跳频多址与码分多址的性能分析

1、2006年第7期(总第93期)大众科技DA ZHONG KE JINo.7,2006(Cumulatively No.93) 74 74 跳频多址与码分多址的性能分析屈辉立，邓明元(湖南信息职业技术学院，湖南长沙410200)【摘要】扩频多址(SSMA)是第三代移动通信的核心技术，也是今后全球卫星通信的发展方向。跳频多址(FH)和码分多址(DS)是两种常用的扩频多址技术。文章对这两种扩频多址技术进行了分析和比较。 【关键词扩频多址；跳频多址；码分多址 74 74 【中分类号】TN914.41【文献标识码】A【文章编号】1008-1151(2006)07-0073-02 74 74 【收稿I【作

2、者简介】屈辉立(1965-)，男，湖南邵阳人，湖南信息职业技术学院教师，研究方向：数字通信、交换技术与网络；邓明元 (1976-)，男，湖南邵阳人湖南信息职业技术学院教师，研究方向：电信与通信控制技术。扩频多址技术就是利用伪随机序列作为地址码(PN)对所 传输的信号进行处理，处理后的信号频谱宽度一般远远宽于原 信号(未经过地址码处理的信号)频谱宽度，如果地址码相互正 交，即地址码的互相关性很小，接收端可利用地址码解调出原 信号，解调所得到的原信号受其他信号的干扰很小，从而达到 区分信号的目的。这样多对通信点(发送和接收)可以其特有的 地址码在共同的信道带宽内传送信息，这种数字通信多址方式 叫做

3、扩频多址，又称为码分多址。下面分析通信中应用较多的 跳频(FH)、直接序列(DS)等两种基本的扩频多址方式。、跳频多址(FHMA)图1是跳频信号的发送与接收原理框图，在发送端，基带 信号调制后再与频率合成器输出的频率进行混频，振荡器输 出的频率是固定的，但频率合成器输出的频率受PN码控制， 频率合成器输出的频率少则几个，多则上千个频率，这样输出 的跳频信号的载波频率随PN码变化而变化。在接收端，跳频 信号经宽带滤波器滤除干扰后，分两路输岀，一路进人同步系 统，获取相应的同步信息；另一路进入混频器，与频率合成器 输出的频率进行混频，由于频率合成器的输出频率受PN码产 生器的PN码控制，如果接收端

4、的PN码与发送端的PN码不 一致，混频后就只能得到噪声而不能获得相应的中频信号，解 调器输出只能是噪声；只有当接收端的PN码与发送端的PN 码一致时，解调器才能恢复出发送端发送的信息。由此可见, 如果整个系统中,各通信点的PN码在同一时刻各不相同，则 系统可以通过PN码为地址来区分各通信点的信号，完成多址 通信，跳频多址每对发送机-接收机具有相同的地址码、编码 器、译码器、调制器和解调器，所以每对发送机和接收机在通 信时不会受到其他发送机和接收机的干扰。在任一时刻，跳频 多址占用的频带宽度很窄，只不过在很宽的频带范围内跳动。 FHMA分为慢跳频系统和快跳频系统，如果载波变化速度大 于系统的传码

5、率，称为快跳频系统；如果载波变化速度小于或 等于系统的传码度，称为慢跳频系统。FHMA与FDMA的区别是FDMA的载波是不变的，而 FHMA的载波是不断地变化。快跳频系统可以认为是一个频 率分集的 ：。图2是跳频信号的频谱图，它是由许多的窄带频谱组成，覆盖较宽的频带，各窄带频谱不是同时出 现，在某一时刻，只存在图中的某一个窄带，而这一窄带的出 现受PN码控制。(“境射端跳類 信号基带信号(b)摄收端图1跳频信号的发送与接收(一)跳频多址的优点由于跳频多址的载波频率是跳变的，因此具有抗单频及 部分带宽干扰的能力、一定的抗截获的能力和保密能力。当跳 变的频率数目足够多时，跳频带宽足够宽时，其抗干扰

6、能力是 很强的。载波频率的快速跳变，相当于频率分集的作用，从而 使系统具有抗多径衰落的能力。条件是跳变的频率间隔具要大于相关带宽。以及共享频谱资源，并具有承受过载的能力。跳频系统为瞬时窄带系统，能与现有的窄带系统兼容通信。跳频系统对模拟信源和数字信源均适用。跳频系统无明显的远近效应。这是因为当大功率信号只 在某个频率上产生远近效应，当载波频率跳变至另一个频率 时则不再受其影响。这一点，使跳频系统在移动通信中易于得 到应用与发展。 （二）跳频系统的缺点和局限虽然跳频系统具有许多优点，但是它也存在着一定的缺 点和局限性,具体体现在以下几个方面：1.信号的隐蔽性差。因为跳频系统的接收机除跳频器外与普

7、通超外差式接收机没有什么差别，它要求接收机输人端的 信号噪声功率比是正值，而且要求信号功率远大于噪声功率, 在频谱仪上是能够明显地看到跳频信号的频谱，特别是在慢 速跳频时，跳频信号容易被敌方侦察、识别与截获。IE2 跳频系统抗多频干扰及跟踪式干扰能力有限。当跳频的 频率数目中有一半的频率被干扰时，对通信会产生严重影响, 甚至中断通信。抗跟踪式干扰要求快速跳频，使干扰机跟踪不 上而失效。3 快速跳频器的限制。产生宽的跳频带宽、快的跳频速率、伪 随机性好的跳频图案的跳频器在制作上遇到很多困难，且有些 指标是相互制约的。使得跳频系统的各项优点也受到了局限。（卜）搖收械肘類 AT号图3 二进制相移调制

8、直接序列扩频系统二、码分多址/直接序列扩频多址（CDMA）利用直扩伪随机序列码型的正交性，可构成直接序列扩 展频谱码分多址系统。在这样的码分多址系统中，每个通信站 址分配一个地址码（一种伪随机序列），利用地址码对基带信号 进行调制，由于地址码的传码率远高于基带信号的传码率，所 以已调信号的频谱宽度远宽于基带信号，这个过程就是扩频; 接收端利用地址解调出的信号，所解调的信号频谱宽度恢复 为原基带信号的频谱宽度，这个过程称为解扩；正交地址码具 有互相关性很小的特点，所解调岀的信号受其他信号的干扰 很小,从而达到区分信号的目的。如图3是直接序列扩频调制发送端和接收端的原理框 图，在发送端,要发送的信

9、息（如图4（a）所示），与地址码（如图 4（b）所示）进行模2相加运算产生的扩频序列（如图4（c）所 示）,扩频序列的传码率远比消息码的传码率高，所以其频带 宽度远比消息码的频带宽度宽（图5所示），通过基带滤器再 经载波调制器调制载波信号形成射频信号，调制方法常用的 有BPSK（二进制相移键控）、QPSK（正交相移键控）等方式，也 可以采用相应的差分相移键控（DBPSK或DQPSK）调制，在无 线网络采用的是数字方式QPSK调制方式。调制后获得宽带 的扩频信号，经宽带放大器放大后发射出去。在接收端，接收 到的信号经放大后，要经过射频宽带滤波器处理，以提高信噪 比并提取信号以对齐相位，同步系统拾

10、取到发送来的扩频码 的准确相位，以此作为同步信号，使其PN码发生器产生的解 调扩频码与发送的扩频码的相位差尽量小（小于1/10码元宽 度），即可获得消息码。（一）直接序列扩频的优点直扩谱密度低，甚至远远低于背景噪声的功率，这样F无湮没在噪声之中了，窃听者很难从噪声中发现有信号仔往，更别说进一步检测出信号的参数了。因 此，扩频信号被截获的概率很低，这就是扩频通信的隐蔽性， 从而抗侦察、抗截获的能力强；另外，功率污染小，即对其他系111统引起的电磁环境污染小，以利于多种系统共存。图5是扩频 前或解扩后的信号功率谱密度和扩频信号的功率谱密度。频 率扩展得越宽，其功率谱密度越小。直扩伪随机序列的伪随机

11、性和密钥量使信息具有保密 性，即系统本身具有加密的能力。因为用伪随机序列对信息比 特流进行扩展频谱，就相当于对信息的加密；而所拥有的码型 不同的伪随机序列的数目，就相当于密钥量。当不知道直扩系 统所采用的码型时，就无法破译。CDMA采用了长达42位的 编码,42位长的代码有242（4.3万亿）种，如此巨大的天文数 字，以至于以1.2288MB的高速来传送也需要41天半才能传 完一遍。在如此众多的码中去猜特定用户所使用的编码有如 大海捞针，其可能性可以说是微乎其微。而如果不知道用户所 使用的编码，窃听几乎是不可能的。码分多址系统中的用户也是共享频谱资源的。直接扩展频谱系统具有抗宽带干扰、抗多频干

12、扰及单频 干扰的能力。这是因为直接扩展频谱系统具有很高的处理增 益，对有用信号进行相关接收和解扩，将有用信号恢复成窄带 信号，使有用信号的功率谱密度增大；由于干扰信号与该PN 码不相关，对有用信号解扩的同时也对干扰信号进行频谱扩 展，使干扰信号功率谱密度减小,这样干扰信号大部分的功率 被接收机中频带通滤波器所滤除。利用直接扩展频谱信号的相关接收，它具有抗多径效应 的能力。当直扩伪随机序列的码片宽度（持续时间）小于多径时 延时，利用相关接收可以消除多径时延的影响，因而直接扩展 频谱系统具有抗多径干扰的能力。利用直接扩展频谱信号可实现精确的测距定位。直接扩 展频谱系统除可进行通信外，还可利用直接扩

13、展频谱信号的 发送时刻与返回时刻的时间差，测岀目标物的距离。因此，在 同时具有通信和导航能力的综合信息系统中显示了直接扩展 频谱系统的优势。（二）直接序列扩频的局限性直接序列扩展频谱系统是一个宽带系统，虽然可与窄带 系统电磁兼容;但不能与其建立通信。另外，对模拟信源（如话 音）需作预先处理（如语声编码）后,才可接入直扩系统。直接扩展频谱系统的接收机存在明显的远近效应。所谓 远近效应是指大功率的信号（近处的电台）抑制小功率信号（远 端的电台）的现象。对此，需要在系统中采用自动功率控制以保 证远端和近端电台到达接收机的有用信号是同等功率的。这 一点，增加了直接扩展频谱系统在移动通信环境中应用的复 杂性。直接扩展频谱系统的处理增益受限于码片（chip）速率和信 源的比特率，即码片速率的提高和信源比特率的下降都存在 困难。处理增益受限，意味着抗干扰能力受限，多址能力受限。直接扩展频谱系统只适用于数字话音和数据信息的传 输。这是由于扩频系统本身是数字系统所决定的。三、结论除了跳频（FH）、直接序列（DS）这两种扩频多址方式外， 还有跳时（TH）线性调频（Chirp）等基本扩频多址方式，由