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1、 摘 要1第一章 绪 论21.1 扩频通信系统发展概述21.2混合扩频的介绍和现状21.3 扩频通信的特点3第二章 扩频通信系统的理论基础52.1 扩频通信的主要性能指标62.2 扩频系统的分类和介绍62.2 .1直接序列扩频72.2.2 跳频102.2.3 FHDS混合扩频系统122.3 扩频系统的性能比较142.3.1 直序列扩频系统的性能142.3.2跳频扩频系统的性能142.3.3混合跳扩频系统的性能152.4扩频系统的同步152.4.1同步不确定性的来源152.4.2 直扩同步的方法152.4.3 跳频同步的方法17第三章 DS/FH扩频系统的同步研究203.1 基于PMF-FFT的
2、直扩同步203.1.1 PMF-FFT 的结构203.1.2 捕获性能分析213.2 基于部分监测的跳频同步223.2.1 跳频同步方法223.2.2 同步性能分析243.3 DS/FH 混合扩频同步方案283.4 本章小结30第四章 结束语300摘 要 现有扩频体制系统一般采用直接序列扩频(DS)体制，但随着电子对抗技术的发展和对系统性能要求的提高，直接序列扩频(DS)体制日益不能满足人们的要求。直接序列扩频系统具有扩频增益受限、远近效应严重、抗窄带干扰和对准式干扰能力差等缺点，在实战背景下很容易受到敌方的干扰。为此，在现有体制的基础上，进一步提高抗干扰、抗截获和抗摧毁能力，采用性能更强的混
3、合扩频(FH/DS)体制已经成为一种趋势。 直接序列扩频/跳频（DS/FH)混合扩频是一种抗干扰性能极强的扩频通信体制，在现代军事通信和电子对抗中有着非常重要的意义。本文主要研究了 DS/FH 混合扩频系统的同步技术和一种适合高速 DS/FH 系统的快速同步方法。 论文首先介绍了扩展频谱技术理论基础,阐述了直接序列扩频系统、跳频扩频系统和FH/DS混合扩频系统的原理和数学模型,并对三种系统的优缺点进行对比，论证了混合扩频系统相比单一的直扩系统或跳频系统在“三抗”效能方面的优势。然后介绍了直接序列扩频和跳频 同步的一些方法以及它们的优缺点。 文章分析了多种因素对同步捕获的影响。这些都可以为 DS
4、/FH 系统的设计提供一定参考。 其次研究了部分匹配滤波(Partial Matched Filtering, PMF)结合快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)的直接序列扩频同步捕获方法，对该方法进行了理论分析和仿真，并且研究了各个参数对捕获性能的影响，对系统的具体实现做了一些讨论。 然后研究了一种改进的跳频同步方法，部分监测同步法。通过理论分析和仿真说明，部分监测可以通过合理选择监测的频点数来达到抗干扰性能、捕获时间和系统资源消耗的平衡。 最后，基于所提出和讨论的直扩和跳频同步捕获方法，提出了一种适用于高速 DS/FH 混合扩频系统的快速同步方法。该方法利
5、用时变的同步信道来传输同步信息，接收端在短时间内快速捕获并接收到同步信息，从而达到同步。此方法可以在不降低系统抗干扰性能的前提下达到快速同步，并且较容易实现。 关键词：混合扩频，DS/FH，同步0第一章 绪 论1.1 扩频通信系统发展概述 扩频通信(spread spectrum communication)是近期快速发展起来的一种通信技术。早期研究这种技术的主要目的是为了在军事通信中提高保密和抗干扰的性能。在20世纪50 年代中期，美国就开始了对扩频通信的研究，当时主要侧重在空间探测、卫星侦察和军用通信等方面。随后随着民用通信频带的拥挤日益严重，又由于近代微电子技术、信号处理技术、大规模集成
6、电路和计算机技术的快速发展，扩频通信有关的器件成本大大降低，从而进一步推动了扩频通信在民用领域的发展应用，而且也使扩频通信的理论和技术也得到了进一步的发展。目前在军事上扩频通信已广泛应用于各种战略和战术通信的系统中，成为电子战中反干扰的一种重要的手段。GPS和GLONASS在民用上也都得到了广泛的应用，这些系统的技术基础就是扩频技术。将扩频的码分多址技术应用于蜂窝移动通信中时，可以明显降低噪声和衰落的影响，还可以避免复杂的频率分配和时隙划分等技术上的困难，并省去了保护频带或时隙，极大地提高了蜂窝通信系统中小区的频率复用度。 扩频技术由于其本身所备的优良性能得到了广泛应用，其最主要的两个应用领域
7、仍是军事抗干扰通信和移动通信系统，在这两个领域应用最多的扩频方式是跳频系统与直扩系统。一般而言，跳频系统主要是在军事通信中对抗干扰，在卫星通信中用于通信保密，而直扩系统则主要是一种民用技术。在本世纪内，扩频技术将得到更为广泛的应用。 从扩频技术发展的历史可以看出，巨大的需求推动了每一次技术上的大发展。军事通信抗干扰的驱动以及个人通信业务的驱动使得扩频技术的抗干扰性能和码分多址能力得到最大限度的挖掘。展望未来，第四代移动通信系统(4G)的驱动无疑会使扩频技术传输高速数据的能力得到更大的拓展。1.2混合扩频的介绍和现状 扩频通信的两种主要方式是直接序列扩频(DSSS)和跳频扩频(FSSS)。直接序
8、列扩频是将PN 序列直接与比特信息流相乘来进行调制的，而跳频扩频是用PN 序列生成不断跳变的频率来调制信号的。在电子对抗中，随着信号检测和干扰技术的不断发展，对抗干扰性能的要求也不断提高。对于直接序列扩频而言，由于硬件条件的限制，其伪随机序列的长度总是有限的，因此抗干扰的性能也受限。尽管扩频后带宽可以很宽，但如今的电子干扰机依旧可以对其进行有效的干扰，而且直接序列扩频更为害怕的是频率与其中心频率相同的窄带瞄准式干扰。另外，直接序列扩频的接收机具有明显的远近效应，即距离接收机较近的信号会对远端的信号产生抑制。为此需要在系统中加入自动功率控制，这又进一步增加了直扩系统的复杂性。跳频通信是通过频率的
9、不断跳变来躲避干扰的，因此没有远近效应的问题。但由于跳频的发射信号功率是大于噪声功率的，因此容易被截获，同时也容易受到多频干扰和跟踪式干扰的威胁。为解决这些问题，研究人员开展了大量的研究工作。其中，FH/DS混合扩频技术得到了广泛的关注。 混合扩频(FH/DS)技术就是在直接序列扩频的基础上增加载波跳变的功能，它综合了两种方式的优点，是国内外公认最有生命力的抗干扰通信技术，也是目前研究较多的扩频抗干扰技术，大大提高了系统的“三抗”能力。在FH/DS混合扩频信号中，跳频的特性消除了“远近效应”，削弱了瞄准式干扰的影响；直扩的特性可以获得更大的扩频增益和较高的测距精度。因此，FH/DS混合扩频技术
10、具有广阔的应用前景。混合扩频技术在提供优良胜能的同时，大大增加同步方案设计和实现的难度，要求同步方案能同时进行跳频同步和直扩同步。目前针对直接序列扩频系统和跳频扩频系统的伪码捕获方法很多，但是考虑将直接序列扩频和跳频扩频伪码捕获方式结合，并且要实现系统指标要求的同步时间，还有较大的技术难度。需要在捕获方法、所需信噪比方面进行深入分析与研究，优化同步方式。本课题着重研究FH/DS混合扩频系统的接收机信号同步方案设计和实现。接收机信号同步技术作为FH/DS混合扩频导航系统的关键技术之一，具有重要的研究价值。1.3 扩频通信的特点 扩频通信有许多窄带通信所不具备的优点，在军事和民用领域都得到了广泛的
11、应用。扩频通信的特点主要有以下几点： （1）可以实现频率重用，也就是码分多址，提高频带的利用率。在窄带通信中，通过频段的划分可以避免不同无线电系统之间的干扰。但是随着需求的增长，无线频谱资源在如今已经十分拥挤。采用扩频通信的方法，在分配了不同的扩频码后，所有的接收机和发射机可以使用相同的工作频率，也可以与其他通信系统共享相同的频率资源。 （2）抗干扰性强，误码率低。扩频通信会占据很大的带宽，在接收端采用相关扩频码来解扩，保留了有用信号，滤除了绝大部分干扰和噪声，因此系统输出端有很高的信噪比，抗干扰性能强。扩频通信可以在信号被噪声淹没的情况下，将信号提取出来。对于单频及多频都有比较强的抑制作用，
12、即使采用同类型的信号干扰，也由于扩频码序列之间的不相关性，干扰不起太大作用。（3）隐蔽性好，不容易被截获。通过周期很长的伪随机码的调制，扩频信号的频谱被展宽，功率谱密度很低，信号被湮没在了噪声中，不容易被发现，信号参数也不容易被检测出，提高了系统的保密性能。此外，扩频信号对其他各种通信系统的干扰都很小。第二章 扩频通信系统的理论基础 扩频通信是一种信息的传输方式，它的信号占有的频带宽度比所传信息必需的最小带宽大很多。频带的扩展和所传信息数据无关，它借助一个独立的码序列完成，并用编码和调制的方式实现。用相同的码序列在接收端进行同步接收、解扩，恢复所传的信息数据。扩频系统比常规的通信系统有更好的抗
13、窄带干扰、人为干扰、多径干扰的能力，这些是以香农定律为理论基础的： (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。香农公式描述了在信道中无差错传输信息的能力和信道中的信噪比以及传输信息带宽之间的关系。对于任意给定的信噪比S/N，只要传输信息的带宽B足够大，就可以速率C在该信道中无差错地传输信息；另一方面,当信道的信噪比S/N下降时，增加信号传输带宽B的办法来保证信息传输率速C。扩频技术利用这一原理，用高速率的扩频码来扩展待传输信息的信号带宽，达到在低信噪比条件下保证正常传输信号的目的,甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要传输信号的带宽足够大,也可以保证可靠
14、的通信。 扩频系统的原理方框图如图2-1所示。在发射端，待发射的数据信号与扩频码相乘，形成复合码。复合码的速率与扩频码速率相当,远远高于数据速率，完成频谱的扩展。由复合码对载波进行调制，通常采用相移键控方式调制。然后由发射机和天线将扩频信号发射出去。在接收端，产生一个和发射端扩频码同步的本地扩频码。本地扩频码对本地载波进行调制后，在混频器与接收到的扩频信号混频。混频过程中,同步的本地扩频码和接收到的扩频码相乘抵消，实现了频谱的压缩,即解扩;同时，本地载波将接收到的信号下变频，经过中频滤波器滤波后，得到中频信号。中频信号中只包含数据信息和中频载波。由解调器将数据信息解调出来,就在接收端还原了发射
15、端发射的数据。 图2-1 扩展频谱通信系统模型2.1 扩频通信的主要性能指标 处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。 1. 处理增益 在扩频系统中, 传输信号在扩频和解扩的处理过程中, 扩展频谱系统的抗干扰性能得到提高, 这种扩频处理得到的好处，就称之为扩频系统的处理增益, 其定义为接收相关处理器输出与输入信噪比的比值, 即频谱扩展前的信息带宽DF与频带扩展后的信号带宽W之比：GWDF （2-2） 接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽为DF的信息，而排除掉宽频带W中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。因此，处理增益G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。 2. 抗干扰容限 抗干扰容限是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为： M = G (S/N)out + Ls （2-3）其中：M -抗干扰容限，G -处理增益 ，(SN)out -信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比 ，Ls -接收系统的工作损耗 。2.2 扩频系统的分类和介绍 按照扩展频谱的方式不同，现有的扩
