1、扩频通信系统的抗噪声性能研究扩频通信系统的抗噪声性能研究摘 要扩频通信技术(简称扩频通信)是一种新兴的高科技通信技术，具有大容量、抗干扰、低截获功率等特点以及可实现码分多址(CDMA)等优点，在军事和民用通信系统中都得到了广泛的应用，并成为下一代移动通信的技术基础。在扩频通信系统中，直序扩频的应用最为广泛。本文首先介绍扩频通信的基本原理及组成，论述了直序扩频通信的基本原理，重点分析了直扩通信系统的抗噪声性能，最后利用MATLAB的M语言进行编程、仿真，建立了扩频通信系统的仿真模型，结合仿真结果分析了扩频通信系统的抗噪声性能。关键词：直接序列扩频通信 抗干扰 伪随机序列 仿真ABSTRACTSp
2、read spectrum communication is a sort of new high-tech communication technique, it has a number of internal advantages, such as large capacity, interference immunity, low probability of intercept, code division multiple access(CDMA)etc ,which make it get broad applications in civilian as well as mil
3、itary environments, and become the technical groundwork of next generation mobile communications, Direct sequencing spread-spectrum was widely used. The basic principles and composition of spread spectrum communication was introduced, and the basic principle of direct sequence spread spectrum commun
4、ication was studied, focusing then the performance of anti noise of direct sequence spread spectrum communication system was analysed, finally the M language programming of MATLAB was used for programming and simulation, a spread spectrum communication system simulation model was established, and th
5、e performance of anti noise of spread spectrum communication system performance was analysed based on simulation results.Key words: Direct Sequence Spread Spectrum System (DSSS) Anti Interference Pseudo random Sequence Simulation目 录摘 要 I一 引言 1二 扩频通信系统概述 22.1 扩展频谱通信的定义 22.2 扩频通信的理论基础 22.3 扩频通信的主要性能指标
6、 32.4 扩频通信的主要特点 4三 直扩通信系统原理基础 63.1 直扩通信系统简介 63.2 伪随机序列的产生原理 73.2.1 m码序列的产生原理 73.2.2 GOLD码序列的产生原理 83.3 直接序列扩频信号的实现方法 83.4 PSK调制 93.5 扩频信号的解调 10四 直扩通信系统的抗噪声性能分析 114.1 直扩通信系统的抗噪声性能 114.2 直扩通信系统抗噪声性能仿真 12五 结论 21参考文献 22附 录 23一 引言扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传
7、输方式。扩频通信技术自50年代中期美国军方便开始研究，一直为军事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域1。直到80年代初才被应用于民用通信领域。为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术现已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。扩频通信系统由于其优越的性能得到广泛的应用，具有优越的抗噪声性能。本文通过对直接序列扩频通信系统的建模分析，对直接序列扩频通信系统的抗噪声性能进行研究。二 扩频通信系统概述2.1 扩展频谱通信的定义所谓扩
8、展频谱通信，可简单表述如下：“扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有效频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽2；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”。这一定义包含了以下三方面的意思：信号的频谱被展宽了。采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。在接收端用相关解调来解扩。2.2 扩频通信的理论基础长期以来，人们总是想使信号所占频谱尽量窄，以充分利用十分宝贵的频谱资源。为什么要用这样宽频带的信号来传送信息呢？简单的回答就是主要为了通信的安全可靠。 扩频通信的基本特点，是传输信号所占用
9、的频带宽度(W)远大于原始信息本身实际所需的最小(有效)带宽(F)，其比值称为处理增益Gp。众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，如话音为1.7-3.1kHz，电视图像则宽到数兆赫。为了充分利用有限的频率资源，增加通路数目，人们广泛选择不同调制方式，采用宽频信道(同轴电缆、微波和光纤等)，和压缩频带等措施，同时力求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽。因现今使用的电话、广播系统中，无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式，Gp值一般都在十多倍范围内，统称为“窄带通信”。而扩频通信的Gp值，高达数百、上千，称为“宽带通信”。扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而
10、来的。 信息论中关于信息容量的香农(Shannon)公式为： (2-1)式中：C - 信道容量(用传输速率度量) W - 信号频带宽度 P - 信号功率 N - 白噪声功率 式(2-1)说明，在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比PN是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比PN(SN)情况下，传输信息。扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。总之，我们用信息带宽的100倍，甚至1000倍以上的宽带信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据3。
11、2.3 扩频通信的主要性能指标处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。 处理增益G也称扩频增益(Spreading Gain) 它定义为频谱扩展前的信息带宽F与频带扩展后的信号带宽W之比： (2-2)在扩频通信系统中，接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽为F 的信息，而排除掉宽频带W中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。因此，处理增益G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。抗干扰容限是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为： (2-3)其中：- 抗干扰容限- 处理增益 - 信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比 - 接收系统的工作损耗由此可见，抗
12、干扰容限与扩频处理增益成正比，扩频处理增益提高后，抗干扰容限大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。通常的扩频设备总是将用户信息(待传输信息)的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽可能地提高处理增益。2.4 扩频通信的主要特点抗干扰性强，误码率低扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，而收端又采用相关检测的办法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。这祥，对于各种干扰信号，因其在收端的非相关性，解扩后窄带信号中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干扰性强4。易于同频使用，提高了无线频谱利用率用户只能使用申请获得的
13、频率，依靠频道划分来防止信道之间发生干扰。由于扩频通信采用了相关接收这一高技术，信号发送功率极低，且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率，也可以与现今各种窄带通信共享同一频率资源。抗多径干扰在无线通信中，抗多径干扰问题一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性，在接收端可以用淹没中提取出来，在目前商用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作于负信噪相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。可以实现码分多址扩频通信提高了抗干扰性能，但了占用频带宽的代价。如果让许多用户共用这一宽频带，则可
14、大为提高频带的利用率。由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。这样一来，在一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率很小，信号湮没在噪声里，一般不容易被发现，而想进一步检测信号的参数(如伪随机编码序列)就更加困难，因此说其隐蔽性好。再者，由于扩频信号具有很低的功率谱密度，它对目前使用的各种窄带通信系统的干扰很小。扩频通信是数字通信
15、，特别适合数字话音和数据同时传输，扩频通信自身具有加密功能，保密性强，便于开展各种通信业务。扩频通信容易采用码分多址、语音压缩等多项新技术，更加适用于计算机网络以及数字化的话音、图像信息传输。扩频通信绝大部分是数字电路，设备高度集成，安装简便，易于维护，也十分小巧可靠，便于安装，便于扩展，平均无故障率时间也很长。扩频设备一般采用积木式结构，组网方式灵活，方便统一规划，分期实施，利于扩容。三 直扩通信系统原理基础3.1 直扩通信系统简介直接序列扩频是高安全性高抗扰性的一种无线序列型号传输方式，英文全称Direct Sequence Spread Spectrum，简称直扩方式（DS方式）。直接序
16、列扩频通信系统（Direct Sequence Spread System，DSSS）简称直扩系统，是目前应用最广泛的扩频系统。早起的一些军事领域的研究发明，例如全球定位系统（Global Position System，GPS）、航天飞机通信用的跟踪和数据中继卫星系统等都是直接序列扩频系统应用的实例。直接序列扩频系统是将要发送的信息用伪随机序列扩展到一个很宽的频带上去。在接收端，用与发射端扩展用的相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的信息。由于干扰信息与伪随机序列不相关，在接收端被扩展，使落入信号频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了系统的输出信噪比，达到抗干扰的目的
17、。直接序列扩频通过利用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。直接序列扩频技术在军事通信和机密工业中得到了广泛的应用，现在甚至普及到一些民用的高端产品，例如信号基站、无线电视、蜂窝手机、无线婴儿监视器等，是一种可靠安全的工业应用方案5。直接序列扩频扩频通信的工作原理如图3-1所示6。图3-1 直接序列扩频系统框图它主要由原始信息、信源编译码、信道编译码（差错控制）、载波调制与解调、扩频调制与解扩频和信道六大部分组成。信源编码的目的是去掉信息的冗余度，压缩信源的数码率，提，高信道的传输效率。差错控制的目的是增加信息在信道传输
18、中的冗余度，使其具有检错或纠错能力，提高信道传输质量。调制部分是为使经信道编码后的符号能在适当的频段传输，如微波频段，短波频段等。扩频调制和解扩是为了某种目的而进行的信号频谱展宽和还原技术7。与传统通信系统不同的是，在信道中传输的是一个宽带的低谱密度的信号。3.2 伪随机序列的产生原理直接序列扩频系统是目前广泛应用的一种扩展频谱系统。美国的国际卫星通信系统和全球定位系统都是直接序列扩频系统的应用实例。直接序列扩频系统采用直接序列扩频信号体制。下面就从伪随机码序列(m序列和GOLD码序列)的产生原理、调制信号的产生原理几方面来说明直接序列扩频信号的产生原理。3.2.1 m码序列的产生原理伪随机码
19、序列是一种具有类似白噪声统计特性的编码信号，通常作为扩频系统的扩展码。M码序列是移位寄存器序列8。M码序列可以由移位寄存器加反馈产生，如图3-2所示。图3-2 n级反馈移位寄存器的结构Cn是每个移位寄存器的初值，可以是1或0，An是第n级移位寄存器的反馈系数，An=0时表示无反馈，反馈线断开：An=1时表示有反馈，反馈线相连。这种结构的A0和An必须有反馈，否则n级最长线性反馈移位寄存器将简化为n-1级最长线性反馈移位寄存器。采用不同的反馈逻辑，即An的不同取值将产生不同的移位寄存序列。N级最长线性反馈移位寄存器的周期为2n-1，n为移位寄存器的级数。3.2.2 GOLD码序列的产生原理由于m
20、码序列具有的移位寄存序列不能满足扩频系统码分多址的要求9，因此实际采用的地址由2个长度和速率相同的m码序列优选对模2相加得到GOLD码序列。GOLD码序列产生的移位寄存序列为2n+1个。GOLD码序列可以通过2个m码序列优选对串联产生，如图3-3所示。图3-3 有2个n=6的m码序列优选对串联产生的GOLD码序列由2个n=6的m码序列优选对串联组成1个n=12的移位寄存器序列(GOLD码序列)不是最长线性移位寄存器序列。根据Cn和Dn(n+16)的不同取值产生的GOLD码序列总共为26+1=65条。3.3 直接序列扩频信号的实现方法直接序列扩频信号的调制分为扩频调制和载波调制两部分。扩频调制为
21、信息码和扩展码模2相加，这里为了简单，采用m序列作为扩展码调制信息码，信息码用全0代替进行扩频调制。当信息码为全0时，扩频调制信号即原来的m码序列10。扩展码的设计码速率为4MHz，扩频调制产生的扩频调制信号即m码序列存为ds.wfm。要注意的是，实际扩频调制时，由于信息码和扩展码速率不同，需要对信息码波形进行水平扩展，扩展的倍数约等于扩展码速率与信息码速率的比值。载波调制为扩频调制信号与载波相乘，要注意的是扩频调制信号对载波进行反相键控时，要求扩频调制信号必须为1、-1两种状态，另外，由于扩频调制信号的码速率和载波频率不同，载波调制时需要对扩频调制信号进行水平扩展(expand)，扩展的倍数
22、约等于载波频率与扩频调制信号速率的比值。应用发现，任意波形发生器产生的直接序列扩频信号存在两点不足，一是输出频率是中频，不能进行射频调制；二是扩频信号的副瓣没有抑制，仪器内置的数字滤波器频率上限为50MHz，因此不能直接利用仪器内置的数字滤波器对载波为50MHz以上的直接序列扩频信号滤波。因此任意波形发生器在实际应用中，往往需要和其他测试仪器配合完成射频调制过程，另外需要单独使用带通滤波器进行滤波。3.4 PSK调制由于直扩基带信号采用双极性NRZ波形，因此实际上直扩基带信号与正弦载波相乘就是PSK调制。载波、数据与PN码三者之间都是相乘关系11，相乘次序的变化不影响结果，因此实际发送的设备中
23、可以是先将数据进行PSK调制得到窄带的射频信号，再进行扩频，同样接收设备也可能是先解扩，再进行PSK解调。如图3-4所示。图3-4 PSK调制与解调利用二进制PSK的一个二进制信息序列的传输问题。信息的速率是比特区间是。可用信道是，。在调制器中，按照PN码的变化形式，以每秒W次的速度，伪随机地将载波相位移项，将信号的带宽扩展到。这样所得到的以调信号称为直接序列(DS)扩频信号。3.5 扩频信号的解调信号解调按图3-5完成。接收信号首先乘以在接收机的PN码序列发生器产生的波形的复本12，它是与接收信号中的PN码同号的。这一运算称为(频谱)解扩，因为在接收端乘以的效果就是将在发送端的扩频运算解开。
24、据此有 （3-1）上式中因有对全部，。所得信号占有带宽为(近似)，它就是载有信息信号的带宽。因此，对解扩信号而言，这个解调器就是常规互相关器或匹配滤波器。因为该解调器具有和解扩信号相同的带宽，所以在解调器上使信号受到污损的仅是那些位于接收信号的信息带宽以内的加性噪声。图3-5 DS扩频信号的解调四 直扩通信系统的抗噪声性能分析4.1 直扩通信系统的抗噪声性能直扩系统最重要的应用就是在军事通信中作为一种具有抗干扰性的通信手段。在实际应用中遇到的干扰主要有：白噪声干扰或宽带噪声干扰、部分频带噪声干扰、单频及窄带干扰、脉冲干扰以及多径干扰等。本文主要讨论加性白噪声干扰13。扩频信号在传输过程中，必然
25、会受到噪声干扰，这种干扰一般为加性高斯白噪声（AWGN）或带限白噪声。设噪声的单边功率谱密度为，经混频后为带限白噪声，带宽为扩频信号带宽，谱密度仍为，故相关器输入噪声功率为： （4-1）相关器输出噪声功率： （4-2）式中，为信息带宽（）。考虑到，只考虑附近的噪声功率，则近似为，其中K为与调制方式有关的常数。对PSK调制，K=0.903；对MSK调制，K=0.995。所以 （4-3）由于解扩前后信息量不变，因此处理增益为 （4-4）即直扩系统对白噪声干扰的处理增益为Gp /K。上述结论是否意味着扩频系统具有抗白噪声的能力，而且是否具有随伪码速率的增加，其抗白噪声的能力也随之增加的性能，因此它是
26、否相对于不扩频的窄带系统可以提高通信距离，或者可以降低发射功率呢？答案是否定的14。在AWGN信道中，采用二进制PSK的DS扩频系统的差错概率与一般的(未扩频)二进制PSK的差错概率相同的，即 （4-5）另外，如果干扰是如上面公式给出的正弦型的，其功率为，那么差错概率(近似)为 （4-6）于是干扰功率降低了扩频信号带宽倍的因子。在这种情况下，可以不管AWGN(假设可以忽略)，即。如果考虑信道中的AWGN，则差错概率可表示为 （4-7）由于处理增益表征的是相关器处理信号所获得的信噪比增益，并不是度量不同类型通信系统性能的标准。因此不能把扩频处理增益与衡量不同系统性能的“制度增益”或“系统增益”相
27、混淆。衡量扩频系统与非扩频系统性能好坏的标准是，在信息传输速率相同的条件下，扩频系统解扩后的中频信噪比(SNR)s与非扩频系统的中频信噪比(SNR)NS之比GS，即制度增益。对于非扩频系统，因为没有扩频与解扩过程，所以也不会有处理增益，但中频信噪比与扩频系统相同，即GS=1。这也就是说，就白噪声而言，把窄带系统改为宽带系统并不会带来好处，或者说，直扩系统不能抗白噪声。实际上，由扩频系统不可避免地存在着伪码同步误差，故扩频系统的性能比非扩频系统还要差一些15。4.2 直扩通信系统抗噪声性能仿真（1）直扩通信系统建模第一步，先采用较少的码元数搭建直扩系统信息码的频率设为50kHz，采样频率设为40
28、MHz。假设信源信息码的总长度为20，则每个信息码内含40MHz/50kHz=800个采样点。通过sign函数，把20个（0,1）区间内的随机数变成20个只用“1”与“-1”表示的信息码，而后再通过一个循环，对每一个信息码采样800次，共生成16000个采样点，每个点之间的间隔为0.025s。生成的信息码的波形图如图4-1所示。图4-1 信息码波形伪随机码频率设为5MHz，信息码频率为50kHz，所以每个信息码内包含5MHz/50kHz= 100个伪码。通过调用一个产生m序列的子函数generate_m，与一个长度为20100的循环，就得到了伪随机序列PN码。生成的PN码波形经放大后，如图4-
29、2所示。图4-2 伪码（PN）局部放大图将信息码s的16000个采样点与PN码w_code的16000个点对应相乘，就得到了扩频码。基于与上图同样的原因，我们也是放大截取了部分图形，如图4-3所示。PSK调制。先要产生载波，一个载波周期内含八个采样点，经过2000次循环，生产16000个对载波的采样点，然后与扩频码k_code对应点相乘，就得到了PSK调制后的波形。放大后截取部分波形如图4-4所示。图4-3 扩频码示意图图4-4 PSK调制后的波形解调相当于调制的逆过程，产生与载波同频同相的本振，再通过低通滤波器，去掉高频分量，为下一步解扩做好了准备。接下来进行解扩。由于PSK调制在解扩时要求
30、伪码同步，故需要进行捕获与跟踪。因为在捕获与跟踪时，仅仅是对一个信息码内同步性的峰值做分析，并以此作为判断标准，所以还是不可避免地存在伪码同步误差，故解调出来的信息码很难与原信息码做到完全一致。从图形整体看，二者基本相同，如图4-5所示。图4-5 输入输出对比（2）噪声调幅干扰广义平稳随机过程: （4-8）称为噪声调幅干扰。其中，调制噪声Un(t)为零均值，方差为，在区间-Uo,分布的广义平稳随机过程，为0,2均匀分布，且为与Un(t)独立的随机变量，Uo、j为常数。第二步，噪声调幅干扰。信息码元增加到100个。扩频码的产生与上述程序类似，这里不再重复。信息码增加到100个，采样点数不变，则总
31、点数增加到80000个。wgn(1,80000,3)为高斯白噪声，noise为调幅噪声，与同样点数的载波相乘后加到调制好的扩频码上。图4-6为加入了调幅噪声后的传输波形，当然也是经过放大的。经解调与过程（同前）后，输出的扩频码与信源信息码存在偏差，如图4-7所示。图4-6 加入调幅噪声后的传输波形图4-7 调幅干扰输出与输入波形对比（3）噪声调频干扰广义平稳随机过程： （4-9）称为噪声调频干扰，其中调制噪声u(t)为零均值、广义平稳的随机过程，为0,2均匀分布，且与u(t)相互独立的随机变量，Uj为噪声调频信号的幅度，j为噪声调频信号的中心频率，KFM为调频斜率。放大后的传输波形如图4-8所示。图4-8 加入调频噪声后的传输波形加入了噪声后，同样，经过解调和滤波后，（程序同前）得到输出码与原信息码存在较大差异，主要是因为解扩时本地码不可避免地存在不同步现象，出现了大量毛刺。如图4-9所示。图4-9 调频干扰输入与输出波形对比（4）相关干扰相关干扰是指一直扩系
