扩频通信系统抗窄带干扰及正弦波干扰性能研究.doc

个DS扩频通信系统抗窄带干扰及正弦波干扰性能研究 摘要人类社会进入到了信息社会，通信现代化是人类社会进入信息时代的重要标志。扩频通信就是现代通信系统中的一种新兴的通信方式，其较强的抗干扰、抗衰落和抗多径性能以及频谱利用率高、多址通信等诸多优点越来越为人们所认识，并且被广泛的应用于民用和军用通信，本文介绍的主要内容就与扩频通信相关。扩展频谱通信系统简称为扩频系统。本文通过对扩频技术基础理论的叙述以及DS 直接序列扩频通信系统基础理论和它的抗窄带干扰及正弦波干扰性能的介绍，运用数学分析、引用模型、MATLAB软件仿真的方法进行定性分析，并从仿真结果的图形直观说明DS系统的抗窄带及正弦波干扰性能。最后简单谈到了扩频通信的几种抗干扰技术。 关键词伪随机码、窄带干扰、干扰容限、处理增益DS spread spectrum communication systems and narrow-band interference sinusoidal interference Properties researchWang Hui(Grade 03,Class 9,Major electronics and information engineering ，Electronics and information engineering Dept.，Shaanxi University of Technology ，Hanzhong 723000，Shaanxi)Tutor: Chen LiAbstract:Human society have entered the information society, the important signs of the human society having entered the information was communications modernization. And the spread spectrum communication is the modern communications system as a new means of communication， Its strong anti-jamming and anti-fading and multi-path performance and high spectral efficiency、multi-site communications and many other advantages increasingly gaining recognition，And has been widely used in civil and military communications. in this paper the main elements related with spread spectrum communication. Spread spectrum communication system known as spread spectrum systems. Based on spread spectrum technology foundation of the narrative and DS direct sequence spread spectrum communication systems theory and the basis for its anti-narrow Sine Wave band jamming and interference with the performance of the briefing, Through the use of mathematical analysis, cited model, MATLAB simulation method for qualitative analysis, Simulation results from the graphic visual note DS system of narrow-band interference and the sine wave properties. On the end ,talking the spread spectrum communication of several anti-jamming technology.Key words：pseudo-random code, narrowband interference, jamming margin, processing gain引言41.绪论51.1扩频通信系统的发展概述51.2扩频通信系统的理论基础及优越性51.3仿真软件MATLAB概述72.DS扩频通信系统分析82.1DS扩频通信系统模型92.2DS扩频通信系统抗干扰性能分析102.2.1抗窄带干扰能力102.2.2抗单频正弦干扰能力122.2.3抗加性白噪声干扰能力（加性高斯白噪声或带限白噪声）122.2.4抗多径干扰132.2.5抗其它扩频信号干扰能力152.2.6 DS系统的处理增益与干扰容限163 DS扩频通信系统性能分析仿真183.1抗窄带干扰仿真及结果分析183.1.1建立抗窄带干扰仿真模型183.1.2编写仿真代码183.1.3仿真结果及其分析213.2抗正弦干扰仿真及结果分析213.2.1建立抗正弦干扰仿真模型213.2.2编写仿真代码223.2.3仿真结果及其分析254扩频系统的抗干扰技术254.1混合式扩展频谱系统264.2自适应天线抑制干扰技术264.3自适应滤波器抑制窄带干扰26结束语29致谢30参考文献31附 录32引言扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩展频谱通信技术是一种非常重要的抗干扰通信技术，目前已经被广泛运用在军事和民用通信系统中。最早扩频通信应用于军事领域，后来随着民用通信的频带拥挤日益严重，又由于近代微电子技术、信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的快速发展，与扩频通信有关的器件的成本大大地降低，从而进一步推动了扩频通信在民用领域的发展，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，它已经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。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。展望未来，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。因此，本人选择扩频通信抗干扰作为自己的毕业设计是对本专业的深入学习。这次的设计就是对自己综合能力的考试，希望通过这个设计拓展自己的一些思想方法。本文以DS直接序列扩频抗窄带和抗正弦波干扰作为主要的分析，还浅谈了其他的干扰。其中的分析方法主要就是数学分析和引用模型，对干扰信号和输出信号进行具体的数学分析定性的得出结论，其中输入的干扰信号过于理想化，但没有影响到分析的方向。例如：在分析窄带干扰时的输入信号就与干扰信号同频等带宽，这在实际中肯定不存在的。但通过最后MATLAB的仿真，与数学分析的结果作比较，发现在理想化的结果上做修正就能减少偏差。自己通过对DS扩频抗窄带和正弦干扰找到了分析通信信号干扰问题的方法，为以后分析类似问题提供了方法和研究的基础。1.绪论1.1扩频通信系统的发展概述 扩频通信(spread spectrum communication)是近年来迅速发展起来的一种通信技术。它具有很强的抗干扰能力,其多址能力、保密、抗多径、抗衰弱、能进行多址通信等能力也倍受人们的关注,已经广泛的应用于军事通信和民用通信。扩展频谱通信系统是指发送的信息被展宽到一个很宽的频带上,这一频带比要发送的信息带宽宽的多,在接收端通过相关接收,将信号恢复到信息带宽的一种系统,简称为扩展频谱系统或SS(Spread Specteun)系统。早期研究这种技术的主要目的是为了提高军事通信的保密和抗干扰的性能，因此这种技术的开发和应用一直是处于保密状态。美国在20世纪50 年代中期，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。以后，随着民用通信的频带拥挤日益严重，又由于近代微电子技术、信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的快速发展，与扩频通信有关的器件的成本大大地降低，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，它已经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。扩频技术在军事应用上的最成功的范例可以以美国和俄国的全球卫星定位系统(GPS和GLONASS)以及美军的联合战术分布系统(JTIDS)为代表；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。扩频的码分多址技术应用于蜂窝移动通信中时，大大降低了噪声和衰落的影响，同时还避免了复杂的频率分配和时隙划分等技术上的困难，并可以省去保护频带或时隙，极大地提高了蜂窝通信系统中小区的频率复用度，使信号频谱利用率得到提高。1990年1月，国际无线电咨询委员会(CCIR,现为ITUR)在研究未来民用陆地移动通信系统的计划报告中已明确地建议采用扩频通信技术5。美国已制定出了基于CDMA蜂窝技术的IS-95标准，Samsung、Motorola等公司也已相继推出了各自的CDMA移动通信商用实验网且已开通运行，并取得了良好的效果。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。面对全世界范围内对移动通信日益增加的要求，CDMA将是无线通信中最主要的多址介入手段。在本世纪，扩频技术将得到更加广泛的应用。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，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扩频通信系统的理论基础及优越性在传统的通信系统中对信号的要求就是：在保证正常通信质量的前提下，为了在系统所允许使用的射频带宽中尽可能多的传送信息，就要求信号的带宽不要过宽，一般信号的带宽和信息的带宽是接近的。传统的通信系统就是采用这种带宽系统，称之为窄带系统。在扩频通信系统中，对输入信号的要求以及窄带概念是信息论的奠基者Claude E.Shannon在20世纪40年代提出的。根据传输信道容量的理论公式10，即Shannon公式： (1-1)式中： C即信道容量，也就是信道可能传输的最大信息速率；B为信道带宽；N为噪声平均功率；S是信号的平均功率。 若白噪声的功率谱密度为,噪声功率N= B,则信道容量C可表示为 (1-2)从上式可以看出：，B，S确定之后，信道容量C也就确定了。由Shannon第二定理可知，若信源的信息速率R小于或等于信道容量C，通过编码，信源的信息能以任意小的差错概率通过信道传输。为了使信源产生的信息能以尽可能高的信息速率通过信道，所以提高信道容量是大家期望的。因此，在信噪比很小的情况下，可以用增加信道带宽的方法来提高系统的抗干扰性能，保证信道容量不变。也就是说：在信道容量相同的条件下，宽带系统比窄带系统要好，所以信噪比太小而不能保证通信质量时，可以采用增加带宽的方法来改善通信质量。设Bs表示传输信号时所占有的带宽(信号带宽)，B0表示原始信号(信息带宽)，则可以把通信系统按Bs/B0的比值分为三类5：由于扩频技术在传输扩频信号时，发射信号的平均功率保持不变，仅仅是将要传输信号的频带扩展，再进行传输，因此扩频通信系统在信道上传输的信号功率谱密度就很低。这种系统可以在信噪比很小的情况下，甚至在信号已被噪声淹没的情况下，仍可保持可靠的通信。另外，根据柯捷尔尼可夫关于信息差错传输概率的公式13为： (1-3) 式中：为差错概率，为信号能量，为噪声功率谱密度。 (1-4)式中：为为信息持续时间，为信息带宽 (1-5)因此，可通过提高处理增益GP降低对（信噪比）的要求，在强干扰条件下保证可靠安全的通信。扩频通信的基本特点是传输信息所用的信号带宽远大于信息本身的带宽，也因为如此，扩频通信具有一些其它通信方式无法比拟的优越性：（1）扩频通信最为显著的优越性是其极强的抗干扰性。扩频系统的抗干扰能力主要取决于系统的扩频增益，或称之为处理增益。理论上讲它可以在信噪比为负值（-1.6dB），即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，即使采用同类型的信号干扰，也由于扩频序列之间的不相关性，干扰只存在于信号频带的一小部分，而干扰信号功率被分散到很宽的频带上，谱密度降低，提高了输出信噪比。（2）扩频通信的另一个优越性是其隐蔽性好。由于扩频信号的频带较宽，所以信号的功率谱密度很低，敌方不容易发现信号的存在，在战争中，扩频信号的被截获率很低，可以进行隐蔽通信。从民用通信方面来说，由于扩频信号的隐蔽性好，它对目前使用的各种窄带通信系统干扰很小。理论和实验证明，在原有的窄带通信的频带内同时进行扩频通信，不需要分配另外的频段，即可实现。（3）扩频通信可以很容易地实现多址通信，提高频带的利用率。由于扩频通信中存在扩频序列的扩频调制，利用不同码型的扩频码序列之间优越的自相关性和互相关性，对不同的用户分配不同的码型，使多个用户公用一个宽频带，提高了系统的容量。这种多址方式还有利于组网、选呼、增加保密性及解决新用户随时入网，适合于机动灵活的战术通信和移动通信。除此之外，扩频通信还具有良好的抗多径干扰、抗衰落的能力，使无线通信的性能变得更加可靠。除通信以外，扩频系统还可用于定时、定位及测距，应用在导航、雷达等系统中。1.3仿真软件MATLAB概述MATLAB原意为“矩阵实验室MATrixLABoratory”，它是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，主要适用于矩阵运算及控制和信息处理领域的分析设计，而且是专门针对科学和工程计算和绘图的需求而开发的。它除了传统的交互式编程之外，还提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据和图象处理、Windows编程等便利工具。MATLAB还配备了大量工具箱，特别是还提供了仿真工具软件SIMULINK。MATLAB在80年代一出现，首先是在控制界得到研究人员的瞩目。随着MATLAB软件的不断完善，特别是仿真工具SIMULINK的出现，使MATLAB的应用范围越来越广。随着MATLAB库函数和仿真工具箱的不断扩充，使其在系统仿真与分析、信号处理、图像处理等方面的应用也越来越广泛。MATLAB 具有 3 大特点：（1）功能强大，包括数值计算和符号计算，计算结果和编程可视化，数学和文字统一处理，离线和在线皆可计算；（2）面友好，语言自然。MATLAB 以复数矩阵为计算单元，指令表达与标准教科书的数学表达式相近；（3）开放性强。MATLAB 有很好的可扩充性，可以把它当作一种更高级的语言去使用，可容易地编写各种通用或专用应用程序。正是由于 MATLAB 的这些特点，使它获得了对应用学科（特别是边缘学科和交叉学科）的极强适应力，并很快成为应用学科计算机辅助分析设计、仿真、教学乃至科技文字处理不可缺少的基础软件，成为欧美高等院校、科研机构教学与科研必备的基本工具。在 MATLAB 中，Simulink 是一个比较特别的工具箱，它具有两个显著的功能：Simu（仿真）与 Link（链接），是实现动态系统建模、仿真的一个集成环境。具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点，可大大提高系统仿真的效率和可靠性；同时进一步扩展了 MATLAB 的功能，可实现多工作环境间文件互用和数据交换。Simulink 提供了友好的图形用户界面（GUI），模型由模块组成的框图来表示，用户建模通过简单的单击和拖动鼠标的动作就能完成。Simulink 的模块库为用户提供了多种多样的功能模块，其中有连续系统（Continuous）、离散系统（Discrete）、非线性系统（Nonlinear）等几类基本系统构成的模块，以及连接、运算模块。而输入源模块（Sources）和接收模块（Sinks）则为模型仿真提供了信号源和结果输出设备。本文就是利用编制MATLAB仿真m文件进行DS扩频通信系统的性能仿真及其分析。2.DS扩频通信系统分析图2-1为直扩系统的组成框图。由信源输出的信号a(t)是码元持续时间为Ta的信息流,伪随机码产生器产生的伪随机码为C(t),每一伪随机码码元宽度或切普宽度为Tc。将码元a(t)与伪随机码C(t)进行模2加,产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列,然后再用扩频序列去调制载波,这样就得到已扩频调制的射频信号。在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频后，用于发端同步的伪随机序列对中频的扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息序列a(t)的频带，即为中频调制信号。然后在进行相关解调，恢复出所传输的信息a(t),从而完成信息的传输。对于干扰信号和噪声而言，由于与伪随机序列不相关，在相关解调器的作用下，相当于进行了一次扩频。干扰信号和噪声频谱被扩展后，其谱密度降低，这样就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率和噪声功率，使解调器的输入信噪比和信干比提高，从而体现出系统的抗干扰能力。可见，一般的扩频通信系统都要进行3次调制和相应的解调。一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。与一般通信系统比较，多了扩频调制和解扩部分。扩频通信应具备如下特征：(1)数字传输方式；(2)传输信号的带宽远大于被传信息带宽；(3)带宽的展宽，是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息的信源重新进行调制实现的；(4)接收端用相同的扩频函数进行相关解调(解扩)，求解出被传信息的数据。用扩频函数(也称伪随机码)调制和对信号相关处理是扩频通信有别于其他通信的两大特点。扩频通信系统按其工作方式可分为以下几种：（1）直接序列扩展频谱系统(DS-SS)：它是由于待传输信号与高速率的伪随机码波形模2加后，去直接控制射频信号的某个参量，扩展了传输带宽而得名。(2）跳频系统(FH-SS)：数字信息与二进制伪码序列模2相加后，去离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变。跳变系统可以随机选取的频率数通常是几千到个离散频率。每次频移是根据信息和伪码序列的状态加权所得到的随机数来选取频率。（3）跳时扩频系统(TH-SS)：跳时是用伪随机序列去控制信号的发射时刻和持续时间。（4）混合式：以上三种基本扩频方式中的两种或多种结合起来，便构成了一些混合扩频方式。2.1DS扩频通信系统模型以伪随机序列作为扩频函数的直接序列扩展频谱通信为例，来研究其系统模型。图2-1为其基本组成框图，由信号源输出的信号是码元持续时间为的信息流，伪随机码产生器产生高速伪随机码，码元宽度为，将信息码与伪随机码进行相乘或模二加，产生一个速率与伪随机码速率相同的扩频信号，信号的频带得到扩展，再去调制载波，这样就可以得到已扩频调制的射频信号。 (2-1)在接收端，接收到的扩频信号经高频放大和混频后(图中已经略去)，用与发端同步的、且完全相同的伪随机码对中频扩频信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息码的频带，恢复出所传输的信息，完成信息的传输。对于干扰和噪声，由于与伪随机码不相关，接收机的相关解扩相当于又进行了一次扩频，将干扰信号和噪声的频谱扩展，降低了功率谱密度，这样就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪比提高，从而提高了系统的抗干扰能力。接收端发射端高放混频解扩解调本振PN码同步信源扩频调制PN码振荡器图2-1 直扩通信系统基本组成框图2.2DS扩频通信系统抗干扰性能分析这里所讨论的扩频信号的抗干扰性能主要从频域来讨论它的，首先讨论在没有干扰情况下扩频信号的功率密度谱函数。设扩频以后的信号是幅度为1的双极性矩形脉冲随机序列，其码元宽度即为伪随机码宽度，发1和发0的概率p相等，都是1/2, 直接序列扩频信号的功率谱密度：得： (2-2)式中：和是0码和1码信号频谱。信号占用带宽为，当伪随机码速率越高，信号带宽越宽。如果用伪随机码对载波进行调制，将得到相位键控信号P(t)，根据调制定理，已调信号的功率谱密度可写成： (2-3)式中：A是数字信号与载波相乘后的总振幅；为发端载波频率，调制后信号占用频带为。由此求出随机序列的自相关函数。在图2-1扩频接收机中，PN码发生器发出的伪码为K(t)，相位调制器输出(系数2是为了使输出信息信号完全恢复)。为接收端本振频率。基带滤波器带宽为r(等于信息速率)。 (2-4)如果接收到有用信号： 式中：S为信号功率；C(t)为信息码；m(t)为发送扩频随机码；为发端信号载波频率；为发端信号载波频率相位。很容易看出，当K(t)=m(t)即收发伪码相同时，且达到同步,K(t)m(t)=1。若此时收发载波同步,则： (2-5)基带滤波器滤除高频分量，则接收信号：信息全部恢复出来，功率等于S。接收信号的能量全部恢复出来。如果输入信号是各种干扰信号，则形成干扰。下面将分别讨论。2.2.1抗窄带干扰能力对于窄带干扰而言，单频干扰可看作它的特殊形式，窄带干扰信号可以看成是包络服从瑞利分布，相位服从均匀分布的随机过程，而且窄带过程的包络和相位是相互独立的随机变量。由于从频域定量分析DS扩频系统对它的抗干扰性比较复杂，这里从频域定性的分析其性能。设窄带干扰信号中心频率为，带宽为，且，。输入相关器的干扰功率为，功率谱密度为，那么解扩后干扰信号的输出功率为： (2-6)由于的带宽为，的带宽(主瓣带宽)为，而，因此与卷积后的带宽应为，可以认为是将干扰信号的功率重新分配到频带上，且基本上是均匀的10，图2-2所示为直扩系统对干扰信号的相关处理过程。干扰信号输出f相关前输出干扰信号输出f相关后输出干扰信号输出f滤波后输出 图2-2 直扩系统对干扰信号的相关处理过程对干扰而言，干扰功率在解扩后基本不变，则解扩后干扰信号功率谱密度必然降低，与其扩频频带的倍数成反比。所以： (2-7)由此可得直扩系统抗窄带干扰的能力为： (2-8)此式是在干扰信号与有用信号同频等带宽条件下得到的，如果干扰信号的频率和带宽与有用信号相偏离，其结论需要一定的修正，但总之，直扩系统抗窄带干扰的性能可由系统得处理增益描述10。同样，在窄带干扰的情况下，系统得到了高的处理增益，所以DS扩频通信系统对窄带干扰也有很好的抑制作用。2.2.2抗单频正弦干扰能力设单频正弦干扰信号，其功率为，相关器输出： (2-9)取差频项（基带滤波器是低通滤波器），若差频落入通频带内，则形成干扰。根据前面的功率谱公式和调制定理，不难求出输出的功率谱密度： (2-10)若正好落入接收机相关器后面的基带低通滤波器内，就会形成干扰。认为干扰信号谱密度为双边谱，近似地取其峰值，则通过基带滤波器的干扰功率。相关器输入的信噪比；输出信噪比处理增益。对于单频正弦干扰信号处理增益等于伪码速率和信息速率之比(对该干扰无2倍DSB处理增益)。一般情况下如前所述，伪随机码的速率是兆的数量级有的甚至达到几百兆1,所以DS系统对单频正弦干扰信号的处理增益很高。2.2.3抗加性白噪声干扰能力（加性高斯白噪声或带限白噪声）设白色高斯噪声双边功率谱密度为，先不考虑输入宽带滤波器的带宽，相关器输出的干扰： ( 2-11)令：则有： (双边谱) (2-12)结果表明，白色高斯噪声通过相关器后功率谱密度不改变。因输入滤波器带宽为2R，输出滤波器带宽为r，处理增益： 。 (2-13)扩频系统对于白噪声处理增益很高，正比于伪码速率和信息速率之比。这是它抗干扰能力很强的根本原因。2倍是双边带调制系统(DSB)引起的处理增益。一般伪随机码的速率是兆的数量级，有的甚至达到几百兆，目前国外已有1000Mbps的超高速伪随机码1，而待传信息流经编码器编码后的码速率较低，如数字话音信号一般为3264kbps，甚至更低采用这些伪随机码扩频，就扩展了信息的频谱，处理增益是很高的。如果考虑输入是一个宽带滤波器，计算结果的差别只是积分限制在伪码频谱主瓣之内，计算较复杂，但按前面结果来估算系统的抗干扰性能应是足够满足要求了1。2.2.4抗多径干扰多径干扰是一种在通信中，尤其是移动通信中常见的且影响很严重的干扰，它属于乘性干扰10。多径干扰是由于电波在传播过程中遇到各种反射体(如电离层，对流层，高山和建筑物等)引起的反射或散射，在接收端收到的直接路径信号与反射路径信号产生的群反射信号之间的随机干涉形成的，如图2-3所示。直射路径反射路径图2-3 多经效应示意图图2-4为多径传输基带合成波形。多径的形成与电台所处的环境，地形，地物等有关。由于多径干扰信号的频率选择性衰落和路径差引起的传播时延，使信号产生严重的失真和波形展宽并导致信息波形重叠。这不但能引起噪声增加和误码率上升，使通信质量降低，而且可能使某些通信系统无法工作。先到波形后到波形合成波形图2-4 多径传输基带合成波形设接收机收到的信号为，发射信号为，则： (2-14)式中分别为第i条路径的接收信号的振幅，传播时延，附加相位，大量观察表明，与随时间的变化与发射载波的周期相比通常要缓慢得多，因此上式可写为： (2-15) 式中： 由于与可认为是缓慢变化的随机过程。因此，V(t)与以及Xc(t)与Xs(t)均为缓慢变化的随机过程，r(t)为一窄带过程。由式可知：第一，从波形上看，多径传播的结果使单一频率的确知信号变成了包络和相位受到调制的信号，这样的信号称为衰落信号；第二，从频谱上看，多径引起了频率弥散，即由单一频率变为了一个窄带频谱。一般情况下，V(t)服从瑞利分布，服从均匀分布，则可将r(t)看为窄带随机过程。多径传播造成了衰落及频率弥散，同时还可能发生频率选择性衰落，即信号频谱中某些分量的一种衰减现象，其与多径传播的相对时延差有关。设最大多径时延差为，则定义为多径传播媒质的相关带宽。如果传输波形的频谱宽于，则该波形将产生明显的频率选择性衰落。由此可见，为了不引起明显的频率选择性衰落，传输波形的频带必须小于多径传输媒质的相关带宽。直扩系统具有较强的抗多径干扰的能力，其抗多径效应的机理：(1) 直扩系统是一种宽带系统，尽管在通信中一部分频谱可能被衰落，但不会带来太大的恶化。从这点讲，频谱扩展可以是一种频率分集。(2) 伪随机序列具有尖锐的自相关性，因而对多径效应不敏感。当多径时延扩散小于一个伪码宽度时，反射信号与有用信号叠加，被视为信号的一部分，对有用信号幅度有影响，但不产生对伪码宽度的展宽或压缩。当多径时延超过一个伪码宽度时，可把多径信号视为噪声处理，相关接收后多径信号就可以去掉。(3) 当码元相当窄且伪码码长很长时，系统的频谱很宽，反射回来的多径频率分量不可能同时到达接收点，形成的多径干扰信号就被削弱，对接收有用信号影响不大。综上所述，由于DS系统的宽带传输和PN码优良的特性，使其具有抗多径效应的能力。这为一直困扰着无线通信的多径效应问题提出了一种很好的通信方式，即扩频通信。2.2.5抗其它扩频信号干扰能力随着现代无线通信技术的发展，频谱资源越来越宝贵而且显得短缺，所以在传统通信技术上，人们总是试图使发射信息的带宽足够窄，我们称之为窄带通信。但扩频通信恰与此相反，它是个宽带传输系统。由于它的接入方式是码分多址，所以多个用户可以在同一个频率下进行通信，只用码型来区分用户，所以它的容量很大。但与此同时由于多个用户是在一个频率下进行通信的所以存在多址干扰的问题。这部分的讨论，只讨论简单的情况，即只有一个干扰用户的情况。对于进入接收机的其它扩频信号干扰，。式中:m(t)是其它扩频码，码速率与本地参考码相同，但不相关，幅度已归一化；I是其信号功率，是干扰信号载波，其自相关函数为： （2-16）设本地参考信号为同上法可求得自相关函数为： （2-17）相关器输出。因两信号不相关(设两码元宽度相等)，其相关函数为各相关函数之乘积(其中是本地信号波)。 （2-18）功率谱为相关函数的付氏变换，即： （2-19）式中：，当时达到最大值。如果恰好落在频内，引起干扰输出。仍取其极大值来估算干扰功率通过基带滤波器的干扰功率：，也就是输出信噪比：，S是恢复的信号功率。不难求出，此时的处理增益： （2-20）可见系统对扩频干扰的抑制同样有效。这是由于其它扩频干扰信号受到相关器再次扩频的缘故。2.2.6 DS系统的处理增益与干扰容限处理增益与干扰容限是扩频系统的两个重要的抗干扰指标。 通常在衡量扩展频谱系统抗干扰能力优劣时，我们引入“处理增益” （Processing Gain）的概念来描述，其定义为：在扩频系统中，传输信号在扩频和解扩的处理中，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，它是接收相关处理器输出与接收机的输入信噪比的比值，即： （2-21）对于直扩系统，解扩器的输出信号功率不变，但对于干扰信号而言，由于解扩过程相当于干扰信号的扩展过程，干扰功率被分散到很宽的频带上，进入解调器输入端的干扰功率相对解扩器输入端下降很大，即干扰功率在解扩前后发生了变化。因此，对于直扩系统而言，其处理增益就是干扰功率的减小倍数。一般情况下，它表示经扩频接收系统处理后，使信号增强的同时抑制输入接收机的干扰信号能力的大小。越大，则抗干扰能力愈强。因此讨论扩频系统抗干扰能力，就要分析它的处理增益。换句话说，处理增益的物理意义表明采用扩展频谱技术后，该系统接收信号的信噪比在相关处理后与相关处理前的数值差异。根据香农定理，在保持信息容量不变时，可以把系统输入与输出信号噪声功率之比，转换为系统扩频带宽与信息带宽之比，或换为伪码速率与信息速率之比。用数学表示式表示为： （2-22）工程上可按下面式子计算，对于DS（直扩）系统： （2-23）R为信号数据的速率；为信号的射频带宽。对 BPSK、QPSK、OQPSK、PAM调制9，(为伪码速率,chip rate;或称PN码时钟速率，code clock rate）；对典型的MSK调制，。若没有以上参数，可按 来估算。扩展频谱系统处理增益的大小决定了系统抗干扰能力的强弱。目前国外在工程上能实现的处理增益对DS-SS可以达到70d B9 。并不是说当干扰信号的功率电平与有用信号的功率电平之比，等于系统的处理增益时，相关处理后还能实现通信功能。例如，设系统处理增益为50d B时，而输入到接收机的干扰功率电平为信号电平的10倍，即信噪比为-50d B时，显然此时系统就不能正常工作了。因此这里引入一个“干扰容限”的概念，用它来表示扩展频谱系统在干扰环境中的工作能力。干扰容限（Jamming Margin）考虑了一个可用系统输出信噪比的要求，而且顾及了系统内部信噪比损耗（包括：射频滤波器的损耗，相关处理器的混频损耗，放大器的信噪比损耗等）。因此干扰容限定义为9:在保证系统正常工作的条件下，接收机允许输入干扰信号比有用信号高出的分贝数。用表示，有 （2-24）式中：为干扰容限；为系统的处理增益；为扩频系统的内部损耗（解扩非线性造成的）；为相关解扩输出端（即基带滤波器输出）要求的信噪比。例如，一个扩频系统的处理增益为35d B，要求进入基带解调器的最小输出信噪比,系统损耗，其干扰容限为:这就是说扩频系统的输入干扰功率电平，最多只能比信号高22d B条件下，系统才能正常工作。亦即具有35d B处理增益的扩频系统，在考虑保证基带数字解调器要求有10d B信噪比以及系统损耗为3d B的条件下，系统要正常工作的输入信噪比应为-22d B。在实际工程应用中，扩频接收机的相关解扩和解调器中的乘法器，达不到理想的线性要求，其非线性及码元跟踪误差导致信噪比损失，且在输入信噪比很低时存在门限效应。因此扩频接收机实际上容许输入的干扰与信号功率比，较干扰容限还要低。当实际的输出S/N值比理论值下降1d B时，所对应的干扰信号与有用信号比值称为干扰门限。应用上述判断条件应注意接收机的干扰门限问题，当干扰信号与有用信号比值超过一定值时，实际的输出S/N值急剧下降，与理论计算得出的值相比存在较大的差距。若则扩频接收机将受到不可接收的干扰。3 DS扩频通信系统性能分析仿真3.1抗窄带干扰仿真及结果分析3.1.1建立抗窄带干扰仿真模型 DS扩频系统的抗窄带干扰性能模型如下图3-1所示，这里的干扰信号用的是窄带高斯随机过程。窄带高斯随机过程的特点就是：包络服从瑞利分布，相位服从均匀分布。由于MATLAB没有直接产生瑞利分布的函数，故间接产生窄带高斯随机过程。通过采用均匀随机过程到瑞利分布随机过程映射的方法来产生服从瑞利分布的包络，具体过程参考附录12 。同样，仿真的结果也是在不同的信噪比条件下其误码率的曲线。误码率同样用对数表示。仿真的结果如图3-2所示。均匀RNG 重复Lc次PN码比较差错计数器WGN窄带信号检测器图3-1 DS扩频系统抗窄带性能分析仿真模型3.1.2编写仿真代码主函数：echo onLc=20;W0=1; %窄带干扰信号的中心频率SNRindB=0:2:30;for i=1:length(SNRindB) smld_err_prb(i)=wubitlv(SNRindB(i),Lc,W0); echo offend;% 绘制仿真结果曲线，误码率用对数表示echo onsemilogy(SNRindB,smld_err_prb);axis(0,10,0,10-1);xlabel(信噪比Eb/N0);ylabel(误码率Pb);title(DS系统在窄带干扰下的误码率曲线)子函数：%计算误码率的m文件function p=wubitlv(snr_in_dB,Lc,W0)snr=10(snr_in_dB/10);sgma=1;Eb=2*sgma2*snr;E_chip=Eb/Lc;N=10000;num_of_err=0;%生成一个待传的随机信息符号for i=1:N temp=rand; if (temp0.5) data=-1; else data=1; end;% 将一位信息比特重复LC次 for j=1:Lc repeat_data(j)=data; end; % 生成PN码 for j=1:Lc temp=rand; if (temp0.5) pn_seq(j)=-1; else pn_seq(j)=1; end; end;% 待传输的扩频信号trans_sig=sqrt(E_chip)*repeat_data.*pn_seq;%高斯白噪声noise=sgma*randn(1,Lc);% 生成窄带高斯随机过程zhongzi=20;ray_fudu=ray_sig(zhongzi); %调用由均匀随机变量到瑞利分布 %变量的函数，具体过程见附录AB Ajunyun_xiangwei=rand(1,zhongzi); %产生窄带干扰信号的均匀相位%产生窄带干扰信号n=(i-1)*Lc+1:i*Lc;interference=ray_fudu.*cos(W0*n+junyun_xiangwei);%接收机接收的信号rec_sig=trans_sig+noise+interference;%进行解扩temp=rec_sig.*pn_seq;%进行输出判决decision_variable=sum(temp);if (decision_variable0) decision=-1; else decision=1; end; if (decision=data) num_of_err=num_of_err+1; %误码计数 end;end;p=num_of_err/N; %误码率计数器3.1.3仿真结果及其分析图3-2 DS系统在窄带干扰下的误码率曲线仿真结果曲线如图3-2所示，同样参考附录ABB，从图可以看出当S/N=6dB后，系统得语音质量就可达到3。而且从曲线可以看出，S/N=4dB后曲线就比较弯曲，也就是说，当S/N=4dB后，信噪比增加一点就可以很大程度上减小误码率，提高系统的语音质量。且在S/N大约为8dB时误码率大约为0。可见系统对窄带干扰具有较好的抑制作用。3.2抗正弦干扰仿真及结果分析3.2.1建立抗正弦干扰仿真模型由于在AWGN(高斯噪声)信道中,直扩BPSK方式的误码率和传统的未扩频BPSK调制方式的误码率相同19，同时由于本文讨论的是扩频为系统带来的性能，故为了简化仿真模型，我们省略BPSK调制，以下几个模型作了同样的省略。同时我还假设系统的PN码同步问题是理想状态，即PN码是完全同步的，同样以下几个模型也作了同样的假设。我们在上面的理论基础上引用DS扩频通信系统抗正弦干扰仿真模型如图3-3所示。模型中随机数发生器产生一系列二进制(1)信息数据,每个信息比特重复Lc次,Lc对应每个信息比特所包含的伪码码片数。包含每一比特Lc次重复的序列与另一个随机数发生器产生的PN序列c(n)相乘，相当对信息进行了扩频调制。由于我们讨论的是在加性白噪声环境下的信道，所以用WGN产生高斯白噪声。然后加入方差为的高斯白噪声和形式为的正弦干扰,其中0,且正弦干扰信号的振幅满足条件ALc,在解调器进行与PN序列的互相关运算, 并且将组成各信息比特的Lc个样本进行求和(积分运算)。加法器的输出送到判决器,将信号和门限值0进行比较,确定传送的数据为+1还是-1,计数器用来记录判决器的错判数目。仿真结果如图3-4所示，误码率用对数表示。均匀RNG 重复Lc次检测器PN码比较差错计数器WGN正弦发生器图3-3 DS扩频通信系统抗正弦干扰仿真模型3.2.2编写仿真代码主函数： echo onLc=20; %每个信息比特为对应的PN码片数A1=3; %第一个正弦干扰信号的幅度A2=7; %第二个正弦干扰信号的幅度A3=12; %第三个正弦干扰信号的幅度A4=0; %无正弦干扰情况下W0=1; %正弦干扰信号的频率SNRindB=0:2:30; %要求的信噪比范围%计算在不同幅度正弦干扰信号的误码率for i=1:length(SNRindB) smld_err_prb1(i)=wubitlv(SNRindB(i),Lc,A1,W0); smld_err_prb2(i)=wubitlv(SNRindB(i),Lc,A2,W0); smld_err_prb3(i)=wubitlv(SNRindB(i),Lc,A3,W0);echo offend;%计算在无正弦干扰信号情况下的误码率echo onSNRindB4=0:1:8;for i=1:length(SNRindB4)mld_err_prb4(i)=wubitlv(SNRindB(i),Lc,A4,W0);echo offend;%绘制仿真结果曲线，误码率用对数表示semilogy(SNRindB,smld_err_prb1,SNRindB,smld_err_prb2,SNRindB,smld_err_prb3,SNRindB4,smld_err_prb4);xlabel(信噪比Eb/N0);ylabel(误码率Pb);title(DS系统在不同振幅的正弦干扰下的误码率曲线)子函数：%计算误码率的m文件function p=wubitlv(snr_in_dB,Lc,Ac,W0)snr=10(snr_in_dB/10);sgma=1;Eb=2*sgma2*snr; %每位信息比特的能量E_chip=Eb/Lc; %每个码片的能量N=10000; %待传输的信息符号数num_of_err=0;%生成一个待传的随机信息符号for i=1:N temp=rand; if (temp0.5) data=-1; else data=1; end; % 将一位信息比特重复LC次 for j=1:Lc repeat_data(j)=data; end; % 生成PN码 for j=1:Lc temp=rand; if (temp0.5) pn_seq(j)=-1; else pn_seq(j)=1; end; end; % 待传输的扩频信号 trans_sig=sqrt(E_chip)*repeat_data.*pn_seq; noise=sgma*randn(1,Lc); %高斯白噪声 % 生成单频率正弦干扰信号 n=(i-1)*Lc+1:i*Lc; interference=Ac*sin(W0*n); %接收机接收的信号 rec_sig=trans_sig+noise+interference; temp=rec_sig.*pn_seq; %进行解扩 %进行输出判决 decision_variable=sum(temp); if (decision_variable0) decision=-1; else decision=1; end; if (decision=data) num_of_err=num_of_err+1; %误码计数 end;end;p=num_of_err/N; %误码率计数器 3.2.3仿真结果及其分析