【文章內(nèi)容簡介】 干擾能力就越強(qiáng)。下面就來分析直擴(kuò)系統(tǒng)抗寬帶干擾和抗窄帶干擾的原理。圖 23 為直擴(kuò)系統(tǒng)抗寬帶干擾的示意圖。 這里的寬帶干擾是泛指的與擴(kuò)頻信號不相關(guān)的，在 CDMA 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。 對單頻或窄帶干擾，直擴(kuò)系統(tǒng)有很強(qiáng)的抗干擾能力。圖 24（ a）為解擴(kuò)前的功率譜，窄帶干擾功率很大，由于干擾與本地擴(kuò)頻碼（ PN 碼）是不相關(guān)的。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。 解擴(kuò)后的有用信號信息帶寬 B A 有用信號 干擾電平 白限熱噪聲電平 cR cR 功率頻譜 干擾信號 cf f cR f 圖 23 直擴(kuò)系統(tǒng)抗寬帶干擾的示意圖 （ a）接收機(jī)輸入的信號及干擾的功率譜 （ b）相關(guān)器輸出的信號及干擾的功率譜 成都學(xué)院（成都大學(xué)）課程設(shè)計報告 12 直擴(kuò)信號的抗截獲性 截獲敵方信號的目的在于： （ 1） 發(fā)現(xiàn)敵方信 號的存在； （ 2） 確定敵方信號的頻率； （ 3） 確定敵方發(fā)射機(jī)的方向； 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(qiáng)的抗截獲性。 如果滿足直擴(kuò)信號在接收機(jī)輸入端的功率低于或與外來噪聲及接收機(jī)本身的熱噪聲功率相比擬的條件、則一般接收機(jī)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。 直擴(kuò)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，而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，利用直擴(kuò)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，A A 解擴(kuò)后的有用信號 干擾被擴(kuò)展頻譜 有用信號 窄帶干擾信號 2cR f if f cf cf （ a） 未解擴(kuò)的功率譜 （ b） 解擴(kuò)后的功率譜 圖 44 直擴(kuò)系統(tǒng)抗窄帶干擾示意圖 成都學(xué)院（成都大學(xué)）課程設(shè)計報告 13 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。 實現(xiàn)直擴(kuò)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(qiáng)，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(jī)時各用戶信號功率基本相等，也就是滿足接收機(jī)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，直擴(kuò)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。 直擴(kuò)系統(tǒng)的抗多徑干擾性能 多徑信道就是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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)時間的延遲也不同。 直擴(kuò)系統(tǒng)能夠同步鎖定在最強(qiáng)的直達(dá)路徑的電波上。其它有延遲到達(dá)的電波，由于相關(guān)解擴(kuò)的作用，只起到噪聲干擾的作用。這就是利用 PN 碼的自相關(guān)特性，只要延遲超過半個 PN 碼時片，其相關(guān)值就很小，可作為噪聲來對待。另外，如果采用不同時延的匹配濾波器，把多徑信號分離出來，還可以變害為利，將這些多徑信號在相位上對齊相加，起到增加接收信號能量的作用。 因此，直擴(kuò)系統(tǒng)是一種有效的抗多徑干擾的通信系統(tǒng)。 直擴(kuò)測距定時系統(tǒng) 直擴(kuò)系統(tǒng)的發(fā)展是從測距開始的。電磁波在空間是以固定的光速傳播的。如果測定了電波傳播的時間，也就測定了距離。 成都學(xué)院（成都大學(xué)）課程設(shè)計報告 14 用直擴(kuò)信號來測取和定時有獨特的優(yōu)點。當(dāng)采用一個較長周期的 PN 碼序列作為發(fā)射信號、用它于目的地反射回來或轉(zhuǎn)發(fā)回來的 PN 碼序列的相位進(jìn)行比較，即比較兩個碼序列相差的時片數(shù)，就可以看出其時間差，也就能換算出發(fā)射機(jī)與目的地之間的距離。不難把碼片選得很窄，即碼的鐘速率很高，則可以高精度的測距與定時，基本的分辨率即一個碼片。 此外，有了精確的測距的定時系統(tǒng)，不難形成一個精確的定位系統(tǒng)；按照簡單的幾何關(guān)系，已知 兩個點的位置 (座標(biāo) )和距離，及其在某一平面上分別與第三點的距離，也就能確定第三點的座標(biāo)位置。 擴(kuò) 頻序列通信系統(tǒng)的同步原理 任何數(shù)字通信系統(tǒng)都是離散信號的傳輸，要求收發(fā)兩端信號在頻率上相同和相位上一致，才能正確地解調(diào)出信息。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)也不例外。一個相干擴(kuò)頻數(shù)字通信系統(tǒng)，接收端與發(fā)送端必須實現(xiàn)信息碼元同步、 PN碼碼元和序列同步和射頻載頻同步。只有實現(xiàn)了這些同步，直擴(kuò)系統(tǒng)才能正常的工作?？梢哉f沒有同步就沒有擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。 同步系統(tǒng)是擴(kuò)頻通信的關(guān)鍵技術(shù)。信息碼元時鐘可以和 PN 碼元時鐘聯(lián)系起來，有固定的關(guān)系， 一個實現(xiàn)了同步，另一個自然也就同步了。對于載頻同步來說，主要是針對相干解調(diào)的相位同步而言。常見的載頻提取和跟蹤的方法都可采用，例如用跟蹤鎖相環(huán)來實現(xiàn)載頻同步。因此，這里我們只需討論 PN 碼碼元和序列的同步。 一般說來，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中采用精確的頻率源，可以去掉大部分頻率和相位的不確定性。但引起不確定性的因素有以下一些： 1. 收發(fā)信機(jī)的距離引起傳播的延遲產(chǎn)生的相位差 。 2. 收發(fā)信機(jī)相對不穩(wěn)定性引起的頻差 。 3. 收發(fā)信機(jī)相對運動引起的多普勒頻移； 4. 以及多徑傳播也會影響中心頻率的改變。 因此，只靠提高頻率源的穩(wěn)定度是不夠的，需要采取進(jìn)一步提高同步速率和精度的方法。 同步系統(tǒng)的作用就是要實現(xiàn)本地產(chǎn)生的 PN 碼與接收到的信號中的 PN 碼同步，即頻率上相同，相位上一致。同步過程一般說來包含兩個階段： 1. 接收機(jī)在一開始并不知道對方是否發(fā)送了信號，因此，需要有一個搜捕過程，即在一定的頻率和時間范圍內(nèi)搜索和捕獲用信號。這一階段也稱為起始同步或粗同步，成都學(xué)院（成都大學(xué)）課程設(shè)計報告 15 也就是要把對方發(fā)來的信號與本地信號在相位之差納入同步保持范圍內(nèi)，即在 PN 碼一個時片內(nèi)。 2. 一旦完成這一階段后，則進(jìn)入跟蹤過程，即繼 續(xù)保持同步，不因外界影響而失去同步。也就是說，無論由于何種因素兩端的頻率和相位發(fā)生偏移，同步系統(tǒng)能加以調(diào)整，使收發(fā)信號仍然保持同步。 如果由于采種原因引起失步，則重新開始新的一輪搜捕和跟蹤過程。因此，整個同步過程是包含搜捕和跟蹤兩個階段閉環(huán)的自動控制和調(diào)整過程。 圖 25為同步系統(tǒng)搜捕和跟蹤原理圖，圖中接收到的信號經(jīng)寬帶濾波器后，在乘法器中與本地 PN碼進(jìn)行相關(guān)運算。此時搜捕器件，調(diào)整壓控鐘源，調(diào)整 PN 碼發(fā)生器產(chǎn)生的本地脈序列偽重 復(fù)頻率和相位，以搜捕有用信號。一旦捕獲到有用信號后，則起動跟蹤器件，由其調(diào)整壓控鐘源，使本地 PN 碼發(fā)生器與外來信號保持同步。 接收信號 圖 25 同步系統(tǒng)搜捕和跟蹤原理圖 輸出出 寬帶濾波器 碼跟蹤器 PN碼發(fā)生器 壓控鐘源 搜捕器件 解調(diào)器 成都學(xué)院（成都大學(xué)）課程設(shè)計報告 16 第 3 章 PN 序列 PN 序列（偽隨機(jī)序列）概述 偽隨機(jī)序列的一般定義 偽隨機(jī)序列作為擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的一部分是十分關(guān)鍵的，它關(guān)系到擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能。四十年代末，信息論的奠基人香農(nóng) ()提出的編碼定理指出：只要信息速率 Rb小于信道容量 C，則總可以找到某種編碼方法，在碼周期相當(dāng)長的條件下，能夠幾乎無差錯的從收到高斯噪聲干擾的信號中復(fù)制 出原發(fā)信息。這里有兩個條件，一是Rb=C，二是編碼的碼周期足夠長。同時香農(nóng)在證明編碼定理的時候，提出用具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號來編碼。白噪聲是一種隨機(jī)過程，它的瞬時值服從正態(tài)分布，功率譜在很寬頻帶內(nèi)都是均勻的。但是至今無法實現(xiàn)對白噪聲放大、調(diào)制、檢測、同步及控制等，而只能用具有類似于限帶白噪聲統(tǒng)計特性的偽隨機(jī)序列信號來逼近它，并作為擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼。 偽隨機(jī)序列的數(shù)學(xué)定義 白噪聲是一種隨機(jī)過程，瞬時值服從正態(tài)分布，自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度有極好的相關(guān)性，偽隨機(jī)序列是針對白噪聲演化而來的，只有“ 0”和“ 1”兩種電平，因此偽隨機(jī)編碼概率分布不具備正態(tài)分布形式。但當(dāng)序列足夠長時，由中心極限定理可知，它趨近于正態(tài)分布，由此，偽隨機(jī)序列定義如下： (1)凡自相關(guān)函數(shù)具有 ????????????????piiipiiapaapapR1121111)(??00???? (31) 式的序列稱為狹義偽隨機(jī)序列。 (2)凡自相關(guān)函數(shù)具有 ???????????????piiipiiacaapapR112111)(?? 1??c 00???? (32) 形式的序列，成為第一類廣義偽隨機(jī)序列。 (3)凡互相關(guān)系數(shù)具有 成都學(xué)院（成都大學(xué)）課程設(shè)計報告 17 1)( ???abR 或 0)( ??abR (33) 形式的序列，稱為第二類廣義偽隨機(jī)序列。 (4)凡相關(guān)函數(shù)滿足 (1)、 (2)、 (3)三者之一的序列，統(tǒng)稱為偽隨機(jī)序列。由上面的四種定義可以看出，狹義偽隨機(jī)序列是第一類廣義偽隨 機(jī)序列的一種特例。 偽隨機(jī)序列的相關(guān)特性 擴(kuò)頻系統(tǒng)中，對偽隨機(jī)序列而言，最關(guān)心的問題就是其相關(guān)特性，包括自相關(guān)性、互相關(guān)性及部分相關(guān)性。下面分別給出這些相關(guān)函數(shù)的定義。設(shè)有兩條長為 N的序列 {a}和 ，序列中的元素分別為 ai， bi， (i=1,2,3,? ,N)。則序列的自相關(guān)函數(shù)定義為： ?? ?? pi iia aaR 1)( ?? (34) 由于 {a}是周期為 P的序列，故有 ai+p=ai,其歸一化自相關(guān)函數(shù) ρ a(τ )定義為： ?? ?? pi iia aap 11)( ??? (35) 序列 {a}和 的互相關(guān)函數(shù)定義為： ?? ?? pi iiab baR 1)( ?? (36) 歸一化互相關(guān)函數(shù)定義為： ?? ?? pi iiab bap 11)( ??? (37) 對于二進(jìn)制序列， 可以表示為： P DAab )()()( ???? ?? (38) 其中， A為序列 {a}和 對應(yīng)碼元相同的數(shù)目， D為不相同的數(shù)目。 若 ρ ab(τ )=0，則序列 {a}和序列 正交，定義 {a}的部分相關(guān)函數(shù)和歸一化部分相關(guān)函數(shù)為 (式中 t為某一整數(shù) ) ： ??? ?? 11)( Ni iiN aaR ?? ,PN? ??? ?? 11