直接序列扩频通信系统抗干扰技术研究.docx
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直接序列扩频通信系统抗干扰技术研究
直接序列扩频通信系统抗干扰技术研究
摘要：
当前，扩展频谱（SpreadSpectrum，SS，简称扩频）技术在军事通信和民用系统中均有广泛的应用。
这是由于扩频技术具有多址能力、隐蔽性好、抗干扰能力等优点，因此特别适合于无线移动通信环境。
直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS，简称直扩）技术具有良好的保密性、灵活的信道分配能力以及较强的抗多径、多址干扰能力，不增加扩频增益的条件下，在接受机解扩之前借助信号处理的方式对接收信号进行预处理，可以显著增加系统的抗干扰能力。
本文首先介绍了扩频技术的基本理论，包括扩频技术的理论基础，扩频系统的特点、分类及应用，扩频通信的几种实现方式。
研究了直扩系统的数学模型，扩频用的处理增益和抗干扰容限等。
其次，分析了直扩系统的抗干扰性能，包括抗高斯白噪声干扰、窄带干扰、单频正弦干扰、多径效应干扰以及其他扩频信号干扰的性能。
最后利用MATLAB建立了扩频通信系统的仿真模型，并结合仿真结果分析了扩频通信系统的抗干扰性能。
关键词：
直接序列扩频，窄带干扰，MATLAB仿真，抗干扰技术
I
目录
摘要................................................................................................................错误！
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1绪论..............................................................................................................................................1
1.1抗干扰技术........................................................................................................................1
1.2扩展频谱系统的分类及特点............................................................................................2
1.2.1扩频系统的分类.....................................................................................................2
1.2.2扩频系统的特点.....................................................................................................2
2扩展频谱通信技术.......................................................................................................................3
2.1扩频通信的定义................................................................................................................3
2.2扩频技术的理论基础........................................................................................................4
2.2.1Shannon公式..........................................................................................................4
2.2.2处理增益与抗干扰容限.........................................................................................5
2.3直接序列扩频系统（DSSS系统）.................................................................................5
2.3.1DS扩频通信系统的数学模型................................................................................6
2.3.2直扩信号的数学表示.............................................................................................7
3直接序列扩频系统的抗干扰性能...............................................................................................7
3.1抗高斯白噪声干扰能力....................................................................................................8
3.2抗单频正弦干扰能力........................................................................................................9
3.3抗窄带干扰能力..............................................................................................................10
3.4抗多径效应的能力..........................................................................................................11
3.5抗其它扩频信号干扰能力..............................................................................................14
4DSSS系统抗干扰性能仿真与分析...........................................................................................15
4.1抗正弦干扰仿真及结果分析..........................................................................................15
4.1.1建立抗正弦干扰仿真模型...................................................................................15
4.1.2仿真结果及其分析...............................................................................................16
4.2抗窄带干扰仿真及结果分析..........................................................................................17
4.2.1建立抗窄带干扰仿真模型...................................................................................17
4.2.2仿真结果及其分析...............................................................................................18
4.3抗多径效应仿真及结果分析..........................................................................................18
4.3.1建立抗多径效应的仿真模型...............................................................................18
4.3.2仿真结果及其分析...............................................................................................19
4.4抗其他扩频信号干扰仿真及结果分析..........................................................................21
4.4.1建立抗其他扩频信号干扰仿真模型...................................................................21
4.4.2仿真结果及其分析...............................................................................................21
5DSSS系统的抗干扰技术...........................................................................................................22
5.1混合式扩展频谱系统......................................................................................................22
5.2自适应天线抑制干扰技术..............................................................................................23
5.3自适应滤波器抑制窄带干扰..........................................................................................23
6结束语........................................................................................................................................25
参考文献........................................................................................................................................26
1绪论
扩频通信技术是通信的一个重要分支和发展方向，它是扩展频谱技术与通信相结合的产物。
由于扩频通信具有很多优点，如抗干扰能力强，隐蔽性好，多址能力强，误码率低，易于实现保密通信以及可以随机接入，任意选址等，使得扩频通信技术越来越受到人们的重视，随着超大规模集成电路技术、微电子技术、微处理技术的发展以及一些新型器件的广泛应用，使扩频通信的发展迈上了一个新台阶，它不仅在军事通信中占有重要地位，而且正迅速地渗透到民用通信中，受到日益广泛的应用。
1.1抗干扰技术
当前采用的抗干扰技术主要有：
（1）扩展频谱技术
扩展频谱技术具有很强的抗干扰能力，可以抗击多种人为干扰，是发展非常迅速的一种抗干扰技术。
（2）开发强方向性的毫米波频段
在短波波段，电波的传播方式主要是靠天波传播，超短波也主要靠天波和视线传播。
由于这些波段拥挤，因而相互之间的干扰比较严重。
在毫米波波段，天线方向性好，旁瓣衰落快，有利于增强抗干扰性能。
（3）加密技术
采用加密技术，防止传送的信息被敌方截获!
窃听，在保密通信中是一个重要的技术问题。
（4）碎发通信技术
这种通信方式在通信的时间上有很大的随机性，在非常短的时间内，将要发送的信号发送出去，其它时间处于静止状态，使干扰机很难捕捉住这种碎发信号，因此具有很强的抗干扰能力。
流星余迹通信就属于这种通信。
（5）天线零相技术
这种技术是将天线方向图的零点对准干扰机，而将主瓣对准发信机，这样，对接收机而言，既能接收到有用信号，又可将干扰信号大大地衰减，从而达到抗干扰的目的。
（6）分集接收技术
分集接收是指如果在接收端同时获得几个不同路径的信号，将这些信号适当合并构成总的接收信号，则能够大大减小衰落的影响。
这就是分集接收技术的基本思想。
分集两字就是分散得到几个合成信号并集中（合并）这些信号的意思。
分集技术包括空间分集、频率分集、角度分集、极化分集等。
采用分集技术，可改
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善系统性能，提高系统抗干扰的能力。
1.2扩展频谱系统的分类及特点
扩展频谱系统具有很强的抗干扰能力，其多址能力、保密、抗多径等功能也倍受人们的关注，被广泛地应用于军事通信和民用通信中。
扩展频谱系统是把要发送的信息被展宽到一个很宽的频带上，这一频带比要发送的信息带宽宽得多，在接收端通过相关接收，将信号恢复到信息带宽的一种系统，简称为扩频系统或SS（SpreadSpectrum）系统。
1.2.1扩频系统的分类
扩频系统包括下面几种扩频方式：
（1）直接序列（DS）扩频，记为DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum）；
（2）跳频，记为FH（FrequencyHopping）；
（3）跳时，记为TH（TimeHopping）；
（4）线性调频，记为Chirp。
除了上面四种基本方式以外，还有这种些扩频方式的组合方式，如FH/DS，TH/DS，FH/TH等。
1.2.2扩频系统的特点
（1）抗干扰能力强
由于利用了扩展频谱技术，将信号扩展到很宽的频带上，在接收端对扩频信号进行相关处理即带宽压缩，恢复成窄带信号。
对干扰信号而言，由于与扩频信号不相关，则被扩展到一个很宽的频带上，使之进入信号通频带内的干扰功率大大降低，相应地增加了相关器输出端的信号/干扰比，因而具有较强的抗干扰能力。
扩频系统的抗干扰能力主要取决于系统的扩频增益，或称之为处理增益。
对大多数人为干扰而言，扩频系统都具有很强的对抗能力。
（2）可进行多址通信
扩频通信本身就是一种多址通信，即扩频多址，用不同的扩频码构成不同的网，类似于码分多址，是未来全球个人通信的首选多址方式。
虽然扩频系统占据很宽的频带完成信息的传输，但其很强的多址能力保证了它的高频谱利用率，其频谱利用率比单路单载波系统还高很多。
这种多址方式组_网灵活，入网迅速，适合于机动灵活的战术通信和移动通信。
（3）安全保密
扩频通信也是一种保密通信。
扩频的系统发射的信号的谱密度低，近似于噪
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声，有的系统可在-20~-15dB条件下工作，对方很难测出信号的参数，从而达到安全保密通信的目的。
扩频信号还可以进行信息加密，如要截获和窃听扩频信号，则必须知道扩频系统用的伪随机码!
密钥等参数，并与系统完全同步，这样就给对方设置了更多的障碍，从而起到了保护信息的作用。
（4）数模兼容
扩频系统既可以传输数字信号，也可传输模拟信号。
（5）抗衰落
由于扩频信号的频带很宽，当遇到衰落，如频率选择性衰落，它只影响到扩频信号的一小部分，因而对整个信号的频谱影响不大。
（6）抗多径
多径问题是通信中，特别是移动通信中必须面对，但又难以解决的问题。
而扩频技术本身具有很强的抗多径能力，只要满足一定的条件，就可以达到抗干扰甚至可以利用多径能量来提高系统性能的目的。
2扩展频谱通信技术
2.1扩频通信的定义
扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的展宽是通过编码及调制的方法来实现的，并与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据。
首先，信号的频谱被展宽了。
传输任何信息都需要一定的频带宽度，称为信息带宽。
为了充分利用频率资源，通常都是尽量采用大体相当的带宽的信号来传输信息。
这属于窄带通信。
扩展频谱通信信号带宽与信息带宽之比高达100-1000，属于宽带通信。
其次，采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。
我们知道，在时间上有限的信号，其频谱是无限的。
信号的频带宽度与其持续时间近似成反比。
1微秒的脉冲的带宽约为1MHz。
因此，如果用很窄的脉冲序列对所传信息调制，则可产生很宽频带的信号。
直接序列扩频系统就是采用这种方法获得扩频信号。
这种很窄的脉冲码序列，其码速率很高，称为扩频码序列。
其它的扩频系统，也都是采用这种或那种扩频码调制的方式来实现信号频谱的扩展的。
扩频码序列与所传信息数据是无关的，它与一般的正弦载波信号一样，丝毫不影响信息传输的透明性-扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。
第三，在接收端用相关解调来解扩。
在扩频通信的接收端用与发送端相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解调，恢复所传的信息。
这种在发信端把
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窄带信息扩展成宽带信号，而在接收端又将其解扩成窄带信息的处理过程，会带来一系列的好处。
2.2扩频技术的理论基础
长期以来,人们总是想法使信号所占频谱尽量的窄，以充分利用十分宝贵的频谱资源。
为什么要用这样的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"这可以用信息论和抗干扰理论的基本观点来加以说明。
2.2.1Shannon公式
香农（Shannon）定理指出：
在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限传输速率（或称信道容量）为
S）b/s（2-1）N
式中：
B为信号带宽；S为信号平均功率；N为噪声功率。
C=Blog2（1+
由Shannon公式可以看出：
（1）要增加系统的信息传输速率，则要求增加信道容量。
增加信道容量的方法可以通过增加传输信号带宽，或增加信噪比S/N来实现。
由公式可知，B与C成正比，而C与S/N呈对数关系，因此，增加B比增加S/N更有效。
（2）信道容量C为常数时，带宽B与信噪比S/N可以互换。
即可以通过增加带宽B来降低系统对信噪比S/N的要求；也可以通过增加信号功率，降低信号的带宽。
如果增加频带宽度，就可以在较低的信噪比的情况下用相同的信息率以任意小的差错概率来传输信息。
甚至在信号被噪声湮没的情况下，只要相应地增加信号带宽，也能保持可靠地通信。
这一公式指明了采用扩展频谱信号进行通信的优越性，即用扩展频谱的方法以换取信噪比上的好处。
香农又指出，在高斯噪声的干扰下，在平均功率的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。
伪噪声码具有和白噪声相类似的统计特性，也就是说它逼近于高斯信道要求的最佳信号形式。
所以用扩频码扩展待传基带信号频谱的扩展频谱通信系统，优于常规通信体制。
早在50年代，哈尔凯维奇就从理论上证明：
要克服多径衰落干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式也应该是具有白噪声统计特性的信号形式，扩频函数（伪码）逼近白噪声的统计特性，因而扩频通信又具有抗多径干扰的能力。
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的通信。
这就是扩频通信的基本思想和理论依据。
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2.2.2处理增益与抗干扰容限
扩频通信系统由于在发端扩展了信号频谱，在接收端解扩后恢复了所传信息，这一处理过程带来了信噪比上的好处，即接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比大有改善，从而提高了系统的抗干扰能力。
因此，我们可以用系统输出信噪比与输入信噪比二者之比来表征扩频通信系统的抗干扰能力。
信息处理系统中，如果输入、输出信噪比分别为（S/N）i和（S/N）o，则常用系统处理增益GP示其对信噪比的改善程度，其定义为：
GP=（S/N）o（2-2）（S/N）i
理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能都大体上与扩频信号的带宽与所传信息带宽之比成正比，因此可用带宽比来近似估算系统的处理增益，即：
GP=Bc（2-3）Bm
式中：
Bc为已扩展信号的射频带宽，Bm为原始（基带）信号带宽。
在保证系统正常工作的条件下（系统输出信噪比一定），接收机输入端能够承受的干扰比信号高出的分贝（dB）数，用数学式表示为：
SMj=GP-[LS+（）O]dB（2-4）N
S式中，Mj为抗干扰容限，LS为系统实现时的损耗，（）O为系统输出信噪N
比，GP为处理增益。
抗干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能允许的极限干扰强度，因此它往往比处理增益更确切地表征了系统的抗干扰能力。
2.3直接序列扩频系统（DSSS系统）
直接序列扩频系统（DSSS系统）又称为直接序列载波调制系统或伪噪声（PN）系统，简称直扩系统，是目前应用较为广泛的一种扩展频谱通信系统。
其原理框图如图2-1所示。
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图2-1直接序列扩频通信系统框图
直接序列（DS）扩频是将要发送的信息用伪随机序列（即扩频码）扩展到一个很宽的频带上去，在收端再用与发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，从而恢复出扩频调制以前的信息。
干扰信号由于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（干）比，达到了抗干扰的目的。
2.3.1DS扩频通信系统的数学模型
DS扩频通信系统的数学模型如图2-2所示。
扩频系统可以认为是一种扩频和解扩的变换对，要传输的信号s（t）经扩频变化为Ss[∙]，将频带较窄的信号s（t）扩展到一个很宽的频带上去。
发射的信号为Ss[s（t）]，通过信道后，叠加上噪声n（t）和干扰信号J（t），送入解扩器的输入端。
对解扩器而言，其解扩过程正好
-1是扩频过程的逆过程，从而有：
对信号的SS[∙]处理，还原出s（t），即
-1-1，有SSSS{SS[s（t）]}=s（t），而对噪声n（t）和干扰信号J（t）[n（t）]=SS[n（t）]和-1SS[J（t）]=SS[J（t）],即将n（t）和J（t）扩展。
这样在接收机的后相关带宽[fa,fb]内，s（t）可以全部通过，而Ss[n（t）]和Ss[J（t）]只有在[fa,fb]内的功率能通过，
[fa,fb]相对B来讲要小得多，所以噪声和干扰得到很大程度的抑制。
图2-2扩频通信系统数学模型
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