m序列在擴(kuò)頻通信中的應(yīng)用研究21

m序列在擴(kuò)頻通信中的應(yīng)用研究)若n≠0mod4，則存在一對(duì)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(duì)m序列取上述三個(gè)互相關(guān)函數(shù)值-1，-t(n)和t(n)-2時(shí)，該序列叫做優(yōu)選m序列對(duì)。這樣的三個(gè)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(shí)，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(shí)a和b叫做優(yōu)選m序列對(duì)。第四章m序列在擴(kuò)頻通信中的應(yīng)用在擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)中，偽隨機(jī)序列起著很重要的作用。在直接擴(kuò)展頻率統(tǒng)中，用偽隨機(jī)序列將傳輸信息展寬，在接收時(shí)又用它將信號(hào)壓縮，并使干擾信號(hào)功率擴(kuò)散，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力；在跳頻系統(tǒng)中，用偽隨機(jī)序列控制脈沖發(fā)送的時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。由此可見(jiàn)，偽隨機(jī)序列性能的好壞，是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信(SpreadSpectrumCommunication)，它與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時(shí)代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。4．1擴(kuò)頻技術(shù)的基本概念所謂擴(kuò)展頻譜通信，可簡(jiǎn)單表述如下：“擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的碼序列來(lái)完成，用編碼及調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)；在接收端則用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)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(hào)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(chēng)為信息帶寬。例如人類(lèi)的語(yǔ)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(dāng)?shù)膸挼男盘?hào)來(lái)傳輸信息。在無(wú)線(xiàn)電通信中射頻信號(hào)的帶寬與所傳信息的帶寬是相比擬的。如用調(diào)幅信號(hào)來(lái)傳送語(yǔ)音信息，其帶寬為語(yǔ)音信息帶寬的兩倍；電視廣播射頻信號(hào)帶寬也只是其視頻信號(hào)帶寬的一倍多。這些都屬于窄帶通信

一般的調(diào)頻信號(hào)，或脈沖編碼調(diào)制信號(hào)，它們的帶寬與信息帶寬之比也只有幾到十幾。擴(kuò)展頻譜通信信號(hào)帶寬與信息帶寬之比則高達(dá)100到1000，屬于寬帶通信。4．1．2采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制的方式來(lái)展寬信號(hào)頻譜我們知道，在時(shí)間上有限的信號(hào)，其頻譜是無(wú)限的。例如很窄的脈沖信號(hào)，其頻譜則很寬。信號(hào)的頻帶寬度與其持續(xù)時(shí)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(hào)。如下面介紹的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)就是采用這種方法獲得擴(kuò)頻信號(hào)。這種很窄的脈沖碼序列，其碼速率是很高的，稱(chēng)為擴(kuò)頻碼序列。這里需要說(shuō)明的一點(diǎn)是所采用的擴(kuò)頻碼序列與所傳信息數(shù)據(jù)是無(wú)關(guān)的，也就是說(shuō)它與一般的正弦載波信號(hào)一樣，絲毫不影響信息傳輸?shù)耐该餍浴U(kuò)頻碼序列僅僅起擴(kuò)展信號(hào)頻譜的作用。4.正如在一般的窄帶通信中，已調(diào)信號(hào)在接收端都要進(jìn)行解調(diào)來(lái)恢復(fù)所傳的信息。在擴(kuò)頻通信中接收端則用與發(fā)送端相同的擴(kuò)頻碼序列與收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，恢復(fù)所傳的信息。換句話(huà)說(shuō)，這種相關(guān)解調(diào)起到解擴(kuò)的作用。即把擴(kuò)展以后的信號(hào)又恢復(fù)成原來(lái)所傳的信息。這種在發(fā)送端把窄帶信息擴(kuò)展成寬帶信號(hào)，而在接收端又將其解擴(kuò)成窄帶信息的處理過(guò)程，會(huì)帶來(lái)一系列好處。弄清楚擴(kuò)頻和解擴(kuò)處理過(guò)程的機(jī)制，是理解擴(kuò)頻通信本質(zhì)的關(guān)鍵所在。4.2擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)香農(nóng)公式：對(duì)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(shuō)明：在保持最大的無(wú)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(kuò)展信號(hào)頻譜作為代價(jià)，換取用很低信噪比傳信號(hào)。4.3擴(kuò)頻技術(shù)的工作方式擴(kuò)展頻譜的方式主要有直接序列擴(kuò)頻(DS)，跳頻擴(kuò)頻(FH)，跳時(shí)擴(kuò)頻(TH)以及它們之間的混合擴(kuò)頻。下面簡(jiǎn)單介紹一下這幾種擴(kuò)頻；直接序列(DS)擴(kuò)譜：它通常用一段偽隨機(jī)序列（又稱(chēng)為偽碼）表示一個(gè)信息碼元，對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制。偽碼的一個(gè)單元稱(chēng)為一個(gè)碼片。由于碼片的速率遠(yuǎn)高于信息碼元的速率，所以已調(diào)信號(hào)的頻譜得到擴(kuò)展。跳頻(FH)擴(kuò)譜：它使發(fā)射機(jī)的載頻在一個(gè)信息碼元的時(shí)間內(nèi)，按照預(yù)定的規(guī)律，離散地快速跳變，從而達(dá)到擴(kuò)譜的目的。載頻跳變的規(guī)律一般也是由偽碼控制的。線(xiàn)性調(diào)頻載頻在一個(gè)信息碼元時(shí)間內(nèi)在一個(gè)寬的頻段中線(xiàn)性地變化，從而使信號(hào)帶寬得到擴(kuò)展。由于此線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)若工作在低頻范圍，則它聽(tīng)起來(lái)像鳥(niǎo)聲，故又稱(chēng)“鳥(niǎo)聲”調(diào)制。下面以直接序列擴(kuò)譜系統(tǒng)為例介紹偽隨機(jī)序列在擴(kuò)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(hào)的典型功率譜密度曲線(xiàn)示于下圖中。圖4.1直擴(kuò)系統(tǒng)信號(hào)的典型功率譜密度曲線(xiàn)圖中所示主瓣帶寬（零點(diǎn)至零點(diǎn)）是偽碼時(shí)鐘速率Rc的兩倍。每個(gè)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(gè)旁瓣寬為5MHz。圖4.2擴(kuò)頻通信物理調(diào)制器簡(jiǎn)化方框圖：先將兩路編碼序列模2相加，然后再去進(jìn)行反相鍵控。圖4.3擴(kuò)頻通信調(diào)制原理圖接收?qǐng)D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(hào)；(h)干擾信號(hào)相位；(i)混頻后干擾信號(hào)相位。圖4.4擴(kuò)頻通信脈沖波形圖4．4擴(kuò)頻技術(shù)的特點(diǎn)由于擴(kuò)頻通信能大大擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，發(fā)射端用擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行擴(kuò)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(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò)之中，主要有以下幾項(xiàng)特點(diǎn)：4．4．1易于重復(fù)使用頻率，提高了無(wú)線(xiàn)頻譜利用率無(wú)線(xiàn)頻譜十分寶貴，雖然從長(zhǎng)波到微波都得到了開(kāi)發(fā)利用，仍然滿(mǎn)足不了社會(huì)的需求。在窄帶通信中，主要依靠波道劃分來(lái)防止信道之間發(fā)生干擾。為此，世界各國(guó)都設(shè)立了頻率管理機(jī)構(gòu)，用戶(hù)只能使用申請(qǐng)獲準(zhǔn)的頻率。擴(kuò)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(qiáng)，誤碼率低擴(kuò)頻通信在空間傳輸時(shí)所占有的帶寬相對(duì)較寬，而接收端又采用相關(guān)檢測(cè)的辦法來(lái)解擴(kuò)，使有用寬帶信息信號(hào)恢復(fù)成窄帶信號(hào)，而把非所需信號(hào)擴(kuò)展成寬帶信號(hào)，然后通過(guò)窄帶濾波技術(shù)提取有用的信號(hào)。這樣，對(duì)于各種干擾信號(hào)，因其在接收端的非相關(guān)性，解擴(kuò)后窄帶信號(hào)中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干擾性強(qiáng)。對(duì)于寬帶干擾和脈沖干擾在擴(kuò)頻設(shè)備中如何被抑制的物理過(guò)程，可以用圖4.4和4.6加以說(shuō)明。對(duì)于各種形式人為的(如電子對(duì)抗中)干擾或其他窄帶或?qū)拵?擴(kuò)頻)系統(tǒng)的干擾，只要波形、時(shí)間和碼元稍有差異，解擴(kuò)后仍然保持其寬帶性，而有用信號(hào)將被壓縮，如圖4.5所示：圖4.5擴(kuò)頻系統(tǒng)抗寬帶干擾能力示意圖對(duì)于脈沖干擾，帶寬將被展寬到b，有用信號(hào)恢復(fù)(壓縮)后，保證高于干擾。見(jiàn)圖4.6所示擴(kuò)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(mǎn)足國(guó)內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)對(duì)通道傳輸質(zhì)量的要求。圖4.6擴(kuò)頻系統(tǒng)抗脈沖干擾能力示意圖4．4．3隱蔽性好，對(duì)各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小由于擴(kuò)頻信號(hào)在相對(duì)較寬的頻帶上被擴(kuò)展了，單位頻帶內(nèi)的功率很小，信號(hào)湮沒(méi)在噪聲里，一般不容易被發(fā)現(xiàn)，而想進(jìn)一步檢測(cè)信號(hào)的參數(shù)(如偽隨機(jī)編碼序列)就更加困難，因此它的隱蔽性好。再者，由于擴(kuò)頻信號(hào)具有很低的功率譜密度，它對(duì)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(shí)現(xiàn)碼分多址擴(kuò)頻通信提高了抗干擾性能，但付出了占用頻帶寬的代價(jià)。如果讓許多用戶(hù)共用這一寬頻帶，則可大為提高頻帶的利用率。由于在擴(kuò)頻通信中存在擴(kuò)頻碼序列的擴(kuò)頻調(diào)制，充分利用各種不同碼型的擴(kuò)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(cè)技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò)，則在分配給不同用戶(hù)碼型的情況下可以區(qū)分不同用戶(hù)的信號(hào)，提取出有用信號(hào)。這樣一來(lái)，在一寬頻帶上許多對(duì)用戶(hù)可以同時(shí)通話(huà)而互不干擾。4．4．5抗多徑干擾在無(wú)線(xiàn)通信的各個(gè)頻段，長(zhǎng)期以來(lái)，多徑干擾始終是一個(gè)難以解決的問(wèn)題。在以往的窄帶通信中，采用兩種方法來(lái)提高抗多徑干擾的能力：一是把最強(qiáng)的有用信號(hào)分離出來(lái)，排除其他路徑的干擾信號(hào)，即采用分集／接收技術(shù)；二是設(shè)法把不同路徑來(lái)的不同延遲、不同相位的信號(hào)在接收端從時(shí)域上對(duì)齊相加，合并成較強(qiáng)的有用信號(hào)，即采用梳狀濾波器的方法。這兩種技術(shù)在擴(kuò)頻通信中都易于實(shí)現(xiàn)。利用擴(kuò)頻碼的自相關(guān)特性，在接收端從多徑信號(hào)中提取和分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，或把多個(gè)路徑來(lái)的同一碼序列的波形相加合成，這相當(dāng)于梳狀濾波器的作用。另外，采用頻率跳變擴(kuò)頻調(diào)制方式的擴(kuò)頻系統(tǒng)中，由于用多個(gè)頻率的信號(hào)傳送同一個(gè)信息，實(shí)際上起到了頻率分集的作用。4．4．6能精確地定時(shí)和測(cè)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(huì)想到如果能夠精確測(cè)量電磁波在兩個(gè)物體之間傳播的時(shí)間，也就等于測(cè)量?jī)蓚€(gè)物體之間的距離。在擴(kuò)頻通信中如果擴(kuò)展頻譜很寬，則意味著所采用的擴(kuò)頻碼速率很高，每個(gè)碼片占用的時(shí)間就很短。當(dāng)發(fā)射出去的擴(kuò)頻信號(hào)在被測(cè)物體反射回來(lái)后，在接收端解調(diào)出擴(kuò)頻碼序列，然后比較收發(fā)兩個(gè)碼序列相位之差，就可以精確測(cè)出擴(kuò)頻信號(hào)往返的時(shí)間差，從而算出二者之間的距離。測(cè)量的精度決定于碼片的寬度，也就是擴(kuò)展頻譜的寬度。碼片越窄，擴(kuò)展的頻譜越寬、精度越高。4．4．7適合數(shù)字話(huà)音和據(jù)傳輸，以及開(kāi)展多種通信業(yè)務(wù)數(shù)擴(kuò)頻通信一般都采用數(shù)字通信、碼分多址技術(shù)，適用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，適合于數(shù)據(jù)和圖象傳輸。4．4．8安裝簡(jiǎn)便，易于維護(hù)擴(kuò)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(yùn)用后成本低，安裝便捷，易于推廣應(yīng)用?；谝陨线@些特點(diǎn)，擴(kuò)頻技術(shù)首先應(yīng)用于軍事通信，現(xiàn)在也開(kāi)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(dòng)通信(多址，抗干擾，便于保密，抗多徑，提高頻譜利用率)；無(wú)線(xiàn)本地環(huán)路；GPS(選址，抗干擾，保密，測(cè)距)；測(cè)試儀，干擾儀測(cè)時(shí)延，無(wú)碼測(cè)試儀等。4．4．9主要缺點(diǎn)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(jìn)步，使擴(kuò)頻系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)變得簡(jiǎn)單，只需對(duì)擴(kuò)展技術(shù)有一般的了解就可以從事擴(kuò)頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。因此，擴(kuò)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(xiàn)【1】肖國(guó)鎮(zhèn)，梁傳甲，王育民，偽隨機(jī)序列及其應(yīng)用，北京：國(guó)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(bào)，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(guó)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(cè)繪學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，19(1)：19-21