通信系统中的抗干扰技术毕业论文.docx

通信系统中的抗干扰技术1. 引言11 通信系统中的主要干扰及抗干扰技术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。12 直序扩频系统的应用背景:直接序列扩频(DSSS Direct Sequence Spread Spectrum)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Hedy Lamarr 和钢琴家George Antheil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。信息信息扩 频射频调制射频发生器伪 码扩频解调本地伪码解调本地射频发生器图1-1 扩频通信工作原理由此可见，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。 13直序扩频系统的特点:   1.直序扩频通信系统的优点： 1）抗干扰性强抗干扰是扩频通信主要特性之一，比如信号扩频宽度为100倍，窄带干扰基本上不起作用，而宽带干扰的强度降低了100倍，如要保持原干扰强度，则需加大100倍总功率，这实质上是难以实现的。因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰，在不知道信号的扩频码的情况下，由于不同扩频编码之间的不同的相关性，干扰也不起作用。正因为扩频技术抗干扰性强，美国军方在海湾战争等处广泛采用扩频技术的无线网桥来连接分布在不同区域的计算机网络。   2）隐蔽性好因为信号在很宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低，信号淹没在白噪声之中，别人难以发现信号的存在，加之不知扩频编码，很难拾取有用信号，而极低的功率谱密度，也很少对于其他电讯设备构成干扰。    3）易于实现码分多址（CDMA）直扩通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，是否浪费了频段？其实正相反，扩频通信提高了频带的利用率。正是由于直扩通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码作相关解扩才能得到，这就给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性，分配给不同用户不同的扩频编码，就可以区别不同的用户的信号，众多用户，只要配对使用自己的扩频编码，就可以互不干扰地同时使用同一频率通信，从而实现了频率复用，使拥挤的频谱得到充分利用。发送者可用不同的扩频编码，分别向不同的接收者发送数据； 同样，接收者用不同的扩频编码，就可以收到不同的发送者送来的数据，实现了多址通信，提高了频谱利用率。另外，扩频码分多址还易于解决随时增加新用户的问题。4）抗多径干扰无线通信中抗多径（发射的信号经多条不同路径传播）干扰一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性，在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。5）直扩通信速率高直扩通信速率可达 2M，8M，11M，无须申请频率资源，建网简单，网络性能好。6）有很强的保密性能。对于直扩系统而言，射频带宽很宽，谱密度很低，甚至淹没在噪音中，就很难检查到信号的存在。由于直扩信号的频谱密度很低，直扩系统对其它系统的影响就很小。 2.直扩通信系统的不足：直扩系统除了一般通信系统所要求的同步以外，还必须完成伪随机码的同步，以便接受机用此同步后的伪随机码去对接受信号进行相关解扩。直扩系统随着伪随机码字的加长，要求的同步精度也就高，因而同步时间就长。1.4 直扩系统的发展由于它的抗噪声的特性，直接序列扩频技术非常适合商业应用。在容许无线设备公开使用的电磁环境里，它对其他传统微波设备造成最小的干扰，同时对附近其他设备有更高的抗扰性。上世纪80年代末，晶体电子技术的先进程度已经足以提供商用的、成本效益好的直接序列扩频系统。现在直扩技术被广泛应用于包括计算机无线网等许多领域。扩频技术在发展的初始阶段，就已经实现了理论和技术上的重大突破，在此后的发展过程中主要是硬件的改善和性能的提高。随着移动通信的迅猛发展，目前3G系统由研制开发逐步进入商用并且向第四代无线多媒体通信飞速发展。根据ITU的标准，世界各大电信公司联盟均提出了自己的第三代移动通信系统方案，虽然第三代移动通信系统的标准差异很大，但采用码分多址技术已经达成共识。直扩码分多址，由于具备通信容量大、能充分利用话音的统计特性、平滑的越区切换、通信容量的软特性等优点被作为未来移动通信中最具竞争力、最有前景的无线多址接入技术。无线扩频通信作为另一种有效的补充通信手段,已在金融系统得到了越来越广泛的应用。发展到现在，扩频技术理论和技术都已趋于完善，主要应从系统的角度考虑总体性能，且与其它新技术结合应用。因此，应用的驱动一直是扩频技术发展的强大动力，未来的无线通信系统，如移动通信、无线局域网、全球个人通信等，扩频技术必将发挥重要作用。随着科技的发展，扩频技术必将获得更加广阔的应用空间。2 直接序列扩频通信技术2.1直接序列扩频的概念及理论基础2.1.1 直接序列扩频的概念所谓直接序列(DS：Direct Sequence)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。2.1.2 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。2.1.3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。2.2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图2-1 直扩通信系统的组成框图信息信码m(t)BPSK调制载波PN 码扩频解调本地PN码BPSK解调本地载波（3）（4）载波0 1 11 1 1 10101（1）信码m（t）（2）伪码p（t）（5）PSK已调波（7）相位（6）相位（9）解调输出（8）中频调相图2-2 直扩通信系统的主要相位或波形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 （29）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 （210）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 （211）式中， （212）因此，经过扩频和相位调制后的信号为 （213）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。相关器完成相干解调和解扩。接收机中的本振信号频率与载波相差为一个固定的中频。假定收端的伪码（PN）与发端的PN码相同。接收端本地调相情况与发端相似，这里的调制信号是p（t），即调相器输出信号的相位仅取决于p（t），当p（t）=1时，的相位为；当p（t）=0时，的相位为0。信号的相位如图2-2中（7）所示。相关器的作用在这里可等效为对输入相关器的、相位进行模2加。对二元制的0、而言，同号模2加为0，异号模2加为。因此相关器的输出的中频相位如图2-2中的（8）所示。然后通过中频滤波器。滤除不相关的各种干扰，经解调恢复出原始信息。这一过程说明了直扩系统的基本原理和它是怎样通过对信号进行扩频与解扩处理从而获得提高输出信噪比的好处的。它体现了直扩系统的抗干扰能力。2.3  直扩系统的性能2.3.1 直扩系统的抗干扰性 直扩系统最早应用是在军事通信中作为很强抗干扰性的通信手段。直扩系统对窄带干扰、宽带干扰等，都具有抗干扰能力，其抗干扰能力大小就是前面提出的扩频处理增益，越大，抗干扰能力就越强。下面就来分析直扩系统抗宽带干扰和抗窄带干扰的原理图2-3为直扩系统抗宽带干扰的示意图。这里的宽带干扰是泛指的与扩频信号不相关的，在CDMA通信网中，其它用户的信号就是一种宽带干扰。相关处理前，信号频谱是很宽的，经相关处理后，有用信息被解扩，其功率谱集中于信息带宽内，而宽带干扰通过相关器，其功率谱密度基本不变。由于解扩后必然连接窄带滤波器，保证信号能顺利通过，对信号频带之外的各种干扰起到很大的抑制作用，从而提高了输出的信噪比。解扩后的有用信号信息带宽BA有用信号干扰电平白限热噪声电平功率频谱干扰信号 图2-3 直扩系统抗宽带干扰的示意图（a）接收机输入的信号及干扰的功率谱 （b）相关器输出的信号及干扰的功率谱对单频或窄带干扰，直扩系统有很强的抗干扰能力。图2-4（a）为解扩前的功率谱，窄带干扰功率很大，由于干扰与本地扩频码（PN码）是不相关的。对干扰来说，相关器起到扩展频谱的目的，功率谱密度就大大下降，其中对信号有害的干扰分量只有落入信息带宽部分，从而抑制了大部分干扰。由于有用信号能顺利通过窄带滤波器，因此提高了输出的信噪比。A A解扩后的有用信号干扰被扩展频谱有用信号窄带干扰信号 （a）未解扩的功率谱（b）解扩后的功率谱图2-4 直扩系统抗窄带干扰示意图2.3.2 直扩信号的抗截获性 截获敌方信号的目的在于： 1.  发现敌方信号的存在， 2.  确定敌方信号的频率， 3. 确定敌方发射机的方向。     理论分析表明，信号的检测概率与信号能量与噪声功率谱密度之比成正比，与信号的频带宽度成反比。直扩信号正好具有这两方面的优势，它的功率谱密度很低，单位时间内的能量就很小，同时它的频带很宽。因此，它具有很强的抗截获性。 如果满足直扩信号在接收机输入端的功率低于或与外来噪声及接收机本身的热噪声功率相比拟的条件、则一般接收机发现不了直扩信号的存在。另外，由于直扩信号的宽频带特性，截获时需要在很宽的频率范围进行搜索和监测，也是困难之一。因此，直扩信号可以用来进行隐藏通信。至于如何发现敌方直扩信号的存在，和弄清楚其参数，即直扩信号的检测与估值问题。2.3.3 直扩码分多址通信系统 多址通信系统指的是许多用户组成的一个通信网，网中任何两个用户都可以通信，而且许多对用户同时通信时互不不扰。应用直扩系统就很容易组成这样一个多址通信系统(网)。具体的做法是给每一个用户分配一个PN码作为地址码。首先，利用直扩信号中PN码的相关特性来区分不同的用户，每个用户只能收到其他用户按其地址码发来的信号，此时自相关特性出现峰值，可以判别出是有用信号。对于其他用户发来的别的信号，因PN码不同时互相关值很小，不会被解扩出来。其次，利用直扩信号中频谱扩展，功率谱密度很低的特性，可以有许多用户共用同一宽频带。此时相互之间干扰很小，可以当作噪声处理。另外，每个用户占用的频宽很窄，相对说来，频谱利用率也是高的。实现直扩码分多址通信值得注意的问题有： 1. 是要选择有优良互相关特性的码。 一般多采用有二值或三值相关特性的码作为地址码。同时还需要有一定的数量。Gold码就可以作为地址码来用，它既有较优良的相关特性，也有足够的数量可供选。 2. 是要注意克服“远近”问题。 所谓“远一近”问题指的是距离近的用户的信号强，它会干扰距离远的弱信号的接收。解决的办法是采用自动功率控制，自动调节各用户的发射功率，使达到接收机时各用户信号功率基本相等，也就是满足接收机输入端等功率的条件，才能正确地区分有用信号。 3. 是同时通话的用户数，决定于整个网内的噪声水平。 因此，直扩码分多址系统是一种噪声受限的系统。随着用户数的增加，通信质量逐渐变坏。 2.3.4 直扩系统的抗多径干扰性能 多径信道就是发射机和接收机之间电波传播的路径不止一条。例如由于大气层的反射和折射，以及由于建筑物等对电波的反射都是形成多径信道的原因。不同的传播路径使电波在幅度上衰减不同，到达时间的延迟也不同。直扩系统能够同步锁定在最强的直达路径的电波上。其它有延迟到达的电波，由于相关解扩的作用，只起到噪声干扰的作用。这就是利用PN码的自相关特性，只要延迟超过半个PN码时片，其相关值就很小，可作为噪声来对待。另外，如果采用不同时延的匹配滤波器，把多径信号分离出来，还可以变害为利，将这些多径信号在相位上对齐相加，起到增加接收信号能量的作用。因此，直扩系统是一种有效的抗多径干扰的通信系统。2.3.5 直扩测距定时系统 直扩系统的发展是从测距开始的。电磁波在空间是以固定的光速传播的。如果测定了电波传播的时间，也就测定了距离。用直扩信号来测取和定时有独特的优点。当采用一个较长周期的PN码序列作为发射信号、用它于目的地反射回来或转发回来的PN码序列的相位进行比较，即比较两个码序列相差的时片数，就可以看出其时间差，也就能换算出发射机与目的地之间的距离。不难把码片选得很窄，即码的钟速率很高，则可以高精度的测距与定时，基本的分辨率即一个码片。此外，有了精确的测距的定时系统，不难形成一个精确的定位系统；按照简单的几何关系，已知两个点的位置(座标)和距离，及其在某一平面上分别与第三点的距离，也就能确定第三点的座标位置。 2.4扩频序列通信系统的同步原理任何数字通信系统都是离散信号的传输，要求收发两端信号在频率上相同和相位上一致，才能正确地解调出信息。扩频通信系统也不例外。一个相干扩频数字通信系统，接收端与发送端必须实现信息码元同步、PN码码元和序列同步和射频载频同步。只有实现了这些同步，直扩系统才能正常的工作。可以说没有同步就没有扩频通信系统。同步系统是扩频通信的关键技术。信息码元时钟可以和PN码元时钟联系起来，有固定的关系，一个实现了同步，另一个自然也就同步了。对于载频同步来说，主要是针对相干解调的相位同步而言。常见的载频提取和跟踪的方法都可采用，例如用跟踪锁相环来实现载频同步。因此，这里我们只需讨论PN码码元和序列的同步。 一般说来，在发射机和接收机中采用精确的频率源，可以去掉大部分频率和相位的不确定性。但引起不确定性的因素有以下一些：1. 收发信机的距离引起传播的延迟产生的相位差; 2. 收发信机相对不稳定性引起的频差; 3. 收发信机相对运动引起的多普勒频移； 4. 以及多径传播也会影响中心频率的改变。因此，只靠提高频率源的稳定度是不够的，需要采取进一步提高同步速率和精度的方法。 同步系统的作用就是要实现本地产生的PN码与接收到的信号中的PN码同步，即频率上相同，相位上一致。同步过程一般说来包含两个阶段： 1. 接收机在一开始并不知道对方是否发送了信号，因此，需要有一个搜捕过程，即在一定的频率和时间范围内搜索和捕获用信号。这一阶段也称为起始同步或粗同步，也就是要把对方发来的信号与本地信号在相位之差纳入同步保持范围内，即在PN码一个时片内。 2. 一旦完成这一阶段后，则进入跟踪过程，即继续保持同步，不因外界影响而失去同步。也就是说，无论由于何种因素两端的频率和相位发生偏移，同步系统能加以调整，使收发信号仍然保持同步。如果由于采种原因引起失步，则重新开始新的一轮搜捕和跟踪过程。因此，整个同步过程是包含搜捕和跟踪两个阶段闭环的自动控制和调整过程。接收信号图2-5同步系统搜捕和跟踪原理图输出出宽带滤波器码跟踪器PN码发生器压控钟源搜捕器件解调器图4-5为同步系统搜捕和跟踪原理图，图中接收到的信号经宽带滤波器后，在乘法器中与本地PN码进行相关运算。此时搜捕器件，调整压控钟源，调整PN码发生器产生的本地脉序列伪重复频率和相位，以搜捕有用信号。一旦捕获到有用信号后，则起动跟踪器件，由其调整压控钟源，使本地PN码发生器与外来信号保持同步【参考文献】01 张葛祥，李娜 MATLAB仿真技术与应用北京：清华大学出版社，200302 钟麟，王峰MATLAB仿真技术与应用教程北京：国防工业出版社，200403 Rodger EZiemer，Roger LP eterson 数字通信基础北京：机械工业出版社，200504 邬国扬，孙献璞蜂窝通信西安：西安电子科技大学出版社，200205 John GProakis等 数字通信 北京：电子工业出版社，200206 张辉，曹丽娜现代通信原理与技术西安：西安电子科技大学出版社，200207 袁超伟，陈德荣，冯志勇CDMA蜂窝移动通信北京：北京邮电大学出版社，200308 方旭明 新编专业英语四川：西南交通大学出版社，200209樊昌信, 等通信原理北京:国防工业出版社,199810 朱华，黄辉宁，李永庆，梅文博随机信号分析北京：北京理工大学出版社，200511 曹志刚, 钱亚生. 现代通信原理北京:清华大学出版社，1992.12 刘 敏, 魏 玲. MATLAB 通信仿真与应用.北京：国防工业出版社, 2001.13胡健栋, 郑朝辉, 龙必起,等. 码分多址与个人通信. 北京: 人民邮电出版社, 1996.14 常义林，任志纯 .通信工程专业英语.西安：西安电子科技大学出版社，2004.15 王立宁, 等. MATLAB 与通信仿真.北京:人民邮电出版社2000.