【正文】 年 1 月，國際無線電咨詢委員會(huì) (CCIR,現(xiàn)為 ITUR)在研究未來民用陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)的計(jì)劃報(bào)告中已明確地建議采用擴(kuò)頻通信技術(shù)。 擴(kuò)頻技術(shù)由于其本身具備的優(yōu)良性能而得到廣泛應(yīng)用，到目前為止，其最主要的兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域仍是軍事抗干擾通信和移動(dòng)通信系統(tǒng) ，而跳頻系統(tǒng)與直擴(kuò)系統(tǒng)則分別是在這兩個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用最多的擴(kuò)頻方式。一般而言，跳頻系統(tǒng)主要在軍事通信中對(duì)抗故意干擾，在衛(wèi)星通信中也用于保密通信，而直擴(kuò)系統(tǒng)則主要是一種民用技術(shù)。 從擴(kuò)頻技術(shù)的歷史可以看出，每一次技術(shù)上的大發(fā)展都是由巨大的需求驅(qū)動(dòng)的。軍事通信抗干擾的驅(qū)動(dòng)以及個(gè)人通信業(yè)務(wù)的驅(qū)動(dòng)使得擴(kuò)頻技術(shù)的抗干擾性能和碼分多址能力得到最大限度的挖掘。展望未來，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng) (4G)的驅(qū)動(dòng)無疑會(huì)使擴(kuò)頻技術(shù)傳輸高速數(shù)據(jù)的能力得到更大的拓展。 佳木斯大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 第 2 章 直序 擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 基本原理 擴(kuò)展頻譜通信 (Spread Spectrum Communication)簡稱擴(kuò)頻通信。擴(kuò)頻通信的基本特征是使用比發(fā)送的信息數(shù)據(jù)速率高許多倍的偽隨機(jī)碼把載有信息數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，形成寬帶的低功率譜密度的信號(hào)來發(fā)射。香農(nóng) (Shannon)在信息論的研究中得出了信道容量的公式： C=Blog2(1+S/N) （ 21） 這個(gè)公式指示出：如果信息傳輸速率 C 不變，則帶寬 B 和信噪比 S/N 是可以互換的，就是說增加帶寬就可以在較低的信噪比的情況下 以相同的信息率來可靠的傳輸信息，甚至在信號(hào)被噪聲淹沒的情況下，只要相應(yīng)的增加信號(hào)帶寬，仍然保持可靠的通信，也就是可以用擴(kuò)頻方法以寬帶傳輸信息來換取信噪比上的好處。這就是擴(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù)。 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的 主要特點(diǎn) 擴(kuò)頻通信技術(shù)在發(fā)端以擴(kuò)頻編碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，在收端以相關(guān)解調(diào)技術(shù)收信，這一過程使其具有諸多優(yōu)良特性： (1)抗干擾性強(qiáng) 表示擴(kuò)頻通信特性的一個(gè)重要參數(shù)是擴(kuò)頻增益 G(Spreading Gain),其定義為擴(kuò)頻前的信號(hào)帶寬 B1 與擴(kuò)頻后的信號(hào)帶寬 B2 之比。 G=B2/B1 擴(kuò)頻通信中，接 收端對(duì)接收到的信號(hào)做擴(kuò)頻解調(diào)，只提取擴(kuò)頻編碼相關(guān)處理后帶寬為 B1 的信號(hào)成份，而排除了擴(kuò)展到寬帶 B2 中的干擾、噪聲和其他用戶通信的影響，相當(dāng)于把接收信噪比提高了 G 倍?？紤]到輸出端的信噪比和接收系統(tǒng)損耗，可以認(rèn)為實(shí)際的擴(kuò)頻增佳木斯大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 益帶來的信噪比的改善為： M=G輸出端信噪比一系統(tǒng)損耗公式中的 M 叫做抗干擾容限。 (2)隱蔽性強(qiáng)、干擾小 因信號(hào)在很寬的頻帶上被擴(kuò)展，則單位帶寬上的功率很小，即信號(hào)功率譜密度很低。信號(hào)淹沒在白噪聲之中，別人難于發(fā)現(xiàn)信號(hào)的存在，再加之不知擴(kuò)頻編碼，就更難拾取有用信號(hào)。而極低的功率譜密度，也很少 對(duì)其他電訊設(shè)備構(gòu)成干擾。 (3)易于實(shí)現(xiàn)碼分多址 擴(kuò)頻通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能力，由于擴(kuò)頻通信要用擴(kuò)頻編碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制發(fā)送，而信號(hào)接收需要用相同的擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)解擴(kuò)才能得到，這就給頻率復(fù)用和多址通信提供了基礎(chǔ)。充分利用不同碼型的擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性，分配給不同用戶不同的擴(kuò)頻編碼，就可以區(qū)別不同的用戶的信號(hào)，眾多用戶，只要配對(duì)使用自己的擴(kuò)頻編碼，就可以互不干擾地同時(shí)使用同一頻率通信，從而實(shí)現(xiàn)了頻率復(fù)用，使擁擠的頻譜得到充分利用。發(fā)送者可用不同的擴(kuò)頻編碼，分別向不同接收者發(fā)送數(shù)據(jù)；同樣，接 收者用不同的擴(kuò)頻編碼，就可以收到不同的發(fā)送者送來的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了多址通信。 (4)抗多徑干擾 在無線通信中，抗多徑干擾問題一直是難以解決的問題，利用擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性；在接收端可以用相關(guān)技術(shù)從多徑信號(hào)中提取分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，也可把多個(gè)路徑來的同一碼序列的波形相加使之得到加強(qiáng)，從而達(dá)到有效的抗多徑干擾。 直接序列 擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)簡稱直接擴(kuò)頻（ DSS）系統(tǒng)或叫直接序列（ DS）系統(tǒng)，是佳木斯大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 目前使用最多，最典型的擴(kuò)頻工作方式，直擴(kuò)方式是在發(fā)端直接用具有高碼率的擴(kuò)頻編碼去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在 收端用相同的擴(kuò)頻編碼進(jìn)行解擴(kuò)使擴(kuò)頻信號(hào)還原為原始信號(hào)。直接序列系統(tǒng)中用的編碼序列通常是偽隨機(jī)序列或叫偽噪聲（ PN）碼。要傳送的信息經(jīng)數(shù)字化后變成二元數(shù)字序列，它和偽隨機(jī)序列模二相加后變成復(fù)合碼去調(diào)制載波。在直接序列系統(tǒng)中通常對(duì)載波進(jìn)行相依鍵控調(diào)制。當(dāng)擴(kuò)頻調(diào)制后由天線發(fā)射出去。在接收機(jī)中要有一個(gè)和發(fā)射機(jī)中的偽隨機(jī)碼同步的本地碼，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)，解擴(kuò)后的信號(hào)送到解調(diào)器取出傳送的信息 。 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能的分析 抗干擾能力 直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，通常工作在強(qiáng)干擾環(huán) 境，這些干擾可分為自然干擾和人為干擾。自然干擾主要有多路徑干擾、雨雪干擾、信道衰落和多用戶干擾等。接收機(jī)內(nèi)部噪聲也歸于自然干擾。人為干擾是敵方故意施放的干擾，例如部分頻帶干擾、脈沖干擾、單頻連續(xù)波干擾等。 比較常見的是噪聲干擾，可以用高斯白噪聲作為其模型 ,其功率譜密度覆蓋擴(kuò)頻系統(tǒng)頻帶。本小節(jié)只討論這種情況。接收信號(hào) u(t)為： u(t)=Ad(t)pn(t)cosω 0t+n(t) （ 22） 設(shè) n(t)是獨(dú)立的、 0 均值帶限 f d 平穩(wěn)隨機(jī)過程 ,功率譜密度為 S n (f),噪聲功率為： E(|n(t)| 2 )=???? dffSn )(=Pn （ 23） 在系統(tǒng)同步后，基帶濾波器濾除ω 0 及以上的高頻分量，噪聲輸出成分為： 佳木斯大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 N(t)=???? ? daapnanath )()()( (24) 其中 h(t)為基帶濾波器的傳輸函數(shù)。 由于擴(kuò)頻碼 pn(t)和噪聲 n(t)相互獨(dú)立， n(t)為 0 均值的隨機(jī)過程，所以噪聲輸出成分的均值為 0。 而噪聲輸出成分的方差，即噪聲輸出成分的平均功率為： 2? = ???????? ddRRhhpnn )()()()( ??????? （ 25） 式中， Rn (β α )=E[n(α )n(β )],是噪聲的自相關(guān)函數(shù)，等于它的功率譜密度 Sn (f)的付氏變換。而 Rpn=EPn(tα)Pn(tβ] ，是擴(kuò)頻編碼的自相關(guān)函數(shù)，為擴(kuò)頻編碼功率譜密度 Spn (f)付氏變換。因此式 244 寫成付氏變換形式為： 2? =? ??? dffSfSfH npn ))(*)((|)(| （ 26） 這里， H(f)是理想基帶濾波器的頻率特性， h(t)付氏變換。因此， |H(f)|2 在基帶濾波器的通帶 (fd ,fd )內(nèi)為 1，其他頻帶范圍均為 0。 f d 為基帶信息的速率，這樣，式 25 可寫為： 2? =???? dffSfS npn )(*)( （ 27） 我們定義反映擴(kuò)頻通信特征的重要參數(shù) 擴(kuò)頻增益 G，在擴(kuò)頻通信中，接收機(jī)作解擴(kuò)解調(diào)后，只提取偽隨機(jī)編碼相關(guān)處理后的帶寬為 B1 的信號(hào)成分，而排除掉擴(kuò)展到寬頻帶 B2 中的外部干擾、噪聲等其他影響。擴(kuò)頻增益 G 準(zhǔn)確反映了擴(kuò)頻通信的這種能力。所以根據(jù) G 的定義，系統(tǒng)噪聲輸出功率可表示為： 佳木斯大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 2? ? PnNPn? Pn21BB = Pn /G （ 28） 由上式可知，噪聲輸出功率與擴(kuò)頻增益成反比。因此系統(tǒng)擴(kuò)頻增益越大，對(duì)噪聲干擾的抑制能力越強(qiáng)。 對(duì)于式 245，擴(kuò)頻碼 pn(t)對(duì)噪聲 n(t)在頻域上做卷積，實(shí)際上是擴(kuò)頻碼對(duì)基帶噪聲干擾作頻譜擴(kuò)展，擴(kuò)展后的噪聲功率譜密度既然明顯降低，為原譜密度的1/G，而能 經(jīng)基帶濾波器輸出的噪聲功率也就僅為原噪聲功率的 1/G，實(shí)現(xiàn)了對(duì)噪聲干擾的抑制，體現(xiàn)了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力。 需要指出的是，上述結(jié)果是在噪聲干擾為基帶 B1 的廣義平穩(wěn)隨機(jī)過程，即噪聲功率譜分布在 (f d ,fd )內(nèi)的情況下得出的?？梢宰C明，當(dāng)噪聲帶寬非常寬時(shí)，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)對(duì)噪聲功率不再有明顯的抑制能力。因此，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)對(duì)象熱噪聲這樣的帶寬無限寬的干擾是無能為力的。 信噪比和誤碼率 信噪比和誤碼率是數(shù)據(jù)通信最 重要的性能指標(biāo)，它充分反映了數(shù)據(jù)通信的抗噪聲能力和傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，這里開始分析直接擴(kuò)頻系統(tǒng)的信噪比和誤碼率。基帶濾波器是 0T 的積分器和在 T 時(shí)刻的門限判決，載波信號(hào)和本地載波信號(hào)幅值在這里都用 P2 來表示， P 是信號(hào)功率， T 時(shí)刻為判決時(shí)刻。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)： S(t)= P2 d(t)pn(t)cosω 0t （ 29） 忽略傳輸時(shí)延和衰減，其接收信號(hào)為： u(t)=S(t)+n(t) （ 210） 佳木斯大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 這里， n(t)是 0 均值的高斯白噪聲，在擴(kuò)頻通信的整個(gè)頻帶上有 N 0 /2 的雙邊功率譜密度。在系統(tǒng)收發(fā)兩端已完全同步的情況下，并且積分器在積分期間， d(t)是不變的，要么是 +1，要么是 1，仍用 d 表示，那么經(jīng)解調(diào)后的接收信號(hào)送往積分器輸出為： v(t)=PT*d+ ?T tdtptpntn0 0c os2)()( ? （ 211） 式中第一項(xiàng)是有用信號(hào)， PT 為在信息數(shù)據(jù)脈寬 T 內(nèi)的信號(hào)能量， d 是信息數(shù)據(jù)的正、負(fù)狀態(tài)，即發(fā)送來的信息數(shù)據(jù)。式中第二項(xiàng)為噪聲，在 T 時(shí)刻積分器的噪聲輸出為： n(T)=?T tdtPtpntn0 0c os2)()( ? （ 212） 它的準(zhǔn)確積分結(jié)果很難給出，但 n(t)是與 pn(t)獨(dú)立的 0 均值高斯白噪聲，因此 n(T)的統(tǒng)計(jì)特性為： 均值： E[n(T)]=0 （ 213） 方差： )(2tn? =?TC O Spnn dtRRR0 )0(*)0(*)0( （ 214） 式中 R n (0)是噪聲自相關(guān)，對(duì) N 0 /2 的雙邊功率譜密度的白噪聲，則 R n (0)= N0 /2。 R pn (0)是擴(kuò)頻碼的自相關(guān) , R pn (0)=1,R COS (0)是信號(hào)功率為 P 的載波自相關(guān) ,有 RCOS (0)=P。 作為通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參量的信噪比 ,是有用信號(hào)功率與噪聲功率之比。對(duì)隨機(jī)變量檢測(cè)的場(chǎng)合，信噪比也是該隨機(jī)變量的均值的平方與它的方差之比。因此，擴(kuò)佳木斯大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 頻通信系統(tǒng)的接收機(jī)對(duì)發(fā)送來的擴(kuò)頻信號(hào)作相關(guān)解調(diào)處理時(shí)，當(dāng)與發(fā)送來的信號(hào)的擴(kuò)頻碼完全同步的情況下，積分器輸出的有用信號(hào)功率為 (PT*d) 2 =(PT) 2 ,這也就是把 v(t)作為隨機(jī)變量時(shí)，它的均值的平方。積分器輸出的噪聲信號(hào)功率為20NPT? ，即 v(t)的方差。因此，擴(kuò)頻通信的輸出信噪比為： outNS)(＝2/* )( 02NPTPT＝02NPT （ 215） 式中， P 為接收的有用信號(hào)功率， T 為信息數(shù)據(jù)脈碼寬度， PT=E b 為１ bit 信息數(shù)據(jù)的信號(hào)能量。 由于信道 和接收機(jī)中的高斯白噪聲和通常來自信到外部的窄帶隨機(jī)過程是完全獨(dú)立的，在這兩種噪聲干擾存在的情況下，擴(kuò)頻通信的輸出信噪比為： outNS)( ＝干擾功率噪聲功率 有用信號(hào)功率 ?＝有用信號(hào)功率干擾功率有用信號(hào)功率噪聲功率 ?1 ＝NPPPTN n?210 （ 216） 那么此時(shí)，誤碼率為 : Pe =erfc )21(0 NPPPTN n? （ 217） 佳木斯大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 Pe 10 1? 10 2? 10 4? 10 5? 10 0