移动通信的电波衰落与抗衰落技术分析（论文）

本科毕业设计 题目： 移动通信的电波衰落与抗衰落技术分析 性质： 专业： 日期： 第 I 页 共 20 页 I 摘 要 电波传输是任何无线电通信系统都离不开的手段。在当今，电波传输已遍及科技领域和国民经济的各个方面。从电视、广播、移动通信，到雷达、导航、气象、定位、卫星，再到军事领域中的制导武器、电子对抗等应用领域，取得了极为丰硕的研究成果。无论是理论上还是工程实际中，由于天气、地形、建筑物等的影响，电波传输过程中不可避免的存在 衰落现象，电波传输问题的核心都是使电波信号的衰落最小。 论文 简要介绍了移动通信电波传输过程中出现的衰落现象以及衰落的定义、分类情况。详细分析了移动通信中几种主要的抗衰落技术。 关键词 移动通信 电波 衰落 抗衰落 第 i 页 共 20 页 i 目 录 摘 要 . I 第 1 章 绪论 . 4 第 2 章 衰落的分类 . 6 2.1 平衰落 . 6 2.2 频率选择性衰落 . 6 2.2 其他分类方法 . 7 第 3 章 抗衰落技术分析 . 8 3.1 自适应均衡 . 8 3.2 交 叉极化干扰抵消器 . 9 3.3 自动发信功率控制 . 9 3.4 分集技术 . 9 3.5 备用波道倒换 . 11 3.6 智能天线技术 . 11 3.7 扩展频谱技术 . 13 3.8 RAKE 接收机技术 . 17 结 论 . 18 参考文献 . 19 致谢 . 错误 !未定义书签。 毕业设计（论文）成绩评定表 . 错误 !未定义书签。 1 第 1章 绪论 移动通信是指利用电波携带数字信息，通过电波空间，同时传送若干相互无关信息，并进行再生中继的通信方式。移动通信用途广泛，例如在广播电视系统中，用来传送经模数变换 (抽样、量化、编码 )后的几套广播、电视信号，还可同时传送用于数字微波电路网络管理的开销字节，以及其它数据业务等。 在电波传播过程中，由于受地形、地物和气象条件等的影响，使收端接收到的输入信号电平随时间而变化的现象称为衰落现象。在模拟微波通信系统中，表现为：电视画面中出现雪花点状 (噪声 )干扰，严重时 ，雪花点会把电视信号整个淹没，无法正常接收。在移动通信系统中，表现为：电视画面中出现“马赛克”，严重时甚至出现黑屏，致使信号完全中断。所以衰落现象在移动通信中的影响更为严重。大气中有对流、平流、湍流以及雨雾等现象，它们都是由对流层中一些特殊的大气环境造成的，并且是随机产生的；再加上地面反射对电波传播的影响，就使发信端到收信端之间的电波被散射、折射、吸收、或被地面反射。在同一瞬间，可能只有一种现象发生，也可能几种现象同时发生，其发生的频率及影响程度都带有随机性，这些影响就使收信电平随时间而变化。 随着移动通信 和移动电子商务的迅速发展，移动通信在日常生活中的地位越来越重要，移动通信的电波传播是一个非常复杂的问题，这是由于移动通信中至少有一方是移动的，传播路径上可能要经过许多不同的地形和遇到各种复杂的地物。由于移动台天线仅离地面 l l0 m，使得传播路径上的各种地形地物都严重影响电波传播特性 ，不可避免的产生衰落。 地面移动通信的主要传播形式为多径传播；移动环境对移动通信链路 (也就是移动信道 )特性起着关键性作用：确定某个区域的传播环境的主要因素有： (1)自然地形 (高山、丘陵、平原或水域等 )； (2)人工建筑的数量 、高度、分布和表面材料等特征： (3)该地区的植被特征； (4)气候状况； (5)自然和人为的电磁环境和噪声状况： 当然，移动通信链路特性还受到通信系统工作频率和移动台运动状况的影响：比如静止与低速运动的移动台所面临的移动环境问题与高速车辆上的移动台有很大不 。 移动通信作为未来个人通信的主要手段，在全球通信业务中占据越来越重要的地位。随着移动通信用户数的迅速增长以及人们对通话质量要求的不断提高，要求移动通信网在大容量下仍保持较高的服务质量。而与此要求相对，目前移动通信中主要存在的问题是 :第一，随着移动用户 的增多，频谱资源日益 1 匾乏 ;第二，由于信道传输条件较恶劣，所需信号在到达天线接收端前会经历衰减、衰落和时延扩展，另外还有来自其他用户的干扰，极大地限制了系统通信质量的提高。 本文 主要介绍了移动通信电波传输过程中出现的衰落现象以及衰落的定义、分类情况。详细分析了移动通信中几种主要的抗衰落技术。 1 第 2章 衰落的分类 有时衰落的持续时间很短，在几秒钟至几分钟内，称为快衰落；有时衰落的时间持续十几分钟甚至几个小时，称为慢衰落。衰落时，接收电平高于正常电平称为 上衰落，低于正常电平称为下衰落。衰落时，接收电平低于收信机最低接收电平以下称为深衰落。 空间衰落现象对微波通信的影响主要有两个方面：一是接收电平降低，称为平衰落；二是由于衰落的频率选择性而引起传输波形的失真，称为频率选择性衰落。 2.1 平衰落 平衰落是由气象变化缓慢引起的，多径效应所引起的相位干涉现象也是平衰落的主要起因。从产生衰落的物理原因分析，可以分为以下几类： 1)闪烁衰落。由于大气中局部的不均匀体的存在，对电磁波的照射产生散射作用，在收信端因相位干涉而形成快衰落。这种衰落持续时间短，电平变化小，一 般不足以造成通信的中断。 2)K型衰落。 K型衰落是一种多径传输引起的干涉型衰落，它是由于直射波与地面反射波 (或在某种情况下的绕射波 )到达收端因相位不同互相干涉造成的电波衰落。这种相位干涉与行程差有关，而在对流层中，行程差是随 K值 (大气折射的重要参数 )而变化的，因此称为 K型衰落。这种衰落特别是在微波线路经过水面、湖泊或平滑地面时尤为严重，甚至会造成通信中断。 3)波导型衰落。由于各种气象条件的影响，如：早晨地面被太阳晒热，夜间地面的冷却，以及海面和高气压地区都会形成大气层中的不均匀结构。当微波通过对流层中这些 不均匀层时将产生超折射现象，于是形成了大气波导。当微波射线通过大气波导，而收、发信点在波导层外，则接收点的场强除了直射波和地面反射波外，还会收到波导层边界的反射波，形成严重的干涉型衰落。波导型衰落发生时，往往造成通信的中断。 2.2 频率选择性衰落 由于电波空间的多径传输现象，造成了微波通信中的频率选择性衰落。这是因为多径传输的反射波、折射波和直射波各以不同的方向和时延到达收信点而进行矢量相加的结果。频率选择性衰落是多径衰落的一种类型，在这种衰落中，反射波的影响较大。这种现象较多地发生在炎热、潮湿的夏季，例 如我国黄河流域，发生在七、八、九月份较多。平原和水网地区比丘陵山区容易发生。衰落严重时，会导致通信中断。频率选择性衰落将使微波信号产生带内失真，如果系统的频率配置采用同频双极化工作，还会使交叉极化鉴别度下降；另外，系统具有的抗深衰落能力也会受到影响。 1 2.2 其他分类方法 衰落也可以按接收点场强的高低分类。高于自由空间电平值的叫上衰落，低于自由空间电平值的叫下衰落。但是，微波通信工程中常按衰落发生的物理成因，把衰落分为闪烁衰落和多径衰落，闪烁衰落主要是因为大气局部微小扰动引起电波射束散射所造成的。各散射波的 振幅小，相位随着大气变化而随机变化。结果它们在接收点的合成振幅变化很小，对主波影响不大。因此，这种衰落对视距微波接力电路的稳定性影响不大。而多径衰落主要是由多径传播造成的，它是视距微波传播信道深衰落的主要原因。根据大量的传播测试试验表明， 10GHz以下频段微波传播的衰落现象常遵循以下规律： (1)波长越短，距离越长，衰落越严重。 (2)跨越水面 (湖泊、海洋 )、平原的路径比跨越山区的路径衰落严重。 (3)夏秋季节比冬春季节衰落频繁，衰落深度也大。 (4)晴天和白天，接收的信号场强一般比夜间稳定。昼夜交替时，例 如早晨 5点到 9点左右，晚上 7点到 9点前后，以及午夜到凌晨 3点之间，常出现深衰落。 (5)阴雨、大雾及刮风天气比晴天、宁静天气接收信号稳定，雨过天晴及雾散时，又常出现快衰落。 1 第 3章 抗衰落技术分析 在移动通信中，由于多径衰落环境的影响，经常由于接收的功率降低或波形失真造成电路性能恶化。因此在研究电波传播统计规律的基础上提出了各种对付电波衰落的技术措施，即所谓的抗衰落技术。对付平衰落，通常采用收信机中频放大器的 AGC(自动增益控制 )电路和备用波道倒换的办法。而对付频率选 择性衰落则要采用分集技术和自适应均衡技术。 3.1 自适应均衡 虽然在模拟微波通信中，为了改善信道的群时延和微分增益特性，也使用了均衡器，但该均衡器只作静态特性的补偿。 如今在移动通信中，因其传输带宽较宽，当发生多径传播衰落时，其通带内的振幅特性是随时间而变化的，这就要求均衡器能适应时间的变化。根据工作频率不同，可以将均衡器分为两种类型：带通均衡和基带均衡。通常，带通均衡在接收机的中频级进行和在频域上工作，用以控制信道的传递函数，称为频域均衡器。基带均衡在时域工作，直接减小由传递函数不理想而产生的符号间干扰 ，称为时域均衡器。 最简单的频域均衡器经常指斜率均衡器，它只对存在多径衰落时在微波波道频率响应中出现的斜率不对称性进行补偿。它的作用是引进一个幅度倾斜的校正，从而恢复所接收信号的功率谱密度的对称性。用一套窄带滤波器，监视两个或三个频率处的输出功率谱，将测得的功率相互进行比较，或者将测得 的功率与预定的不失真电平进行比较，就可以达到这个要求。 斜率均衡器通常按平坦群时延特性来设计。主要补偿衰落凹口在通频带以外的频率选择性衰落。 另一类频域均衡器力求产生的传递函数近似等于符合两射线传播模型的信道特性的倒数。它由 谐振滤波器组成，控制它的陡度系数和中心频率，以跟踪衰落凹口，所以一般性的名称为凹口均衡器。这样的电路总是呈现下凹的群时延特性。因而，当信道受到最小相位衰落时，它们将使信号失真显著减小，但是对于非最小相位衰落，群时延失真将加倍。 时域均衡器直接在时域工作，并减少由振幅和群时延失真所产生的符号间干扰。每一所传输的符号不仅由于加性噪声而造成质量下降，而且也由于以前的符号和以后的符号的干扰而造成质量下降。只有当脉冲响应满足奈奎斯特准则时，才有可能实现无符号间干扰传输。实际上，发射和接收滤波器是为形成奈奎斯特滤波器来 进行设计的，但是表征微波波道的时变多径传播破坏了这一特性，从而产生了严重的符号间干扰。为了对抗所产生的符号间干扰，在接收机外需要加自适应均衡器。为了在作出判决前去掉符号间干扰，有两种基本的基带均衡器结构：线性均衡器和非线性判决反馈均衡器。线性均衡器采用带有 1 可调节的复抽头增益的非递推横向滤波器的形式。 判决反馈均衡器是非线性部件，由两个横向均衡器组成。判决反馈均衡器的主要思想是若对以前的数据符号作出了正确判决，则只要将它们馈送给后馈滤波器，就可以去掉它们对现在的数据符号的干扰。 3.2 交叉极化干扰抵消器 频 率是一种有限的资源，随着通信业务量的增加，提高频率利用系数变得越为重要了。其中同频异极化频率重复利用技术得到了广泛应用。这种技术在同一频率上利用正交极化传送两个不同的信号，这样可使频谱利用率提高一倍。为避免两个极化的信号之间产生严重的干扰，要求微波天线采用高交叉极化的天线。现在，天线的交叉极化鉴别率已可达到 40dB左右。但是微波传播存在多径衰落和雨雪等沉降物的影响，在这种情况下，系统的交叉极化鉴别率会恶化。当出现深度衰落时，由于交叉极化鉴别率的降低，同交叉极化信号来的干扰就会增加，导致系统比特差错率上升甚至 出现中断。为此需设置一个交叉极化干扰抵消器，用以抵消来自正交极化的干扰信号。而且由于衰落过程是不断变化的，交叉极化干扰抵消器的工作也必须是自适应的。 3.3 自动发信功率控制 自动发信功率控制是微波通信中能得到许多好处的一个实用措施。微波发射机工作时输出功率是可变的，在绝大多数时间内，发射机工作于正常值 (最小值 )，只有当远端接收机检测到不利衰落条件时，即接收信号电平低时才达到最大值。用反向的通信业务信道来控制反馈环配置中的发射机。 3.4 分集技术 分集技术是指系统同时接收衰落互不相关的两个或更多个输入信号 后，系统分别解调这些信号然后将他们相加，这样系统可以接收到更多有用信号，克服衰落。 移动通信信道是一种多径衰落信道，发射的信号要经过直射、反射、散射等多条传播途径才能达到接收端，而且随着移动台的移动，各条传播路径上的信号幅度、时延及相位随时随地发生变化，所以接收到的信号的电平是起伏、不稳定的，这些多径信号相互叠加就会形成衰落。叠加后的信号幅度变化符合瑞利分布，又称瑞利衰落。瑞利衰落随时间急剧变化时，称为 “ 快衰落 ” 。快衰落严重衰落深度达到 2030dB。瑞利衰落的中值场强只产生比较平缓的变化，称为 “ 慢衰落 ” ， 且服从对数正态分布。 分集技术是克服叠加衰落的一个有效分发。由于具有频率、时间、空间的选择性，因此分集技术包括频率分集、时间分集、空间分集。 减弱慢衰落采用空间分集，即用几个独立天线或在不同场地分别发射和接收信号，以保证各信号之间的衰落独立。 1 根据衰落的频率选择性，当两个频率间隔大于信道带宽相关带宽时，接收到的此两种频率的衰落信号不相关，市区的相关带宽一般为 50kHz左右，郊区的相关带宽一般为 250kHz左右。而 CDMA的一个信道带宽为 1.23MKz，无论在市区还是郊区都远远大于相关带宽的要求，所以 CDMA的宽带传输本身就是频率分集。 时间分集是利用基站和移动台的 RAKE接收机来完成的。对于一个信道带宽为 1.23MHz的 CDMA系统，当来自两个不同路径信号的时延为 1us时，也即这两条路径相差大约 300m时， RAKE接收机就可以将它们分别提取出来而不混淆。 信号的衰落和失真，甚至中断，将会严重降低通信系统的性能，抗衰落通 常可采用多种措施，其中明显有效且被广泛应用的措施之一是分集接收技术。接收分集就是将相关性较小的两路以上的收信机输出信号进行选择或合成，构成总的接收信号，以此来减小衰落的影响。目前使用较多的接收 分集的类型有空间分集、频率分集、混合分集 (空间分集 +频率分集 )、极化分集。这几种分集方式在微波通信网中都有应用。 1、空间分集 在空间中不同的垂直高度上架设几副天线，同时接收一个发射天线发射 的微波信号，然后进行合成或选择其中一个较强信号作为收信端的使用信号。 这种分集方式是利用电磁波到达各个天线的行程不同来减小或消除衰落的 影响。有几副接收天线就称为几重分集。 2、频率分集 用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一 信号，然后进行合成和选择，这种分集方式是利用电磁波在不同的频率下有 不 同的行程来减小或消除衰落的影响。 3、混合分集 同时使用空间分集和频率分集。 4、极化分集 接收端同时接收水平极化波和垂直极化波而构成的一种极化方式。随着通信技术的迅速发展，各种抗衰落措施也日趋完善，如自适应均衡技术、调制解调技术等，这些技术将大大提高通信电路的稳定性 为了对抗多径衰落和降雨衰落的影响，将多个特性不相同的收信信号合成或切换，得到良好信号的技术称为分集技术。可以使用不同的天线、频率、极化、到达角、路由、地址和时间，分别称为空间分集、频率分集、极化分极、角度分集、路由分集、站址分集和时间分集。无 论何种分集方式，都是利用在不同的传播条件下，几个微波信号同时发生深衰落的概率小于单一微波信号同一衰落深度的概率来取得分集改善效果的。 最常用的是空间分集技术。空间分集通常用两个或更多个垂直间隔某个距离的接收天线来实现，天线之间的距离应足够大，以便使提供的各信号中由多径衰落引起的各种损伤有足够的不相关性。 1 按频带分类：分集合成可在射频、中频或基带进行。得到分集信号的方法有选择法 (开关分集 )和合成法 (合成分集 )。在合成分集中，又分同相合成，最小色散合成，凹口检出合成，最大比例合成等。 同相合成又叫最大功率合成。 同相合成的关键是使上、下天线接收的两路输入信号达到同相，即相位差为零。如果两路输入不同相，则从两路信号合成器检出控制信号，然后去控制其中的一路，直到两路输入信号相位相同。同相合成的结果可使任一时刻合成信号的振幅总是两天线接收信号的振幅之和。在移动通信中，因这种分集方式的合成波中除直射波外，还包括相对于直射波有一定时延的干涉波 故同相合成分集接收只能在一定程度上减小带内失真，而其改善效果却不能令人满意。 最小色散合成是把上、下天线所接收的两个微波信号中的 干涉波通过一定的方式进行反相合成，使干涉波振幅最小。以此达到抗频率选择性衰落，使带内振幅偏差最小的目的。 3.5 备用波道倒换 由于多径衰落是一种频率选择性现象，并且在传播实验中已观测到在不同的射频载波上，衰落事件有明显的不相关性。通常采用 n+1(n个主用波道 +1个备用波道 )波道备用制式。当主用波道中任一波道由于设备故障或者电波传播发生深衰落时，系统都会在信号中断前，将其倒换到备用波道，这样有可能完全避免中断。 3.6 智能天线技术 智能天线就是能够利用多个天线阵元 (即天线阵列 )进行信号处理，自动地调整发射 和 (或 )接收方向图，以针对不同的信号环境达到最优性能，最终实现从空间上区分多用户的一种技术。 目前移动通信系统中，在基站使用比较普遍的是全方向或方向固定的扇形天线，当它们向用户发射信号时，发射功率的绝大多数是白白地浪费了，而且这些浪费的发射功率则以干扰的形式对其他用户的信号产生影响。而智能天线能够根据当前信道的情况自适应地变化，可以为每一个用户提供一个窄的定向波束，使信号在有限的方向区域内发送和接收。这样做既可以减小发射功率，又可以减小信号全向发射对其他用户的干扰；同时无形之中提高了频谱的使用率，增加了系统 容量。 一般地，智能天线被定义为：天线阵列加上先进的信号处理智能天线利用天线阵列技术和数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准移动入射信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动入射信号并删除或抑制干扰信号的目的，提高输入信号的信噪比。 1 智能天线的波束一般情况下是随着每个用户发出的期望信号的到达方向(最强路径 )不断地随着时间在动态地改变。在移动通信中，至少智能天线跟踪变化的速率要大于用户移动及信道快衰落的变化速率才能起到自适应跟踪用户的目的。 在移动通信中，为了使智能天线 实用化，一般采用准动态预多波束的波束切换方式的智能天线和全自适应阵列式自动跟踪用户的智能天线： (1)所谓准动态的预多波束智能天线，是指在接收 (或发送 )端，预先设置了一组 N个不同入射角方向的窄波束，再根据接收 (或发送 )所判断出的期望信号的来波方向 (DOA， Direction-Of-Arriva1)，并根据一定的信号误差准则，在预置的 N个窄波束中选取一个最合适的波束，并及时切换至该波束上接收 (或发送 )期望信号。 (2)全自适应阵列自动跟踪式智能天线，即在接收 (或发送 )端利用一组 (N个 )阵列天线，通过不同自适应 调整加权值，达到形成若干个 (K个 )自适应波束，同时自动跟踪若干个 (K个 )用户的目的。这种全自适应型的智能天线，当用户数目较大 (K很大 )时，特别是在时变多径衰落信道条件下，实现有相当的难度。 智能天线分为两类 :多波束阵和自适应阵。 多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随阵元数目的确定而确定。预先设置的多波束覆盖蜂窝或扇区空间 (权矢量亦相应被预设 )，对于不同 DOA 的用户信号，选择相应最佳权矢量分配给相应用户，或通过遍乘各权矢量并通过幅度比较进行选择以输出不同 DOA 的用户信 号。其优点是波束为预设，波束形成选择和精度与来波接收信号质量无关；系统复杂度与算法复杂度无关，系统结构简单，易于从现有基站系统改造；实时跟踪速度快，波束选择、切换简单；无须要求各单元方向图相同；可用对称阵实现附加相位误差和对消。与自适应阵相比，不足之处在于 :不能实现信号最佳接收， SNR 不如自适应阵理想 :不能实现方向图零点的干扰抑制，对许多用户只能设计等低旁瓣；需要发射机信号作相位参考点；结构性能较固定，难以通过结构、系统成本的调整改善性能。 自适应阵工作原理是由每一快拍所获天线接收信号矢量，通过各种自适应算 法求得权矢量，在高频或基带信号谐振通过高频控制器件或 DSP 处理器实现不同 DOA 的目标信号获取，并使 SNR 达到最大。其优点是 :能有效克服和抑制干扰使 SNR 达到最大；发射机无须和波束形成网络同步，波束形成仅依靠接收信号；结构、性能、成本调整灵活。不足之处在于 :波束形成及权矢量计算完全依赖于接收信号矢量，若有用信号与干扰相比不是足够的大， 1 会造成误跟踪和附加相位误差，并使输出质量恶化；系统复杂度取决于算法复杂度及目标移动速度等因素，附加相位误差难以抵消，一般要求各阵元方向图相同。 虽然两种系统都能在用户方向提供高增 益，但只有自适应阵能提供最佳增益，并且同时识别并跟踪有用信号，最小化干扰。总体来说，自适应阵能更为主动地提高信噪比，比多波束阵更灵活，但多波束阵较自适应阵更容易实现。 为了使智能天线早日实用化，一般采用了分两步走的方案 :准动态的预多波束的波束切换方式的智能天线和全自适应阵列式自动跟踪用户的智能天线。 将智能天线用于移动通信可带来如下好处： (1)增大信道容量 通过空分复用来补偿时分、频分和码分的仍不能满足的对信道容量的需求； (2)提高频谱效率； (3)扩大基站覆盖范围； (4)激励多波束以便同时跟踪多个 目标； (5)可对孔径抖动进行电补偿； (6)减小时延扩展； (7)减小多径效应的影响； (8)降低邻道干扰 智能天线系统应用于移动通信时最重要的性能之一就是消除邻道干扰。邻道干扰是由使用同一组信道频率的通信设备同时发射信号时产生的。而通过直接将波束对准目标信号，将波束零点对准其他接收机，这样就能降低发送模式下的邻道干扰。在接收模式下，只要已知信号源的方位，就可以使用干扰抵消策略来降低邻道干扰； (9)降低系统复杂度； (10)降低误码率； (11)降低通话中途断线的可能性。 3.7 扩展频谱技术 通信技 术和通信理论的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题开展的。所以，有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。 有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。在模拟通信系统中，多路复用技术可 1 提高系统的有效性。显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。 可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。由于信息在传输过程中受到干扰，收到的与发出的信息并不完全相 同。可靠性就是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度。因此，可靠性决定于系统抵抗干扰的性能，也就是说，决定于通信系统的抗干扰性。在模拟通信系统中，传输可靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。在数字通信系统中，传输可靠性是用差错率来衡量的。 扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了应用。近年来，扩展频谱通信技术的理论和应用发展非常迅速。 扩展频谱通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息码无关）扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，再利用相应的手段将其压缩，从而获取 传输信息的通信系统。也就是说在传输同样信息时所需要的射频带宽，远远超过被传输信息所必需的最小的带宽。扩频后射频信号的带宽至少是信息带宽的几十倍、几百倍甚至几万倍。信息已不再是决定射频信号带宽的一个重要因素，射频信号的带宽主要由扩频函数来决定。 由上述可见，扩频通信系统有以下两个特点： (1) 传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽； (2) 传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常是伪随机 (伪噪声 )编码信号。 以上两个特点有时也称为判断扩频通信系统的准则。 扩频通信系统最大的特点是其具有很 强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的能力。这里我们先定性地说明一下扩频通信系统具有抗干扰能力的理论依据。 扩频通信的基本理论根据是信息理论中的山农（ C E Shannon）信道容量公式： )1(log 2 NSWC 式中 C 为信道容量 (bit/s)， W 为信道带宽 (Hz)， S 为信号功率 (W)， N 为噪声功率 (W)。山农公式表明了一个信道无误差地传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。 扩频通信系统的关键问题是在发信机部分如何产生宽带的扩 频信号，在收信机部分如何解调扩频信号。根据通信系统产生扩频信号的方式，可以分为下列几种。 （ 1）直扩方式 直接序列扩展频谱系统是用待传输的信息信号与高速率的伪随机码波形相乘后，去直接控制射频信号的某个参量，来扩展传输信号的带宽。用于扩展频谱的伪随机序列称为扩频码序列。在直接序列扩频通信系统中，通常对载波 1 进行相移键控调制。为了节约发射功率和提高发射机的工作效率，扩频通信系统常采用平衡调制器。抑制载波的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力也有利。在发信机端，待传输的数据信号与伪随机码 (扩频码 )波形相乘 (或与伪随机码序列模 2 和 )，形成的复合码对载波进行调制，然后由天线发射出去。在收信机端，要产生一个和发信机中的伪随机码同步的本地伪随机码，对接收信号进行解扩，解扩后的信号送到解调器解调，恢复出传送的信息。 （ 2）跳频方式 跳频扩展频谱通信系统是频率跳变扩展频谱通信系统的简称，更确切地说应叫做“多频、选码和频移键控通信系统”。它是用二进制伪随机码序列去离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变。跳变系统可供随机选取的频率数通常是几千到 202 个离散频率 。每次移频是根据伪随机码决定的。频率跳变扩展频谱通信系统主要由伪随机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扩展频谱通信系统的关键部件。 频率跳变扩频通信系统发信机的发射频率，在一个预定的频率集内由伪随机码序列控制频率合成器 (伪 )随机的由一个跳到另一个。收信机中的频率合成器也按照相同的顺序跳变，产生一个和发射频率只差一个中频的本振频率，经混频后得到一个频率固定的中频信号。这一中频信号经放大后送到解调器解调，恢复出传输的信息。 在频率跳变扩频通信系统中，控制频率跳变的指令码 (伪随机码 )的 速率，没有直接序列扩频通信系统中的伪随机码速率高，一般为每秒几十跳到几万跳，根据频率跳变的速度，可以将频率跳变系统分为慢频率跳变系统和快频率跳变系统两种。 （ 3）跳时方式 时间跳变也是一种扩展频谱技术，跳时扩频通信系统是时间跳变扩展频谱通信系统的简称，主要用于时分多址 (TDMA)通信。与跳频相似，跳时是使发射信号在时间轴上跳变。我们先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。因此，可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。由于采用了窄得很多的时片去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。 在发端，输入的数据先存储起来，由扩颇码发生器产生的扩频码序列去控制通 -断开关，经二相或四相调制后再经射频调制后发射。在接收端，当接收机的伪码发生器与发端同步时，所需信号就能每次按时通过开关进入解调器。解调后的数据也经过一缓冲存储器，以便恢复原来的持续时间，提供给用户均匀的数据流。只要收发两端在时间上严格同步进行，就能正确地恢复原始数据。 （ 4）线性脉冲调频系统 (Chirp) 线性脉冲调频系统是指系统的载频在一给定脉冲时间间隔内线性地扫过一个宽带范围。在语音频段，线性调频听起来类似 于鸟的“啾啾”叫声，所以 1 线性脉冲调频也称为鸟声调制。 线性调频是一种不需要用伪码序列调制的扩频调制技术，由于线性调频信号占用的频带宽度远大于信息带宽，从而也可获得很大的处理增益。 （ 5）混合扩展频谱通信系统 以上几种基本的扩展频谱通信系统各有优缺点，单独使用其中一种系统时有时难以满足要求，将以上几种扩频方法结合起来就构成了混合扩频通信系统。常见的有频率跳变 -直接序列混合系统 (FH/DS)，直接序列 -时间跳变混合系统 (DS/TH)，频率跳变 -时间跳变混合系统 (HF/TH)等。它们比单一的扩频、跳频、跳时体制有 更优良的性能。 扩频通信技术是一种具有优异抗干扰性能的新技术，它的主要优点是： (1) 抗干扰性能好。它具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰的能力，有利于电子反对抗，特别适合军事通信系统中运用。相对于常规通信系统， DS-SS、 FH-SS、 DS/FH、 DS/TH 等系统对多径干扰不敏感，如果再采用自适应对消、自适应天线、自适应滤波等技术或措施，可以使多径干扰消除。这对移动通信是很有利的。 (2) 选择性寻址能力强，可以用码分多址的方式来组成多址通信网。多址通信网内的所有接收机和发射机可以同时 使用相同的频率工作。对于给定的接收机，当指定了特定的扩频码后，该接收机就只能和使用相同扩频码的发射机相联系。当网内所有的接收机都指定了不同的扩频码后，网内的任一发射机可通过选择不同的扩频码来和使用相应扩频码的接收机相联系。使用扩频通信技术组成多址通信网时，网络的同步比常规通信体制易于实现。便于实现机动灵活的随机接入，便于采用计算机进行信息的控制和交换。 (3) 保密性能好，信息隐蔽以防窃取。扩频信号的频谱结构基本与待传输的信息无关，主要由扩频码来决定。信息的隐蔽程度或安全程度取决于所使用的扩频码。由于扩频通 信系统使用码周期很长的伪随机码，在一个伪码周期中具有随机特性，经过它调制后的数字信息类似于随机噪声，因而将其用于保密通信系统中，敌方采用普通侦察手段和破译方法不易发现和识辨信号。 扩频信号的功率相当均匀的被分布在很宽的频率范围内，以至被传输的功率谱密度很低，侦察接收机难以检测，使得系统具有低的截获概率，从而提高了系统的保密性能。 (4) 频谱密度低，对其它通信系统的干扰小。在输出信号功率相同的情况下，由于扩频信号扩展了频带，降低了输出信号单位频带内的功率 (能量 )，从而降低了系统在单位频带内电波的通量密度。频 谱密度低，对空间通信大有好处。当空间通信系统在地面上产生的电波通量密度太大时，会造成对地面通信系统的干扰。对于当前无线电通信中频率资源匮乏的问题，利用扩频通信技术，使频率资源可重复利用。使用扩频码分多址技术可解决常规通信系统中电波拥挤的大难题。所以扩频码分多址通信在城市移动通信中有着广阔的应用前景。 (5) 高分辨率测距。测距是扩频技术最突出的应用。无线电测距在测量距 1 离增大的情况下，反射信号变弱，造成接收困难。为克服这一困难，就必须加大发射信号的功率。增大脉冲雷达信号的峰值功率，会受到设备和器件的限制。加大 信号的脉冲宽度，又会降低测距的分辨率。利用连续波雷达测距时，会出现距离模糊问题。利用扩频技术测距，扩频码序列的长度 (周期 )决定了测距系统的最大不模糊距离；而扩频码序列的速率 (码元宽度 )决定了测距系统