽文 2 2 。l 毫囊震壤逮 电裹屡中电子浓度兹惑凄分- 蠢寿几个峰值区域，按照这些峰德区域出蟪数高 度，整个电离层又相应的分为四个区域，从低到商分别称为d 层，e 层，r 层， f ，层。各屡之斛没蠢明显的分界线，也没露非电离舱空气间隙。每层都肖个 电子浓度的最大使，整个电离层的最大电予浓度区域在f 2 层，r 层以上的电子浓 度随高度增加丽缓慢地减小。 各层的电子浓度对可嗣的工作频率起稽重要的作用。黼电子浓度可以反射较 高的频率，两低电予浓度只能反射较低的工 乍频率。 e 于电离层的形成主骚是太阳辐射造成的，西此各区的电子浓度、高度等参 数和各地点的地理位置、攀节、时阕和太阳活动等都有密切豹联系。1 4 【2 3 l 2 2 2 短波信道中的电波传播 ( 1 ) 传输模式 短渡魄离层戆髂输模式递拳豢短渡绩辕懿路径。由予缝渡天线泼寒较蹇，嚣 线发散性较大，同时电离滕又