扩频通信系统抗多径干扰能力分析.doc

河 北 工 业 大 学 扩频通信原理课程作业 学院：信息工程学院 专业：通信与信息系统 班级：SJ1126 姓名：刘 帅 民 学号：201120195005 日期：2012年6月20日扩频系统的抗多经干扰性能分析 作者：刘帅民 单位：河北工业大学 学号：201120195005 专业：通信与信息系统摘要：文章首先引出扩频通信的概念，然后又介绍了其在国内外的一些发展状况，并列出其主要优点。其中，抗多径干扰是其主要的优点之一。接下来，文章叙述了多径干扰的概念，并对多径干扰的类型：双波束（两径）传输模型、多径传输基带合成波形模型进行说明，然后对克服多径干扰的物理机制进行详述。关键词：扩频通信；多径干扰；双波束（两径）传输模型；多径传输基带合成波形模型；物理机制Spread spectrum system against multipath interference performance analysis Author: Liu Shuaimin Unit: Hebei University of Technology Student ID:201120195005 Professional:Communication and Information SystemAbstract:The article first leads to the concept of spread spectrum communicationand then introduce some development at home and abroad, and lists its main advantages.Among them, the anti-multipath interference is one of its main advantages.Next, the article describes the concept of multi-path interferenceand multipath interference types: dual-beam (two diameters) transmission model, multipath transmission baseband synthetic waveform mode,and then detailed the physical mechanismto overcome the multipath interference.Keywords:Spread spectrum communication;Multipath interference;Dual-beam (two diameters) transmission model;Multipath transmission baseband synthetic waveform model;Physical mechanism一 引言 扩频通信(spread spectrum communication)是近几年内迅速发展起来的一种通信技术。在早期研究这种技术的主要目的是为提高军事通信的保密和抗干扰的性能，因此这种技术的开发和应用一直是处于保密状态1。美国在20世纪50 年代中期，就开始了对扩频通信的研究，当时主要侧重在空间探测、卫星侦察和军用通信等方面。以后，随着民用通信的频带拥挤日益严重，又由于近代微电子技术、信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的快速发展，与扩频通信有关的器件的成本大大地降低，从而进一步推动了扩频通信在民用领域的发展金额应用，而且也使扩频通信的理论和技术也得到了进一步的发展2。目前在军事上，它已经广泛应用于各种战略和战术通信的系统中，成为电子战中反干扰的一种重要的手段。扩频技术在军事应用上的最成功的范例可以以美国和俄国的全球卫星定位系统(GPS和GLONASS)以及美军的联合战术分布系统(JTIDS)为代表；GPS和GLONASS在民用上也都得到了广泛的应用，这些系统的技术基础就是扩频技术3。扩频的码分多址技术应用于蜂窝移动通信中时，大大降低了噪声和衰落的影响，同时还避免了复杂的频率分配和时隙划分等技术上的困难，并可以省去保护频带或时隙，极大地提高了蜂窝通信系统中小区的频率复用度，使信号频谱利用率得到提高。1990年1月，国际无线电咨询委员会(CCIR,现为ITUR)在研究未来民用陆地移动通信系统的计划报告中已明确地建议采用扩频通信技术4。美国已制定出了基于CDMA蜂窝技术的IS-95标准，Samsung、Motorola等公司也已相继推出了各自的CDMA移动通信商用实验网已开通运行，并取得了良好的效果5。扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，到目前为止，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统，而跳频系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而言，跳频系统主要在军事通信中对抗故意干扰，在卫星通信中也用于保密通信，而直扩系统则主要是一种民用技术6。面对全世界范围内对移动通信日益增加的要求，CDMA将是无线通信中最主要的多址介入手段。在本世纪，扩频技术将得到更加广泛的应用。从扩频技术的历史可以看出，每一次技术上的大发展都是由巨大的需求驱动的。军事通信抗干扰的驱动以及个人通信业务的驱动使得扩频技术的抗干扰性能和码分多址能力得到最大限度的挖掘。展望未来，第四代移动通信系统(4G)的驱动无疑会使扩频技术传输高速数据的能力得到更大的拓展。扩频通信的基本特点是传输信息所用的信号带宽远大于信息本身的带宽，也因为如此，扩频通信具有一些其它通信方式无法比拟的优越性7：1）扩频通信最为显著的优越性是其极强的抗干扰性。理论上讲它可以在信噪比为负值，即信号被噪声淹没的情况下，将信号提取出来。对于单频及多频都有比较强的抑制作用，即使采用同类型的信号干扰，也由于扩频码序列之间的不相关性，干扰不起太大作用。2）扩频通信的另一个优越性是其隐蔽性好。由于扩频信号的频带较宽，所以信号的功率谱密度很低，敌方不容易发现信号的存在，在战争中，扩频信号的被截获率很低，可以进行隐蔽通信。从民用通信方面来说，由于扩频信号的隐蔽性好，它对目前使用的各中窄带通信系统干扰很小。理论和实验证明，在原有的窄带通信的频带内同时进行扩频通信，不需要分配另外的频段，即可实现。3）扩频通信可以很容易地实现码分多址，提高频带的利用率。由于扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，利用不同码型的扩频码序列之间优越的自相关性和互相关性，对不同的用户分配不同的码型，使多个用户公用一个宽频带，提高了系统的容量。同时还有利于组网、选呼、增加保密性及解决新用户随时入网的问题。下面就扩频通信技术的抗多径干扰的能力进行一个简单的理论分析。二 多径干扰的基本概念多径干扰是一种在通信中，尤其是移动通信中常见的且影响很严重的干扰，它属于乘性干扰8。电波在传播过程中，遇到各种发射体（电离层、对流层、高山和建筑物等）引起发射或散射，接收机收到的直接路径信号与这些群发射信号之间的随机干涉就形成多径干扰，如图2-1所示9。 直射路径反射路径 2-1多经效应示意图三 多径干扰对通信系统性能的影响双波束（两径）传输模型如图3-1所示10。3-1双波束（两径）传输模型接收端收到这两路信号为：设两个传输路径的传输系数相同，仅仅路程不同。由于路程差使两个信号延迟差为，因而信号之间有的相位差。 则合成信号为： 每一个波束的信号功率为，令合成信号的功率为则。合成信号功率将随着因子的变化而变化。只要是大于接收机所要求的功率值，系统正常工作。实际上传播条件不断变化，各种反射是固定不变的，在一定范围内起伏并且是随机的。当时，合成信号的功率是0，这是通信中断。多径传输基带合成波形模型如图3-2所示11。图3-2为多径传输基带合成波形。多径的形成与电台所处的环境，地形，地物等有关。由于多径干扰信号的频率选择性衰落和路径差引起的传播时延，使信号产生严重的失真和波形展宽并导致信息波形重叠。这不但能引起噪声增加和误码率上升，使通信质量降低。而且可能使某些通信系统无法工作。先到波形后到波形合成波形图3-2 多径传输基带合成波形设接收机收到的信号为，发射信号为，则：式中分别为第i条路径的接收信号的振幅，传播时延，附加相位，大量观察表明，与随时间的变化与发射载波的周期相比通常要缓慢得多，因此上式可写为：由于与认为是缓慢变化的随机过程。因此，V(t)与以及与均为缓慢变化的随机过程，r(t)为一窄带过程。由式可知：第一，从波形上看，多径传播的结果使单一频率的确知信号变成了包络和相位受到调制的信号，这样的信号程为衰落信号；第二，从频谱上看，多径引起了频率弥散，即由单一频率变为了一个窄带频谱。一般情况下，V(t)服从瑞利分布，服从均匀分布，则可将r(t)看为窄带高斯过程。多径传播造成了衰落及频率弥散，同时还可能发生频率选择性衰落，即信号频谱中某些分量的一种衰减现象，其与多径传播的相对时延差有关。设最大多径时延差为，则定义为多径传播媒质的相关带宽。如果传输波形的频谱宽于，则该波形将产生明显的频率选择性衰落。由此可见，为了不引起明显的频率选择性衰落，传输波形的频带必须小于多径传输媒质的相关带宽。四 扩频通信系统抗多径干扰的物理机理扩频通信抗多径干扰的原因12：1）对于直序系统，伪随机码的自相关函数具有尖锐的峰值特性。当多径传播时延小于一个码元宽度时，反射信号与直接信号叠加，可看作信号的一部分，对有用信号产生影响，叠加的在伪随机码上的信号只影响其幅度，不产生对伪随机码宽度的展宽或压缩，所以不影响系统的信息传输。当多径时延超过一个码元宽度时，由于自相关等于0，表明反射信号和直接信号不相关，系统将其作为干扰噪声处理。2）当伪随机码的码元宽度相当窄，那系统的频谱很宽，反射回来的多径频谱分量是不可能同相地到达接收点，形成的多径干扰信号在相关检测中削弱。小部分频谱分量的衰落不会使信号产生严重畸变。故抗干扰能力强。3）在频率跳变系统中，其瞬间带宽一般都是能够满足相关带宽的要求的，所以干扰信号不影响系统接收有用信号。4） 伪随机序列具有尖锐的自相关性，因而对多径效应不敏感。当多径时延扩散小于一个伪码宽度Tc时，反射信号与有用信号叠加，被视为信号的一部分，对有用信号幅度有影响，但不产生对伪码宽度的展宽或压缩。当多径时延超过一个伪码宽度Tc时，可把多径信号视为噪声处理，相关接收后多径信号就可以去掉。 5）当码元相当窄且伪码码长很长时，系统的频谱很宽，反射回来的多径频率分量不可能同时到达接收点，形成的多径干扰信号就被削弱，对接收有用信号影响不大。6）直扩系统是一种宽带系统，尽管在通信中一部分频谱可能被衰落，但不会带来太大的恶化。从这点讲，频谱扩展可以是一种频率分集。综上所述，由于扩频通信系统得宽带传输和PN码优良的特性，使其具有抗多径效应的能力。这为一直困扰着无线通信的多径效应问题提出了一种很好的通信方式，即扩频通信。参考文献：1 查光明，熊贤祚.扩频通信.西安：西安电子科技大学出版社.1990.12 2 白木，周洁.扩频通信的原理、工作方式、特点和应用.电力系统通信.2002.43 邵定蓉，李署坚.扩频通信技术.无线电工程.2004.54 曾兴雯，刘乃安，孙献璞. 扩展频谱通信及其多址技术.西安： 西安电子科技大学出版社.2004：3-20,101-107.5 纪国强，潘枫春，黄冬，杨爱霞.扩频通信技术浅谈.电信快报网络通信.2005.46 孔文，李道本.扩频技术及其应用.通讯产品世界.1995.67 张辉耀.无线扩频通信技术与干扰问题.中国无线电管理. 2001.3.第3期.8 吴明捷，张威.直接序列扩频系统抗干扰性能分析.工矿自动化.2002.6 9 吴明捷，周小正，马景兰.扩展频谱通信系统处理增益的分析