扩频通信系统抗干扰分析Word文件下载.docx

扩频通信系统抗干扰分析Word文件下载.docx

《扩频通信系统抗干扰分析Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《扩频通信系统抗干扰分析Word文件下载.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

f（t）=2π∫ejwtdw（1.1-2）

函数f（t）的傅里叶变换存在需要满足狄里赫莱（Dirichlet）条件，及函数f（t）在区间（-∞，+∞）内满足绝对可积。

扩频通信系统是指当信号输入时通过某个特定的扩频函数将其扩展成宽频带信号，然后再将其送入信道中传输，并在接收端通过相应的技术或者手段将接收到的扩展了的信号频谱进行压缩，从而恢复出原来的输入信号。

扩展后的射频信号的频谱是原始信号频谱的几百倍甚至能达到几万倍，因而此时决定射频信号带宽的重要因素已不再是信息，而主要是由扩频函数来决定。

扩频通信系统具有以下两个特性，即扩频通信系统的两大准则：

★信号在传输过程中，它的带宽远远大于传输前的原始信号的带宽；

★射频信号的带宽主要是由扩频函数决定，且次扩频函数通常是伪随机编码信号，也就是伪噪声编码信号。

1.2扩频通信系统的理论依据

信息理论中香农公式（C·

E·

Shannon）扩频通信的理论依据，即式（1.2-1）：

C=Blog2（1+S/N）（1.2-1）

式中：

C—信道容量b/s

B—信道带宽Hz

S—信号功率W

N—噪声功率W

从式中可以看出一个信道无差错传输信号的能力同存在于信道中的信噪比（S/N）和用于传输信息的信道带宽（B）之间的关系：

当用于传输信息的信道带宽（B）不变时，信道的信噪比（S/N）越大，系统的信息无差错传输能力越好；

当信道中的信噪比（S/N）保持不变时，用与传输的信道带宽（B）越宽，系统的信息无差错传输能力越好。

令C是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，对式（1.2-1）进行变换得：

C/B=1.44ln（1+S/N）（1.2-2）

当S/N＜＜1时为干扰环境下的典型情况，即无干扰，用幂级数展开式（1.2-2），并将高次项略去得：

C/B=1.44（S/N）（1.2-3）

或

B=0.7*C*（N/S）（1.2-3）

因而由式（1.2-2）和（1.2-3）可以看出，当信道的噪声信号功率比N/S给定时，只要增加用于传输信息的带宽B，就可以增加在信道中无差错传输信息的速率C；

或者当信道中的噪声功率比N/S下降时，要想保持信道容量C不变，就可以增加系统的传输带宽B。

当系统的信号噪声功率比S/N给定时，也可以通过增大系统的传输带宽来获得较低的信息差错率。

由此可以说明，即使在低的信噪比的情况下，甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信道带宽B，通信系统任然可以保持可靠的通信。

例如，假设系统工作的信道的噪声比信号大100倍，信息速率R=C=3kb/s，则只要将信道带宽B增加到210KHz，系统照样可以可靠的传输。

扩频通信抗干扰系统也正是利用这一原理，通过高速率的扩频码来扩展待传输信息信号带宽的手段提高系统的抗干扰能力。

在扩频通信系统中，就是将传输信息的信息带宽B扩大为常规通信系统信息带宽B的几百倍乃至几万倍，从而保证同性系统在相同信息传输速率和相同信号功率的条件下具有较强的抗干扰的能力。

1.3扩频系统抗干扰能力的理论分析

扩频通信系统从根本上克服了传统通信体制易受干扰的缺陷，同时，它也是每个国家一直以来都努力奋斗的目标，但是扩频通信系统实现的技术难度较大，制作工艺也很复杂，直到声表面波（SAW）器件和专用集成电路（ASIC）等新型器件的研制成功才标志着扩频通信进入了迅速发展的阶段。

扩频通信被分为经典扩频系统和现代扩频通信系统，假设需要传输的信号（未扩频前）为Sd（t），信号持续的时长为T，信号的带宽为BD，发射出去的扩频后的信号为Ss（t），以下为他们的解扩原理：

★经典扩频系统的解扩原理

扩频通信系统的理论比较成熟，它的解扩处理采用的是相关器。

系统在获得扩频增益后对信号进行相干或者非相干解调，以此来完成信号的相关接受。

系统的数学模型如下图：

图1.3-1经典扩频通信系统的数学模型

经典解扩系统的解扩处理和扩频处理是两个互逆的过程。

系统接收到的输入信号是扩频信号Ss（t），信号的带宽为Bs。

系统中的窄带滤波器的输出信号为未扩频前的有用信号Sd（t），它的带带宽为BD。

经典解扩系统在工作中是建立在系统同步的基础上的。

系统同步包括伪随机码同步、位同步、帧同步、载波同步等，而扩频系统不同于未扩频系统而独有的同步问题是伪随机码同步，伪随机码同步实现起来比较复杂，技术要求高，很难实现。

但是，在现代扩频通信系统中，信号捕获和同步实现的时间较短，实时性的要求也很高，因此现在精短解扩系统已经很难满足通信的要求。

★现代扩频系统的解扩原理

现代扩频系统与经典扩频系统相比，它更能满足现代通信的要求，但是，现代通信系统实质上也是建立在经典扩频通信的基础之上的。

下图为现代解扩系统模型：

图1.3-2现代扩频系统的数学模型

现代解扩系统是采用SAW抽头延迟线作为中频匹配滤波器，或者采用ASIC作为基带匹配滤波器，这种方法有两个优点，一个是能够一次性完成扩频信号的解扩和解调处理，另一个是能够大大的简化系统的同步。

现代通信解扩处理是对扩频信号Ss（t）进行匹配滤波，而不像经典解扩系统是对扩频处理的逆运算。

可以将本地伪随机码事先植入匹配的滤波器中，保持等待状态，当进入系统的信号与之匹配时，系统就会输出相关的峰值，以此来表示接收到了的相应的传输信号。

匹配滤波器在进行解扩的过程中不需要其他的部件对其提供同步的伪随机码，匹配滤波器可以在完成解扩处理后继续实现信号的相干解调。

而在实际应用中，这两个匹配器可以而且也应该合二为一协调使用，意思就是说由一个滤波器一次性完成信号的解扩和解调功能，因为解扩和调制采用的都是同一个判决准则，即最大输出信噪比准则。

因此，经典扩频系统很难解决伪随机序列的同步问题，在抗干扰的能力方面有所欠缺。

现代扩频系统具有自同步的能力，并且在捕获同步电路上设计较简单，很容易实现，它的匹配滤波器的时间带宽很大，处理信号的能力也较强，又能够一次性完成解扩和解调的功能，所以，现代扩频系统更加适合于突发扩频信号的处理，有利于提高通信系统的抗干扰能力。

2扩频通信系统的分类

如何在发射机部分产生带宽的扩频信号以及如何在接收端实现解调扩频信号时扩频抗干扰通信系统的关键问题，因此，可以根据通信系统产生扩频信号的方式将扩频通信系统分为直接序列扩展频谱系统、跳频扩频通信系统、跳时扩频通信系统、线性脉冲跳频系统、混合扩展频谱通信系统。

2.1直接序列扩展频谱系统

2.1.1直接序列扩展频谱系统的概念

直接序列扩展频谱系统（DirectSequeceSpreadSpectrumCommunicationSystems，DS-SS），也被称为直接序列系统或直扩系统。

它是一种具有高安全性高抗扰性的无线序列信号传输方式。

直接序列扩展频谱系统主要是利用高速率的扩频序列来扩展信号的频谱，并进行发射、传输和接收，此系统利用伪噪声序列在发送端对载波进行调制，被传输的原始信息经过信道编码后与伪噪声序列生成复合码进行调制载波。

2.1.2直接序列扩展频谱系统的工作原理

接收机在接收到发送端发送来的发射信号后，首先利用伪码同步电路来捕获接收到的伪码的精确相位，同时产生和发送端伪码相位完全相同的伪码相位作为本地的解扩信号，这样就能恢复出数据的信息，也就完成了整个直扩通信系统的信号接收功能。

以下是直接序列扩频通信系统模型图：

发送端系统框图：

图2.1.2-1发送端系统框图

从发送端的系统框图中可以看出，在系统的发送端主要是进行信号的调制，信源首先进过系统的编码，变成电信号，然后通过与生成的伪码相结合进行扩频调制，将信号变成中频信号，再将调制好的中频信号与本地载波相乘得到高频信号，发送端最终发射出去的信号是属于高频信号。

接收端系统框图：

图2.1.2-2接受端系统框图

从图中可以看出，在扩频系统的接收端，从天线上接收到的高频信号首先进过射频调制得到中频信号，再将得到的中频信号和本地载波相乘得到低频信号，这里的低频信号的频率和发送端的本地载波的频率是一样的，最后再通过解码恢复出和原始信号一样的信号，从而达到信号传输的功能。

图2.1.2-3直扩通信系统的主要相位或波形

直扩系统具有抗干扰能力，也就是接收机对干扰的抑制能力。

假如干扰信号的带宽与发送信息的带宽相同（即窄带），则此干扰信号经过接收机伪噪声码的调制展扩后的带宽就和发送信号的带宽相同。

相反，精处理后的直扩信号经过伪噪声码解扩后就能变成窄带信号，增益也就提高了若干倍，我们就称此增益为直扩处理增益GDS，它代表了直扩系统的抗干扰能力，其定义式为式（2.1.2-1）：

GDS=10log（Rc/Rb）（2.1.2-1）

其中，Rc：

直扩码速率

Rb：

信息码速率

2.1.3直接序列扩展频谱系统的优点

直接序列扩展频谱系统具有以下优点：

2.1.3.1抗干扰能力强

扩频解调器实际上也就相当于是一个相关器，信号通过扩频解调器能够恢复出扩频信号，传输中的干扰信号也会被系统给过滤掉，因为干扰信号与本地PN码不相符。

扩频增益（G=B2/B1）作为扩频通信系统的一个重要特性，我们可以从它的表达式中看出，接收端对接收到的信号进行扩频解调时只提取了扩频编码处理后的B1信号，即排除了扩展到B2中的干扰信号和噪声等影响，也就相当于将接受信噪比提高了G倍，具有良好的抗干扰能力。

抗多径干扰能力强。

无线信号在传输的过程中，除了有传输的有用直射信号外，还会有因为各种反射体引起的反射信号和折射信号，这些信号对直射信号具有干扰的作用，即多径干扰。

从直扩序列的相关函数的特性可以看出，当接收到的两个信号的序列相对时间超过码元宽度时，直扩系统的相关器则只会输出码长的倒数，也就意味着干扰信号在很大的程度上被抑制掉了，因而可得出直扩系统不仅避免了多径干扰，而且增强了接收信号的强度。

2.1.3.2抗截获能力强

从理论中可以看出，信号的检测概率与信号能量和噪声功率谱密度之比成正比，而与信号的频带宽度成反比。

而直扩信号正好聚集了这两个方面的优势，因为它的功率谱密度很低，所以它在单位时间内的能量就很小，比且它的频带很宽，即直扩信号具有很强的抗截获能力。

也就是说，由于传输信号经过扩频调制后的频谱被大大的扩展，使得传输信号的功率谱大大的下降，接收机接收到的信号的频谱密度就会低于接收机的噪声，意思就是当信号会被完全淹没到噪声中，这也就对其他同频段电台的接受不会产生干扰，传输的信号也就不容易被发现，也就更难检测到信号，所以直扩系统具有良好的保密功能，很适合保密信号的传输，如军事领域，同时，FCC也因此规定扩频通信机不用申请专用频率。

2.1.3.3可同频工作

只要每部通信的解扩码（PN）不同，他们就可以同时使用同一载波频率而不会相互干扰，这个过程中可能只是会增加一点背景噪声。

2.1.3.4便于实现多址通信

根据直扩通信系统中的扩频码是正交或者接近正交的特性可以得出，扩频码或者扩频信号之间的相互影响是非常小的，所以可以根据不同的扩频码来设置用户的地址码，这也就很容易实现码分多址（CDMA）通信。

移动通信系统中采用的码分多址（CDMA）通信方式可以使通信容量比现在的蜂窝式通信的容量更大。

2.1.3.5直扩通信率高

直扩系统的直扩通信速率可以达到2M、8M、11M，速率较高，并且无需申请频率资源，这样就使得整个建网过程较简单，网络的性能也较好。

2.1.4直接序列扩展频谱系统的应用缺陷

直接序列扩频虽然有很多的优点，但是在实际应用中还是存在着一些缺陷：

2.1.4.1频道数减少

当使用跳频或者扩频体制时，为了获得较大的处理增益，系统占用的带宽就会很大，这就使得可供跳频的信道数减少。

2.1.4.2带宽增大

当系统的带宽太大时，进入接收机前端的干扰信号也就会增多。

2.1.4.3信息量增大

只有当扩频码片足够窄、信息比特足够宽时才能得到有效的抗多径和利用多径的能力，但是当信息比特足够宽时就会限制信息传输速率的提高，为了解决这一问题，现在一般都采取多进制扩频技术。

2.1.5直接序列扩展频谱系统的实现方式

直接序列扩频信号的调制分为扩频调制和载波调制两个部分。

2.1.5.1扩频调制

扩频调制实际上就是信息码和扩展码模2相加，为了方便，扩展码调制信息码采用m序列，信息码进行扩频调制用全0表示。

当信息码全为0时，扩频调制信号就是原来的m码序列。

扩展码的设计码速率一般设计为4MHz，扩频调制产生的扩频调制信号（m码序列）就被存为ds.wfm。

而在实际扩频调调制中，由于信息码和扩展速率不相同，所以需要对信息码波形进行水平的扩展，并且扩展的倍数取决于扩展码速率和信息码速率的比值。

2.1.5.2载波调制

载波调制就是将输入的扩频调制信号与本地载波相乘，相乘后产生的信号就为频谱搬移后的调制信号，发送信号在频谱搬移的时候是在幅度减小为原来的1/2、频谱相位在原来的位置经行左右搬移，这样就是传输的信号变为了高频信号。

但是由于扩频调制信号的码速率与载波的频率不相同，所以在进行载波调制时应对扩频调制信号进行水平方向的扩展，并且扩展的倍数为载波频率和扩频调制信号速率的比值。

2.2跳频扩频通信系统

2.2.1跳频扩频通信系统的概述

扩频通信系统采用高速PN码来选择载波频率，也就相当于MFSK调制。

并且跳频扩频通信系统具有较强的抗干扰性和保密性。

在正常的通信中，人们都希望通话能够流畅并且具有很好的保密性，但事实上，人们在进行通话时难免会受到别人的盗窃、电子对抗和信道拥塞等一系列问题。

常规的电台都是使用的固定频率发射和接收，因而对于类似窃听、人为干扰和信道阻塞等问题很难避免，只有通过跳频技术才能够彻底的克服这些问题。

同频通信系统通过将原先固定不变的无线信号的频率按照一定的规律和速度来回跳变来发送信号，而之前约定好的接收方也会通过约定好跳变规律来跟踪接受信息。

破坏方也会因为不知道信号跳变的规律而不能进行破坏或者截获信息，即使敌方能够通过跟踪干扰的方式来干扰我方的电台，但是跳频变化的规律是变化无常的，所以就算敌方在这一刻跟踪到了我们的信息，但是我们发送的信息的频谱在下一秒又会变化，所以对方很难掌握，而且此方法需要巨大的投资，并且对方在跟踪中很有可能被我们侦察到，并进行反跟踪。

跳频通信是一种数字通信，它也是扩频通信的一种。

跳频通信中，信号传输所使用的射频带宽是信号带宽的几十倍、几百倍甚至几千倍，但是，信号在某一瞬间的工作频率是固定的。

2.2.2跳频扩频通信系统的原理

下图为跳频扩频通信系统的原理框图：

图2.2.2-1跳频扩频通信系统的原理框图

跳频扩频通信是按照全网预设的程序自动控制网内所有台站在一秒钟内同步改变频率的次数，并且能够自动的在每个跳频信道上进行短暂的停留。

当通信信号周期性的从主站发出后，所有的站都被指令跳跃式的更换工作频率。

因此，就跳变通信的原理而言，跳频扩频通信系统并不复杂。

跳频扩频通信系统就是在普通的无线短波通信的基础上加上一个“码控调频器”，它能够使调频通信系统发射出来的载波按照具有一定的跳变序列发生变化。

通信过程中，必须要求发射方和接收方受伪随机码控制的、用来改变载波频率的本地振荡载波必须严格同步，这是调频通信的关键所在。

跳频扩频通信系统的跳变方案有很多种，并且会经常更改跳变方案，例如可以通过微型计算机进行控制，改变计算机的程序，从而达到可以改变调频规律的目的，所以识破它是一件非常困难的事，犹如大海捞针。

对通信的安全性进行比较的话，调频短波通信的可靠性绝对高于卫星通信。

最主要的原因就是：

提供卫星服务的机构对其所属的国家承担有战略责任，它的通信过程受到了国家政府的控制和监管，但是跳频短波通信则是完全自主的，具有可信赖性。

因此，在涉及国家安全和社会保障的场合下，跳频短波通信是最可靠地。

目前使用最多的就是普通式的数字跳频，但是数字跳频具有频谱不够隐蔽、容易被识破、翻译、跟踪等缺点。

近几年出现的最新跳频模式就是智能边带跳频模式，它包括边带跳频和智能跳频两部分，边带跳频是在数字跳频的基础上发展起来的，他将调频码隐藏在边带话音中，被隐藏的信号相当于边带噪声，并且他比一般的数字跳频更难识别、破译和跟踪。

智能跳频则具有很强的频带适应技术，它能够在256KHz跳频频带内自动的识别和弃用阻塞信道，可以净化通信的背景。

GSM系统中的跳频分为了基带跳频（BBH）和视频跳频（SFH）两种形式。

射频跳频与基带跳频相比，具有更强的抗干扰能力，他将语音信号固定在发射机上进行发送，但是发射的信号的频率是根据跳频序列不断变化的，目前GSM使用最多就是射频跳频。

2.2.3跳频扩频通信系统的功能和特性

2.2.3.1快速和慢速跳频

跳频通信分为快速跳频和慢速跳频两种方式，当跳频频率高于信元码率时称为快速跳频；

当跳频频率低于信元码率时，则称为慢速跳频。

快速跳频的抗干扰能力较慢速抗干扰能力强，基本上不能够被破译，但是快速跳频系统的成本很高，所以一般只用于军事方面的通信领域。

跳频作为最常用的一种扩频方式，他的工作原理是指收发双方在传输信号时根据预定好的规律进行离散变化的通信方式，换句话说，在通信中使用的载波频率受到伪随机码的控制而进行随机的跳变。

根据通信技术的实现方式可以看出，“跳频”是一种用码序列通过监控进行多频频移通信，也是一种码控载频跳变的通信系统。

从时域方面分析，跳频信号属于频移监控信号，它具有不同的频率；

从频域方面分析，跳频信号的频谱是在一段很宽的品带上进行的不等间隔的随机跳变。

比较而言，调频通信比定频通信更加隐蔽、更难被捕获，因为只要对方不知道跳变规律就跟踪不到信号，也就不能对通信进行破译和截获。

此外，调频通信的抗干扰能力也更强，就算发送的信号的部分分频点被干扰，但是信息的其他部分还是可以继续传送。

2.2.3.2常规和自适应跳频

目前的调频通信主要包括常规跳频和自适应跳频。

常规跳频是指通信双方在事先约定好的跳频图纸规律下进行同步跳频传输和接收，而自适应跳频则是在常规跳频的基础上的改进和提升，自适应跳频增加了频率自适应控制和功率自适应控制两个方面。

跳频通信系统和一般的数字通信系统一样，都能够实现下拨同步、位同步、帧同步，但是跳频通信系统不同的就是它能够让载波的频率随着伪随机序列的变化而变化，因此，为了保障通信质量，要求发送端和接收端必须在同一时间跳变到同一频率。

在此，调频通信对同步有同步速度快和同步能力强两个基本的要求。

如今跳频系统同步都有很多较精准的同步方法，例如精确时钟法、自回归谱法、FFT捕获自同步法等，实际在应用中都是采用的混合同步法进行同步的。

而自适应跳频系统的同步还包括收发双方频率集更新的同步，以此来确保双方在环频点替代时能够同步，若通信过程中双方频率表不一致，则会导致通信的失败。

跳频通信系统中最关键的部分就是频合器，并且锁相环（PLL）是目前使用最广泛的频合器，但是若要进一步改善此技术确实非常的困难，因为该技术的频率转换的速度已经接近了极限，并且它的分辨率很低。

为了使频率分辨率高、输出高频率和稳定的信号、频率转化的时间快、抗干扰能力强，现在的频合器采用了具有全数字技术的直接式数字频合器（DDS）。

因为跳频传输是利用伪随机码序列进行控制的，传输的信息都是间断的，所以即使传输的信道具有良好的条件也有可能出现传输错误，为了检查出这些错误，确保信息的正确性，我们就必须进行差错控制。

差错控制的方法主要分为：

●自动请求重发纠错（ARQ）：

此技术的优点就是能够对随机错误和突发错误进行很好地处理，但是它需要反馈电路，所以电路可能比较复杂，若信息发送不成功，则它会不断地重发知道发送成功。

●前向纠错（FEC）技术：

此技术与ARQ相比，则不需要反馈电路，但是若想用此技术实现纠错功能，则需要大量的信号冗余度来实现，但是这样就降低了信道的效率，所以此技术的纠错能力较差，他一般都和交织技术相结合使用。

2.2.3.3跳频通信网

跳频电台在进行实际的通信中都是通过组成调频通信网实现的，实现任何两个通信终端之间的点对点通信是跳频通信网的任务。

调频通信网不但要克服系统所引起的热噪声（如码间干扰和电磁干扰），还要消除由组网引起的阻塞干扰和领道干扰等。

常采用的跳频多址通信网与常用的DS/CDMA系统相比，跳频多址通信网的最大用户数较小，这也是跳频多址通信网的一个缺点，但是比较而言，跳频多址通信网有以下优点：

★抗干扰能力强

★低截获概率

★低检测概率

★对频率选择性衰落有很好的抑制作用

同步通信网和异步通信网是跳频通信网的两种形式，而且调频通信网的组网方式也是多种多样的，组网比较灵和。

自适应跳频通信系统会除去那些条件比较恶劣的信道，为了保证更新后的调频序列之间是正交的，需要设计一个良好的频点更新算法，所以这样可以克服频率更新后出现在同频道的干扰，如果更新后的跳频序列之间不是正交的，则信息在通信节点之间就会出现频率碰撞，甚至可能导致通信不能正常传输。

而在实际的应用中，一般都是将上述两种组网方式联合起来进行的。

2.2.3.4调制解调方法

在调频系统中调制解调也是必不可少的，一般采用FSK、QPSK、DPSK等进行调制。

自适应跳频系统是建立在常规跳频系统的基础上的，它能够去除干扰，并自动地选择较