【扩频技术的应用探究9500字（论文）】

绪论1.1研究意义和目的随着社会的不断进步和发展，二十一世纪已成为信息技术和生物技术飞速发展的世纪。在高科技信息时代，通信是必不可少的，人类不能没有通信的历史和发展，在过去的消息可能不是很方便，但随着电子产品和网络通信技术的发展，似乎没有问题，但在通信行业中的技术或知识技术领域更广泛。为了保证通信质量和信息传输的安全性，通信中的抗干扰能力显得尤为重要。良好的通信系统必须具备良好的抗干扰能力。干扰与抗干扰总是相互竞争的。它们是不可调和的，一个系统的优点只能通过大量的调试才能得出。直接序列扩频（DSSS）和跳频扩频（FHSS）是使用最广泛的扩频操作目前典型模式。扩频通信抗干扰作为一种信息时代的三大高技术通信方式，它是一种信息传输，在信号传输过程中的信号的频带宽度的最小带宽份额远远大于必要的信息发送，拓宽带宽是由编码和调制的方法实现。通过信息数据带宽和相关技术进行与解调发送侧相同的方式接收数据，提高恢复信息数据的系统的抗干涉性。随着大型集成电路技术和微电子学技术的进一步发展和其他新技术、军事通信和不断广泛应用的通信技术，主要是因为它具有抗干扰能力强、隐蔽性好、多址能力，故障率低，易于实现通信和优势的随机存取和任何现场干扰的扩频通信技术安全。1.2研究现状扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，到目前为止，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统,而跳频系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而言，跳频系统主要在军事通信中对抗故意干扰，在卫星通信中也用于保密通信，而直扩系统则主要是一种民用技术。扩频技术(SpreadSpectrum,SS)的历史可以追溯到20世纪50年代中期，但是直到80年代初，扩频技术仍然主要应用在军事通信和保密通信中。随着个人通信业务的发展以及全球定位系统的应用，到现在为止，使用扩频技术的用户已经超过一亿。无线通信已经成为电信产业最大的部门之一，经过十年多的稳步发展，俨然是21世纪中最有发展潜力的领域。扩频技术在未来无线系统中的应用也再次成为人们关注的重点。扩频通信系统是在50年代中期产生的，其最初的应用包括军事抗干扰通信、导航系统、抗多径实验系统以及其它方而。自从扩频通信的概念在50年代开始成熟以后，此后的二十多年扩频通信技术仍得到很大的发展，但都只是局部的发展，如硬件的改进和应用领域的拓展。’而个人通信业务(PCS)的发展终于使扩频技术迎来了另一次大发展的机遇。一直到80年代初期，扩频通信的概念都只是在军事通信系统中得到应用，这种状况到了80年代中期才得到改变。美国联邦通信委员会(FCC)于1985年5月发布了一份关一将扩频技术应用到民用通信的报告。从此，扩频通信技术获得了更加广阔的应用空间。90年代初，在第一代模拟蜂窝通信系统的基础上，出现了PCS研究的热潮。扩频技术为共享频谱提供了可能。使用扩频技术能够实现码分多址，即在多用户通信系统中所有用户共享同一频段，但是通过给每个用户分配不同的扩频码实现多址通信。利用扩频码的自相关特性能够实现对给定用户信号的正确接收;将其他用户的信号看作干扰，利用扩频码的互相关特性，能够有效抑制用户之间的干扰。随着PCS以及蜂窝移动通信的发展，CDMA技术己经成为不可或缺的关键技术。扩频通信技术也在民用通信中找到更为广阔的应用空间，而关一于CDMA技术的研究热潮也一直延续到现在。扩频技术由一于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，到目前为止，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统，而跳频系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。从扩频技术的历史可以看出，每一次技术上的大发展都是由巨大的需求驱动的。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，新一代代移动通信系统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。扩频通信系统其低截获、抗截获、抗干扰等性能得到了很大的发展，但都只是部分发展。随着微处理器、超大规模集成电路、数字信号处理器、扩频专用设备的发展，20世纪60年代扩频技术取得了重大突破和进步，在实际应用中的优势更加明显，扩频通信成为一种重要的通信方式。抗干扰性和低截获概率的优良特性，在军事通信中的多址能力，保密性强，不仅发挥着不可替代的优势，而且还广泛应用于民用和商业各领域的交流，例如，无线定位系统、卫星通信、微波通信、移动通信。总之，扩频通信系统的优势决定了它将在中国在第三代移动通信中有广阔的应用前景。为了使扩频通信系统更好地发挥其抗干扰能力，应继续研究以下几个方面：（1）相关跳频扩频系统广泛应用于外军，具有很强的抗干扰性能。对象棋干扰的研究是未来的发展方向之。（2）跳频技术和各种有效的调制技术被应用到许多民用通信系统中。然而，由于跟踪干扰或转发干扰的需要，跳速率通常较慢。如何解决的高速跳频技术和高效调制解调器技术的组合是今后进一步研究的问题。（3）由于混沌系统对初值的敏感依赖性，可以提供大量的、非相关、随机和确定，容易产生信号，所以非常适合的，混沌序列一直是通信的频频代码，混沌不停的通信是一种混沌的应用的最热的研究方向。（4）进一步研究混合扩频系统（如DS与FH、DS与DS、跳频与跳时的组合）的互补优势，以满足高抗干扰性能的要求，缓解一些技术难点，降低成本，实现更为合理的性价比。1.3扩频通信系统基本概念通信技术和通信理论主要关注通信系统的信赖性和有效性。通信系统信赖性的和有效性是评价通信系统性能的主要指标。通信系统的有效性是指信息在通信系统中传输的效率。因此，为了提高系统的有效性，我们必须使用最简单、最经济、最合理的方式尽可能多地传输数据和信息。在某通信系统中，由于道路服用的技术提高了系统的有效性。因此，信徒服用程度越高，信息传送的有效性也很好。在数码通信系统中，传输效率通过传输速度进行衡量。通信系统的可靠性是指通信系统的传输系统所传输的信息的准确性，以及所接收到的信息是否与所传输的信息相同。因此，通信系统的信赖性取决于系统所需的能力。模拟试验通信系统的信赖性被评价为系统整体的出口。数字通信系统的可能性是由信息传输的关键时刻描写的。描述信号通常用时域表示，而频谱是信号的频域描述。我们可以变换信号的形式在时间域和频率域，频域和时域的关系由式1.1和1.2确定：F(jw)=∫e-jwtdt（1.1）f(t)=2π∫ejwtdw（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某一特定频谱函数的输入信号经扩展成宽带信号后，再将其传输到信道中，通过接收到接收团体的扩展名、扩展技术和手段，可通过空报新号恢复源输入信号。被扩大的信号空有几倍，甚至有几十倍甚至有几十倍。这时的频率：信号宽的重要因素是再决定不是信息的频率扩散函数。扩频通信系统具有以下两个特点，即两个标准：扩频通信系统中，在信号的传输过程中，其带宽远大于原始信号在传输带宽；二，射频信号带宽的频谱函数所决定，和谱函数通常是伪随机编码信号，也是一个伪噪声信号编码。1.4扩频通信的理论基础信息理论中香农公式（C·E·Shannon）扩频通信的理论依据，即式1.3：C=Blog2(1+S/N)（1.3）式中：C—信道容量b/sB—信道带宽HzS—信号功率WN—噪声功率W从信噪比的类型可以看出，信道中存在与信道无关的传输信号（s／n）和信道带宽，用于传输信息（b）：当在相同的信噪比信道（b/n）中传输信息（b）时信道带宽之间的关系是。系统信息传输能力较好；当信道信噪比不变时，随着信道带宽和传输（b）的宽，无差错系统信息传输能力更好。令C是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，对式1.4进行变换得：C/B=1.44ln(1+S/N)（1.4）当S/N＜＜1时为干扰环境下的典型情况，即无干扰，用幂级数展开式（1.4），并将高次项略去得：C/B=1.44(S/N)（1.5）或B=0.7*C*(N/S)（1.6）所以类型1.4和1.5可以看出，当噪声功率比N/S通道了，只要对信息传输带宽的增加，可以增加C无差错传输信息的信道速率；或当信道噪声比N/S下降，为了保持不变的信道容量C。您可以增加B系统的传输带宽。当系统的信噪比大于s／s时，通过增加系统的传输带宽可以获得较低的信息错误率。信号噪声低，信号噪声被浸泡，通道频带B相应增加的话，通信系统可靠性的通信可以保持。例如，假设系统的工作信道的噪声比信号大100倍，和信息率R=C=3KB/s.只要信道带宽B增加到210khz，系统仍能可靠传输。扩频通信抗干扰系统也利用此原理通过高速扩频码来扩展信息信号的传输带宽，从而提高系统的抗干扰能力。在扩频通信系统中，是扩大传统通信系统信息带宽B几百倍甚至几万倍的B信息传输信息的带宽，从而保证系统具有较强的抗干扰能力在相同的信息传输速率与信号相同的情况下功率。1.5研究内容本文讨论了扩展通信的可能性的理论基础，即信息论中信息容量的香农公式。分析了几种典型的扩频方法（直接序列扩频、跳扩扩频、DSSS、跳频混合扩频）。2几种典型扩频通信2.1直接序列扩频2.1.1工作原理直接序列的系统是当前应用中最广泛的直截了当的系统。实际上，在这个方法中，得到序列扩展的宽带，不断地进行序列调制的无线信号。接收侧，利用同样的伪随机序列接收伪随机信号处理，扩张接收伪随机序列除去。没有关系的干扰信号和伪随机序列，接收方的扩张，光谱干涉和噪声信号带宽扩大，大大降低了功率谱密度提高系统的出力比，加强频频系统的抗干扰性、抗干扰能力强的目的。其发射和接收部件的方框图如图2.1所示。扩频系统在强背景噪声环境中传输。因此，它具有许多优点：一是隐蔽性强；二是抗干扰能力；三是抗截获、反侦察和反方向能力；四、抗多径干扰。正是由于这些特点，扩频通信在卫星通信系统、抗干扰通信系统、导航和保密通信系统等方面得到了广泛的应用。信号源信号源扩频调制PN码振荡器高放混频解扩解调本振PN码同步图2.1直接序列扩频通信系统组成的框图虽然DS扩频系统中的应用是非常广泛的，还存在不足：一是采集时间长；二是远近效应越严重（所谓的距离效应是指多址系统，当其他用户会比较大与小信号淹没率）；三是在宽带相位频率变形所需的通道很小；四是针对抗窄带干扰的能力是有限的。这些缺点严重影响直扩通信的质量。2.1.2直接序列扩频的优点（1）抗干扰能力强扩频解调器实际上相当于相关器。此信号将通过服务器解决设备恢复确定信号，并以妨碍信号和本地不一致传送的传播干扰信号也将被拒绝。扩频增益（G=B2、B1）作为扩频通信系统的一个重要的特征，我们可以从表情看，接收机扩频解调接收到的信号只有当提取的B1扩频编码过程，即除了延伸到在信号和噪声干扰的影响，B2，也很接受信噪比提高了G时代，具有良好的抗干扰能力。抗多径干扰能力强。无线信号在传输过程中，除了直接的信号传输外，还有用反射折射波引起的反射信号和信号，信号对直达信号有干扰作用，多径干扰。从直接序列的相关函数的特征可以看出，相对时间序列在两个接收信号的宽度超过规范，相关的直扩系统只会输出代码长度计算方式干扰信号在很大程度上被抑制，使DS系统不仅避免了多径干扰，而且提高接收信号的强度。（2）抗截获能力强在理论上可以看到的信号检测概率和信号能量的比和噪声光谱密度成比例，信号的带宽成反比。直接序列频频信号那功率谱密度很低，能源单位时间、带宽的长处，即DS信号强的能力缴获。也就是说，信号的传输通过扩频调制大大扩展，传输信号的功率谱的谱密度大大降低，会收到下面的接收机噪声信号接收器，它意味着当信号会被完全淹没在噪声中，也给其他站接收不带不影响信号的传输，这是不容易找到，它是很难被发现，所以扩频系统具有良好的安全功能，它适用于信号传输的安全性，如军事领域，同时也提供了无特殊频率的扩频通信机中的应用。（3）可同频工作只要每个通信的pn是不同的，它们可以同时使用相同的载波频率而不干扰对方，这可能只会增加一点背景噪声。（4）便于实现多址通信如果通过代码可以不断地获得通信系统的正交或接近正交的特性，一直在代码和信号之间的相互的影响很小，所以一直通过代码容易设置用户的地址代码，实现编码分割多重连接（CDMA）通信。在移动通信系统中使用的符号分割多重连接通信是当前蜂窝通信容量。（5）直扩通信率高直接序列扩频系统的扩频通信速率可达2M，8M，11m，高速度、无频率资源的应用，使得整个施工过程简单，网络的性能也很好。2.1.3直接序列扩频的应用缺陷（1）频道数减少当采用跳频或扩频系统时，为了获得较大的处理增益，系统占用较大的带宽，使得跳频信道可用的数目减少。（2）带宽增大当系统带宽过大时，进入接收机前端的干扰信号也会增加。（3）信息量增大只有当扩频芯片足够窄，宽足以得到一点信息和有效使用抗多径衰落多径的能力，但当信息位的足够的信息，限制了传输速率的提高，为了解决这个问题，现在普遍采取的M元扩频技术。2.1.4直接序列扩频的实现方式（1）扩频调制扩散频道的概率实际信息代码，代理尺寸第二代该文件将被保存。实际文件扩散剂中，信息编码和扩大率不同，将扩大对信息型波形的变更，因此被确认的文件和信息概率和信息的价格不同。（2）载波调制本地频率调制信号和调剂信号的载波上升，受伤的调剂信号转换频率转移幅度为1/2，通过移动移动到元位置的信号传输高频信号。但是扩展频率代码率，频率，频率扩散信号装置调制的水平，而扩展乘法器是载波频率与扩频调制信号速率之比。2.2各类扩频通信系统的抗干扰性能分析2.2.1通信系统的主要性能指标（1）接收机灵敏度所谓接收灵敏度是指在系统输入满足接收解调器时，接收天线所需的最小输入信号输出，即接收灵敏度和输入信号电力关系，其具体含义见方框图：混频混频解调本地振荡PRNiS0/N0信息码图2.2大扩频接收机示意图其中PR表示：接收机灵敏度；Ni表示：接收机热噪声；S0/N0表示：解调器输入信噪比门限。所以在保证解调器输入信噪比门限S0/N0不变的前提下可以进行相关的分析，并得出结论：从图3.1-1中可以知道噪声系数NF的计算公式为式2.1：NF=（PR/Ni）/（S0/N0）（2.1）其中接收机的热噪声Ni的计算公式为式（2.2）：Ni=KTB（2.2）在式（2.2）中，K为玻尔兹曼常数；T为室温，单位为K；B为射频信号带宽，单位为Hz。我们可以从式（2.1和式（2.2）得出接收机灵敏度的计算公式为式（2.3）：PR=NFKTBS0/N0（2.3）2.2.2系统电平余量所谓的系统电平余量Fd是指信号经过空间信道传输到接收机后，接收机的输入功率（Ps）与接收机灵敏度（PR）之间的比值，容易得出系统电平余量Fd公式为式2.4：Fd=Ps/PR=[PTGA2/(Lf2LC2LS)]/[NFKTBS0/N0]（2.4）在式（2.4）中，PT表示：发射机发射功率，单位为W；GA表示：收发单端的天线增益；Lf表示：单端的馈线损耗；LC表示：单端附加损耗；LS表示：自由空间损耗。2.2.3干扰电平余量干扰电平余量的缩写为Id，它是指干扰信号经过空间信道传输到达接收机后，接收机的有效输入功率PI与接收机灵敏度PR的比值，其计算公式为式2.5：Id=PI/PR=[PFGA2/(Lf2LC2LS)]/[NFKTBS0/N0]（2.5）2.3扩频通信系统的优缺点通过以上分析，我们发现扩频通信系统与其他抗干扰技术相比具有以下特点：（1）保密性好。这是扩频通信在军事通信领域应用的主要原因。它隐藏在秘密通信中，很难找到和识别常用侦察和解密手段。（2）抗干扰能力强。它在抗窄带目标干扰、抗人宽带干扰和中继式干扰等方面具有很大的优势。它广泛应用于反电子对抗中。（3）具有多个访问功能，代码多路访问很容易实现。使用疑似随机序列而不断地用不同的模拟随机序列和不同的用户地址代码实现的代码的许多所在地的通信。（4）那是抗多径干扰和抗衰退的能力。频频通信系统的信号频谱展宽，频频系统抗频率选择性衰落的潜力。另外，一直有效地克服通信系统的多径干扰。由于上述优点，扩频通信也存在一些缺点，如：容易受到其他设备的干扰，干扰其他设备，从而降低整个通信系统的效率。这就要求扩频通信必须融合多种抗干扰技术。3扩频通信技术应用范围扩频通信技术的发展是从测距开始的，20世纪80年代以后，广泛地从军事上应用得很广泛，最近几年来在现代科学技术方面受到了广泛的应用，应用程序的范围不断扩大。3.1军事通信中的应用在军事通信中，不断地通信是最重要的通信技术的手段。它广泛应用于各种通信、信息系统、武器系统和C3I（指挥、控制、通信、信息系统）。在地面、海、空的作战通信中，通常不停地提高技术，提高通信站的干涉性，是干涉抵抗性和数字化发展的主流的战术无线。海湾战争，美国领导的联合军部队使用的全球定位系统（GPS），联合战术情报（JTIDS发放）、定位系统（PLRS）和大量的单通道地面和飞机系统（SINCGARS）。实际应用不停地充分证明技术，在军事通信系统中的重要性。3.2移动通信中的应用在民生通信中，不断地在新一代的数字移动通信系统中广泛应用，其目的是影响提高光谱利用率的影响、信道干涉。在CDMA系统采用频频技术被分配，独特的和随机的所有移动机的代码序列，并且是相互独立的，所有的移动台的信号，为了能容，所以一个通道的用户不断增加，光谱的利用率分频很多的所在地的通信系统的十倍左右，每面积容纳用户数约2500。另外，在移动通信中由于多径效果的衰退严重，不断利用技术有效地克服多径效果，影响移动通信的影响。3.3卫星通信中的应用直接序列扩（DSSS）技术和跳频技术军事卫星通信广泛应用。由于编码分割多重连接一直在系统的灵活性和网络中又超过了工作的用户数的增加的设计的负荷，从抗过负荷能力到民间卫星通信也得到了应用。民用卫星通信中，采用频频码分多址技术和伪随机序列直接扩展，扩大光谱信号的能源，以减少卫星系统的干扰。3.4测距定位中的应用全球定位系统（GPS）是一种卫星系统，它利用两个载波频率发送一个定位信号来区分CDMA卫星。每个卫星都有伪随机序列码类型。伪随机序列的宽度越窄，距离测量的精度就越高。同时，直接序列扩频（DSSS）技术的应用极大地提高了测距仪的抗干扰能力。此外，由于它使用无源定位，也就是说，用户不需要在定位过程中发送响应信号，因此系统所能容纳的用户数量不受限制，就像收音机对收听节目的无线电用户没有限制一样。GPS接收广泛应用于中国的军事和民用部门的设备，采用GPS定位系统进行定位。4扩频通讯技术发展趋势4.1优化扩频发射点设计自动化监控系统的功能。发射台自动化监控系统实现的功能是，将输入的多路信号源通过智能切换器选择一路信号输入到发射机中；采集发射机上的各项实时参数，通过嵌入式技术设备，将所采集到的发射机参数转换为计算机数字“流”输入到计算机系统中，并在工控机显示终端显示，供值机员实时查看；环境安防监控系统采用数字化监控技术，实时对发射机的烟感以及台区范围进行监测监视。为保证自动化监控系统的稳定运行，自动化监控系统采用分布式工业以太网数据总线结构，每个频率发射机对应一套采集传输设备，采集传输设备均可以脱离计算机监控系统独立工作，整个自动化系统不对发射机的正常工作产生任何干扰。研究分析通过室内小天线，接收发射机发射出去的模拟信号，然后将接收信号输送到多路可调谐解调器，解调出所需要监测频率的音频节目信号，最后通过多路音频编码器将模拟音频信号解码为数字节目信号，使用台内工业以太网将数字信号输入到工作站，让值机员很直观的查看信号的情况，同时将在音频信号数据通过远程监控网络实时传送到上级监测中心。优化数字视频技术。发射台的安防视频系统中主要采用的是数字视频技术，该技术很好地解决了发射台内对视频信号传输过程中干扰大的难题，打破了以往直接传输模拟信号，造成网纹干扰的问题。该技术通过分布式总线架构光纤传输组网的方式，保证每套监控设备的独立性、可靠性、安全性、高效性。该技术主要使用光纤编码器将摄像头的模拟信号转换为数字信号并进行编码，然后通过光纤线路传输到多路光纤解码器进行解码，最后输入到硬盘录像机客户端显示供值机员查看。该技术将模拟信号转换成数字“流”，通过光纤数字网络方式进行传输，从而大大降低中波发射台强电磁环境下对视频信号图像的影响。4.2完善分集接收器在信号发射之前需要使用伪码提高扩频增益，所使用的伪码序列越长则加密性能越好，在传输的过程中收到干扰的可能性就越小。但使用较长的伪码势必造成较长的信号捕获时间，会给传输速率造成影响。根据实践研究，扩频序列选取周期127的m序列，能获得较好的抗干扰能力和传输速率。因此，在使用过程中通常采用双相平衡调制方式来抑制载波提高发射机工作效率。在通信系统中，地面系统接收终端主要是对信息起接收作用，接收的过程分为解扩和解调两个步骤。解扩过程是伪随机码同步的情况下，对接收信号进行处理获得增益，从而改善系统误码性能。在信号进行解扩后，需要对信号进行解调处理，恢复为原有信号。直接序列扩频技术中常用的同步技术主要有伪随机码的同步、位同步、帧同步、载波同步几种，其中最为关键的技术是伪随机码的同步，直接决定了无