m序列在擴頻通信中的應(yīng)用研究21

m序列在擴頻通信中的應(yīng)用研究)若n≠0mod4，則存在一對m序列，它有三值相關(guān)函數(shù)，且值為-1，-t(n)和t(n)-2。若給定的一對m序列取上述三個互相關(guān)函數(shù)值-1，-t(n)和t(n)-2時，該序列叫做優(yōu)選m序列對。這樣的三個互相關(guān)函數(shù)值叫做理想三值互相關(guān)函數(shù)。例如，n=3時，a=[-1-1-11-111]，b=[-1-1-111-11],互相關(guān)函數(shù)是[-1-53]，是理想三值互相關(guān)函數(shù)，同時a和b叫做優(yōu)選m序列對。第四章m序列在擴頻通信中的應(yīng)用在擴展頻譜通信系統(tǒng)中，偽隨機序列起著很重要的作用。在直接擴展頻率統(tǒng)中，用偽隨機序列將傳輸信息展寬，在接收時又用它將信號壓縮，并使干擾信號功率擴散，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力；在跳頻系統(tǒng)中，用偽隨機序列控制脈沖發(fā)送的時間和持續(xù)時間。由此可見，偽隨機序列性能的好壞，是一個至關(guān)重要的問題。擴頻通信，即擴展頻譜通信(SpreadSpectrumCommunication)，它與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽為進入信息時代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。4．1擴頻技術(shù)的基本概念所謂擴展頻譜通信，可簡單表述如下：“擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端則用同樣的碼進行相關(guān)同步接收、解擴及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。這一定義包含了以下三方面的意思。4．1．1信號的頻譜被展寬了我們知道，傳輸任何信息都需要一定的帶寬，稱為信息帶寬。例如人類的語音的信息帶寬為300Hz-3400Hz,電視圖像信息帶寬為數(shù)MHz。為了充分利用頻率資源，通常都是盡量采用大體相當?shù)膸挼男盘杹韨鬏斝畔?。在無線電通信中射頻信號的帶寬與所傳信息的帶寬是相比擬的。如用調(diào)幅信號來傳送語音信息，其帶寬為語音信息帶寬的兩倍；電視廣播射頻信號帶寬也只是其視頻信號帶寬的一倍多。這些都屬于窄帶通信

一般的調(diào)頻信號，或脈沖編碼調(diào)制信號，它們的帶寬與信息帶寬之比也只有幾到十幾。擴展頻譜通信信號帶寬與信息帶寬之比則高達100到1000，屬于寬帶通信。4．1．2采用擴頻碼序列調(diào)制的方式來展寬信號頻譜我們知道，在時間上有限的信號，其頻譜是無限的。例如很窄的脈沖信號，其頻譜則很寬。信號的頻帶寬度與其持續(xù)時間近似成反比。l微秒的脈沖的帶寬約為1MHz。因此，如果用限窄的脈沖序列被所傳信息調(diào)制，則可產(chǎn)生很寬頻帶的信號。如下面介紹的直接序列擴頻系統(tǒng)就是采用這種方法獲得擴頻信號。這種很窄的脈沖碼序列，其碼速率是很高的，稱為擴頻碼序列。這里需要說明的一點是所采用的擴頻碼序列與所傳信息數(shù)據(jù)是無關(guān)的，也就是說它與一般的正弦載波信號一樣，絲毫不影響信息傳輸?shù)耐该餍?。擴頻碼序列僅僅起擴展信號頻譜的作用。4.正如在一般的窄帶通信中，已調(diào)信號在接收端都要進行解調(diào)來恢復(fù)所傳的信息。在擴頻通信中接收端則用與發(fā)送端相同的擴頻碼序列與收到的擴頻信號進行相關(guān)解調(diào)，恢復(fù)所傳的信息。換句話說，這種相關(guān)解調(diào)起到解擴的作用。即把擴展以后的信號又恢復(fù)成原來所傳的信息。這種在發(fā)送端把窄帶信息擴展成寬帶信號，而在接收端又將其解擴成窄帶信息的處理過程，會帶來一系列好處。弄清楚擴頻和解擴處理過程的機制，是理解擴頻通信本質(zhì)的關(guān)鍵所在。4.2擴頻通信的理論基礎(chǔ)香農(nóng)公式：對于加性高斯噪聲的連續(xù)信道，其信道容量C與信道傳輸帶寬B及信噪比S/N之間的關(guān)系為：說明：在保持最大的無誤信息傳輸速率（C）不變的條件下，信噪比和帶寬之間具有互換關(guān)系。即可用擴展信號頻譜作為代價，換取用很低信噪比傳信號。4.3擴頻技術(shù)的工作方式擴展頻譜的方式主要有直接序列擴頻(DS)，跳頻擴頻(FH)，跳時擴頻(TH)以及它們之間的混合擴頻。下面簡單介紹一下這幾種擴頻；直接序列(DS)擴譜：它通常用一段偽隨機序列（又稱為偽碼）表示一個信息碼元，對載波進行調(diào)制。偽碼的一個單元稱為一個碼片。由于碼片的速率遠高于信息碼元的速率，所以已調(diào)信號的頻譜得到擴展。跳頻(FH)擴譜：它使發(fā)射機的載頻在一個信息碼元的時間內(nèi)，按照預(yù)定的規(guī)律，離散地快速跳變，從而達到擴譜的目的。載頻跳變的規(guī)律一般也是由偽碼控制的。線性調(diào)頻載頻在一個信息碼元時間內(nèi)在一個寬的頻段中線性地變化，從而使信號帶寬得到擴展。由于此線性調(diào)頻信號若工作在低頻范圍，則它聽起來像鳥聲，故又稱“鳥聲”調(diào)制。下面以直接序列擴譜系統(tǒng)為例介紹偽隨機序列在擴頻通信中應(yīng)用的原理：用一組偽碼代表信息碼元去調(diào)制載波。最常用的是2PSK。這種信號的典型功率譜密度曲線示于下圖中。圖4.1直擴系統(tǒng)信號的典型功率譜密度曲線圖中所示主瓣帶寬（零點至零點）是偽碼時鐘速率Rc的兩倍。每個旁瓣的帶寬等于Rc。例如，若所用碼片的速率為5Mb/s，則主瓣帶寬將為10MHz，每個旁瓣寬為5MHz。圖4.2擴頻通信物理調(diào)制器簡化方框圖：先將兩路編碼序列模2相加，然后再去進行反相鍵控。圖4.3擴頻通信調(diào)制原理圖接收圖解：(a)(a)信碼；(b)偽碼序列；(c)發(fā)送序列；(d)發(fā)送載波相位；(e)混頻用本振相位；(f)中頻相位；(g)解調(diào)信號；(h)干擾信號相位；(i)混頻后干擾信號相位。圖4.4擴頻通信脈沖波形圖4．4擴頻技術(shù)的特點由于擴頻通信能大大擴展信號的頻譜，發(fā)射端用擴頻碼序列進行擴頻調(diào)制，以及在接收端用相關(guān)解調(diào)技術(shù)，使其具有許多窄帶通信難于替代的優(yōu)良性能，能在“軍轉(zhuǎn)民”后，迅速推廣到各種公用和專用通信網(wǎng)絡(luò)之中，主要有以下幾項特點：4．4．1易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率無線頻譜十分寶貴，雖然從長波到微波都得到了開發(fā)利用，仍然滿足不了社會的需求。在窄帶通信中，主要依靠波道劃分來防止信道之間發(fā)生干擾。為此，世界各國都設(shè)立了頻率管理機構(gòu)，用戶只能使用申請獲準的頻率。擴頻通信發(fā)送聲背景中，易于在同一地區(qū)重復(fù)使用同一頻率，也可與現(xiàn)今各種窄道通信共享同一頻率資源。4．4．2抗干擾性強，誤碼率低擴頻通信在空間傳輸時所占有的帶寬相對較寬，而接收端又采用相關(guān)檢測的辦法來解擴，使有用寬帶信息信號恢復(fù)成窄帶信號，而把非所需信號擴展成寬帶信號，然后通過窄帶濾波技術(shù)提取有用的信號。這樣，對于各種干擾信號，因其在接收端的非相關(guān)性，解擴后窄帶信號中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干擾性強。對于寬帶干擾和脈沖干擾在擴頻設(shè)備中如何被抑制的物理過程，可以用圖4.4和4.6加以說明。對于各種形式人為的(如電子對抗中)干擾或其他窄帶或?qū)拵?擴頻)系統(tǒng)的干擾，只要波形、時間和碼元稍有差異，解擴后仍然保持其寬帶性，而有用信號將被壓縮，如圖4.5所示：圖4.5擴頻系統(tǒng)抗寬帶干擾能力示意圖對于脈沖干擾，帶寬將被展寬到b，有用信號恢復(fù)(壓縮)后，保證高于干擾。見圖4.6所示擴頻系統(tǒng)這一優(yōu)良性能，誤碼率很低，正常條件下可低到，最差條件下約，完全能滿足國內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)對通道傳輸質(zhì)量的要求。圖4.6擴頻系統(tǒng)抗脈沖干擾能力示意圖4．4．3隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小由于擴頻信號在相對較寬的頻帶上被擴展了，單位頻帶內(nèi)的功率很小，信號湮沒在噪聲里，一般不容易被發(fā)現(xiàn)，而想進一步檢測信號的參數(shù)(如偽隨機編碼序列)就更加困難，因此它的隱蔽性好。再者，由于擴頻信號具有很低的功率譜密度，它對目前使用的各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小。4．4．4可以實現(xiàn)碼分多址擴頻通信提高了抗干擾性能，但付出了占用頻帶寬的代價。如果讓許多用戶共用這一寬頻帶，則可大為提高頻帶的利用率。由于在擴頻通信中存在擴頻碼序列的擴頻調(diào)制，充分利用各種不同碼型的擴頻碼序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，在接收端利用相關(guān)檢測技術(shù)進行解擴，則在分配給不同用戶碼型的情況下可以區(qū)分不同用戶的信號，提取出有用信號。這樣一來，在一寬頻帶上許多對用戶可以同時通話而互不干擾。4．4．5抗多徑干擾在無線通信的各個頻段，長期以來，多徑干擾始終是一個難以解決的問題。在以往的窄帶通信中，采用兩種方法來提高抗多徑干擾的能力：一是把最強的有用信號分離出來，排除其他路徑的干擾信號，即采用分集／接收技術(shù)；二是設(shè)法把不同路徑來的不同延遲、不同相位的信號在接收端從時域上對齊相加，合并成較強的有用信號，即采用梳狀濾波器的方法。這兩種技術(shù)在擴頻通信中都易于實現(xiàn)。利用擴頻碼的自相關(guān)特性，在接收端從多徑信號中提取和分離出最強的有用信號，或把多個路徑來的同一碼序列的波形相加合成，這相當于梳狀濾波器的作用。另外，采用頻率跳變擴頻調(diào)制方式的擴頻系統(tǒng)中，由于用多個頻率的信號傳送同一個信息，實際上起到了頻率分集的作用。4．4．6能精確地定時和測距我們知道電磁波在空間的傳播速度是固定不變的光速。人們自然會想到如果能夠精確測量電磁波在兩個物體之間傳播的時間，也就等于測量兩個物體之間的距離。在擴頻通信中如果擴展頻譜很寬，則意味著所采用的擴頻碼速率很高，每個碼片占用的時間就很短。當發(fā)射出去的擴頻信號在被測物體反射回來后，在接收端解調(diào)出擴頻碼序列，然后比較收發(fā)兩個碼序列相位之差，就可以精確測出擴頻信號往返的時間差，從而算出二者之間的距離。測量的精度決定于碼片的寬度，也就是擴展頻譜的寬度。碼片越窄，擴展的頻譜越寬、精度越高。4．4．7適合數(shù)字話音和據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務(wù)數(shù)擴頻通信一般都采用數(shù)字通信、碼分多址技術(shù)，適用于計算機網(wǎng)絡(luò)，適合于數(shù)據(jù)和圖象傳輸。4．4．8安裝簡便，易于維護擴頻通信設(shè)備是高度集成，采用了現(xiàn)代電子科技的尖端技術(shù)，因此，十分可靠、小巧，大量運用后成本低，安裝便捷，易于推廣應(yīng)用。基于以上這些特點，擴頻技術(shù)首先應(yīng)用于軍事通信，現(xiàn)在也開始民用和商用。衛(wèi)星通信(多址，抗干擾，便于保密，降低平均功率譜密度)；移動通信(多址，抗干擾，便于保密，抗多徑，提高頻譜利用率)；無線本地環(huán)路；GPS(選址，抗干擾，保密，測距)；測試儀，干擾儀測時延，無碼測試儀等。4．4．9主要缺點技術(shù)復(fù)雜，但是隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，集成工藝進步，使擴頻系統(tǒng)的實現(xiàn)變得簡單，只需對擴展技術(shù)有一般的了解就可以從事擴頻系統(tǒng)的設(shè)計工作。因此，擴頻技術(shù)在這些年發(fā)展非常迅速，由軍用到民用，商用，范圍很廣。參考文獻【1】肖國鎮(zhèn)，梁傳甲，王育民，偽隨機序列及其應(yīng)用，北京：國防工業(yè)出版社，1985．【2】張振濤，孫偉，楊義先，胡正名，李新，有限域上m序列與其采樣序列的互相關(guān)性，電子學(xué)報，V01．28：69．73，2000．【3】樊昌信，曹麗娜，通信原理（第六版），2010【4】牛忠霞，冉崇森，劉洛琨，楊育紅，薄云飛，現(xiàn)代通信系統(tǒng)；中國人民解放軍信息工程大學(xué)出版社，2008【5】徐楊斌，m序列生成結(jié)構(gòu)分析，測繪學(xué)院學(xué)報，2002，19(1)：19-21