浅析超短波扩频通信技术的实现方法

2019-04-16冉钦川

科技传播 2019年6期

关键词：干扰

冉钦川

摘要超短波扩频通信具有信息容量大、传输性稳定、可靠性强等特点，同时可以运用码分多址技术，由此广泛应用于军事通信和民用通信中，而在扩频通信系统中，DS直接序列扩频应用最广泛。文章对直扩的基本原理和实现方法进行了介绍。

关键词直接序列扩频；PN序列；干扰

中图分类号 TN91 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2019）231-0076-02

通信已经成为了现在人类社会的一个重要标志，如何在恶劣的环境条件下保证通讯的有效性、准确性、迅速性是一个难题，超短波扩频通信是一种独特的通信方式，因为该方式抗干扰，传播稳定性好，防多径干扰，抗衰减和利用率高等多个优点，被广泛的使用到军事和民用通信中，推动了通信事业的快速发展。本文主要对DS（直扩方式）进行了初步的简介。

1 扩频通信系统

扩频通信系统是把需要传送的数据信息通过和伪随机码（PN码）进行调制处理再进行传输，接收机内部接收到信息后通过相关的编码进行解调处理，达到通信成功的目的。

这种通信用很窄的脉冲序列调制所传的信息，可产生很宽的频宽信号，扩频码序列则是很窄（码速率很高）的脉冲码序列。而理论原理基础来源于“信息论和抗干扰理论”，总体可以通过香农（Shannon）公式体现：C=Wlog2（1+S/N）

公式中，C为信道容量，单位为bit/s；？W为信号频带宽度，单位为Hz；S为信号平均功率，单位为W；N为噪声平均功率，单位为W；

C容量保持不变，而W和S/N可以互换，及当信号W频宽宽度增加，那么S/N的信噪比下降，系统的抗干扰能力增强。为了实现信息在外部复杂环境下安全的通信，扩频通信通常使用比信息宽度高上百倍或者千倍以上的宽带信息来进行传输，这也正是该通信方式的重要特点之一，及使用频谱的扩展获得较低的信噪比。

另外扩频信号的重要性能指标：处理增益GP，它表示为扩频信号带宽W与信息带宽B之比。GP指的是整个系统中信噪比的优劣程度，由数学表达式 Mj=Gp-（LS+S/N）中。可以简单推算得到，当Gp值变大时，对应的Mj值也将随之上升，该Mj值表示为系统的抗干扰容限，及通信系统抵抗外界环境干扰的最大能力值，所以信號可以在一定的噪声湮没下也能正常通信。

扩频通信具备以下几个特点：

1）抗干扰：主要利用了PN码的相关性和非相关性，在发射阶段通过调制及扩频处理，使信号宽带较宽，而在接收阶段通过采用相关检测方法进行解扩处理，把有用信号从宽带恢复成窄带，而干扰信号则扩展为宽带信号，在解扩后窄带信号只存在很少的干扰信号，信噪比很高，所以具备抗干扰？能力。

2）可以实现码分多址；在发送端充分利用各种不同码型的扩频码序列（正交或准正交）进行扩频调制，在接收端利用相关检测技术进行解扩，可以实现多个用户共享宽频带的CDMA，提高频谱利？用率。

3）抗衰落和抗多径干扰；信号频谱被扩展，频谱密度低，由衰落造成小部分频谱分量衰落时，不会使得信号造成严重的畸变，在CDMA（码分多址）系统中，可利用路径分集技术，有效克制多径效应。

2 DS直扩

DS直扩，及直接序列扩频，该方式是在发射阶段中对信号扩频时采用高码率的随机码序列；在接收阶段，再用完全相同的随机码序列去进行解扩处理，完成信号恢复原始状态。DS直扩是属于扩频通信中的一种，其他种类还有跳频（FH）系统、跳时（TH）系统、脉冲线性调频（Chirp）系统。

频谱的扩展是用数字化方式实现的。一个二进制码位的时段中用一组新的多位长的码型予以置换，则可以使码速率也提高很多倍，进而提高了码型的带宽，达到信号的频带扩展的效果。产生出来的高码速的伪随机码，其码位的长短直接影响到系统性能高低。例如，军队中使用的系统往往可以达到千位。每一个序列中可以使用的编码（正交码），两两组合后则可以用来代表不同的用户，系统再对信号进行编码，传送，接收并解算出基带信号实现解扩，从而得到不同用户的不同信息。DS直扩的实现原理则主要是序列的实现和信号调制的实现：

1）PN序列码的产生包含了两种：（1）M码序列：是移位寄存器序列，有移位寄存器加反馈产生，n级移位寄存器要求是最低位和最高位必有反馈信号。（2）GOLD码序列：满足码分多址的要求，实质是串联2个M码序列产生。

2）信号在进行调制时，主要分为两个部分；A扩频调制，及伪随机码和信息码的直接扩频调制，由于两者存在速率不一致，通常对信息码的波形进行水平扩展，扩展倍数则取伪随机码速率与信息码速率的比值。B载波调制，采用的是载波和扩频调制信号相乘，同样，由于扩频调制信号的码速率和载波频率不同，需要对扩频调制信号进行水平扩展，扩展倍数则取载波频率与扩频调制信号速率的比值。信号调制的实现如图2所示。

3）直扩信号传输过程，直扩的基带信号为双极性波形，发射中采用的是PSK调制，及基带信号与正弦载波相乘。其中载波、数据与PN码三者之间也都是相乘关系，因此整个传输过程中，PSK调制和扩频，解扩和PSK解调可以交换次序。？

简而言之，在发射阶段采用伪随机码先把有用数据信息进行扩频处理，再放到信道中进行传输。在接收阶段把该信号直接和发射机中同步的伪随机码进行解扩处理。有用信号就从宽带模式切换成窄带模式上来，干扰信号则被扩频到一个较宽的宽？带中。

3 CDMA

在DS直扩系统中，CDMA码分多址技术是非常重要的一项特点。信号分割技术是实现多址连接的理论基础。CDMA码分多址是移动通信中常用方式的一种，网内所有成员使用的都是同一个载波，使用的也是相同的带宽，网内成员能够在同一时间发送信号或者接收信号。所不同的是在各个成员的发射端采用的是各不相同、相互正交的地址码调制其要发送的信息码，在接收端则通过相关检测从众多信号中挑选出相应的信号。

而要实现码分多址技术，移动通信系统则需要具备一定的条件。首要条件就是要有足够的地址码，地址码要具有良好的自相关或互相关特性；再者，在接收阶段进行相关检测时，必须能产生和发射端完全同步的地址码；最后，码分多址系统必须和扩频技术相结合。CDMA系统收发的工作大概流程可见图3。