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1、四川师范大学成都学院本科毕业设计扩频通信系统抗干扰分析前言随着社会的不断进步和发展，21世纪已经成为了一个信息技术和生物技术蓬勃发展的世纪。在如今这个科技含量高的信息时代，通信是必不可少，人类的历史和发展都离不开通信，对于以前来说传递消息可能不是很方便，但是随着电子产品和网络的出现，似乎不存在通信难的问题，当然在通信这一行业或者说这一技术领域所蕴含的知识和技术更是广泛。为了保证通信的质量和信息传送安全，通信中的抗干扰能力尤为重要，良好的通信系统一定具有很好的抗干扰能力。干扰和抗干扰一直存在着竞争，他们之间是不可调和的，一个系统的优劣只有通过无数次的调试才能得出结论。直序扩频（DSSS）和跳频扩
2、频（FHSS）是目前使用最广泛、最典型的了两种扩频工作方式。扩频抗干扰通信作为信息时代三大高技术通信传输方式的一种， 它是一种信息传输方式，在信号传输的过程中其信号占有的频带宽度远远大于所传信息所必需的最小带宽，频带的发送展宽是通过编码和调制的方法来实现的，频带的宽度与所传的信息数据无关，在接受数据的接收端则通过采用与发送端相同的方式进行相关解调技术，并恢复出所传送的信息数据，因而提高了系统的抗干扰能力。随着超大规模集成电路技术和微电子技术等新型高科技技术的进一步发展，扩频技术在军事通信和名用通信中都得到了日益广泛的应用，主要是因为扩频抗干扰通信技术具有抗干扰能力强、隐蔽性好、多址能力强、误码
3、率低、易于实现保密通信以及可以随机接入、任意选址的优点。1 扩频通信系统的理论基础1.1 扩频通信技术的基本概念通信理论和通信技术主要是围绕着通信系统的有效性和可靠性进行研究，通信系统的有效性和可靠性是评价和衡量一个通信系统的主要性能指标。通信系统的有效性是指通信系统传输信息的效率的高低。因此为了提高系统的有效性我们必须采用最合理、最经济、最简单的方式传输尽可能多的数据和信息。对于模拟通信系统，是通过多路复用技术来提高系统的有效性，因此，当信道复用的程度越高时系统传输信息的有效性也就越好。而在数字通信系统中，是通过传输速率来衡量传输有效性的。通信系统的可靠性是指通信系统传输系统传输的信息的正确
4、度，及接收到的信息与发送的信息是否相同。因此一个通信系统的可靠性取决于该系统的抗干扰能力。模拟通信系统的可靠性是通过整个系统的输出信噪比来衡量的，数字通信系统的可靠性是通过信息传输的差错率来描述的。描述信号一般都是以时域来表示，而频谱是信号的频域描述，我们可以将信号的时域形式和频域形式通过傅里叶进行转化，频域和时域的关系由式（1.1-1）和（1.1-2）确定：F(jw)=e-jwtdt （1.1-1）f(t)=2ejwtdw （1.1-2）函数f(t)的傅里叶变换存在需要满足狄里赫莱（Dirichlet）条件，及函数f(t)在区间（-，+）内满足绝对可积。扩频通信系统是指当信号输入时通过某个特
5、定的扩频函数将其扩展成宽频带信号，然后再将其送入信道中传输，并在接收端通过相应的技术或者手段将接收到的扩展了的信号频谱进行压缩，从而恢复出原来的输入信号。扩展后的射频信号的频谱是原始信号频谱的几百倍甚至能达到几万倍，因而此时决定射频信号带宽的重要因素已不再是信息，而主要是由扩频函数来决定。扩频通信系统具有以下两个特性，即扩频通信系统的两大准则：信号在传输过程中，它的带宽远远大于传输前的原始信号的带宽；射频信号的带宽主要是由扩频函数决定，且次扩频函数通常是伪随机编码信号，也就是伪噪声编码信号。1.2 扩频通信系统的理论依据信息理论中香农公式（CEShannon）扩频通信的理论依据，即式（1.2-
6、1）：C=Blog2(1+S/N) （1.2-1）式中：C信道容量 b/s B信道带宽 Hz S信号功率 W N噪声功率 W从式中可以看出一个信道无差错传输信号的能力同存在于信道中的信噪比（S/N）和用于传输信息的信道带宽(B)之间的关系：当用于传输信息的信道带宽(B)不变时，信道的信噪比（S/N）越大，系统的信息无差错传输能力越好；当信道中的信噪比（S/N）保持不变时，用与传输的信道带宽(B)越宽，系统的信息无差错传输能力越好。令C是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，对式（1.2-1）进行变换得：C/B=1.44ln(1+S/N) （1.2-2） 当S/N1时为干扰环境下的典型情况，即无
7、干扰，用幂级数展开式（1.2-2），并将高次项略去得：C/B=1.44(S/N) （1.2-3）或 B=0.7*C*(N/S) （1.2-3）因而由式（1.2-2）和（1.2-3）可以看出，当信道的噪声信号功率比N/S给定时，只要增加用于传输信息的带宽B，就可以增加在信道中无差错传输信息的速率C；或者当信道中的噪声功率比N/S下降时，要想保持信道容量C不变，就可以增加系统的传输带宽B。当系统的信号噪声功率比S/N给定时，也可以通过增大系统的传输带宽来获得较低的信息差错率。由此可以说明，即使在低的信噪比的情况下，甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信道带宽B，通信系统任然可以保持可靠的通
8、信。例如，假设系统工作的信道的噪声比信号大100倍，信息速率R=C=3kb/s，则只要将信道带宽B增加到210KHz，系统照样可以可靠的传输。扩频通信抗干扰系统也正是利用这一原理，通过高速率的扩频码来扩展待传输信息信号带宽的手段提高系统的抗干扰能力。在扩频通信系统中，就是将传输信息的信息带宽B扩大为常规通信系统信息带宽B的几百倍乃至几万倍，从而保证同性系统在相同信息传输速率和相同信号功率的条件下具有较强的抗干扰的能力。1.3 扩频系统抗干扰能力的理论分析 扩频通信系统从根本上克服了传统通信体制易受干扰的缺陷，同时，它也是每个国家一直以来都努力奋斗的目标，但是扩频通信系统实现的技术难度较大，制作
9、工艺也很复杂，直到声表面波（SAW）器件和专用集成电路（ASIC）等新型器件的研制成功才标志着扩频通信进入了迅速发展的阶段。扩频通信被分为经典扩频系统和现代扩频通信系统，假设需要传输的信号（未扩频前）为Sd(t)，信号持续的时长为T，信号的带宽为BD，发射出去的扩频后的信号为Ss(t)，以下为他们的解扩原理：经典扩频系统的解扩原理扩频通信系统的理论比较成熟，它的解扩处理采用的是相关器。系统在获得扩频增益后对信号进行相干或者非相干解调，以此来完成信号的相关接受。系统的数学模型如下图：相关器窄带滤波器+直扩信号系统噪声本地参考信号干扰图1.3-1 经典扩频通信系统的数学模型经典解扩系统的解扩处理和
10、扩频处理是两个互逆的过程。系统接收到的输入信号是扩频信号Ss(t)，信号的带宽为Bs。系统中的窄带滤波器的输出信号为未扩频前的有用信号Sd(t)，它的带带宽为BD。经典解扩系统在工作中是建立在系统同步的基础上的。系统同步包括伪随机码同步、位同步、帧同步、载波同步等，而扩频系统不同于未扩频系统而独有的同步问题是伪随机码同步，伪随机码同步实现起来比较复杂，技术要求高，很难实现。但是，在现代扩频通信系统中，信号捕获和同步实现的时间较短，实时性的要求也很高，因此现在精短解扩系统已经很难满足通信的要求。现代扩频系统的解扩原理现代扩频系统与经典扩频系统相比，它更能满足现代通信的要求，但是，现代通信系统实质
11、上也是建立在经典扩频通信的基础之上的。下图为现代解扩系统模型：匹配滤波器+直扩信号系统噪声干扰图1.3-2 现代扩频系统的数学模型现代解扩系统是采用SAW抽头延迟线作为中频匹配滤波器，或者采用ASIC作为基带匹配滤波器，这种方法有两个优点，一个是能够一次性完成扩频信号的解扩和解调处理，另一个是能够大大的简化系统的同步。现代通信解扩处理是对扩频信号Ss(t)进行匹配滤波，而不像经典解扩系统是对扩频处理的逆运算。可以将本地伪随机码事先植入匹配的滤波器中，保持等待状态，当进入系统的信号与之匹配时，系统就会输出相关的峰值，以此来表示接收到了的相应的传输信号。匹配滤波器在进行解扩的过程中不需要其他的部件
12、对其提供同步的伪随机码，匹配滤波器可以在完成解扩处理后继续实现信号的相干解调。而在实际应用中，这两个匹配器可以而且也应该合二为一协调使用，意思就是说由一个滤波器一次性完成信号的解扩和解调功能，因为解扩和调制采用的都是同一个判决准则，即最大输出信噪比准则。因此，经典扩频系统很难解决伪随机序列的同步问题，在抗干扰的能力方面有所欠缺。现代扩频系统具有自同步的能力，并且在捕获同步电路上设计较简单，很容易实现，它的匹配滤波器的时间带宽很大，处理信号的能力也较强，又能够一次性完成解扩和解调的功能，所以，现代扩频系统更加适合于突发扩频信号的处理，有利于提高通信系统的抗干扰能力。2 扩频通信系统的分类如何在发
13、射机部分产生带宽的扩频信号以及如何在接收端实现解调扩频信号时扩频抗干扰通信系统的关键问题，因此，可以根据通信系统产生扩频信号的方式将扩频通信系统分为直接序列扩展频谱系统、跳频扩频通信系统、跳时扩频通信系统、线性脉冲跳频系统、混合扩展频谱通信系统。2.1 直接序列扩展频谱系统2.1.1 直接序列扩展频谱系统的概念直接序列扩展频谱系统（Direct Sequece Spread Spectrum Communication Systems，DS-SS），也被称为直接序列系统或直扩系统。它是一种具有高安全性高抗扰性的无线序列信号传输方式。直接序列扩展频谱系统主要是利用高速率的扩频序列来扩展信号的频谱
14、，并进行发射、传输和接收，此系统利用伪噪声序列在发送端对载波进行调制，被传输的原始信息经过信道编码后与伪噪声序列生成复合码进行调制载波。2.1.2 直接序列扩展频谱系统的工作原理接收机在接收到发送端发送来的发射信号后，首先利用伪码同步电路来捕获接收到的伪码的精确相位，同时产生和发送端伪码相位完全相同的伪码相位作为本地的解扩信号，这样就能恢复出数据的信息，也就完成了整个直扩通信系统的信号接收功能。以下是直接序列扩频通信系统模型图：发送端系统框图：信源编码扩频调制中频调制射频调制伪码产生本地载波m (t)s (t)p (t)发送图2.1.2-1 发送端系统框图从发送端的系统框图中可以看出，在系统的
15、发送端主要是进行信号的调制，信源首先进过系统的编码，变成电信号，然后通过与生成的伪码相结合进行扩频调制，将信号变成中频信号，再将调制好的中频信号与本地载波相乘得到高频信号，发送端最终发射出去的信号是属于高频信号。接收端系统框图：m(t)p (t)u(t)信宿解码扩频调制中频调制射频调制伪码产生本地载波q (t)接收图2.1.2-2 接受端系统框图从图中可以看出，在扩频系统的接收端，从天线上接收到的高频信号首先进过射频调制得到中频信号，再将得到的中频信号和本地载波相乘得到低频信号，这里的低频信号的频率和发送端的本地载波的频率是一样的，最后再通过解码恢复出和原始信号一样的信号，从而达到信号传输的功能。载波0 1 11 1 1 10
