【正文】 統(tǒng)性能的好壞，是一個至關(guān)重要的問題。 擴(kuò)頻信號的接收一般分為兩步進(jìn)行，即解擴(kuò)與解調(diào)，這是關(guān)系到系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。解擴(kuò)是在偽隨機碼 同步的情況下，通過對接收信號的相關(guān)處理從而獲得處理增益，提高解跳器輸入端的信噪比，使系統(tǒng)的誤碼性能得以改善。 解擴(kuò)與解調(diào)的順序一般是不能顛倒的，通常是先進(jìn)行解擴(kuò)后再進(jìn)行解調(diào)，這是因為在未解擴(kuò)之前的信噪比是很低的，一般的解調(diào)方法很難實現(xiàn)。 正是由于這些技術(shù)的應(yīng)用，使擴(kuò)頻通信有如下的優(yōu)點： (1)具有較強的抗干擾能力。這種能力的大小與處理增益成正比。 (2)具有很強的隱蔽性和抗竊聽的能力。擴(kuò)頻信號的譜密度很低，可使信號淹沒在噪聲之中。 (3)具有選址能力，可實現(xiàn)碼分多址。擴(kuò)頻系統(tǒng)本來就是一種碼分多址通信系統(tǒng) 。 2 (4)抗衰落，特別是抗頻率選擇性好。直序信號的頻譜很寬，一小部分衰落對整個信號的影響不大。 (5)抗多徑干擾。利用偽隨機碼的相關(guān)特性，只要多徑時延超過偽隨機碼的一個切譜，通過相關(guān)處理后可消除這種干擾影響。 (6)高精度測量等。利用直擴(kuò)系統(tǒng)偽隨機碼的相關(guān)特性，可完成精度很高的測距和定位。 正是由于擴(kuò)頻通信技術(shù)具有上述優(yōu)點，自 50 年代中期美國軍方便開始研究，一直為軍事通信所獨占，廣泛應(yīng)用于軍事通信、電子對抗以及導(dǎo)航、測量等各個領(lǐng)域。直到 80 年代初才被應(yīng)用于民用通信領(lǐng)域。為了滿足日益增長的民用通信容量的需求和 有效地利用頻譜資源，各國都紛紛提出在數(shù)字峰窩移動通信、衛(wèi)星移動通信和未來的個人通信中采用擴(kuò)頻技術(shù)，擴(kuò)頻技術(shù)于蜂窩電話、無繩電話、微波通信、無線數(shù)據(jù)通信、遙測、監(jiān)控、報警等系統(tǒng)中。 3 第 1 章 緒論 167。 設(shè)計的依據(jù)和意義 擴(kuò)展頻率通信與光纖通信、衛(wèi)星通信一同被譽為進(jìn)入信息時代的三大高技術(shù)通信方式。擴(kuò)展頻率通信即擴(kuò)頻通信，是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必須的最小貸款；頻帶的擴(kuò)展 是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端則用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。 擴(kuò)頻系統(tǒng)包括直接序列擴(kuò)頻、調(diào)頻擴(kuò)頻、跳時擴(kuò)頻、寬帶線性調(diào)頻。直接序列擴(kuò)頻是高安全性高抗擾性的一種無線序列型號傳輸方式。直接序列擴(kuò)頻通過利用高速率的擴(kuò)頻序列在發(fā)射端擴(kuò)展信號的頻譜，而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展開的擴(kuò)頻信號還原成原來的信號。直接序列擴(kuò)頻方式是直接用偽噪聲序列對載波進(jìn)行調(diào)制，要傳送的數(shù)據(jù)信息需要經(jīng)過信道編碼后，與偽噪聲序列進(jìn)行模 2 和生成 復(fù)合碼去調(diào)制載波。 直接序列擴(kuò)頻是建立在 Claude E． Shannon 的信息論基礎(chǔ)之上的一種新型的通信體制。由于具有抗干擾能力強、抗多徑干擾能力強、截獲能力強、可同頻工作、直擴(kuò)通信速率高和易于實現(xiàn)多址通信的優(yōu)點。自從問世之后便引起了世界各國的極大關(guān)注，并率先應(yīng)用在軍事通信中。隨著近年來大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微處理器技的廣泛應(yīng)用，以及一些新型器件的應(yīng)用，擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用形成了新的高潮。直接序列擴(kuò)頻技術(shù)在軍事通信和機密工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在甚至普及到一些民用的高端產(chǎn)品，例如信號基站、無線電視、 蜂窩手機、無線嬰兒監(jiān)視器等，是一種可靠安全的應(yīng)用方案。隨著科技的發(fā)展，擴(kuò)頻技術(shù)必將獲得更加廣闊的應(yīng)用空間。 167。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 擴(kuò)頻通信技術(shù)最初是在軍事抗干擾通信中發(fā)展起來的，后來又在移動通信中得到廣泛的應(yīng)用，因此擴(kuò)頻技術(shù)的歷史經(jīng)歷了兩個發(fā)展階段，目前它在這兩個領(lǐng)域仍占據(jù)重要的地位。 有關(guān)擴(kuò)頻通信技術(shù)的觀點最初并非來自軍方，而是有好萊塢女演員 Hedy Lamarr 和 Gee Antheil 提出的。最初的應(yīng)用包括軍事抗干擾通信、導(dǎo)航系統(tǒng)、抗 4 多經(jīng)實驗系統(tǒng)以及其他方面。 1951 年末，美陸軍通信協(xié)會要 求麻省理工學(xué)院的林肯實驗室為易受敵方干擾的遠(yuǎn)距離高頻無線電傳輸通信研制一個 NOMAC（ Noise Modulation and Correlation System）系統(tǒng)，經(jīng)過幾年研制，于 1955 年由電子防御實驗室為美國陸軍通信兵生產(chǎn)了名為 F9CA[2][3]的樣機。這樣，擴(kuò)頻技術(shù)真正開始在軍事領(lǐng)域得到應(yīng)用。 在擴(kuò)頻通信技術(shù)發(fā)展的前幾十年，其應(yīng)用一直是在軍事通信領(lǐng)域，而個人通信業(yè)務(wù)（ PCS）的發(fā)展終于使擴(kuò)頻技術(shù)迎來了另一次大發(fā)展的機遇。 80 年代末，美國 FCC 規(guī)劃出了 ISM 頻段，即開放頻段，可以由采用擴(kuò)頻通 信機制的商用通信使用，為擴(kuò)頻通信技術(shù)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用打開了大門。 90 年代初，在第一代模擬蜂窩通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了個人通信業(yè)務(wù)研究的熱潮，但接踵而來的就出現(xiàn)了頻率分配的問題。隨著多址技術(shù)的提出，為個人通信的實現(xiàn)提供了技術(shù)可能。 同步的實現(xiàn)一直是通信系統(tǒng)的一個關(guān)鍵問題，擴(kuò)頻通信也是如此。同步主要是指本地偽碼和載波與接收信號的偽碼與載波在頻率和相位上的一致，只有同步以后才能實現(xiàn)信號的正確接收，實現(xiàn)擴(kuò)頻通信的各種優(yōu)點。同步分為捕獲和跟蹤兩個階段，即粗同步和細(xì)同步階段，目前的研究主要集中在碼捕獲過程較多，特別是 低信噪比、高動態(tài)、高速情況下實現(xiàn)偽碼的快速捕獲是近來研究的一個重點。 以前采用的主要是串行捕獲方法，這種方案實現(xiàn)簡單，但捕獲速度不能滿足要求。而現(xiàn)在大規(guī)模集成電路的應(yīng)用時并行捕獲方案成為可能，但系統(tǒng)的復(fù)雜度很高，因此研究的目標(biāo)就是實現(xiàn)碼捕獲時間性能和系統(tǒng)復(fù)雜度之間的折衷。捕獲性能的研究也從以前高斯新到的情況引申到非高斯、大頻偏情況下的性能研究 5 第 2章 直接 序 列 擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 167。 直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)框圖 直接序列 (DS)擴(kuò)頻 是一種直接用具有高碼元速率的 PN 碼序列在發(fā)送端擴(kuò)展基帶信號 的頻譜，在接收端用相同的 PN 碼序列進(jìn)行解擴(kuò) ,把展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始的信息。圖 21 為直接擴(kuò)頻系統(tǒng)的組成與原理框圖。 帶通 帶通 濾波 積分判決 信碼 PN 碼 載波 干擾 載波同步 PN 碼同步 載波 PN 碼 信碼 圖 21 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)組成原理框圖 167。 直接序列擴(kuò)頻信號的產(chǎn)生原理 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)是目前廣泛應(yīng)用的一種擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)。美國的國際衛(wèi)星通信系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)都是直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的應(yīng)用實例。 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)采用直接序列擴(kuò)頻信號體制。下面就從偽隨機碼序列 (m序列和 GOLD 碼序列 )的產(chǎn)生原理 、調(diào)制信號的產(chǎn)生原理幾方面來說明直接序列擴(kuò)頻信號的產(chǎn)生原理。 (1)m碼序列的產(chǎn)生原理 偽隨機碼序列是一種具有類似白噪聲統(tǒng)計特性的編碼信號，通常作為擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)展碼。 m碼序列是移位寄存器序列。 m碼序列可以由移位寄存器加反饋產(chǎn)生，如圖 22 所示。 6 Cn 1 Cn 2 Cn 3 Cn 4 C1 C0 Cn 5 …… A0 A1 A4 A5 …… An 1 An A2 A3 圖 22 n級反饋移位寄存器的結(jié)構(gòu) Cn 是每個移位寄存器的初值，可以是 1 或 0， An是第 n 級移位寄存器的反饋系數(shù)， An=0 時表示無反饋，反饋線斷開： An=1 時表示有反饋，反饋線相連。這種結(jié)構(gòu)的 A0 和 An 必須有 反饋，否則 n 級最長線性反饋移位寄存器將簡化為 n1級最長線性反饋移位寄存器。采用不同的反饋邏輯，即 An的不同取值將產(chǎn)生不同的移位寄存序列。 N 級最長線性反饋移位寄存器的周期為 2n1， n 為移位寄存器的級數(shù)。 (1)GOLD 碼序列的產(chǎn)生原理 由于 m碼序列具有的移位寄存序列不能滿足擴(kuò)頻系統(tǒng)碼分多址的要求，因此實際采用的地址由 2 個長度和速率相同的 m碼序列優(yōu)選對模 2 相加得到 GOLD 碼序列。 GOLD 碼序列產(chǎn)生的移位寄存序列為 2n+1 個。 GOLD 碼序列可以通過 2 個m碼序列優(yōu)選對串聯(lián)產(chǎn)生，如圖 23 所示。 C 5 C 4 C 3 C 2 C 1 C 0 D 5 D 4 D 2D 3 D 1 D 0 圖 23 有 2 個 n=6 的 m碼序列優(yōu)選對串聯(lián)產(chǎn)生的 GOLD碼序列 7 由 2 個 n=6 的 m碼序列優(yōu)選對串聯(lián)組成 1 個 n=12 的移位寄存器序列 (GOLD碼序列 )不是最長線性移位寄存器序列。根據(jù) Cn 和 Dn(n+1…6 )的不同取值產(chǎn)生的GOLD 碼序列總共為 62 +1=65 條。 167。 直接序列擴(kuò)頻原理 直接序列擴(kuò)頻的實質(zhì)是用一組編碼序列調(diào)制載波，其調(diào)制過程可以簡 化表示為：信碼和擴(kuò)展碼序列模 2 相加進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，產(chǎn)生擴(kuò)頻調(diào)制信號；擴(kuò)頻調(diào)制信號對載波反相鍵控進(jìn)行載波調(diào)制，產(chǎn)生直接序列擴(kuò)頻信號，如圖 24 所示 ， 任意波形發(fā)生器的實現(xiàn)方法 。 信碼 擴(kuò)展碼 載波 圖 24 直接序列擴(kuò)頻信號的產(chǎn)生原理 理想的任意波形發(fā)生器既是一種信號源，又是一種調(diào)制源。 167。 直 接序列 擴(kuò) 頻通信 系統(tǒng)的性能 167。 直 接序列 擴(kuò) 頻通信 系統(tǒng)的抗干擾性 直 接序列 擴(kuò) 頻通信 系統(tǒng)最早應(yīng)用是在軍事通信中作為很強抗干擾性的通信手段。直擴(kuò)系統(tǒng)對窄帶干擾、寬帶干擾等，都具有抗 干擾能力，其抗干擾能力大小就是前面提出的擴(kuò)頻處理增益 pG ， pG 越大，抗干擾能力就越強。 這里的寬帶干擾是泛指的與擴(kuò)頻信號不相關(guān)的，在通信網(wǎng)中，其它用戶的信號就是一種寬帶干擾。相關(guān)處 理前，信號頻譜是很寬的，經(jīng)相關(guān)處理后，有用信息被解擴(kuò)，其功率譜集中于信息帶寬內(nèi)，而寬帶干擾通過相關(guān)器，其功率譜密度基本不變。由于解擴(kuò)后必然連接窄帶濾波器，保證信號能順利通過 ，對信號頻帶之外的各種干擾起到很大的抑制作用，從而提高了輸出的信噪比。 8 對單頻或窄帶干擾，直擴(kuò)系統(tǒng)有很強的抗干擾能力。對干擾來說，相關(guān)器起到擴(kuò)展頻譜的目的，功率譜密度就大大下降，其中對信號有害的干擾分量只有落入信息帶寬部分，從而抑制了大部分干擾。由于有用信號能順利通過窄帶濾波器，因此提高了輸出的信噪比。 167。 直擴(kuò)信號的抗截獲性 截獲敵方信號的目的在于： 。 2. 確定敵方信號的頻率。 。 理論分析表明，信號的檢測概率與信號能量與噪聲 功率譜密度之比成正比，與信號的頻帶寬度成反比。直擴(kuò)信號正好具有這兩方面的優(yōu)勢，它的功率譜密度很低，單位時間內(nèi)的能量就很小，同時它的頻帶很寬。因此，它具有很強的抗截獲性。 如果滿足直擴(kuò)信號在接收機輸入端的功率低于或與外來噪聲及接收機本身的熱噪聲功率相比擬的條件、則一般接收機發(fā)現(xiàn)不了直擴(kuò)信號的存在。另外，由于直擴(kuò)信號的寬頻帶特性，截獲時需要在很寬的頻率范圍進(jìn)行搜索和監(jiān)測，也是困難之一。因此，直擴(kuò)信號可以用來進(jìn)行隱藏通信。至于如何發(fā)現(xiàn)敵方直擴(kuò)信號的存在，和弄清楚其參數(shù)，即直擴(kuò)信號的檢測與估值問題。 167。 直 接序列 擴(kuò) 頻 碼分多址通信系統(tǒng) 多址通信系統(tǒng)指的是許多用戶組成的一個通信網(wǎng)，網(wǎng)中任何兩個用戶都可以通信，且許多對用戶同時通信時互不不擾。應(yīng)用直擴(kuò)系統(tǒng)就很容易組成這樣一個多址通信系統(tǒng) (網(wǎng) )。 具體的做法是給每一個用戶分配一個 PN 碼作為地址碼。首先，利用直接序列擴(kuò)頻信號中 PN 碼的相關(guān)特性來區(qū)分不同的用戶，每個用戶只能收到其他用戶按其地址碼發(fā)來的信號，此時自相關(guān)特性出現(xiàn)峰值，可以判別出是有用信號。對于其他用戶發(fā)來的別的信號，因 PN 碼不同時互相關(guān)值很小，不會被解擴(kuò)出來。其次，利用直擴(kuò)信號中頻譜擴(kuò)展，功率譜密度很低的特性 ，可以有許多用戶共用同一寬頻帶。此時相互之間干擾很小，可以當(dāng)作噪聲處理。另外，每個用戶占用的頻寬很窄，相對說來，頻譜利用率也是高的。 9 實現(xiàn)直接序列擴(kuò)頻碼分多址通信值得注意的問題有： 1. 是要選擇有優(yōu)良互相關(guān)特性的碼。 一般多采用有二值或三值相關(guān)特性的碼作為地址碼。同時還需要有一定的數(shù)量。 Gold 碼就可以作為地址碼來用，它既有較優(yōu)良的相關(guān)特性，也有足夠的數(shù)量可供選。 2. 是要注意克服“遠(yuǎn)－近”問題。 所謂“遠(yuǎn)一近”問題指的是距離近的用戶的信號強，它會干擾距離遠(yuǎn)的弱信號的接收。解決的辦法是采用自動 功率控制，自動調(diào)節(jié)各用戶的發(fā)射功率，使達(dá)到接收機時各用戶信號功率基本相等，也就是滿足接收機輸入端等功率的條件，才能正確地區(qū)分有用信號。 3. 是同時通話的用戶數(shù)，決定于整個網(wǎng)內(nèi)的噪聲水平。 因此，直接序列擴(kuò)頻碼分多址系統(tǒng)是一種噪聲受限的系統(tǒng)。隨著用戶數(shù)的增加，通信質(zhì)量逐漸變壞。 167。 直擴(kuò)系統(tǒng)的抗多徑干擾性能 多徑信道就是發(fā)射機和接收機之間電波傳播的路徑不止一條。例如由于大氣層的反射和折射，以及由于建筑物等對電波的反射都是形成多徑信道的原因。不同的傳播路徑使電波在幅度上衰減不同，到達(dá)時間的延遲