短波扩频通信技术地研究论文.pdf

之一。近年来，扩展频谱技术在短波军事通信中有了广泛的应用。与一般的均衡 和抗干扰技术相比，扩频系统具有抗干扰能力强，保密性好，易于实现码分多址 等优点。近年来在民用通信中也得到了广阔的发展，是通信技术中新热点。 本文首先介绍了短波信道特点，给出了扩频通信相关的基础背景知识和发展 情况，包括扩频通信技术的原理，典型扩频通信系统分类；其次，基于扩频序列 码理论，着重介绍了1 1 1 序列码、g o l d 序列码和多进制正交扩频码三种典型伪随机 序列码；然后，针对短波信道传输中的多径衰落问题，设计了一种r a k e 接收机来 实现分集接收，提高了系统抗多径衰落的能力。最后利用m a t l a b 软件，对了p n 序列，r n 序列，g o l d 序列和多进制正交扩频序列进行了仿真分析，研究不同扩频 序列对短波扩频通信系统性能的影响。 关键字：扩频通信m 序列g o l d 序列多进制正交序列r a k e 接收 a b s t r a c t a b s t r a c t i - i fc o m m u n i c a t i o np l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，e s p e c i a l l y i nt h em i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n sb e c a u s eo fi t si n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s s p r e a d - s p e c t r u m c o m m u n i c a t i o ni sw i d e l ya p p l i e di n t oh fm i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n t oc o m p a r ew i t h t e c h n o l o g yo fe q u a l i z a t i o na n da n t i i n t e r f e r e n c e ，s p r e a d - s p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n i so f s t r o n ga b i l i t yo fa n t i i n t e r f e r e n c e ，g o o dp r i v a c y , a p tt or e a l i z et h ea d v a n t a g e s ，a n dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，e t c i ti san e wf o c u si nt h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yf o r w i d ed e v e l o p m e n ti nc i v i lc o m m u n i c a t i o ni nr e c e n ty e a r s t h i sd i s s e r t a t i o na tf i r s t , b e s i d e so fi n t r o d u c i n gt h ec h a r a c t e ro ft h eh fc h a n n e l ， h a si n t r o d u c e dc o r r e l a t e db a s i cb a c k g r o u n dk n o w l e d g ea n dd e v e l o p m e n to ns p r e a d - s p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n s ， i n c l u d i n g t h e p r i n c i p l e o f s p r e a d s p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n s ，s o m et y p i c a lm o d e l s t h e nb a s e do nt h et h e o r i e so fs p r e a ds p e c t r u m s e q u e n c e ，t h ep r i n c i p l e so fp s e u d o r a n d o ms e q u e n c e ( c l a s s i f ym - s e q u e n c e ，g o l d - s e q u e n c ea n do r t h o g o n a ls p r e a ds p e c t r u ms e q u e n c e ) a r ee m p h a t i c a l l ye x p l a i n e d t h e n ar a k er e c e i v e ri su s e dt or e a l i z et h ed i v e r s i t yr e c e p t i o nt oa n t it h em u l t i p a t hf a d i n g f i n a l l yi nm a t l a bs o f t w a r e ，t h es i m u l a t i o no fp ns e q u e n c e ，ms e q u e n c e ，g o l d s e q u e n c ea n do r t h o g o n a ls p r e a ds p e c t r u ms e q u e n c ew e r eg i v e n , a n d t h ei n f l u e n c ef o r d i f f e r e n ts p r e a ds p e c t r u ms e q u e n c ei nh fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a sa n a l y z e d k e y w o r d s ：s p r e a d - s p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n sm s e q u e n c e g o l d - s e q u e n c e o r t h o g o n a ls p r e a ds p e c t r u ms e q u e n c e r a k er e c e i v e r 2 2 1 扩频通信的理论基础7 2 2 2 扩频通信系统分类9 2 2 3 扩频通信的主要性能指标1 l 2 2 3 扩频通信的主要特点1 1 第三章扩频系统的伪随机序列1 3 3 1 伪随机编码概述1 3 3 1 1 伪随机序列的定义1 3 3 1 2 伪随机序列的产生。1 4 3 2m 序列1 5 3 2 1m 序列的生成1 5 3 2 2m 序列的特性j 1 6 3 3g o l d 序列1 7 3 3 1g o l d 序列的生成1 8 3 3 2g o l d 序列的特性1 8 3 4 正交扩频序列1 9 3 4 1h a d a m a r d 矩阵1 9 3 4 2 多进制正交扩频。2 0 第四章r a k e 接收2 3 4 1 概述：2 3 4 2 信道传输特性及模型2 3 4 3r a k e 接收机原理与实现2 7 短波扩频通信技术研究 4 3 1 信号发端模型2 7 4 3 2 接收端相关同步2 8 4 3 3 多径分离2 9 4 3 4m r c 合并解调3 0 第五章扩频系统性能仿真3l 5 1d s 扩频系统仿真模型31 5 2p n 序列的性能仿真3 5 5 2m 序列的性能仿真3 6 5 3g o l d 序列的性能仿真3 8 5 4 多进制正交扩频的性能仿真3 8 5 5 不同序列自相关互相关特性及其误码率比较4 0 结束语4 3 致谢4 5 参考文献4 7 第一章绪论 第一章绪论 1 i 引言 自从1 9 2 1 年一次意外事故，短波被发现可实现远距离通信以来，短波通信迅 速发展，成为了世界各国中、远程通信的主要手段，被广泛地用于政府、军事、 气象、商业等部门，用于传送电报、电话、传真、低速数据和图像、语音广播等 信息。在卫星通信出现以前，短波在国际通信、防汛救灾、海难救援以及军事通 信方面发挥了独特的重要作用。从2 0 世纪初一直到上世纪6 0 年代中期，短波通信 一直是远距离通信，特别是洲际通信的主要手段。人们利用短波传输的特性实现 了能传送几千公里甚至上万公里距离的短波通信u j 。 与卫星通信、地面微波、同轴电缆、光缆等通信手段相比，短波信道不需要 建立中继站，因而建设和维护费用低，建设周期短；设备简单，电路调度容易， 临时组网方便、迅速，具有很大的灵活性；对自然灾害和战争的抗毁能力强；这 些都是短波通信被长期保留，至今仍然被广泛使用的主要原因。 1 2 现代短波通信新技术及发展趋势 随着微型计算机、移动通信和微电子技术的迅速发展，短波通信技术有了新 的突破性进展。8 0 年代以来，人们在短波通信设备中采用了数字信号处理技术、 自适应技术、跳频技术以及高速数据传输技术等新技术，不断提高短波通信的质 量和数据传输的速率，增加了新的业务功能，使短波通信再次得到广泛应用。尽 管当前新型无线电通信系统不断涌现，短波这一古老和传统的通信方式仍然受到 全世界普遍重视，不仅没有被淘太，还在快速发展。 ( 1 ) 现代短波信道技术 现代短波信道技术主要分为两大类：一类是针对短波变参信道的特点，为了 克服短波空间信道的不稳定性对通信质量的影响，提高短波通信，特别是短波数 据通信的可靠性和有效性而发展起来的，称之为信道自适应技术。这类技术以短 波实时选频和频率自适应技术为主体。另一类是针对短波通信存在的保密( 或隐 蔽) 性不强、抗干扰能力差的弱点，以及电磁斗争的特点和规律，为了提高短波 通信在电子战中的生存能力，以及抗侧向、抗侦察、抗截获、抗干扰等防御能力 而发展起来的，称之为短波通信电子防御技术。这类技术与短波扩频通信技术为 主体，包括短波跳频和自适应技术，以及短波直接序列扩频技术等。 2 短波扩频通信技术研究 ( 2 ) 现代短波通信终端技术 现代短波通信终端技术，主要是针对短波通信存在着严重的电磁干扰的特点， 为了满足人们对数据业务，特别是高速数据业务的需求，围绕着提高数据传输的 可靠性和数据传输速率而发展起来的。它主要包括短波调制解调技术，差错控制 技术等等。调制解调技术主要有多音并行体制，单音串行体制，格状编码调制 ( t c m ) ，多载波正交频分复用( o f d m ) 调制等。 ( 3 ) 短波通信装备数字化与网络技术【l j 现代短波通信网络技术主要包括短波跳频电台组网技术和短波数据通信网络 技术等。短波跳频电台组网有其特殊性，跳频网络是一个复杂的随机时序系统， 实现跳频互通，技术体制和所有参数要完全相同，还要进行管理和授权。全自动 短波数据通信网实质上是一种无线分组交换网，采用o s i 的7 层结构模型。网络 的主要设备是高频网络控制器( n c ) ，其主要功能是自动路由选择与自动链路 选择、自动信息交换与信息存储转发、持续跟踪、持续交换、间接呼叫、路由查 询和中继管理等。网内所有设备都受网络管理设备( 嵌入式计算机) 的管理和控 制。 1 3 扩频通信技术 信道的时变色散特性，天波与地波间的静区以及通信易被截获和干扰等缺点 的存在，要求采用新的技术来克服短波信道的干扰。自适应跳频和直接序列扩频 等抗干扰扩频技术自然而然与短波系统相结合。 所谓扩展频谱技术( 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 ，简称扩频技术) 一般是指 用比信号带宽宽得多的频带宽度来传输信息的技术【3 】，它是指发送的信息被展宽到 一个很宽的频带上，在接收端通过相关接收，再将信号恢复到原始的信息。从5 0 年代中期开始到现在5 0 多年的时间内，扩频通信技术迅速发展，并且得到越来越 广泛的应用。在卫星通信、航天、信息保密、全球定位系统( g p s ) 、测距和码分多 址( c d m a ) 通信等方面，显示了它极强的生命力。在电子对抗时代，扩频技术用于 通信、导航和识别信息综合系统，并且为军事上提供最先进的联合指挥系统，它 是强有力的电子对抗手段之一。 一般情况下，不同于卫星通信，短波扩频通信系统的带宽是不变的，要提高 扩频系统的抗干扰能力，就应该提高系统的处理增益，也就是提高扩频用的伪随 机码的速率。伪随机码速率提高一倍时，系统的处理增益增力1 3 d b t 4 1 。根据s h a n n o n 理论，只有在随机序列达到白噪声特性的时候，才能更好的传输信号，使得系统 得到更好的增益。因此，在扩频系统中，一般都伪随机码都是服从这一定理得。 产生的扩频码或伪随机码尽可能的达到或符合白噪声特性。一般的扩频码包括m 序 第一章绪论 列、g o l d 序列和w a l s h 序列等。 1 4 本文主要内容和框架 本文针对短波通信的特点，讨论了短波信道模型和扩频方法，结合传统的伪 随机序列码的特性要求，给出了多进制正交扩频码来提高系统的性能。重点比较 个伪随机序列的特性和误码性能。其中的w a l s h 码本文采用了 m i l s t d 1 8 8 11 0 b f l 2 】中的w a l s h 扩频码方式。最后利用m a t l a b 语言编写程序实现 算法 2 1 ，并测试了其性能。 内容安排： 第二章介绍了短波无线信道的特性，主要概述了短波信道中的各种传输特性； 介绍了扩频通信系统的理论基础和扩频通信系统的分类。 第三章重点研究了伪随机序列码。包括m 序列、g o l d 序列和w a l s h 码，并给 出了一些简要的分析说明。其中w a l s h 码和m 序列的结合是本文讨论的重点，给爱 出了详细的说明。 第四章重点研究了r a k e 接收原理，对r a k e 分集接收技术进行简单的研究。 第五章在仿真的基础上，结合实际的短波系统，给出了各个扩频码的性能仿 真。 藩o | ? 4 短波扩频通信技术研究 第二章短波信道特性及扩频系统基础理论 第二章短波信道特性及扩频系统基础理论 2 1 短波信道的传输特性 短波通信是利用波长为1 0 m - 1 0 0 m ( 频率为3 - 3 0 m h z ) 的电磁波进行通信。 许多国家也把短波通信称为高频( h f ) 无线电通信。短波有地波传播和天波传播 两种传播形式。天波传输较地波传播更有意义，不仅可以进行远距离传播，还可 以在很短的距离内建立无线电通信线路。通常情况下，短波通信都是采用天波传 输的形式。也就是依靠电离层的一次或多次反射进行通信。电离层的特性决定了 短波通信电波传播的特点。我们将从下面几个方面进行说呀1 1 j 。 2 1 1 多径传播 由于电离层特性，电波可通过若干条路径不同的传输模式到达接收端。电离 层的传输模式通常指短波传播的路径。一条通信线路中存在着多种传播路径，不 同的通信距离可能有不同的传输模式，而相同的距离也可能有多种传输模式存在， 这造成了短波通信存在多径的特点。统计表明，多径路数在2 一条约8 5 ，以3 条出现几率最高。由于各路径具有不同的长度，到达接收端的各电波所经历的传 播时间是不尽相同的。多径时延差是指多径传输中最大的传输时延和最小的传输 时延之差。多径时延的大小和通信距离、工作频率等因素有关。 2 1 2 衰落 在电离层内短波传播过程中，由于电离层特性的随机变化，引起传播路径和 能量吸收的随机变化，使得接收电平呈现不规则变化。短波通信中，即使在电离 层的平稳时期，也不可能获得平稳的信号。接收端信号振幅总是呈现忽大忽小的 随机变化，这种现象成为“衰落”。连续出现持续时间仅几分之一秒的信号起伏称为 快衰落。持续时间比较长的称为慢衰落。 慢衰落主要是吸收型衰落。它是由电离层电子密度及高度的变化造成电离层 吸收特性的变化引起的，表现为信号电平的慢变化。要克服慢衰落，应该增加发 射机功率，以补偿传输损耗。 快衰落是一种干涉型衰落，它是由随机多径传输引起的。由于电离层媒质的 随机变化，各径相对延时亦随机变化，使得各合成信号发生起伏，在接收端看来， 这种现象是由于多个信号的干涉造成的，因此称为干涉衰落。遭受干涉衰落的电 场强度振幅服从瑞利分布。增加发射功率也可以补偿快衰落。但是这是不经济的， 通常除了为补偿快衰落留有一定的功率余量外，主要采用抗衰落技术，例如分集 6 短波扩频通信技术研究 接收、时频调制和差错控制等。 2 1 3 多普勒频移和多普勒展宽 信号相位起伏是指相位随时间的不规则变化。引起信号相位起伏的主要原因 是多径的传播。此外，电离层折射率的随机变化及电离层的不均匀体的快速运动， 都会使信号的传输路径长度不断变化而出现相位的随机起伏。根据实测结果得出： 信号衰落率愈高，信噪比愈低，相位起伏愈大。 当信号的相位随时间变化时，必然产生附加的频移。无线信道中的频率偏移 主要是由于收发双方的相对运动而引起的。由传播中多普勒效应造成的发射信号 频率的漂移称为多普勒频移。同样由于电离层的不均匀和不规则的运动，信号在 传输时会发生散射，这就产生了多普勒展宽。 2 1 4 噪声和干扰 短波信道的噪声主要包括大气噪声、人为噪声、宇宙噪声等。其中人为噪声 在大部分地区处于主导地位。短波波段的大气噪声主要是天电干扰，由大气放电 产生。天电干扰的频谱很宽，但随着频率的增高其强度减小，对长波波段的干扰 最强，中波次之，相比之下，对短波的影响要小的多。人为噪声也称工业干扰， 它是各种电气设备、电力网和点火装置所产生的。需要特别指出的是，这种干扰 的振幅除了和本地噪声源有密切关系外，同时也取决于供电系统。 2 2 扩频通信系统 扩展频谱通信( 简称扩频通信) 与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息 时代的三大高技术通信传输方式，扩展频谱通信通信系统是将基带信号( 即信息) 的频谱扩展至很宽的频带上，然后再进行传输的一种系统，即将待传送的信息数 据用伪随机编码( 扩频序列) 调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用同样的 编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。这种系统占有的频带宽度比基带 信号的频率带宽要宽得多。显然，这种通信方式与一般常见的窄带通信方式相反， 是在扩展频谱后进行宽带通信，再做相关处理恢复成窄带后解调数据。 采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展谱的方法可以换取信噪比上的好 处，即接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比有很大改善，从而提高了系统的 抗干扰能力。 。 图2 1 是扩频数字通信系统原理框图1 7 1 。在发端输入的信息先调制形成数字信 号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱，展 第二章短波信道特性及扩频系统基础理论 7 后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩，再经信息解调，恢复成原始 信息 图2 。1 扩频数字通信系统原理框图 输出。可见，一般的扩频通信系统都要进行3 次调制和相应的解调。一次调制为信 息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射 频解调。与一般通信系统比较，多了扩频调制和解扩部分。 传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。例如语音信息的带宽大约 为2 0 h z 2 0 0 0 0 i - i z 、普通电视图像信息带宽大约为6 m h z 。为了充分利用频率资源， 通常都是尽量压缩传输带宽。如电话是基带传输，人们通常把带宽限制在3 4 0 0 h z 左右。如使用调幅信号传输，因为调制过程中将产生上下两个边带，信号带宽需 要达到信息带宽的两倍，而在实际传输中，人们采用压缩限幅技术，把广播语音 的带宽限制在大约为2 x 4 5 0 0 h z = 9 k h z 左右；采用边带压缩技术，把普通电视信号 包括语音信号一起限制在1 2 x 6 5 m h z = - 8 m h z 左右。即使在普通的调频通信上，人 们最大也只把信号带宽放宽到信息带宽的十几倍左右，这些都是采用了窄带通信 技术。扩频通信属于宽带通信技术，通常的扩频信号带宽与信息带宽之比将高达 几百甚至几千倍。有人要问为什么要这么做? 这样是不是太浪费频率资源了? 这 些问题可以用信息论和抗干扰理论来解释。 2 2 1 扩频通信的理论基础【1 3 1 扩频通信的基本理论是根据信息论中的s h a n n o n 2 5 1 公式，即 c = b l 0 9 2 ( 1 + s n ) ( 2 - 1 ) 式中：c 为系统的信道容量( b i f f s ) ；b 为系统信道带宽( h z ) ；s 为信号的平均功率； 为噪声功率。 1 ) 要增加系统的信息传输速率，即增加信道容量，可以通过增加传输信号的 带宽( b ) 或增加信噪比( s n ) 来实现。 2 ) 当信道容量c 为常数时，带宽b 与信噪比之间可以互换，即可以通过增加 带宽( b ) 来降低系统对信噪比( s n ) 的要求，也可以通过增加信号功率来降低信 号的带宽。 8 短波扩频通信技术研究 3 ) 当带宽( 召) 增加到一定程度后，信道容量c 不可能无限制地增加。 因此，在无差错传输的信息速率c 不变时，如信噪比很低( n s 很大) ，则可 以用足够宽的带宽来传输信号。 s h a n n o n 公式表明了一个系统信道无误差地传输信息的能力跟存在于信道中 的信噪比( s n ) 以及用于传输信息的系统信道带宽( b ) 之间的关系。该公式说明 了两个最重要的概念：一个是在一定的信道容量的条件下，可以用减少发送信号 功率、增加信道带宽的办法达到提高信道容量的要求；一个是可以采用减少带宽 而增加信号功率的办法来达到。 也就是说信道容量可以通过带宽与信噪比的互换而保持不变。在实际工程中， 信道的噪声功率谱密度是不能随意选定的，所以，在功率谱密度一定，系统信道 容量c 不变的条件下，只能是系统信道带宽与信号功率的互换。为了达到是c 值 不变的前提下，可以通过提高s 值或者改变b 值来实现，但是实际情况是如果为了 使传输带宽变小而去提高发射的功率，信号功率的提高代价很大，会消耗很多的 能量，而且也不能无限度的提高。比较可行的方法是增加信号带宽来换取信号功 率减小，在实际应用中更加有效。扩展频谱技术正是利用这一原理，用高速率的 扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目的。 扩频通信可行性的另一理论基础，为柯捷尔尼可夫关于信息传输差错概率的 公式 p f ( e n o ) ( 2 - 2 ) p 为差错概率厂为信号的频率，e 为信号能量，0 为噪声功率谱密度。对于 一定带宽的信息而言，用g p 值较大的宽带信号来传输可以提高通信抗干扰能力， 保证强干扰条件下，通信的安全可靠。总之，我们用信息带宽的1 0 0 倍，甚至1 0 0 倍以上的宽带信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条 毫度 均 鬈 盘 疲 值您谚军鹰龟爰上拜 露培偿窟菝静曼 琦塞睫 第二章短波信道特性及扩频系统基础理论 9 图2 2 扩频系统能量变化图u 刚 件下保证可靠安全地通信。这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。 图2 2 是扩频系统能量变化示意图。待传信息的频谱被扩展了以后，能量被 均匀地分布在较宽的频带上，功率谱密度下降，扩频信号解扩以后，宽带信号恢 复成窄带信息，功率谱密度上升；相对于信息信号，脉冲干扰只经过了一次被模 二相加的调制过程，频谱被扩展，功率谱密度下降，从而使有用信息在噪声干扰 中被提取出来。从图中，可以清楚看出扩频通信是如何抗干扰的。 2 2 2 扩频通信系统分类 扩频通信与一般的通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接 收端增加了扩频解调的过程，扩频通信按其工作方式不同主要分为直接序列扩频 系统、跳频扩频系统跳时扩频系统、线性调频系统和混合调频系统。 直扩系统( d s ) 就是采用高码速率的直接序列( d i r e c ts e q u e n c e ) 伪随机码在 发端进行扩频，在收端采用相同的伪码( p n ) 进行相关解扩。 跳频系统( f h ) 就是采用跳频( f r e q u e n c yh o p p i n g ) 方式进行扩频，形象地说是 采用特定的伪码控制的多频率移频键控。 跳时系统( t h ) 就是采用跳时( t i m eh o p p i n g ) 方式进行扩频，形象地说是采用 特定的伪码控制的多时片的时移键控 混合系统就是直扩，跳频和跳时的相应组合即d s f h t h 混合系统 直接序列扩频 现以直接序列扩频系统为例说明扩频通信的实现方法 图2 3 直接序列扩频系统原理图 图2 3 是直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 系统原理图。由直扩 序列扩频系统原理图可以看出，在发射端，要传送的信息先转换成二进制数据或 1 0 短波扩频通信技术研究 符号再与伪随机码产生器产生的伪随机码进行模2 加，产生速率与伪随机码速率 相同的扩频序列，然后再用扩频序列直接调制载波，这样得到已扩频调制的射频 信号。在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频后，用发射机端完全同步的p n 码伪随机序列对扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息序列的频 带，然后进行解调，恢复出所传输原始数据信息。 跳频 跳频系统的载频受一个伪随机码控制，不断地、随机地跳变，可视作载频按 照一定规律变化的多频频移键控( m f s k ) 。与直扩系统不同，跳频系统中的伪随 机序列并不直接传输，而是用来选择信道。跳频系统主要由p n 码产生器和频率 合成器两部分组成，快速响应的频率合成器是频率跳变系统的关键部件。频率跳 变系统的发射机在一个预定的频率集中，由p n 码序列控制频率合成器，使发射 频率能随机地由一个跳到另一个。接收机中的频率合成器也按相同的顺序跳变， 产生一个与发射频率只差一个中频的本振频率，经混频后得到固定的中频信号， 该中频信号经放大后送到解调器，恢复传送的信息。此处，混频器实际上担当了 解调器角色，只要收发双方同步，就可将频率跳变信号转换为一个固定频率的信 号。 图2 4 跳频系统原理图 图2 5 跳时系统工作原理图 跳时 跳时系统是用伪随机码去控制信号发送时刻及发送时间的长短。它和跳频的 差别在于一个控制的是频率，而另一个控制的是时间。再时间跳变中，将一个信 号分伪若干个时隙，由伪随机码控制在那个时隙发送信码。时隙选择、持续时间 和长短也是由伪随机码来控制的。因此，信号是在开通的很短时隙中，以较高的 第二章短波信道特性及扩频系统基础理论 1 l 峰值功率传输的，可以看成一种随机的脉位调制( p p m ) 。跳时系统工作原理如图 3 5 所示。 2 2 3 扩频通信的主要性能指标【3 0 】 1 扩频增益( p r o c e s sg a i n ) 扩频增益是扩频通信的重要参数，它反应了扩频通信系统抗干扰能力的强弱， 其定义为接收机相关器输出信噪比和接收机相关器输入信噪比的比值 q = 塑堂堡堕些：墨坐竖 输入信噪l - t ；s t n , ( 2 - 3 ) 处理增益越高，系统抗干扰能力越强。扩频系统会遇到各种干扰，常见的有三种： ( 1 ) 白噪声干扰，如空间电磁干扰、大气噪声、工业设备点火装置等；( 2 ) 单频率等 幅干扰，如其它常规通信设备信号；( 3 ) 其它扩频信号，也称多址信号。扩频系统对 以上干扰都具有很强的抵抗能力 2 干扰容限( i n t e r f e r e n c em a r g i n ) r m ，= g p 一心+ ( 詈) 。】 ( 2 - 4 ) v a 其中m ，是干扰容限，q 是系统的处理增益，厶为系统损耗，e ) 。为相关解扩后 v 输出端要求的信噪比由此可见，抗干扰容限m ，与扩频处理增益g ，成正比，扩频 处理增益提高后，抗干扰容限大大提高，甚至信号在一定的噪声淹没下也能正常 通信。通常的扩频设备总是将用户信息( 待传输信息) 的带宽扩展到数十倍、上百倍 甚至千倍，以尽可能地提高处理增益。 2 2 3 扩频通信的主要特点 扩频通信具有许多窄带通信难以替代的优良性能，使得它能迅速推广到各种 公用和专用通信网络之中。简单来说主要有以下几项优点： 1 抗干扰性强，误码率低 如上所述，扩频通信系统由于在发送端扩展信号频谱，在接收端解扩还原信 息，产生了扩频增益，从而大大地提高了抗干扰容限。根据扩频增益不同，甚至 在负的信噪比条件下，也可以将信号从噪声的淹没中提取出来，在目前商用的通 信系统中，扩频通信是唯一能够工作于负信噪比条件下的通信方式。各种形式人 为的干扰( 如电子对抗中) 或其他窄带或宽带( 扩频) 系统的干扰，只要波形、时间和 码元稍有差异，解扩后仍然保持其宽带性，而有用信号将被压缩。可以看出，对 于脉冲干扰，由于在信号的接收过程中，它是一个被一次”模二相加”过程，可以看 成是一个被扩频过程，其带宽将被扩展，而有用信号却是一个被二次”模二相加” 1 2 短波扩频通信技术研究 过程，是一个解扩过程，其信号被恢复( 压缩) 后，保证高于干扰。由于扩频系统这 一优良性能，其误码率很低，正常条件下可达1 0 1 0 ，最差条件下也可达1 0 6 ，远 高于普通的微波通信( 如通常所说的一点多址) 的效果，完全能满足目前国内 s c a d a 系统对通信传输质量的要求。应该说，抗干扰性能强是扩频通信的最突出 的优点。 2 易于同频使用，提高了无线频谱利用率 无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波都已得到开发利用，仍然满足不了社 会的需求。为此，世界各地都设计了频谱管理机构，用户只能使用申请获得的频 率，依靠频道划分来防止信道之间发生干扰。由于扩频通信采用了相关接收这一 高技术，信号发送功率极低，且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一 地区重复使用同一频率，也可以与现今各种窄带通信共享同一频率资源。 3 抗多径干扰 在无线通信中，抗多径干扰问题一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间 的相关特性；在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号， 也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多 径干扰。 4 保密性好 扩频通信是数字通信，特别适合数字话音和数据同时传输，扩频通信自身具 有加密功能，保密性强，便于开展各种通信业务。扩频通信容易采用码分多址、 语音压缩等多项新技术，更加适用于计算机网络以及数字化的话音、图像信息传 输。 5 信息传输可数字化 扩频通信绝大部分是数字电路，设备高度集成，安装简便，易于维护，也十 分小巧可靠，便于安装，便于扩展，平均无故障率时间也很长 综上所述，伪码扩频通信系统的优点是四抗，抗噪声、抗干扰、抗衰落、抗 多径；二多，多地址通信c d m a ) 、多媒体组网( 语音、传真、数字、图像、视频) ； 一小，小功率；一无，无照经营( 国外) 。总之，伪码扩频通信系统具有一系列其 它系统无法比拟的优点，它合理地解决了当代各种无线通信系统存在的干扰、泄 密、选址和组网等四大问题，取得了多方面的重大突破，近年来一直受到世界各 国的极大关注。 第二章短波信道特性及扩频系统基础理论 1 3 第三章扩频系统的伪随机序列 3 1 伪随机编码概述 在扩频系统中，信号频谱的扩展是通过扩频码来实现的。扩频系统的性能同 扩频码的性能有很大关系，扩频码性能的好坏，直接关系到整个系统性能的优劣， 是一个至关重要的问题。对扩频码通常提出下列要求【9 】： 1 ) 易于产生； 2 ) 具有随机性； 3 ) 扩频码应具有尽可能长的周期，使干扰者难以通过扩频码的- - d , 段去重建 整个码序列； 扩频码应具有双值自相关函数和良好的互相关特性，以有利于接收时的截 获和跟踪，以及多用户应用。 一般能满足上述要求的扩频序列应具有如下一些理想特性： 1 ) 有尖锐的自相关特性； 2 ) 有处处为零的互相关值； 3 ) 不同码元数平衡相等； 4 ) 有足够多的编码； 5 1 有尽可能大的复杂度。 3 1 1 伪随机序列的定义 s h a n n o n 编码定理：只要信息速率尼小于信道容量c ，则总可以找到某种编 码方法，使在码字相当长的条件下，能够几乎无差错地从遭受到高斯白噪声干扰 的信号中复制出原发送信息。这里有两个条件1 ) r 。c ；2 ) 编码字足够长。s h a n n o n 在证明编码定理时，提出了用具有白噪声统计特性的信号来编码。白噪声是一种 随机过程，它的瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽的频带内都是均匀的，它有 极其优良的相关特性。但是，真正的自噪声不能重复再现和产生，至今还无法实 现对白噪声的放大、调制、检测、同步及控制等；此外，从理论上说，虽然用纯 随机序列去扩展信号频谱是最理想的，但在接收机中为了解扩应当有一个同发送 端扩谱码同步的副本。因此，只能用具有类似于带限白噪声统计特性的伪随机码 ( p n 码) 来逼近随机码，并作为扩频系统的扩频码，这样有利于在工程的实现。伪 随机序列具有类似噪声的性质，但它又是周期性的有规律的，既容易产生，又可 1 4 短波扩频通信技术研究 以加工和复制的序列。为了保证有效的扩频通信，还要求伪随机码( p n ) 序列具有尖 锐的自相关特性、尽可能小的互相关值、足够多的序列数、序列均衡性好。 作为扩频码的伪随机信号，应具有下列特性： 1 ) 尖锐的自相关函数，而互相关函数接近于0 ，以利于接收时的截获与跟踪。 2 ) 随机性要好。 3 ) 足够长的码周期，以抗侦破、抗干扰。 4 ) 足够多的独立地址数，以实现码分多址。 5 ) 工程上易于产生、加工、复制和控制。 白噪声是一种随机过程，瞬时值服从正态分布，自相关函数和功率谱密度有 极好的相关性，伪随机序列是针对白噪声演化而来的，只有“o 和“l 两种电 平，因此伪随机编码概率分布不具备正态分布形式。但当序列足够长时，由中心 极限定理可知，它趋近于正态分布，由此，伪随机序列定义如下： ( 1 ) 凡自相关系数具有 r1 ，一1 j 专彳= 1 j = o p o ( j ) = 。：州i = o1 ( 3 一1 ) k - - 荟2 , a , 一亩j 0 形式的序列，称为狭义伪随机序列。 ( 2 ) 凡自相关系数具有 以( _ ，) = 彳= 1j = 0 ( 3 2 ) q t n h j = c 乏 一 当周期幄很长及码元宽度乃很小时，r 0 ) 近似于冲激函数6 0 ) 的形状。 3 3g o l d 序列 当选用伪随机序列作为码分多址通信的地址码时，m 序列有很大的局限性。r n 序列虽然性能优良，但同样长度的m 序列个数不多，且序列之间的互相关值并不 都好。r g o l d 于1 9 6 7 年提出了一种基于r n 序列的码序列，称为g o l d 码序列【6 】。 这种序列有较优良的自相关和互相关特性，而且可以用作地址码的数量比m 序列 要多得多，一对m 序列优选对可产生2 7 + l 条g o l d 码。这种码发生器结构简单， 易于实现，因此，g o l d 码在码分多址通信，组网工作的雷达及报警系统等许多工 程领域得到了广泛的应用。 1 8 短波扩频通信技术研究 3 3 1g o l d 序列的生成 如有两个m 序列，它们的互相关函数的绝对值有界，且满足以下条件： r r + l i22 + l ，r 为奇数 i 尺( f ) i = ( 3 - 1 0 ) l r + 2 i22 + l ，r 为偶数，r 不是4 的倍数 我们称这一对m 序列为优选对。它们的互相关函数由小于某一极大值的旁瓣构成。 如果把两个m 序列发生器产生的优选对序列模二相加，则产生一个新的码序列，即 g o l d 序列 产生g o l d 码的方法有两种，它是用一对优选的周期和速率均相同的m 序列的 移位寄存器串联或并联后得到的。通常多使用并联结构，即将两个m 序列进行模 2 和后输出。图3 4 为两个m 序列优选对构成的g o l d 序列发生器产生原理图 图3 4g o l d 序列发生器产生原理图 出 第三章扩频系统的伪随机序列 1 9 所以，g o l d 序列互相关函数低于原m 序列优选对互相关函数，即有 r c ( f ) | r 。 ( r ) i 。三值互相关特性如表3 1 所示。 表3 1g o l d 码三值互相关r ( r ) 特性 寄存器长度，_码长n归一化互相关函数值出现概率 、fno 5 r + l o 2 5 r 为奇数2 7 1 一( 22 + 1 ) r + l o 2 5 - ( 22 一1 ) r 为偶数，但不被4 、| n o 7 5 r + l 0 1 2 5 2 7 1 - ( 22 + 1 ) 整除 r + l o 1 2 5 - ( 22 一1 ) 由表中可以看出，由于码序列的互相关值可以看成两个序列对应位的元素的 相同和不同的码元数的差值。因而得到的g o l d 码族中的码序列出现了平衡( 序列 “1 ”和“o ”之间差为1 ) 与非平衡码。 g o l d 序列的主要性质有： 1 ) g o l d 序列具有三值自相关特性，其旁辩的极大值满足上优选对的条件； 2 ) 两个m 序列优选对不同移位相加产生的。 3 4 正交扩频序列 正交( o r t h o g o n a l ) 扩频序列 2 3 1 是第二类广义伪随机序列。正交序列间的互相 关函数为零，w a l s h 序列是常用到的正交序列，它由哈达码矩阵衍生而来。首先先 介绍h a d a m a r d 矩阵。 3 4 1h a d a m a r d 矩阵 哈达俏矩阵是祛国数字冢m j h a d m a r d 十1 8 9 3 年百先构造出采阴，瑚记为h 矩阵，它是一种方阵，仅由元素+ 1 和一1 构成，而且各行( 和列) 是互相正交的。 最低阶的矩阵是二阶的，即 敛= 瞄二：1 ( 3 1 2 ) 阶数为2 的幂的高阶h 矩阵可以从下列递推关系推出： 耻砜圆= 瞪羔 ( 3 - 1 3 ) 马2 砜圆2 iz 羞，l 短波扩频通信技术研究 式中n = 2 ”； 哈达码矩阵具有下列性质： ( 1 ) h r = h ，也就是说哈达码矩阵是对称矩阵，将哈达码矩阵的各行换成相应的 各列，所得到的矩阵与原矩阵相同； 1 ( 2 ) 日= 日，也就是说哈达码矩阵h 。1 与哈达码矩阵本身日成比例，比例因子 v 为1 n 。 将哈达码矩阵每一行( 或列) 看作一个二元序列，则由n = 2 ”矩阵 h r 】可 得到n 个序列，每个序列的长度为n ，所构成的正交序列集中，任意两个序列互 相正交，各序列的互相关函数为： 这组序列称为w a l s h 序列。 一1 p 西( 0 ) = 口，6 ，= 0 ( 3 - 1 4 ) f ；0 3 4 2 多进制正交扩频 采用直接序列扩频来提高系统的抗干扰性能，但是占用的带宽也比较大。为 了提高频带利用率，同时提高信息的传输速率，采用了多进制扩频技术，为此可 以采用w a l s h 码和m 序列结合的扩频增益在m p s k 调制系统发送信息，获得很好 的性能增益。 多进制扩频又称为软扩频，实际上是一种( n ，k ) 编码，即k 位信息码由长为n 的伪随机码来代表。k 位信息码有m = z 个状态，则该多进制扩频系统称为m 进制 扩频系统。与传统直接序列扩频技术相比，多进制扩频技术有许多优点。首先， 每个扩频序列传输多个信息比特，提高了传输效率。其次，多进制扩频系统占用 带宽小，适合于带宽有严格限制而又需要高数据率的环境。再次，由于多进制扩 频是以分组编码的形式来完成对信息序列的扩展，因此，多进制扩频系统在获得 扩频增益的同时，又获得了编码增益，因而，在一定的条件下，多进制扩频系统 比传统扩频系统有更好的误比特性能。 由于采用( n ，k ) 编码，共需2 条长为n 的伪随机码作为扩频码，因此要求用的伪 随机码的条数要多，可供选择的余地要大。由于用不同的伪随机码去表示k 位信息 的不同状态，因此要求2 条伪随机码之间的码距要大，相关特性要好。即要求这些伪 随机码的自相关性、互相关性，部分相关特性要好，即2 2 条伪