无线电抗干扰通信原理及应用苟彦新 第1章

1、第1章 引 论 第1章 引 论 1.1 引言引言1.2 通信侦察、通信侦察、 通信干扰与通信抗干扰通信干扰与通信抗干扰1.3 通信抗干扰理论与技术通信抗干扰理论与技术 1.4 MIMO-OFDM技术技术 1.5 抗干扰通信系统的主要技术指标抗干扰通信系统的主要技术指标 第1章 引 论 1.1 引引 言言 电子信息是高新技术的三大支柱之一。 现代军事通信技术是现代电子信息技术的重要领域。无线电抗干扰通信又是现代军事通信、民用通信的支柱。现代通信电子战的首要目标是干扰敌方的通信系统，通信系统是否具有强的抗干扰能力， 是能否取得电子战胜利的首要条件。 第1章 引 论 无线电通信在现代战争中的地位越来

2、越重要。它是现代通信的主要手段，在特定的环境中它是惟一的手段，例如空军、 海军、装甲兵等部队的通信，超远程的移动通信，追击战、 登陆战等情况下的作战通信。在千变万化的战争中，可以说时间就是生命，谁能争取时间，谁就能赢得战争的胜利。正是由于无线电通信在某些时候是惟一的手段，因此各国对无线电通信的窃听、干扰等技术都竞相投入了可观的力量进行研究。 在战时，无线电通信对抗已成为一项重要而无形的电子斗争。 第1章 引 论 和平时期的军事通信，特别是无线电通信，因划分了频段，合理利用了频率资源及规划组网，所以和民用通信应该“和平共处”， 但实际情况并非如此。 经常出现民用移动通信对其他通信造成干扰，特别对

3、空军地空通信指挥、 民航调度通信等造成严重干扰的情况，影响了正常的训练和飞行。因此，加强军事通信系统抗干扰能力显得尤为迫切。 民用通信，特别是现代移动通信，在电磁环境日趋复杂的条件下， 其本身的抗干扰能力也是一个非常重要的指标。 第1章 引 论 1.2 通信侦察、通信干扰与通信抗干扰通信侦察、通信干扰与通信抗干扰1.2.1 通信侦察通信侦察 通信侦察是获取军事、外交、经济情况的一种方式。它用无线电侦察设备对敌方的无线电通信设备所发射的信号进行搜索、 检测、 识别、 定位、 分析和破译，以获取各种情报， 供己方有关部门使用，并且支援干扰系统，进行有效的对敌通信干扰。 第1章 引 论 1. 通信侦

4、察设备的基本组成通信侦察设备的基本组成 侦察的目的是获取情报以及实施干扰，所以，侦察设备首先应能发现通信信号，然后能分析信号和测定通信发射机的位置等。 发现信号即要求确实地收听到敌台的发射信号，因此要有好的环境与足够高的侦收灵敏度。由于不能预先知道敌台的频率，因此还要求侦察接收机要有相当宽的频率范围，使其能跟踪到需要的频率上去。为了不致错过时机侦察到敌方信号，必须有快速跟踪的搜索和瞄准手段。 为了截取敌台的信号，必须具有与敌通信设备相适应的侦察接收机和终端设备，使其检测方式与敌台的发射信号的调制方式相适应。一般通信侦察设备的构成如图1-1所示，电台信号被侦察天线截获后，在侦察接收机中加以放大和

5、检测，并送至终端设备，以便对信号进行显示、 分析和记录。 第1章 引 论 图1-1 一般通信侦察设备的构成 侦察接收机终端设备第1章 引 论 2. 通信侦察设备的种类通信侦察设备的种类 采用哪种类型的通信侦察设备是根据侦察任务来确定的。 如果它的重要任务之一是要确定正在工作的发射台的位置，即测定其方位，就应采用定向接收设备及波形分析、 信号分析等手段。 这里仅对无线电测向和测向仪稍加说明。 无线电测向的种类较多，按显示方法的不同可分为听觉测向和视觉测向； 而按其使用方法的不同可分为固定测向和战术移动测向等。 测向仪的组成如图1-2所示。 测向仪用来测定敌发射机的方位， 这一功能是用专门的定向天

6、线来达到的。 因此，定向天线是测向仪极其重要的组成部分。 第1章 引 论 图1-2 测向仪的组成 定向天线及角度计收信放大系统终端设备第1章 引 论 定向天线的种类很多，如环形天线、H形天线、框形天线和U形天线等。 现以环形天线为例来说明定向接收的原理。 如果天线以MN为轴进行旋转，当天线平面与电波方向同处一个平面时， 在接收机上有最强的信号; 当天线平面与电波方向垂直时，信号为零。如果将天线旋转一周，接收信号将有两次最大，两次为零。随着天线的旋转, 在其它方向上接收的信号也会变化， 最终可以得到心字形的方向图。这样，信号最强时，天线平面与电台方向相吻合。由于人的感觉系统对分辨零点最敏感，故实

7、际以测定接收信号的最小点来确定电台方向。 近代测向仪是采用固定天线， 通过一种角度计的转动来测定方向的。 第1章 引 论 由于无线电接收到的信号太微弱，不能推动终端设备工作， 因而必须有放大设备，它的种类和规格视测向仪的种类而定。 自20世纪80年代以来，先进的测向设备都采用了高速数字信号处理器和高档微处理器作为方位数据处理与功能控制，这样既加快了测向速度，也提高了测向精度。20世纪90年代以来， 由于空间谱技术应用于测向，小波技术与高阶统计谱技术应用于无线电测向，因此使测向定位的水平得到了极大的提高。 测向设备的智能化、软件化程度都迈上了一个新的台阶。 第1章 引 论 3. 通信侦察的特点通

8、信侦察的特点 通信侦察不仅在战时进行，平时也在进行。由于电子技术的发展，为配合战役行动的侦察设备不必再配置在军队的战斗地域了，这使侦察设备不易受到敌方的攻击，可不间断地对敌战斗地域以及纵深的通信实施侦察，使己方随时掌握敌方的部署和行动。由于无线电侦察设备可以全天候地工作， 因此它送到指挥机关的情报是源源不断的，这些情报成为指挥员掌握敌情的重要来源。 由于通信侦察本身不发射信号， 因而它非常隐蔽， 不易被敌方侦察到。 第1章 引 论 通信侦察的特点是通信侦察的特点是: (1) 侦察距离远。 (2) 侦察范围广。 (3) 实时性好。 (4) 受敌方无线电通信条件的制约大。 第1章 引 论 通信侦察

9、的主要任务是: (1) 在时间、 空间和频率上搜索， 以探测敌通信信号活动。(2) 确定信号类别, 获取信号情报。(3) 确定辐射源位置。(4) 决定应采取的行动（如停止监视、 连续监视、 应用ECM等）。 第1章 引 论 通信侦察涉及以下4个与敌通信系统有关的问题: (1) 它是什么系统？(2) 它在什么地方？(3) 它将干什么？(4) 如何对付它？ 是干扰压制, 还是摧毁？ 第1章 引 论 1.2.2 通信干扰通信干扰 1. 通信干扰的类型通信干扰的类型 通信干扰不同于雷达干扰，它没有消极干扰，只有积极干扰。通信干扰可分为压制性干扰和欺骗性干扰。压制性干扰用强大的干扰功率压制敌收信机的正常

10、接收， 使真实信号模糊不清或完全“淹没”在干扰之中。 欺骗性干扰发出和敌方通信十分相似的干扰信号，使敌方通信人员真假难分， 有时它可以起到压制性干扰难以达到的目的。 第1章 引 论 根据通信干扰在技术和战术上的不同特点， 大致可以将其分为以下几种类型: （1） 按本身的用途与频谱成分可分为瞄准式干扰、 半瞄准式干扰和阻塞式干扰。 (2) 按调制方式可分为键控干扰，音频、 杂音调制干扰， 脉冲调制干扰以及综合干扰。 （3） 按照作用强度可分为压制干扰、 强干扰和弱干扰。 （4） 按照辐射方向可分为强方向性干扰、 弱方向性干扰和无方向性干扰。 （5） 按频段可分为甚低频、 低频、 中频、 高频、

11、甚高频、特高频和超高频等。 （6） 按作用距离可分为本地干扰、 近程干扰和远程干扰。 （7） 按作用时间可分为短时间干扰和长时间干扰。 第1章 引 论 值得一提的是，对无线电通信消息传输的破坏或削弱，除了用上述电磁波干扰外，对无线信道的破坏同样可以起到破坏或削弱通信消息传输的目的。由于无线信道是个开放的空间，因此对其媒介特性的破坏及扰乱，同样将阻碍信号的传输。例如核爆炸引起的电离层剧烈变动可中断短波通信，在空中投放吸收或反射材料可中断微波通信等。 但其代价较大，作用时间有限。 第1章 引 论 2. 干扰机的工作原理及组成干扰机的工作原理及组成 通信干扰的基本工作形式是点式、阻塞式和瞄准式，这里

12、以瞄准式干扰为例来说明其工作原理与组成。 瞄准式干扰机是通信干扰机的基本类型之一，也是应用最广泛的一种干扰机。 如图1-3所示，对调频信号的干扰，必须要对准其频率，因为实质上干扰效果的好坏首先取决于干扰信号频率重合的准确度。 这样，使干扰频率与信号频率准确重合就成为这种干扰系统的关键问题。目前，解决这个问题的主要方法是时间选择法。它的原理是: 在某些时间干扰发射机发射，而在很短时间里又停止干扰; 在停止干扰的这段时间内要接收敌方信号，并且用一定的方法记忆敌台信号的频率，然后再发射干扰；这时的干扰频率应调整得与记忆频率相一致，这样就可对敌台信号进行最有效的干扰。 第1章 引 论 图 1-3 干扰

13、条件下调频通信的相互关系 调频发送机发射机天线空间耦合收信机天线调频干扰机干扰机天线空间耦合调频接收机第1章 引 论 为了获得最佳的干扰效果，只要求在频率上对准还不够， 还必须选择适合的干扰样式。这是因为通信有不同的样式，包括等幅报、 音频调幅报、 移频报等，与此相对应的最佳干扰样式也应分别为等幅报、音频调幅报和移频报的干扰。对于复杂信号，由于信号呈现不规则的起伏状态，因此一般施放杂音干扰。总之， 在具体实施干扰的过程中，应根据对方无线电通信的方式， 采取相应的干扰样式。 瞄准式干扰的原理如图 1 - 4 所示。收信机用来接收敌方无线电通信信号，它具有选择和放大的能力；重合设备用来“记忆”信号

14、与干扰频率, 并检查信号与干扰频率重合的准确程度; 发射机用来产生足够功率的干扰信号； 调制器用来产生不同样式的调制信号； 控制设备控制收发机交替工作。 第1章 引 论 图 1 -4 瞄准式干扰机的组成发射机干扰天线干扰信号控制器调制器重合设备收信机敌方信号收信天线第1章 引 论 3. 一体化通信对抗一体化通信对抗 为了在给定的地点和给定的时间里破坏敌方通信系统， 对干扰机来说要考虑两个基本问题: (1) 最佳的干扰波形和干扰策略是什么？ (2) 对付这种通信系统的干扰的有效性如何？（系统对干扰的易损性如何？） 第1章 引 论 虽然要获得对这两个问题的精确回答通常是困难的，但必须回答这些问题。

15、 其答案与下列因素有关: 发射功率电平、距离、 频率、 系统损耗/效率、 天线方向图、 噪声电平、调制方式、解调/检测方法、 差错控编码、扩谱技术、 数据格式、 同步技术、系统失真、信道衰落和核效应、自干扰电平、 干扰功率电平等。这些因素中有些与系统的设计有关，有些则与系统的应用条件有关。 第1章 引 论 为了有效地实施干扰，可把侦察、测向、干扰有机地结合在一起，形成综合通信对抗系统。 该系统包括指挥控制中心、 侦察子系统及干扰子系统等， 整个系统在指挥中心的统一指挥下运行。侦察子系统完成对信号的搜索、 截获、 分选、 识别和存储以及目标网台的测向定位； 指挥控制中心对侦察数据进行综合分析处理

16、， 确定目标的威胁等级、 干扰功率和干扰参数等; 干扰子系统实施干扰。 在干扰过程中，侦察子系统可以随时监视干扰效果， 并通过指挥中心对干扰子系统进行调整， 充分发挥干扰效能。 第1章 引 论 . 通信网对抗通信网对抗 通信侦察与干扰的最终目的是对敌通信实施有效干扰， 切断其信息传递。但随着军事通信向多路由、多节点的网络化通信体制发展，又出现了许多新的问题：通信干扰的有效性如何衡量？ 到底同时干扰多少个节点、 切断多少条路由才能使整个网络瘫痪或失效？ 选择哪一个节点、 哪一条路由才能进行有效干扰？干扰效果又如何评价？ 等等。 要解决这些问题， 必须寻求新的途径。 第1章 引 论 1.2.3 通

17、信抗干扰通信抗干扰 所谓抗干扰, 就是采取各种技术措施， 在各种干扰的条件下还能保证通信正常工作。 1. 常采用的抗干扰措施常采用的抗干扰措施 常采用的抗干扰措施有频率捷变、 实时频率自适应跳变、 快速传输(突发通信)等。 频率捷变主要是针对通信干扰中的阻塞和瞄准式干扰的。 例如阻塞式干扰，它主要是对某一频率范围实施强干扰， 把这一频段内的通信信号淹没在干扰的噪声之中， 使在这一频段范围内无法实施通信。如果这时能快速变换通信频率(频率捷变)而跳出这一干扰范围，且能快速沟通联络，快速传递信息实施通信, 即使被对方侦察到， 但在再次受到干扰前可能已经完成通信。 第1章 引 论 实时频率自适应跳变技

18、术通过相应的自适应算法，在进行跳频通信过程中自动探测和删除受干扰的频点，使系统在无干扰或弱干扰频点上跳变， 提高通信系统的抗阻塞干扰能力。 突发通信是一种时域抗干扰、低截获概率通信的好方式。 它利用宽的频带，在一个随机的短时间内突发信息，短暂的发射时间加上随机性, 使敌方的检测和测向十分困难，尤其当所用的频率快速变换时更是如此。 第1章 引 论 2新的抗干扰通信体制和系统新的抗干扰通信体制和系统 新的抗干扰通信体制和系统不但能在杂乱噪声、干扰中检测出信息，而且能够在敌人的欺骗式干扰中辨别真伪。 这些新的体制和系统包括： (1) 高速短波异步DFH（差分跳频）系统。它利用前后频率的相关性来携带信

19、息， 跳速可达5000跳每秒。 DFH以高跳速带来高数据速率， 同时高跳速还可以极大地提高抗跟踪干扰和多径干扰的能力。 第1章 引 论 (2) 毫米波噪声通信系统。 其丰富的频带资源提供了抗干扰、抗截获的有效途径，并可获得极高的抗干扰增益。 例如对于.8 kb/s的数据传输率，利用 的射频带宽，其处理增益可达 之多，若再加上自适应调零天线技术，又可对干扰产生 的抑制度，系统的抗干扰增益可达 ， 这足以让干扰者“望而却步”。 同时, 毫米波具有很强的抗闪烁能力， 电波在核爆炸后能较快地恢复正常。 第1章 引 论 (3) 隐蔽式紫外光通信系统。它适用于多种近距离抗干扰通信的场合， 例如飞行编队的直

20、升飞机间的通信。紫外光通信系统辐射的信号扩散在大气层中被大气吸收，信号强度按指数规律衰减，不易被探测和截获。若通信距离为 k，则在 k处就探测不到信号了。要干扰强紫外光散射，目前还是不可能的。当保持无线电寂静时，紫外光通信可用来提供舰船之间的近距离通信。 第1章 引 论 (4) 现代卫星通信采用的跳变点波束新技术。它可使卫星获得很高的和值。在有干扰的环境中，可大幅度改善接收机前端的信干比。 可使地环球站用小尺寸天线获得较高的吞吐量，用少量的跳变波束簇来覆盖地面面积。 在不增加发射功率的条件下，可提高卫星通信的可靠性。 作者在近几年的研究中，根据现代战争电磁环境极其恶劣， 电子战斗争极其复杂的局

21、面，提出了“通中扰，扰中通”的攻防兼备的通信对抗新思路， 即在设计抗干扰信号时，根据通信干扰和反干扰理论， 把被传输的信号经过复杂的多域处理，使通信信号和干扰信号融为一体， 在对敌通信造成强干扰的同时， 我方可顺利实现信息传输。 由于这种信号的抗干扰、抗截获、 抗衰落能力特别强，因此既可实现“通中扰”，又可实现“扰中通”或“动中通”。 第1章 引 论 1.2.4 信号安全传输中的低的利用概率信号安全传输中的低的利用概率(LPE) 1. 低的利用概率的基本概念低的利用概率的基本概念 为了安全传输信息，对被传信息进行特定的加工处理，形成非接收方(例如敌方)难以成功侦收的信号，“阻止”非接收方成功进

22、行检测、 频率估计、 特征提取、 恢复信息的概率称为低的利用概率(LPE， Low Probability of Exploitation)。 这个概念比人们常用的低的截获概率(LPI，Low Probability of Intercept)和低的检测概率(LPD， Low Probability of Detection)要广泛、 完善得多。 也就是说， LPE包括了LPI 和 LPD的内容。 第1章 引 论 安全传输除了可使信号具备低的利用概率之外，另一个很重要的目的就是能抑制干扰。因此，撇开抗干扰(AJ)来研究低的利用概率(LPE)是不现实的， 也是不恰当的。这是因为LPE的几个重要方

23、面都在于阻止干扰方在实现攻击之前进行通信电子支援的行动，使敌方难以获取我方各种信号的参数和要素， 或者使敌方根本不了解我方通信信号的存在，无法实施准确的干扰攻击。从这个意义上讲，信号的LPE设计与抗干扰接收设计之间存在着某些相似性。这一点正好反映了信号的LPE设计和抗干扰设计之间的内在关系。读者从后面的章节中可以看到，一个具有强抗干扰能力的信号， 必然具备良好的LPE性能。 第1章 引 论 2. 低的利用概率信号设计原则低的利用概率信号设计原则 低的利用概率信号设计原则是:由于一些LPE设计参数与基带信息无关，因此可以把它们当作载波参数来考虑。最常用的LPE参数为载波出现时间、载波相位和载波频

24、率。在伪随机噪声（PN）发生器的控制下改变其中一个或多个参数，其结果是产生一个PN控制的载波，使载波的时间或载波的相位图形在侦收机处产生不确定性。为了获得有效的LPE信号，LPE信号载波必须设计得很复杂才能使非法侦收机无法预测其定时、频率或相位图形。第1章 引 论 信号设计时必须便于己方接收机匹配处理，实现正确接收，抑制干扰。为了设计这类结构上随机且复杂的信号，载波在一段时间间隔里应该是变化多端的，而信息或基带信号却是有特定规律的。载波的带宽必须远远大于信息速率或基带带宽。如果比特时间为T秒，占用带宽为BHz，那么对LPE信号设计的要求是B1/T，即TB的乘积远远大于1。TB值大的波形要比TB

25、值小的波形更复杂，更易产生不确定性。为了使LPE信号更为有效，要有足够的TB值使非法侦收方无法预测信号。通信的传播介质对LPE信号设计有很大的影响，也会影响应用系统的性能。LPE通信系统的目的就是充分利用通信方和已预见到的非法者之间在传输介质上存在的差异。 第1章 引 论 1.3 通信抗干扰理论与技术通信抗干扰理论与技术 1.3.1 噪声通信理论噪声通信理论 根据信息论的基本理论可知，一个频带宽度为B，平均发射功率受限为S，受白色高斯噪声干扰的传输系统的最大传输容量为 )b/s(11bNSBC此式称为香农(Shannon)公式。由香农公式可以证明，应用适当的编码，通信系统可以此速率传输信息，而

26、且所传信息的错误概率可逼近任意小。这种适当的编码，目前是指将信号变换成带限的类高斯白噪声进行传输，在接收端，再用完全相同的带限高斯白噪声码进行相关检测。 第1章 引 论 由于高斯白噪声的频谱密度在整个无线电频谱范围内几乎均匀分布，是一种不可能事先完全确定的非周期序列，目前人类还无法复制和利用， 因此香农公式是理想传输系统的传输容量。该公式表明在信道存在高斯白噪声干扰时，一条信道无差错地传输信息的能力与传输信息所使用的信号带宽之间应具有的关系，也可以理解为信道能传送的最大速率受信道带宽和信噪比的限制。显然，在无噪声的信道中（N=0），信道容量为无限大。然而在实际信道中，噪声和干扰总是存在的，因此

27、信道容量也总是有限的。 第1章 引 论 香农公式还表明，在保持传输信息量不变的条件下，带宽和信噪比是可以互换的。因此可以用扩展带宽来降低发送信号的功率（降低信噪比）; 反之， 也可以增加信号功率来压缩信号带宽。这种转换关系说明带宽可以等效地转换成功率。这样， 信噪比与带宽之间的转换规律对于设计实际的信息传输系统有重要的指导意义。各种调制过程实际上是实现带宽B和信噪比S/N之间互换的一种手段。 第1章 引 论 信息论所揭示的带宽和功率的互换关系说明，在通信系统中可以把带宽或频带看成是一种能量的等价，而且在一定条件下应尽量以频带换取功率，即加大信号带宽以减少对功率的要求。显然，基于频带是一种能量的

28、观点，对于给定频带的利用就是对能量的利用。特别是在发射功率受限的情况下，如卫星和飞行器上的无线电设备和一切对体积、重量、电磁兼容要求很严的场所，频带与功率的互换越有效，通信性能就越好。本书第2章所讲的扩展频谱通信（频域抗干扰），就是根据香农定律将信息比特变换成类高斯白噪声序列， 以带宽换取功率,以极小差错率传送信息的一种理想的信道波形传输技术。 第1章 引 论 这里要特别强调两点。其一，带宽的扩展是有一定限制的，当带宽扩展到进入接收机的噪声功率等于或大于信号功率时，若继续扩展带宽，则“换取”的优势将逐渐减弱， 其变化规律为对数曲线。所以无限扩展频谱是不能换取无限抗干扰能力的。其二， 若仅是利用

29、带宽换取功率（信噪比），是达不到良好的抗干扰通信目的的，只有将信号采用某种方式变换成高斯白噪声（其熵值最大， 不确定性最大）进行传输和接收处理后，才会达到预期的抗干扰目的。其抗干扰性能由误码率来衡量。当通信采用PSK调制时, 其误码率Pe为 0e2erf121NEP第1章 引 论 其中： dtStSETT022021)(d )(而自相关函数为 dttStSttStSRTT022011)()(d )()()(上式表明 )0(| )(0RREr它代表“0”信息比特和“1”信息比特流的自相关函数=0时的值。当信号为高斯白噪声时，R（0）趋于一个很大的值，理论为无限大，而0是有限的，因而可使信噪比大大

30、提高， 而， 表明系统的误码率趋于零。 02NE02erf1210eNEP第1章 引 论 以上简单的分析证明了只有把信息进行噪声编码处理，才能得到高效、可靠的抗干扰通信。也就是说，在限平均功率的高斯信道上，实现有效通信的最佳信号乃是高斯白噪声形式的信号。在实际当中只用伪噪声码来逼近高斯白噪声，其性能也是向理想情况逼近的。 第1章 引 论 1.3.2 抗衰落通信理论抗衰落通信理论 根据A.A.XapkeBu提出的抗衰落噪声通信系统理论可知， 设法使多径信号在接收点互相独立（互不相关）就可以实现几乎无衰落接收。 当信息比特变换成高斯白噪声序列进行传输时， 接收信号的平均功率没有产生干涉现象， 而且

31、噪声几乎恒定不变, 可以实现理想的抗多径干扰。其本质是高斯白噪声的自相关函数具有函数特性，在多径传输时不会发生干涉衰落。也就是说, 克服多径干扰影响的最佳信号仍具有高斯白噪声信号的形式。在抗衰落通信中总是用类高斯白噪声PN序列来代替高斯白噪声信号。 第1章 引 论 在抗衰落通信中, 射束分集是一种重要的途径，信号设计的基本要求是能分离射束。 这些射束的幅度和相位都不相同， 只有有效地加以分离，并能测出它们的幅度和相位值，才能有效地调整它们的相位，达到代数相加的目的。分集通常指的是各射束信号的分离与合并。 射束分集称为隐分集技术，它既不需要多副天线， 也不需要多部接收机和多个馈源，而只靠信号本身

32、具有的类似高斯噪声相关特性的PN编码信号就可达到上述目的。理论和实践证明，无论在电离层信道、对流层信道，还是移动通信信道， 利用编码信号实现的射束分集，都显示了良好的效果，提供了良好的抗衰落通信性能。 第1章 引 论 1.3.3 UWB和和UNB通信通信 1. UWB UWB指超宽带（U1tra-Wide Band）。UWB脉冲无线传输技术是最近几年国际上正在蓬勃兴起的一种无线通信传输技术。 它和传统的基于连续正弦波调制的技术有根本的区别。在超宽带无线通信中， 信息通过调制窄脉冲的位置、极性、相位或幅度等参数进行传输; 使用的信息载体窄脉冲的宽度仅有零点一到几个纳秒，甚至更窄; 总带宽超过50

33、0 MHz，通常可达几吉赫兹，甚至于更宽。 UWB信号的传输能量弥散在极宽的频带范围内，低于很多现有通信系统的噪声门限， 因此具有很多优异的特性。这些特性包括： 第1章 引 论 (1) 高速数据传输率。 Fantasma公司宣称已实现60 Mb/s的数据传输率。 (2) 低截获概率。UWB无线电射频带宽达1 GHz以上时， 所需平均功率为毫瓦数量级以下，谱密度极低，信号被隐藏在环境噪声中，难以截获和检测。在距离发射源几十米范围以外， 犹如“无线电静默”状态， 而通信距离可达十几千米。 (3) 良好的多径分辨率。UWB无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲，且占空比极低。多径信号在时间上是可分离

34、的， 可分辨的多径时延为纳秒级，远低于多数无线信道的多径时延。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，因此采用相关接收法，通过先进的多径接收分离技术， 可以充分利用多径能量来解调信号， 增强通信的可靠性。 第1章 引 论 (4) 良好的穿透能力。由于UWB无线电的频谱开始于很低的频率，因此具有很强的穿透树叶和障碍物的能力，很适合丛林通信。UWB无线电还能实现隔墙成像。 据国外报道，UWB的试验产品的抗干扰处理增益可达54 dB，甚至更高。所以UWB现已被广泛应用于军事和民用的多个领域。 UWB通信的实现方案有单载波和多载波方式。 多载波方式很有发展潜力， 频谱利用率高，方案灵活。 第1章 引 论 目前

35、，实现UWB通信的体制有多种，其中多载波方案和宽带跳时扩谱系统(UWB-THSS)方案被人们看好。多载波UWB技术是在单脉冲技术基础上提出的。它把单脉冲信号占据的频谱分为若干子频带，其脉冲是等宽度的脉冲信号，包络是高斯型的，不同的脉冲信号在一个脉冲宽度内有不同的周期数， 对应不同的中心频率。此方案可以灵活地实现时频交织技术， 达到时频分集的效果。UWB-THSS方案充分发挥了跳时扩谱体制的优势和潜力， 用极窄的冲激脉冲代替了较宽的PN码片， 所以频谱被展得相当宽，平均功率很低，从而使超宽带跳时扩谱系统具有良好的隐蔽性，极低的检测、 截获概率， 很高的处理增益和极强的抗干扰能力。 同时，因为时隙

36、位置不断跳变， 所以也克服了远近效应。 第1章 引 论 2. UNB UNB指超窄带（U1tra-Narrow Band）。UNB极高的频带利用率（超过11 bit/Hz）保证了所占用的通信带宽极窄， 而又能同时提供高速率传输的通信新体制，为抗干扰通信提供了更加丰富的想像空间。在美国, UNB被戏称为“可以获得诺贝尔奖的技术”， 它对于传统通信理论、 观念和应用产生了巨大的冲击。尽管学者们还有各种疑议， 认为UNB理论似乎已突破了香农的信道容量公式所涵盖的内容(例如， UNB理论遭到美国Qualcpom公司的反对), 但是，美国仍把UNB和UWB并列为研究的重点。 因为UNB技术在抗干扰通信、

37、 信息隐藏（伪装和示假）、超强纠错能力、 最低限度通信（水下通信、 短波通信等带宽受限的场合）等领域有着广阔的应用前景。 第1章 引 论 UNB的实现方法中有一种思路很传统，即设法使表示逻辑“0”、 “1”的载波波形不同。 理论上每个载波周期可以传输1 bit， 换句话说， 就是信号的传输码率在数值上可等于通信的载频， 而实现超窄带的关键就是尽量缩减已调载波的带宽。 以此为出发点，美国科学家从早期的可变相移键控（VPSK）发展出了以甚小移键控（VMSK）为典型代表的传输，展示了用 kHz带宽传输标准的T1码率的惊人效果, 其频带利用率高达60 bits(H)。 据称，有90120 bits()

38、频带利用率的产品已经完成（hite Paper，“Impossible” Technology Passes The Test. Sea Change Communications，Sept.28， 2000.）。 第1章 引 论 “类正弦”VMSK概念的UWB信号的特点是：保持RF中心频率不变， 而波形（幅度、 相位、 形状或对称性等）略微抖动， 其频谱能量高度集中在载频的频谱线上， 但在载频两旁会出现与随机抖动相对应的连续谱，在载频的谐波处，也会出现离散的频谱线。 由于波形的抖动很微小， 因此连续谱和谐波离散谱的能量要远远低于载频的能量（“超窄带”时低数十分贝并不难）。这里，载波波形抖动受

39、控于被传输的有用信息。这种频谱称之为“旗杆式”的频谱。 第1章 引 论 1.3.4 电离层变态效应通信电离层变态效应通信 电离层人工电波加热可改变其介质特性，可利用电离层的变态效应实现抗干扰、抗侦听通信。 在地面上发射大功率无线电波可使电离层等离子体发生人工变态，也可以说成是大功率无线电波加热电离层，使用的频率从到，在电离层的各个层区均可产生变态。 电离层人工变态时，会产生各种各样的电离层不均匀性，不均匀性的尺度可从等离子体湍流的厘米量级，直到受加热区域和等离子体扩散性所限制的数百千米。 对波段的无线电信号而言， 这提供了一个大的雷达截面。 对于，为109 m2; 对于，为106 m; 对于，

40、为104 m2。天空中有如此大的反射器，完全可用来实现高质量的远距离通信（地面站间通信可达数千千米）。 第1章 引 论 加热电离层沿场散射（）和等离子体散射（）均能用于波段通信。 利用这种散射体通信的特点是功率小， 天线简单， 由于加热时间的随机性（对敌方而言）和有限接收区使通信抗干扰性、 抗侦听能力增强，接收对方向性更敏感， 定向传输能力更强。 对于大深度远航潜水艇通信， 除了电离层天线的激发与辐射效率外， 还必须考虑波导传播与入水传播的衰减问题，即调制波的频率问题。对于远距深水通信， 频率选择为100 较佳， 因为100 Hz电波在地电离层波导中的传播衰减率为12 dB/1000 km，

41、在海水中仅为0.30.4 dB/m， 要比 kHz电波的衰减率小几十倍。 即使这样，对3000千米以外、在海洋100米深度以下的潜艇进行通信时，空中波导和水中传播的总衰减也将达到。要达到几微伏每米的可观电平， 其难度还是相当大的。此项通过改造传输信道媒质进行抗干扰通信的技术还处在研究阶段，但很有应用前景。 第1章 引 论 人们有意识地控制和改变电离层，不仅可用于军事通信， 而且还可以用于电子干扰和对抗、 空间遥感技术、隐身与反隐身技术等。例如，电离层变态可以形成“稠团”，也可以产生“空洞”。也就是说，不仅能产生电离层不均匀性，也可以消除已存在的电离层和不均匀性，这样可以建立或阻断散射通信电路，

42、 还可以形成有控的不均匀性， 对空间雷达、通信造成干扰， 降低其工作能力。 值得指出的是， 当泵波的功率增加时， 光学辐射也同样增加，精心地设计天线，可以在电离层中构成不同形状和大小的辐射体。 通过波束扫描，在电离层可形成动态的辐射体和似为目标（诱饵），这在隐身和反隐身技术中是十分有用的。 第1章 引 论 1.3.5 空域、空域、 时域自适应滤波时域自适应滤波 自适应滤波包括时域自适应滤波和空域自适应滤波，它们的组成包括自适应天线、自适应均衡、语音和图像编码、噪声抵消和回波等。 近十多年来， 无线电通信在全球范围内获得了迅速发展，对移动用户（民用）通信的服务质量及内容也有越来越高的要求。无线电

43、移动通信信道是一个多址多用户信道，而且存在大量人为干扰、 多径衰落、 时延扩展、 频率扩展等问题。 解决上述问题的传统方法主要包括调制解调、 信道编码、 均衡、 分集、直扩和跳频等技术。这些技术虽已日趋成熟，但对于限带宽、 高抗干扰能力、 高抗衰落能力、 高数据速率传输问题的进一步解决，已颇感困难。智能天线和空域滤波为这些问题的解决带来了新思路， 被认为是无线移动通信技术的最后疆界。 第1章 引 论 1 自适应天线自适应天线 自适应天线阵抗干扰的基本思想是通过实时控制天线的方向图来强化信号，抑制干扰。也就是说， 基于信号和干扰传来的方向差异，通过自适应天线阵本身调整其内部参数，使方向图上的主波

44、束对准信号方向，边波束零方向对准干扰。之所以称为“自适应”，是由于当信号和干扰波的传输方向随机变化时， 自适应天线阵能自动地不断跟踪上述变化， 实时调整其内部参数， 连续改变天线方向图， 始终保持主波束对准信号， 边波束零方向对准干扰。 第1章 引 论 Howells在20世纪50年代关于中频自适应旁瓣对消器的研究是自适应天线的开创性研究工作之一。 这种对消器能够自动将波束零点对准干扰方向。 1966年， Applebaum根据最大输出信噪比准则，导出了自适应阵列算法，并把旁瓣对消作为该算法的特殊情况。 Howells和Applebaum的研究成果均到1976年才公开发表。 第1章 引 论 1

45、967年，Widrow等人以LMS算法为基础对自适应天线进行的研究工作是自适应滤波技术发展的重要里程碑。他们的研究成果是第一篇公开发表的研究自适应天线的文章，并成为该领域的经典文献。Widrow等的工作对自适应天线技术的研究产生了巨大的推动作用，大批学者投入了该项技术的研究工作中， 使此技术获得了迅速发展。1970年1980年间，IEEE Transactions的AP分卷多次出版了有关自适应天线的专集， 并出版了一系列专著。从1980年以来，由于VLSI、 MMIC、 DSP技术的高速发展，许多复杂的算法都可用高速数字信号处理机实现， 因而自适应天线处理系统成为主要的数字波束形成（DBF）方

46、式。人们在进行理论和算法研究的同时，也在研究实际系统。 第1章 引 论 2. 自适应干扰抑制技术自适应干扰抑制技术 军事通信系统采用直扩技术，必须要考虑自适应抑制人为强功率和环境干扰。一般直扩系统的带宽较宽， 在接收时易受到环境中强功率信号（民用电视、 广播的谐波等）的干扰，这些干扰与敌方人为干扰的总功率若超过直扩系统的干扰容限， 则可对系统形成有效干扰。 直扩系统若采用自适应干扰抑制技术， 可增加系统的抗干扰容限。 自适应干扰抑制技术早在20世纪80年代就被广泛地研究， 许多算法都已得到证明， 但该项技术在应用领域还未取得大的进展，这主要是因为高速数字信号处理器件还达不到系统的要求。 近年来

47、， 高速数字信号处理器件的发展较快， 可以预见， 自适应干扰技术终将取得突破， 从而使直扩系统得到更为广泛的应用。 第1章 引 论 3. 自适应干扰对消系统自适应干扰对消系统 自适应干扰对消系统主要用于解决收、发信机之间的隔离问题。 短波波段的通信发射机功率通常在1001000 W之间， 而接收机的灵敏度范围约为107 W。要保证接收机能在发射机工作时正常接收，接收机与发射机之间的隔离度应为90150 dB。而实际的收、发天线之间的隔离度远远不够。为保证收、 发系统能双工工作，就必须采用其它保护措施。自适应干扰对消系统是一种较好的方法。自适应干扰对消系统的工作原理可看作是自适应阵中最小均方（L

48、MS）准则的一种应用， 它首先对发射机产生的近场干扰进行取样，并将取样信号作为参考信号经自适应加权调制，使加权后的参考信号与接收天线的干扰信号等幅、反相， 然后经合成器使两个信道的信号相加， 从而使干扰对消。由于参考信号中不包含接收机接收的有用信号， 因此干扰对消后有用信号不受影响，保证了接收机的正常工作。 而权值的调整由自适应环按LMS算法控制，其原理如图1-5所示。 第1章 引 论 图 1-5 自适应干扰对消系统 复权 w1复权 w2复权 wn反馈控制网络x1x2x3采样信号求和器天线去接收第1章 引 论 1.4 MIMO-OFDM技术技术 1.4.1 MIMO 多入多出(MIMO)技术或

49、多发多收天线(MIMRA)是无线电移动通信领域智能天线技术的重大突破。MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。MIMO系统的典型特征是在发射端和接收端均采用了多个天线，其核心思想是空时信号处理。利用多天线来提高传输性能的思想最早可以追溯到马可尼时代。1901年，马可尼使用4个61米高的天线塔构成阵列，成功地实现了跨大西洋的远距离Morse码传输。近年来， 随着空时信号处理理论的研究与完善，硬件制作工艺以及硅金工业的飞速发展，多天线技术的研究日益深入。20世纪80年代， J.H.Winters 等人在文献11、12中就开始论述有关天线分集和容量的相关问题； 第1章

50、 引 论 1995年1998年，贝尔实验室的E.Telatar、G.J.Foschini和M.J.Gans等人提出了BLAST（Bell Labs Layered Architecture of Space-Time）空时分层结构21315，迈出了MIMO研究具有里程碑意义的一步。根据空间矢量编码方案的不同，BLAST可分为D-BLAST（Diagonal BLAST）13和V-BLAST（Vertical BLAST）14,15。为了进一步提高系统的性能和容量，Tarokh等人将时间分集应用于MIMO中，首次提出了适合于MIMO信道的空时格形编码(STTC, Space-Time Trell

51、is Coding）16,17。利用STTC，不仅可以获得较高的空间分集增益， 而且还可以获得编码增益。 由于STTC译码复杂度较高，因此在实际应用中受到限制。针对STTC的缺点，1998年，AT&T的Alamouti提出了一种利用两个发射天线的复正交设计方案18，从而揭开了空时分组编码(STBC, Space-Time Block Coding）的研究序幕。 第1章 引 论 和STTC相比，STBC虽然在性能上稍有损失，但它也能够获取完全的空间增益， 也能充分利用所能利用的信道容量。 更为重要的是， 其接收端的最大似然译码通过简单的线性处理就能实现， 译码复杂度较STTC简便许多。T

52、arokh等人对该方案进行了进一步的研究，认为该方案的简便性关键在于发端编码矩阵具有正交特性，他们对该编码方案进行推广， 形成了能够应用于任意多个天线的STBC编码理论19,20。除此之外，人们还在寻求更为广泛的代数结构来构造适合MIMO信道的空时编码方案， 如ABBA码21、CSI-OTD码22和酉空时编码23,24等。 第1章 引 论 和传统单进单出(SISO, Single Input and Single Output）系统相比，MIMO能够获得非常高的频谱利用率。理论研究表明2: 在独立同分布（i.i.d: independent identical distribution）的Ra

53、yleigh 散射信道中， 信道容量与收发天线数目的最小值近似成线性关系，容量可达Shannon限的90。如Lucent实验室的V-BLAST系统采用8根发射天线和12根接收天线，在信噪比为2434 dB的室内环境中， 频谱利用率可高达2040 b(Hzs)15。对于SISO系统来说，在一般的信噪比下，获取这么高的频谱利用率是不可想像的。 第1章 引 论 由于MIMO技术潜在的巨大优势，国内外众多研究机构对其进行了广泛和深入的研究，并正在尝试着将其应用于现有的无线通信系统之中。目前，3G协议中已经将两天线STBC应用到WCDMA和CDMA2000中25,26。 另外，3GPP relase6版

54、本27的重要特点就是在HSDPA（High Speed Downlink Packet Access）中引入了MIMO。 大量文献表明，MIMO已经成为未来无线高速数据传输不可缺少的关键技术。 第1章 引 论 1.4.2 OFDM OFDM是一种多载波调制(MCM，Multiple Carrier Modulation）技术，其基本思想始于20世纪50年代，是由R.R.Mosier和R.G.Clabaugh提出的28。随后，R.W.Chang 在文献29中首先引入了带限信道中无载波间串扰(ICI, InterCarrier Interference）和符号间串扰(ISI, InterSymbo

55、l Interference）并行数据传输的原则， 提出了正交多载波传输OFDM的概念。它将串行高速信息数据流变换成为若干路并行低速数据流， 每路低速数据调制在彼此正交的子载波上， 然后所有子载波叠加在一起构成发送信号。B.R.Saltzberg指出，在这种正交载波的系统中，对系统性能影响最大的干扰是邻道干扰30。采用传统的模拟技术很难实现正交的子载波，因而限制了OFDM系统的应用。随着数字信号处理技术的发展， S.B.Weinstein和P.M.Ebert 等人提出采用FFT实现正交载波调制， 这为OFDM的广泛应用奠定了基础31。 第1章 引 论 此后，为了克服信道多径和定时误差引起的IS

56、I和帧间干扰(IFI, Interframe Interference）， A.Peled和A.Ruizt提出了添加循环前缀CP(Cyclic Prefix）的思想32。由于OFDM具有较高的频谱利用率，且能够通过IFFT/FFT等高效算法实现，因此目前成为应用最为广泛的多载波调制方式。 第1章 引 论 OFDM只是一种传输技术，本身不具有多址能力。1993年， 随着CDMA技术逐步走向实用化，OFDM和CDMA技术的融合也越来越受到重视。 在此期间，出现了三种多址方案: 多载波CDMA（MC-CDMA）33、多载波DS-CDMA（MC-DS-CDMA）34及多音CDMA（Multitone

57、CDMA）35。这些方案综合了OFDM与CDMA的优点，不需额外增加发射机和接收机的复杂度。文献36研究了这三种多载波多址方案， 指出MC-CDMA的性能优于其它两种系统。另外，Shengli Zhou等人在文献37中进一步指出， MC-CDMA较DS-CDMA具有更强的抗窄带干扰和抗多径能力。因此，MC-CDMA成为多载波多址方案研究的重点。关于MC-CDMA的基本概念，可参阅文献38。 第1章 引 论 和传统的单载波系统相比，OFDM系统的各子载波信道频谱相互重叠，因此具有较高的频谱利用率，其频谱效率比单载波系统高出近一倍。同时，OFDM将高速数据进行串/并转换， 并将形成的数据流在并行子

58、载波上传输， 降低了子载波上的符号传输速率，减小了无线信道对系统的影响，使系统抗多径和频率选择性衰落的能力更强。此外，OFDM的正交子载波将频率选择性衰落信道等效为若干并行的平坦衰落信道， 将信道的影响等效为复数因子，简化了信道均衡；同时，OFDM可以通过动态比特分配技术和比特自适应调制技术使系统达到最大传输效率和最优的系统性能。正因为如此，OFDM作为一种高效数据传输技术备受关注，并陆续成为多个标准的关键技术，如数字音频广播(DAB, Digital Audio Broadcasting）39、数字视频广播（DVB, Digital Video Broadcasting）40、无线局域网（北

59、美标准IEEE 802.11a41，欧洲的高性能本地局域网络HIPERLAN/242）、数字电视（DTV, Digital Television）陆地广播标准以及xDSL等标准43，并有可能成为下一代（Beyond 3G 或4G）移动通信系统的核心技术之一。 第1章 引 论 1.4.3 MIMO-OFDM 我们知道，现有基于空时编码的MIMO系统都是在平坦衰落信道或准平坦衰落信道中进行研究的1619,44，而OFDM又能将整个频率选择性衰落信道等效成若干并行的平坦衰落信道， 因而为空时编码的MIMO技术在频率选择性信道中的应用创造了条件。鉴于此，国内外许多研究人员和机构都将目光放到MIMO与O

60、FDM的结合上来， 以求获得更高的频谱利用率。 Hemanth Sampath等人在2002年提出了采用MIMO-OFDM的宽带无线通信系统， 并给出了实际系统的测量结果7；第1章 引 论 在我国863计划通信技术主题“十五”重大项目“新一代蜂窝移动通信系统无线传输链路技术研究”中，就明确提到多天线多载波技术的结合45；在中国欧盟Beyond 3G研讨会上，与会各个机构和专家在论述实现Beyond 3G/4G的关键技术时，几乎无一不提及MIMO和OFDM46；另外，国内外众多的相关论题和文献更是体现了当前MIMO-OFDM系统以及相关信号处理技术的研究热度。因此，追踪国际先进技术，积极开展MIMO-O