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通信系统的抗干扰技术论文

摘要

通信现代化是人类社会进入信息时代的重要标志，在现代通信中遇到的一个重要问题就是干扰问题。

随着通信事业的发展，各类通信网络的建立，使得有限的频率资源更为拥挤，相互之间的干扰给为严重。

如何在恶劣环境条件下保证通信的有效、准确、迅速地进行时摆在当今通信科研人员面前的一个难题。

由于移动通信系统必须采用无线传输技术才能实现在移动中的信息交换，无线传输极易受到各种其他无线电波的干扰，干扰的大量存在会极大的影响网络通信的质量和系统的容量。

抗干扰技术具有对抗性强，技术综合性强，难度高，实用性和可靠性高等特点，在当今电磁环境越来越恶劣的情况下，抗干扰技术尤为引人注目。

将其用于通信系统中，可以大大提高通信系统的有效性和可靠性。

如今抗干扰技术已成为无线电通信的主流技术，它和通信领域联系最为密切。

文章中主要阐述的是移动通信抗干扰技术中关于GSM系统的干扰问题，包括GSM中的干扰种类、GSM自身具有的抗干扰能力和如何优化网络来达到抗干扰目的，从而在为适应用户要求提高系统容量的同时也能保持良好的通话质量。

关键词：

：

GSM抗干扰网络优化系统容量通话质量

Abstract

Communicationsmodernizationofhumansocietyintotheinformationage,animportantsymbolinmoderncommunicationsisanimportantproblemencounteredinterference.Withthedevelopmentofcommunications,theestablishmentofvarioustypesofcommunicationsnetworks,makingthelimitedfrequencyresourcesmorecrowded,theinterferencetoeachotherasserious.Howtoharshenvironmentalconditionstoensureeffectivecommunication,accurateandrapidmannerwhenplacedinfrontoftoday'sresearchersacommunicationproblem

Becausethemobilecommunicationssystemmustbeachievedbywirelesstransmissiontechnologyintheexchangeofinformationinthemobile,wirelesstransmissionvulnerabletoavarietyofotherradiowaveinterference,therearealotofinterferencewillgreatlyaffectthequalityofnetworktrafficandsystemcapacity.Stronganti-jammingtechnologyhasconfrontational,technologyintegratedandstrong,difficult,practicalandhighreliabilityintoday'sincreasinglyharshelectromagneticenvironmentisparticularlystrikingcase.Beusedincommunicationssystems,communicationssystemscangreatlyenhancetheeffectivenessandreliability.Today,radiocommunicationsjammingtechnologyhasbecomeamainstreamtechnology,itismostcloselyconnected,andcommunications.ThearticlemainlydiscussesthetechnologyofthemobilecommunicationsjamminginterferenceonGSMsystems,includingthetypesofinterferenceinGSM,GSMhasitsownanti-interferenceabilityandhowtooptimizethenetworktoachieveanti-jammingpurposes,inordertomeetuserrequirementsinordertoimprovesystemcapacitywhilealsomaintaininggoodcallquality.

Keywords：

GSM;anti-interference;network-Optimizations;systemcapacity;callquality.

引言2

第一章绪论3

1.1通信抗干扰技术的认知3

1.2通信抗干扰技术的对抗方法3

1.3通信抗干扰技术的特点3

第二章跳频技术及其特点4

2.1跳频技术4

2.2跳频通信的关键技术4

2.3对调频通信干扰5

2.4跳频技术在商业移动通信中的作用6

第三章直接序列扩频技术及其特点7

3.1直接序列扩频系统的应用背景7

3.2直接序列扩频的概念及理论基础8

3.2.1直接序列扩频的概念8

3.2.2扩频通信的理论基础8

3.2.3扩频增益和抗干扰容限9

3.3直接序列扩频的基本原理10

3.4直接系统的性能13

3.4.1直接系统的抗干扰性13

3.4.2直扩信号的抗截获性14

3.4.3直扩码分多址通信系统15

3.4.4直接系统的抗多径干扰性能15

3.4.5直扩测距定时系统16

3.5扩频序列通信系统的同步原理16

第四章跳频和直接序列扩频的比较18

第五章通信干扰及通信抗干扰技术的现状及发展20

致谢22

引言

移动通信系统出现在半个世纪以前，80年代以后得到了迅速发展。

数字程控交换技术的采用，综合业务数字网（INTEGRATEDSERVICESDIGITALNETWORK）的开发成功，智能网研究的新进展，为实现个人通信打下坚实的基础。

特别是随着蜂窝组网技术的完善和大容量系统的出现，移动通信已经成为发展速度最快、最受欢迎、最灵活方便的的通信技术之一。

与其它现代技术的发展一样，移动通信技术的发展也呈现加快趋势，目前，当数字蜂窝网刚刚进入实用阶段，正方兴末艾之时，关于未来移动通信的讨论已如火如菜地展开。

各种方案纷纷出台，其中最热门的是所谓个人移动通信网。

关于这种系统的概念和结构，各家解释并末一致。

但有一点是肯定的，即未来移动通信系统将提供全球性优质服务，真正实现在任何时间、任何地点、向任何人提供通信服务这一移动通信的最高目标。

无线传输极易受到各种其他无线电波的干扰。

不管是GSM系统还是CDMA系统,都是干扰受限系统,干扰的大量存在会极大地影响网络的通信质量和系统的容量。

移动通信系统中主要存在以下干扰：

同频干扰，临频干扰，互调干扰，多址干扰，噪声干扰。

目前主要的抗干扰技术有：

扩频技术，功率控制技术，间断传输技术，多用户检测技术等。

本文主要讨论扩频技术中的直接序列扩频技术和跳频技术。

第一章绪论

1.1通信抗干扰技术的认知

通信抗干扰技术研究的就是在已知或预测敌方的干扰手段情况下，在上述技术基础上（当然不排除以后有新的技术类别）选取适当的技术手段来消除或减轻敌方干扰，而使我方需要进行的通信能够延续的一项技术。

对敌方的干扰性质，强度、种类、方式、采用的体系，掌握的越清楚，采取的措施越有针对性，取得的效果也越好。

由于敌方的对抗手段往往是综合的、多变的，有的可能是完全新颖的，所以抗干扰的手段必须采取多种方式的结合才能取得较好的效果。

1.2通信抗干扰技术的对抗方法

一.扩展频谱抗干扰技术

　　1.跳频技术（FH）

　　2.直接序列扩频技术（DS）

　　3.跳时（TH）

　　4.混合扩频技术

　　二.非扩频类的通信抗干扰技术

　　1.自适应天线技术

　　2.猝发通信技术

　　3.纠错编码和交织编码

4.分集技术

1.3通信抗干扰技术的特点

（1）.对抗性强，技术综合性强，难度高，发展快，某种程度上说是干扰与反干扰双方智慧和技术的斗争。

（2）.对技术的实用性和可靠性的要求高，通信抗干扰必须在战场上实际解决问题。

指标高而不可靠或不实用是不能容忍的，其后果不堪设想。

　　（3）.包括的知识点比较复杂，通信抗干扰技术的知识体系几乎囊括了通信技术门类的方方面面。

第二章跳频技术及其特点

2.1跳频技术

无线电通信是战时通信的必备手段，但是，传统的无线电通信都是在某一固定频率下工作，很容易被敌方截获或施加电子干扰，从而使通信失灵。

跳频通信就是针对传统无线电通信的弊端，使原先固定不变的无线电发信频率按一定的规律和速度来回跳变。

从抗干扰通信角度来看，跳频通信是靠载频的随机跳变来躲避干扰，将干扰排斥在接收信道以外来达到抗干扰的目的，避免敌方电台的测向和干扰。

跳频通信技术在抗干扰通信方面的突出优势，使其在通信装备中得以广泛应用，并且成为超短波通信装备的主要抗干扰技术。

跳频技术不仅是抵御外来干扰的能手，而且对于抑制远距离无线电通信本身所造成的多径干扰也十分有效。

因为采用跳频技术后，由于在主波波束己被接收，而其他径向波束尚未到达接收机时，发送和接收载频早已跳到别的频点上，因而避免了多径效应对通信质量的影响。

2.2跳频通信的关键技术

1、跳频图案

用来控制载波频率跳变的地址码序列通常称为跳频序列。

在跳频序列控制下，载波频率跳变的规律称为跳频图案。

2、频率合成器

跳频通信系统的可变频率合成器是系统的核心部分，跳变频率的总和与跳频速率决定了系统的抗干扰能力。

从原理上说，跳频通信系统的可变频率合成器与普通的频率合成器没什么不同，但有两个特点。

一是受跳频序列控制，跳频数增加则扩展的频率越宽，系统的处理增益就越大；二是能足够快的跳变频率，使系统能够很快的从一个频率跳到另一个频率，躲避来自外部的转发性干扰。

3、同步技术

对跳频系统来说，同步就是收、发两端的频率必须具有相同的变化规律，即每次跳变频率上有确切严格的对应关系。

具体而言，要求做到以下两点：

一是使表示接收机的跳频图案与发射机跳频图案相一致，这样才能通过混频器（相乘）来完成解跳。

二是提取接收信号的载波频率，用它对接收信号作相关检测，解调信息。

2.3对调频通信干扰

1、对跳频通信干扰的四个必要条件：

a）时域条件：

由于频率跟踪瞄准式干扰是实时测量出跳变的频率，并在该频率上发射干扰信号，因为干扰设备反应时间和电波传播时间的影响，干扰信号的发射时间总是滞后于通信信号。

在信号频率的驻留时间内，只要有50％的时间被干扰，就可以达到有效干扰。

这就要求从干扰设备的引导接收机截获到信号，到干扰信号到达接收机的总延迟时间，必须不小于信号驻留时间的5O％。

b）空域条件：

是指跳频通信发信机、接收机以及干扰机所处的地理位置应该满足的数学关系。

为了有效地干扰跳频系统，在通信频率跳到新的频率之前，干扰机必须完成从侦听到施放干扰的全过程。

c）频域条件：

干扰频谱与跳频通信信号中携带信息的频谱相重合，这样，在频域就难以将二者分开，干扰机采用线性宽频带实时测出跳变频率，在进行处理前进行验证比对，看是否满足相等条件，满足则实施干扰信号发射，不满足则继续搜频。

被干扰的信道数占跳频总信道数的比例与跳速和信号形式有关，但是，无论哪种跳速和信号形式，只要干扰了5O％以上的信道，都可以达到有效干扰的目的。

d）能域条件：

一般情况下，干扰信号应具有压制敌方通信所需的干扰频率。

2、对跳频通信最有效的干扰是以下三种：

a）窄带频率瞄准式干扰：

用于干扰单个信道的窄带干扰。

窄带频率瞄准式干扰，先由引导接收机搜索截获并分析信号，然后选择最好的干涉样式启动发射机开始按照需要功率进行干扰，在某一个频率上施放长时间的大功率的干扰，即单频干扰。

b）拦阻式干扰

用于干扰一个频段内多个信道的宽带干扰。

拦阻式干扰，先进行线性扫频，然后根据扫到的频率范围，实施连续拦阻式干扰或者梳状拦阻式干扰。

它按频率范围分为全频段和部分频段干扰。

c）频率跟踪瞄准式干扰

这种干扰方式是实时测量出跳变的频率，并且它结合了窄带频率瞄准式干扰和拦阻式干扰的优点，采取一种折中的方法，即也采用窄带干扰，避免了拦阻式干扰由于干扰功率分散在很宽的频段上而需要很高的干扰功率，由使用了全频段扫描，采用跟频干扰，提高了窄带频率瞄准式干扰的灵活性。

2.4跳频技术在商业移动通信中的作用

在业务密集区，GSM系统的容量受频率复用产生的干扰限制，相对载干比可能在呼叫之间有很大的变化。

载波电平一般随移动台与基站的距离及相互间的障碍情况变化而变化。

而干扰电平则在很大程度上依赖于邻近小区的同频干扰。

由于系统的目标是尽可能满足更多用户的要求，当不选用跳频时，若某一频点出现干扰，当某用户占用该频点时就会造成通话质量下降，而使用户难以接受，若干扰是连续的，很容易造成质量差掉话。

当使用跳频时，该干扰情况就会被该载波的其他呼叫所共享，干扰被平均了，干扰不再处于连续状态，而处于突发状态，整个网络的性能将得到很大提高。

经分析，使用跳频的网络可比不采用跳频的网络高3dB的增益。

GSM系统中采用慢跳频技术，跳频速率为217跳/秒，跳频在两个时隙间进行，一个时隙内用固定频率收发，下一时隙用另一频率收发，以减小干扰的影响。

第三章直接序列扩频技术及其特点

3.1直接序列扩频系统的应用背景

直接序列扩频（DSSS—DirectSequenceSpreadSpectrum）技术是当今人们所熟知的扩频技术之一。

这种技术是将要发送的信息用伪随机码（PN码）扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信息。

它是二战期间开发的，最初的用途是为军事通信提供安全保障,是美军重要的无线保密通信技术。

这种技术使敌人很难探测到信号。

即便探测到信号，如果不知道正确的编码，也不可能将噪声信号重新汇编成原始的信号。

有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员HedyLamarr和钢琴家GeorgeAntheil提出的。

基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路，他们申请了美国专利#2.292.387。

不幸的是，当时该技术并没有引起美国军方的重视，直到十九世纪八十年代才引起关注，将它用于敌对环境中的无线通信系统。

直序扩频解决了短距离数据收发信机、如：

卫星定位系统（GPS）、3G移动通信系统、WLAN（IEEE802.11a,IEEE802.11b,IEE802.11g）和蓝牙技术等应用的关键问题。

扩频技术也为提高无线电频率的利用率（无线电频谱是有限的因此也是一种昂贵的资源）提供帮助。

直序扩频通信系统的工作原理如图1-1所示。

在发端输入的数字信号信息，先由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱，扩频码序列一般采用PN码。

展宽后的信号再调制到射频发送出去。

调制多采用BPSK、DPSK、MPSK等调制方式。

在接收端收到的信号进行解调（一般采用相干解调）。

然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。

恢复成原输入的信息输出。

由此可见，—般的扩频通信系统都要进行两次调制和相应的解调。

一次调制为扩频调制，二次调制为射频调制，以及相应的解扩和射频解调。

与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。

3.2直接序列扩频的概念及理论基础

3.2.1直接序列扩频的概念

所谓直接序列（DS：

DirectSequence）扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。

而在接收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。

3.2.2扩频通信的理论基础

长期以来，人们总是想方设法使信号所占的频谱尽量窄，以充分提高十分宝贵的频率资源利用率。

但扩频通信在发送端用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽，在接收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复出所传信息数据。

为什么要用宽频带信号来传输窄带信息呢？

主要是为了通信的安全可靠性。

这可用信息论和抗干扰理论的基本观点来说明：

　根据香农（C.E.Shannon）在信息论研究中总结出的信道容量公式，香农公式：

（2-1）

式中：

C--信息的传输速率（信道容量）单位b/s；S--信号平均功率单位W；B--频带宽度单位Hz；N--噪声平均功率单位W。

由式中可以看出：

为了提高信息的传输速率C，可以从两种途径实现，既加大带宽B或提高信噪比S/N。

换句话说，当信号的传输速率C一定时，信号带宽B和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。

扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处。

柯捷尔尼可夫在其潜在抗干扰性理论中得到如下关于信息传输差错概率的公式

（2-2）

此公式指出，差错概率Pe是信号能量E与噪声功率谱密度

之比的函数。

设信息持续时间为T，或数字信息的码元宽度为T，则信息的带宽Bm为

（2-3）

信号功率S为

（2-4）

已调（或已扩频）信号的宽度为B，则噪声功率为

（2-5）

将式（4-3）~（4-5）代入式（4-2），可得

（2-6）

上面公式指出，差错概率Pe是输入信号与噪声功率之比（S/N）和信号带宽与信息带宽之比（B/Bm）二者乘积的函数，信噪比与带宽是可以互换的。

它同样指出了用增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处。

综上所述：

将信息带宽扩展100倍，甚至用1000倍以上的带宽信号来传输信息，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的通信。

这就是扩频通信的基本思想和理论依据。

3.2.3扩频增益和抗干扰容限

扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接收端解扩还原了信息，这样的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。

理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。

一般把扩频信号带宽W与信息带宽△F之比称为处理增益

，即

（2-7）

它表明了扩频系统信噪比改善的程度。

除此之外，扩频系统的其他一些性能也大都与

有关。

因此，处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。

系统的抗干扰容限

定义如下：

（2-8）

式中：

（S/N）。

=输出端的信噪比，

=系统损耗

由此可见，抗干扰容限

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。

3.3直接序列扩频的基本原理

所谓直接序列扩频（DS），就是直接用具有高速率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。

而接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信息。

图2-1示出了直扩通信系统的原理方框图

在发送端输入信息码元m（t），它是二进制数据，图中为0、1两个码元，其码元宽度为

。

加入扩频解调器，图中为模2加法器，扩频码为一个伪随机码（PN码），记作p（t）。

伪码的波形如图2-2中的第

（2）个波形，其码元宽度为

，且取

=16

。

通常在DS系统中，伪码的速率

远远大于信码速率

，即

，也就是说，伪码的宽度

远远小于信码的宽度

，即

，这样才能展宽频谱。

模2加法器的运算规则可用下式表示

（2—9）

当m（t）与p（t）符号相同时，c（t）为0；而当m（t）与p（t）不同时，则为1。

c（t）的波形如图2-2所示中的第（3）个波形。

由图可见，当信码m（t）为0时，c（t）与p（t）相同；而当信码m（t）为1时，则c（t）为p（t）取反既是。

显然，包含信码的c（t）其码元宽度已变成了

，即已进行了频谱扩展。

其扩展处理增益也可用下式表示

（2—10）

在

一定的情况下，若伪码速率越高，即伪码宽度（码片宽度）

越窄，则扩频处理增益越大。

经过扩频，还要载频调制，以便信号在信道上有效的传输。

图中采用二相相移键控方式。

调相器可由环行调制器完成，即将c（t）与载频

相乘，输出为

。

即

（2—11）

式中，

（2—12）

因此，经过扩频和相位调制后的信号

为

（2—13）

由上面讨论可知，经过扩频调制信号c（t）可看作只取

1的二进制波形，然后对载频进行调制，这里是采用调相（BPSK）。

所谓调制，就是指相乘过程，可采用相乘器，环行调制器（或平衡调制器），最后得到的是抑制载波双边带振幅调制信号。

这里假定平衡调制器是理想对称，码序列取+1、

1的概率相同，即调制信号无直流分量，这样平衡调制器输出的已调波中，无载波分量。

通过发射机中推动级、功放和输出电路加至天线发射出去。

通常载波频率较高，或者说载波周期

较小，它远小于伪码的周期

，即满足

。

但图2-2中（4）示出的载波波形

=宽度为

，这是为了便于看清楚一些，否则要在一个

期间内画几十个甚至几百个正弦波。

对于PSK来说，主要是看清楚已调波与调制信号之间的相位关系。

图2-2中的第（5）个图为已调波

的波形。

这里，当c（t）为一码时，已调波与载波取反相；而当c（t）为0码时，取同相。

已调波与载波的相位关系如图2-2中的第（6）个图所示。

接收端的工作原理：

假设发射的信号经过信道传输，不出现差错，经过接收机前端电路（包括输入电路、高频放大器等），输出仍为

。

这里不考虑信道衰减问题，因为对PSK调制信号而言，重要的是相位问题，这里的假定对分析工作原理是不受影响的。