扩频通信技术及其应用

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３．２ ｍ序列的相关函数 对于周期性二进制序列｛ａＴＩ｝ ｆｂｎ｝，如两个周期均为ｐ，则其互相关函数为
Ｒ（炉∑％吒一，
互相关系数为：
∞产刍酗６ｎ一
对于由ｌ和Ｏ构成的两个 进制序列，其相关函数
Ｒ（ｔ）＝Ａ—Ｄ
相关系数：ｐ（ｏ＝＝（Ａ—ＤＭＡ＋Ｄ）：：（Ａ—Ｄｙｐ 上式中的Ａ表示两序列对应元素相同的个数；Ｄ表示两序列对应元素不同的个数：ｐ表 示相关元素总数，即口＝Ａ＋Ｄ。 当｛ａｎ｝＝｛ｂｌ－｝时，即它们各项相等，则自相关函数
抗多径干扰、保密性好、对其他系统千扰小、可以实现码分多址等，于是扩频通信技术在移
动通信、卫星通信、微波通信和无线接入等领域得到了飞速发展。
１．１、抗干扰能力强
由于扩频通信利用扩展频谱技术，在接收端对干扰信号频谱能量加以扩散，对有用信号
频谱能量压缩集中，因此在输出端就得到了信噪比的增益。扩频通信系统扩展的频谱越宽， 处理增益越高，抗干扰性能越强。
此外．对于单频及多频载波信号的干扰、其它伪随机调制信号的千扰，以及脉冲正弦信
号的干扰等，扩频系统都有抑制干扰提高信噪比的作用。特别是对抗敌方人为干扰方面，效
果很突出。简单地说，如果信号频带扩展１０倍，干扰方面需要在更宽的频带上去进行干扰，
分散了干扰功率。在总功率不变的条件下，其干扰强度只有原来的ｌ，１０。而要保持原有的干 扰强度．则必需加大１０倍的功率，这在实际条件下，有时是难以实现的。
（１）系统占有的频带宽度远远大于要传输的原始信号带宽（或信息比特速率）。且系统
占有带宽与原始信号带宽（或比特速率）无关。 （２）解调过程是由接收信号和一个与发端扩频码同步的信号进行相Байду номын сангаас处理来完成的。
即扩频通信是将传送的信息数据用伪随机码ａＰＮ码）调制，实现频谱扩展后再传输：接收 端则采用同样的ＰＮ码进行相关处理及解调．恢复原始信息数据。
４、扩频通信技术的应用
扩频通信系统由于具有抗干扰性强、截获率低、码分多址、信号隐蔽、保密、测距和易 于组网等许多独特的优点，又随着超大规模集成电路的发展、微处理机的应用，使得扩频通 信技术广泛应用于通信、导航、雷达，定位、测距、跟踪、遥控、航天、电子对抗，测试系 统及移动通信等各个领域。
扩频通信之所以能在军用和民用中得到迅速发展，其主要原因是扩频信号有利于提高频 谱利用率和实现码分多址。在移动通信中，ＦＤＭＡ、ＴＤＭＡ容易受带宽限制，ｃＤＭＡ受干扰 限制。在扩频通信中是以付出占用频带宽的代价，来提高抗干扰性能。如果让许多用户共用 这一频带，则可大大提高频带利用率。由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分 利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检 测技术进行解扩，则在分配给不同用户不同码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出 有用信号。这样，在一宽频带上许多对用户可以同时通话。它与利用频带分割或时间分割的 方法实现多址通信的概念类似，即利用不同的码型进行分割，称为扩频ｃＤＭＡ。这种扩频 ＣＤＭＡ方式，虽然要占用较宽的频带，但按平均到每个用户占用的频带来计算，其频带利用 率是很高的。除此之外，采用扩频ｃＤＭＡ，还有利于组网、进行选呼、增加保密性和解决新 用户随机入网等问题。
设Ｂ。代表系统占有带宽（信号带宽）．Ｂｍ代表原始信号带宽（信息带宽），则通常认
Ｒ
Ｒ
Ｒ
为：｛｝＝ｌ～２，为窄带通信；专。＝５０以上，为宽带通信；而÷＝１００以上，才为扩频通
ａｍ
且ｍ
岿＿
信。显然扩频通信属于宽带通信，其系统带宽一般为信息带宽的１００～１０００倍。
由于扩频通信系统具有上述两大特点，使得扩频通信有许多优良特性，如抗干扰性强、
ｌｏ “ｏ＝＝乙％口一
，肛ｌ
ｍ序列与其移位序列的模２和序列仍是～个ｍ序列．而ｒ级移位寄存器总共有２’个可能 的不同状态，这２７个不同的状态中包括了所有由ｆ个元素构成的不同组合，其中Ｏ和ｌ等可 能出现，所以在这２’个状态序列中Ｉ和０各占一半，等于２，－１。由于全０状态不允许出现， 那么在一个周期中Ｏ比１少出现一次．即１的个数Ｄ一２’１，Ｏ的个数Ａ＝２，－１．１，周期Ｄ＝２ ７．１。
因此，ｍ序列的自相关函数为
ｐ忙
ｌ
一一
ｔ≠Ｏ
ｐ
可见ｍ序列的自相关函数只有两种不同的取值．具有尖锐特性，功率谱占据很宽的频 带，于是易于从其它信号或干扰中分离出来，在扩频通信中存在伪随机码序列的扩频调制， 充分利用各种不同码型的伪随机码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用 相关检测技术进行解扩，提取出有用信号。至于其它的伪随机码与ｍ序列类似，在此不再多 述。
生，而数字控制振荡器可产生这样的信号，在２０Ⅲｚ带宽内跣频速率高达１Ｍ跳／ｓ；最后一
个限制为应用，即究竟能有多少用户重叠在同一频带上。通过分配频带或制定法规来提高频 带利用率。无论如何，扩频通信系统将会在克服这些限制的过程中不断向前发展。为人类做 出更大贡献。
参考文献 ［１］Ａ·Ｊ·维特比著、李世鹤等译，ＣＤ＾ｌＡ扩频通信原理，人民出版社，１９９７年１月 ［２］王秉钧等，扩频通信，天津大学出版社，１９９３年８月 ［３］孙立新等编著，ｃＤＭＡ移动通信技术，人民邮电出版社，１９９６年５月
作者简介：
朱诗兵男，讲师：刘伟男，讲师． 北京怀柔３３８０信箱７３号，１０１４１６
６６３５５３２９’５６１４（５６１３）
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扩频通信技术及其应用
朱诗兵刘伟 （北京怀柔３３８０信箱７ ３号，１ ０１４１６）
摘要：本文在介绍扩频通信的概念和特点后，对扩频通信系统的基本原理、系统模型、 关键技术及应用作了阐述。
关键词：扩频通信带宽伪随机码自相关函数
１、扩频通信的概念和特点
所谓扩频通信，是指用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身带宽的一种通信方式。 扩频通信系统具有两大特点：
另外，在跳频通信系统中。由于用多个频率的信号传送同一信息．实际上还起到了频率 分集的作用。在目前民用数字蜂窝移动通信及部分军用通信设备中，经常采用简单的跳频技 术作为抗多径干扰的一种手段。
１＿３、保密性好 扩频通信系统可以在很低的功率谱密度条件下很好地工作，甚至信号电平在一定噪声的 “淹没”下也能进行通信．同时系统又采用了难以破译的伪随机码，因此系统具有很强的隐 蔽性和保密性。 １．４、对其他系统的干扰小 扩频通信系统不仅不易受到同频的其他系统干扰，而且对其他系统造成的干扰也小。对 于其他系统而言，它只相当于一个电平非常低的白“噪声”，甚至还远低于外界噪声。
越大。
显然，使用不同的伪随机编码可以实现多址通信。
３、伪随机码 由图１可以看出，伪随机码发生器是构成扩频通信系统不可缺少的重要组成部分。伪随
机码具有类似白噪声的性质，随机变化，但又是周期的、有规律的．可以人为地加以产生和 复制。通常由二进制移位寄存器来产生。伪随机码的相关函数具有尖锐特性，功率谱占据很
图ｌ所示为扩频通信系统的基本组成框图即系统模型。这里发端简化为调制和扩频．收 端简化为解扩和解调。收、发两端还有两个完全相同的伪随机码（ＰＮ）发生器。
从图１可以看出，扩频通信是指系统将所传输信号（Ｄ）用一个带宽远远大于信号带宽
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（Ｂ。）的高速伪随机（ＰＮ码）进行调制，形成带宽很宽的低功率谱密度信号（Ｂ。），再经载 波调制后送入信道。在接收端，首先用发端完全相同的伪随机码与接收的宽带信号作相关处 理，把宽带信号解扩为原始数据信息。如果接收的信号除有用信号外，还有一个功率很强的 窄带干扰信号，则在扩频调制过程中，其频谱被展开．干扰信号谱密度大大降低，经窄带滤 波器后，干扰信号功率大为减弱。扩频信号带宽和窄带滤波器带宽之比越大，输出信噪比也
２、扩频通信原理和系统模型 信息论的基本公式之一ｓｈａｍ∞ｎ公式Ｃ＝Ｂｌｏ星文ｌ十ｓ，Ｎ），给出了信息的极限传输速率Ｃ（信
道容量）。它是扩频通信的理论基础，从ｓｈ枷ｏｎ公式可以看出，对于一定的信道容量ｃ来
说，对带宽Ｂ、传输时间Ｔ和信噪功率比ｓ，Ｎ的要求可以互相转换。若信道带宽增加，可以 换取对信号噪声功率比要求的降低，反之亦然；如果信号噪声功率比不变，那么信道带宽的 增加可以换取传输时间的节省等。带宽与信噪功率比的互换过程不是自动的，必须变换信号 使之具有所要求的带宽。扩频通信就是将原始信号的频谱扩展１００～１０００倍，然后再进行传 输，提高了通信的抗干扰能力，使之在强干扰的情况下保持可靠的通信。扩频方式主要有直 接序列方式、跳频方式和两者的混合方式。不同方式构成了不同的扩频通信系统。
宽的频带，于是易于从其它信号或干扰中分离出来，具有良好的抗干扰特性。
现就扩频通信系统中常用的伪随机码ｍ序列进行讨论（ｍ序列是研究和构造其它一些序 列的基础），
３．１ ｍ序列的定义及产生ｍ序列的充要条件 ｍ序列是最简单、最易实现的～种周期性伪随机序列，是“最长线性反馈移位寄存器序 列”的简称，其具体定义如下： 如果ｒ级线性移位寄存器输出序列的周期是ｐ＝２７．１，则该序列称为ｍ序列。 现设Ｆ（ｘ）为伪随机序列发生器的特征多项式。特征多项式是指ｒ级移位寄存器的连接多 项式，它完全是由系统的反馈结构决定的。 如果Ｆ（ｘ）满足下面条件，则一定能输出ｍ序列。 （１）Ｆ（ｘ）是不可约的： （２）Ｆ（ｘ）能整除ｘ’＋Ｉ，ｐ＝２ ７—１； （３）Ｆ（ｘ）不能整除ｘ４＋１， （ｑ＜ｐ）。
另外，由丁在接收端采用了伪随机码序列进行相关检测，即使采用同类型信号进行干扰，
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如果不能检测出有用信号的码序列，由于不同码序列之间不同的相关性，干扰也起不了太大 作用。抗干扰性能强是扩频通信最突出的优点。
ｌ ２、抗多径干扰能力强 多径干扰同加性噪声、干扰不一样，它是发射信号在传播过程中，遇到各种反射体（如电 离层、对流层、高山、高大建筑物或建筑群等）引起反射或折射，形成对直接到达接收机的发 射信号的干扰。由于反射或折射是多方向、多途径、与直接到达接收机的发射信号完全相关 的，会使接收机的接收信号产生严重的失真、波形展宽、波形重叠和畸变，造成通信系统解 调器输出出现大量差错，以至不能正常通信。利用伪随机码序列之间的相关特性，在接收端 用相关技术从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或把多个路径来的同一码序列的波 形相加合成。可见常规通信技术难以对付的多径干扰，采用扩频通信技术却能得到圆满的解 决。