扩频通信技术在实际中的应用

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扩频通信技术在实际中的应用

摘要：通过介绍扩频通信技术的概念及原理来研究它是如何在实际中应用的。 关键词: 扩频 分类 应用 正文： 一、扩频技术是近年发展非常迅速的一种技术，它不仅在军事通信中发挥出了不 可取代的优势，而且广泛地渗透到了通信的各个方面，如卫星通信、移动通信、 微波通信、无线定位系统、无线局域网、全球个人通信等。

扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)川简称“扩频通信”。是 将发送的信息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的多， 在接收端通过相关接收，从而将信号恢复到信息带宽。扩频通信按其工作方式的 不同，可分为直接序列扩频(DS)，跳频(FH)，跳时(TH)，以及它们的组合方 式，如：FH／DS，TH／DS，FH／TH等。不同的扩频技术，其抗干扰机理和对不同 扰的抵抗能力是不同的。直接序列扩频技术通过相关处理，降低进入解调器的信 号功率来达到抗干扰目的；跳频系统依靠载频的随机跳变，以躲避方式对抗通信 中的干扰。直接序列扩频技术是目前应用较为广泛。 三、低轨卫星通信信道模型

低轨口星通信信道是一种无线衰落时变信道。其中，径衰落、阴影衰落及多普勒频移是影响低轨卫星信道的主要因素。将低轨卫星通信的传播环境分为城市环境、开阔地带环境、农村及郊区环境三种，分别用瑞利信道、莱斯信道和C．I舶信道模璎来近似n-lo]。 2．1城市环境 在此情况下，视线分冒可以认为是完全被建筑物阻挡吸收，直射分量：(f)为零，接收的信号为各条路径的散射分量之和，此时只存在多径衰落。各途径传播的散射信号相互独立，而且散射信号的振幅之和是恒定的，合成信号的包络服从瑞利(Rayleigh)分布，其概率密度函数为

，

式中，r为接收信号的包络，，为平均多径功率，合成信号的相位服从[0，27r)的均匀分布，此时的信道属于瑞利信道。当采用SystemVue软件建立其仿真模型时，可由JK信道子系统构成，设其多径数目为5，最大多普勒频移为20kHz。 2．2开阔地带环境

在此情况下，直射波完全不受阻挡，接收信号是恒定的 视线分量与多径散射分昔之和。此时信号包络服从莱斯 (Rician)分布，信道表现形式是莱斯信道。其包络的概率密 度函数为



式中，A。为稳定的视线分量的幅度，厶为零阶第一类贝 塞尔修正函数。相位的概率密度为




式中，为西(菇)标准正态分布的概率积分，A2／2为直射分量 功率，％2为散射分量功率。可以用莱斯因子K为定义直射分 量与散射分量之间的功率之比，即表征了多径散射对信号分 布的影响。 K=2箜o．2 (4)

将式(4)代入式(3)得： 脚，=菇+警

[2一erfc(“08西·K)](一7r<西<仃) (5)

式中，e毋(算)表示误差函数。将式(4)代入式(2)可得其包 络的概率密度函数为

P(r)=2r“可；xp[一K一(1+K)r2]． ，0(2r／K(K+1))(r≥O) (6)

莱斯因子K与卫星仰角有密切的关系，文献[10]给出了

其计算的经验公式及参数值，当仰角为30度时，K=1i。当采 用SystemVue软件建立其仿真模型时，可由Rician信道子系 统构成，并设其相关时间为50微秒，莱斯因子为1ldB。 2．3农村及郊区环境

在这种情况下，接收到的信号是由受到阴影作用的直射 信号分量和不受阴影作用的纯多径信号分量组成的，这种信 道模型又称为C．Loo模型。接收到的信号可表示为： r(t)=z(t)-s(t)+d(￡) (7)

式中，r(t)为接收到的信号；；(t)为直射波信号；s(t)表 示阴影衰落；d(t)为纯多径信号。由于多径信号服从瑞利分 布，阴影衰落服从对数正态分布，联合瑞利分布函数和对数 正态分布函数，可以得到接收信号包络的概率密度函数为： ⋯ r r 1

^¨卜丁历烈i麟p [一掣一％导]．，o(嚣b)出(8) 。 2do 260 。”、o⋯“ ⋯7

式中，，o(·)为零阶贝塞尔函数，60表示平均多径功率，p表 差。文献[1 1]给出了计算b。4t、do的公式及经验值，当仰角 为30度时，弘为一5．045、do为2．7。当采用SystemVue软件建 立其仿真模型时，可由JK信道子系统、正态分布函数及指数 函数子系统构成，设多径数目为5，最大多普勒频移为 20kHz，正态分布的均值为一5．045、方差为2．7。 3 混合DS／FH扩谱方案

混合DS／FH扩谱方案是将直接序列扩谱与跳频扩谱有

机结合起来，虽然在设计和研制上比单独的蓖接序列扩谱和 跳频扩谱系统复杂得多，但在这种结合中直接序列扩谱的低


检测概率特性和跳频扩谱的频率分集特性都能够被利用，有 利于将信号隐藏起来，同时电子干扰系统很难将信号的一次 跳频与下一次跳频联系在一起，从而使跳频驻留关联非常因 难，可用于降低频率选择性衰落的影响¨“。混合DS／FH扩谱 方案的原理框图如图1所示。

图1 混合DS／FH扩谱方案的原理框图

工作原理如下：第k用户的数据信号B。(￡)在基带单元

内完成信源编码、交织、MFSK数据调制后变为b。(t)，然后在 中频f上完成扩频调制，再与由PN码控制的频率合成器输

出的跳变信号完成跳频调制，输出宽带跳变信号s。(t)，可由 式(9)表示¨⋯，式中，P为第k用户信号的功率，驴(t)为直扩 码的码片波形，a。(t)为第k用户的直扩码Z为直扩中心频 率Z(z)，0(t)为第k用户扩频调制信号的相位，Ot。(t)为由 第k用户跳频图案决定的相位波形。接收机接收经低轨卫星 一151— 万方数据

信道衰落以及受干扰信号干扰的扩跳信号变为，(t)，先经带 通滤波、放大后与本地频率合成器输出的正交及同相信号进 行混频、滤波，完成正交解跳，输出中频直扩信号rdl(t)及 ，扣(t)，同时经数字匹配滤波、视频积累提取同步信号，控制 本地频率合成器及本地PN码产生器，然后对匹配滤波值进 行处理，完成数据解扩，经判决后恢复出原始信息d。(t)。 Sk(f)=以Pk(f)妒(t)吼(f)·

CO${2w[‘C+五(t)]t+0‘+a^(t)} (9)

假设h(I)为低轨卫星信道的冲激响应，则接收信号r(t)

可由式(10)表示，式中，J(t)为干扰信号，n(f)为均值为0， 方差为％／2的背景噪声，o表示卷积运算。 置

r(t)=Σs^(t)@h(t)+．，(￡)+，l(f)__

二、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。～般把扩频信号带宽w 与信息带宽AF之比称为处理增益GP，即：



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GP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MJ定义如下：

式中： (S／N)。=输出端的信噪比，




式中工。为系统内部损耗，包括射频、解扩及放大电路引起的信噪比损失，一 般应小于2～3dB：(S／N)。是系统正常工作时要求的最小输出信噪比，由信息恢 复所允许的误码率等因素决定。

干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能抗的极限干扰强度。只有当系统输入端 的干扰功率低于干扰容限时，系统才能正常工作。因此，干扰容限往往比处理增益更能确切反映系统的抗干扰能力。 三、扩频的应用

DS- QPSK短波猝发扩频通信系统



DS-QPSK系统原理框图

扩频，即扩展频谱(ss)，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入 信息时代的3大高技术通信传输方式。扩频技术是将待传送的信息数 据被伪随机编码调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编 码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。扩频通信有抗干扰、抗噪

音、抗多径衰落、隐蔽性高、截获概率低、可多址复用和任意选址等优点。 1常见扩频抗干扰技术概述 1．1直接序列扩频系统

直接序列扩频(DSSS)，简称直扩，就是将要传输的信息经过伪噪声 (PN)序列编码后对载波进行调制。因为PN序列的速率远大于要传输 信息的速率，所以已调信号的频谱宽度将远大于要传送信息的频谱宽 度，达到扩频的效果。

直接序列扩频自身具有抗干扰的能力．各种干扰和有用信号同时进 人接收机，有用信号频谱被恢复为窄带谱；由于干扰与本地扩频信号不 相关，故在解扩过程中被削弱。这样有用信号为窄带谱，干扰信号为宽 带谱，可以借助于解调后的基带滤波器去除带外的干扰信号。带内的信 噪比就可以大大提高，起到抑制干扰的目的。 1．2跳频通信系统







跳频通信(FHSS)也是扩频通信中的一种重要方式，它是一种“躲

避”式抗干扰通信系统，其载波频率在PN码的控制下跳变，所以称为跳 频通信。

跳频通信系统的工作原理是：在发射端．先对输入的信码进行基带 调制，然后再与PN序列控制下的频率合成器产生的本振信号(射频载 波)进行混频，得到伪随机眺变的射频信号。在接收端，用与发端相同的 PN序列控制本地频率合成器，将接收的信号与本地频率合成器的信号 混频，得到基带调制信号，然后再进行基带解调，恢复出信码。 1．3二维扩频系统

二维扩频通信是近几年提出的一种新的扩频通信方式，二维扩频系

统分别在时域、频域上对数据信号进行频谱扩展，是传统的时域扩频、频 域扩频的推广。由于二维扩频系统采用了两组扩频码．充分利用了两种 一维扩频的特性，能使系统有更大的处理增益、更强的多址能力和较好 的抗衰落性能。

针对传统的二维扩频技术，文献[2]提出了一种广义的二维扩频系

统模型，通过分析，给出二维扩频系统在存在加性噪声情况下进行理论 分析的一般方法，对二维扩频系统的性能分析有一定的指导意义。 1．4自编码扩频系统

数字通信中传输的数字信息往往先经过扰码后再调制载波。其目的 是为了便于收端的同步。因此。信道上传输的数字信息呈现某种随机 性。如设法增强数字信息的随机变化特性。并从不断变化的随机数据流 中获得扩频序列，就可以避免完全依赖PIN序列、混沌序列进行频谱扩 展的情况。较好地保证扩频序列的随机性、动态变化性和信号的低截获 率．这种扩展频谱的通信方式称为自编码扩频(SESS)，是一种抗干扰能 力更好的安全通信方式。 2经典扩频系统的改进措施 2．1直扩系统的改进措施 2．1．1采用多电平直扩技术

多电平直扩的基本原理就是以比需要高得多的速率产生原始的二

元扩展码。以便获得一定的处理增益，然后通过一个低截获频率的低通 滤波器输出，产生一种多电平幅值的扩频码。分析表明：所提出的扩频 码。能消除易使常规DS／BPSK信号泄漏的有害谱线，同时它也易于产生 码周期很长，并且有良好自相关和互相关特性的多种不同的码序列。 2．1．2采用混沌序列作为扩频序列

混沌序列作为直扩系统中的扩频序列有许多重要的优点：混沌序列 不是二进制。但其相关特性非常类似于随机二进制的相关特性；与m 序列和Gold码序列相比。有大量给定长度的不同序列可用；生成和再生 混沌序列比较简单：混沌直扩系统难以被截收。因此浑沌序列在直接序 列扩频系统中具有广阔的开发应用前景。 3结语

扩展频谱技术是抗干扰通信的主流技术，这些技术的应用不受时间 和空间的限制。这是扩展频谱技术的优势。智能天线技术利用空间的冗 余性。加强在所需方向上的传输，避开干扰，能显著改善通信的性能。但


是无线通信信号毕竞是暴露在空间的，这就给对方的截获和干扰提供了 机会。利用计算机和数字信号处理技术可以对宽带信号进行快速分析， 对跳频、直接序列扩频等都有了一定的侦察方法。为了提高军事通信系 统的抗干扰能力，必须在信号的变化和多种技术的综合应用上作出努 力。

参考文献：

[1]李仲令，郭燕，周亮．自编码扩频和直接序列扩频的性能比较 [J]．电子科技大学学报，2003，32(05)．

[2]唐友喜，李少谦．广义时频二维扩频在加性白高斯噪声信道中 的性能[J]．电子与信息学报，2004(02)．

[3]查光明，熊贤柞．扩频通信[M]．西安：西安电子科技大学出版 社。1992．

[4]杨立春．通信抗干扰技术的综合优化及评价研究[D]、成都：电 子科技大学。2006． 万方__

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