直接序列擴(kuò)頻通信抗干擾能力研究?

白春惠

（中國(guó)人民解放軍91404部隊(duì) 秦皇島 066001）

1 引言

擴(kuò)展頻譜通信（Spread Spectrum Communication）簡(jiǎn)稱(chēng)擴(kuò)頻通信，是一種信息處理傳輸技術(shù)，常見(jiàn)的擴(kuò)頻類(lèi)型有：直接序列擴(kuò)頻（DS）、跳頻（FH）、跳時(shí)（TH）和線性調(diào)頻脈沖（Chirp）等，另外，這些技術(shù)也常常組合起來(lái)使用，形成組合或混合類(lèi)型的擴(kuò)頻技術(shù)［1］。直接序列擴(kuò)頻（簡(jiǎn)稱(chēng)直擴(kuò)）是目前應(yīng)用較廣的一種擴(kuò)頻通信方式，即將基帶數(shù)據(jù)信號(hào)擴(kuò)展到一個(gè)很寬的帶寬上，來(lái)實(shí)現(xiàn)通信抗截獲和抗干擾［2］。直擴(kuò)具有抗干擾性強(qiáng)、低截獲率、碼分多址和抑制多徑效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用到多種通信系統(tǒng)，在軍事通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此，分析直擴(kuò)通信系統(tǒng)的抗干擾能力，研究提高直擴(kuò)通信的抗干擾方法，對(duì)提高直擴(kuò)通信的傳輸可靠性具有積極的意義。本文通過(guò)對(duì)直擴(kuò)通信的擴(kuò)頻處理增益進(jìn)行分析，研究直擴(kuò)通信的抗干擾能力，提出了提高直擴(kuò)通信抗干擾能力的方法。

2 直接序列擴(kuò)頻通信的基本原理

直擴(kuò)通信的原理如圖1，在發(fā)送端，用高速率偽噪聲碼（有時(shí)也稱(chēng)PN碼、偽隨機(jī)碼、偽碼）對(duì)要發(fā)送的信息碼流進(jìn)行基帶和中頻擴(kuò)譜調(diào)制，然后進(jìn)行射頻調(diào)制，在發(fā)送和傳輸中的信號(hào)帶寬主要決定于偽碼帶寬，且比原始信息帶寬大得多（即偽碼速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原始信息速率），其功率譜密度大大降低。在接收端，先用本地載波對(duì)接收的射頻信號(hào)進(jìn)行混頻，得到中頻已調(diào)直擴(kuò)信號(hào)，然后在中頻部分用與發(fā)送端相同的偽碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，將有用寬帶信號(hào)還原成窄帶信號(hào)，再經(jīng)解調(diào)單元恢復(fù)信息數(shù)據(jù)。同時(shí)對(duì)于在傳輸中引入的干擾信號(hào)，若與直擴(kuò)信號(hào)不相關(guān)，則對(duì)非相關(guān)干擾進(jìn)行“反直擴(kuò)”，濾除大部分非相關(guān)干擾［2～3］。

圖1 直擴(kuò)通信原理框圖

3 直擴(kuò)通信處理增益和干擾容限

由于直擴(kuò)通信系統(tǒng)通過(guò)在發(fā)端擴(kuò)展信號(hào)頻譜，在收端解擴(kuò)后恢復(fù)傳輸信息，給系統(tǒng)的輸出信噪比帶來(lái)了相對(duì)改善，提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力。通常會(huì)用“處理增益”和“干擾容限”兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力。經(jīng)典著作中，擴(kuò)譜通信的“處理增益”定義為擴(kuò)譜信號(hào)的總帶寬與信息帶寬的比值，即也有一些文獻(xiàn)定義為接收機(jī)解擴(kuò)器輸出信噪功率比與接收機(jī)的輸入信噪功率比之比，即這兩個(gè)定義并不矛盾，已經(jīng)證明，干擾信號(hào)通過(guò)直擴(kuò)通信系統(tǒng)后，功率消弱W/R倍，其中，W為PN碼序列帶寬，R為信息傳輸速率。直擴(kuò)通信可以通過(guò)增大處理增益提高抗干擾能力［6］。

干擾容限定義為擴(kuò)頻通信系統(tǒng)能維持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)正常工作（滿(mǎn)足正常解調(diào)要求的最小輸出信噪比）的實(shí)際抗干擾能力［2］，表示系統(tǒng)在某一干擾條件下能夠工作的能力，其表達(dá)式為M=G-(a +SNR)，G為擴(kuò)頻增益，a為系統(tǒng)損耗，SNR為要求的接收機(jī)信噪比［4，8］。

4 直擴(kuò)通信抗干擾能力分析

4.1 抗寬帶白噪聲干擾能力

理論上講，寬帶白噪聲應(yīng)具有無(wú)窮帶寬，將寬帶白噪聲作為直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾信號(hào)，其功率譜密度在解擴(kuò)前后不會(huì)發(fā)生變化［8］。

假設(shè)直擴(kuò)系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼采用m序列，且一個(gè)周期的擴(kuò)頻碼傳輸一個(gè)信息碼元，偽隨機(jī)碼碼元寬度為T(mén)c，一個(gè)周期內(nèi)包含N個(gè)偽隨機(jī)碼元，信息碼碼元寬度為 Td，Td=NTc，有擴(kuò)頻后射頻信號(hào)帶寬為

在干擾功率一定的前提下，假設(shè)為寬帶高斯白噪聲干擾，干擾帶寬大于等于直擴(kuò)信號(hào)帶寬，干擾信號(hào)的功率為Pj，則干擾信號(hào)輸入的雙邊功率譜為為便于分析，設(shè)wj=2fc，經(jīng)解擴(kuò)后，落在fo±fd頻帶內(nèi)干擾的雙邊功率譜為［9］

當(dāng)N較大時(shí)式（1）括號(hào)內(nèi)的數(shù)值接近1，經(jīng)解擴(kuò)后，干擾在載波附近的雙邊功率譜仍近似為

為輸出信噪比，（SNR）i為輸入信噪比。

4.2 抗單音干擾能力

假設(shè)為單音連續(xù)干擾，經(jīng)解擴(kuò)解調(diào)后，干擾的單邊功率譜可表示為［10］

式中：Aj為干擾信號(hào)的幅度，N為偽隨機(jī)碼的長(zhǎng)度，1/Tc為偽隨機(jī)碼碼元的寬度。從式（2）可以看出，單音連續(xù)干擾經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻解擴(kuò)后，其頻譜大大展寬。設(shè)信息碼元的寬度為1/Td，則一般中頻濾波器的帶寬為2/Td，而單音連續(xù)干擾經(jīng)過(guò)解擴(kuò)解調(diào)后得到的單邊功率譜的譜線間隔為1/Td，因此，可以通過(guò)中頻濾波器然后影響后端對(duì)信息碼元的恢復(fù)的分量最多有兩個(gè)，這里僅考慮有一根譜線進(jìn)入后端處理中影響信息碼元的判決的情形。當(dāng)wj=w0時(shí)，干擾功率；當(dāng) wj=w0±2pfc/N 時(shí) ，當(dāng)N較大時(shí)近似有

因此，當(dāng)fj=fo時(shí)，處理增益當(dāng)fj=fo+2fd附近時(shí)，處理增益（SNR）o為輸出信噪比，（SNR）i為輸入信噪比。

4.3 抗窄帶干擾能力

窄帶干擾的干擾帶寬與通信信號(hào)帶寬接近，能量較寬帶干擾更為集中，但經(jīng)直擴(kuò)系統(tǒng)解擴(kuò)后，能量會(huì)被擴(kuò)展，作用在信號(hào)上的能量會(huì)被消弱［8］。

假設(shè)為窄帶干擾，干擾帶寬為wj，干擾中心頻率為fj，干擾信號(hào)的功率為Pj，則干擾信號(hào)輸入的單邊功率譜為為便于分析，設(shè)fj=fo，經(jīng)解擴(kuò)后，落在fo±fd頻帶內(nèi)干擾的功率譜為［9］

設(shè)fj=fo+2Mf（dm=1，2，3……），經(jīng)解擴(kuò)后，落在fo±fd頻帶內(nèi)干擾的雙邊功率譜為［9］

比較式（4）和式（6）可知，此時(shí)在fj=fo+2fd附近，窄帶噪聲干擾對(duì)直擴(kuò)系統(tǒng)影響最大。

因此，當(dāng) wj=2fd，fj=fo時(shí)，處理增益當(dāng)wj=2fd，fj=fo+2fd附近時(shí)，處理增益

(SNR）o為輸出信噪比，（SNR）i為輸入信噪比。

4.4 抗其他直擴(kuò)通信信號(hào)干擾能力

文獻(xiàn)［6］對(duì)直擴(kuò)系統(tǒng)抗其他直擴(kuò)信號(hào)干擾能力進(jìn)行了詳細(xì)分析，為便于分析，其假設(shè)其他直擴(kuò)信號(hào)的擴(kuò)頻碼與本地直擴(kuò)系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼相同，但不相關(guān)，取極大值來(lái)估算干擾功率，推導(dǎo)出輸出信噪比，從而求出此時(shí)的處理增益其中R為偽碼速率，r為信息速率。文獻(xiàn)［7］則求出處理增益

由干擾容限的定義可以求出直擴(kuò)通信系統(tǒng)對(duì)不同干擾信號(hào)的干擾容限：M=G-(a +SNR )，G為擴(kuò)頻增益，a為系統(tǒng)損耗，SNR為要求的接收機(jī)信噪比［4，8］。

5 直擴(kuò)通信抗干擾改進(jìn)措施

從以上分析可以看出，直擴(kuò)通信系統(tǒng)對(duì)不同干擾信號(hào)的抗干擾能力有所不同，對(duì)以上干擾都有一定的抑制作用，但直擴(kuò)體制存在遠(yuǎn)近效應(yīng)，多址性能差，帶寬較寬時(shí)，帶內(nèi)強(qiáng)信號(hào)干擾產(chǎn)生的影響不容易解決，需要采取措施進(jìn)一步提高直擴(kuò)通信系統(tǒng)的抗干擾能力。

5.1 增加偽碼序列長(zhǎng)度

由本文分析可知，增加偽碼序列的長(zhǎng)度，可以提高直擴(kuò)通信系統(tǒng)的處理增益，使直擴(kuò)通信系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾能力，而且偽碼長(zhǎng)度增加后，更難進(jìn)行相關(guān)，偵查破譯的難度更大。所以，增加偽碼序列長(zhǎng)度是直擴(kuò)通信系統(tǒng)提高反偵察、抗干擾能力的一種有效方式。

5.2 采用自適應(yīng)陣列天線

自適應(yīng)陣列天線，也叫智能天線，是利用各信號(hào)空間特征的差異，采用相位控制的陣列天線技術(shù)，經(jīng)特定的參數(shù)加權(quán)算法處理，從而調(diào)節(jié)天線陣列的方向圖形狀，使發(fā)射和接收性能最佳。采用數(shù)字多波束形成技術(shù)和天線自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)，可使不同方向的用戶(hù)共享同一頻譜資源，實(shí)現(xiàn)同一信道上發(fā)射和接收的多個(gè)用戶(hù)之間相互不干擾［11］，使直擴(kuò)通信系統(tǒng)的抗干擾能力大大提高。

5.3 采用自適應(yīng)濾波技術(shù)

自適應(yīng)濾波技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種最佳濾波方法，是通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)濾波器的權(quán)系數(shù)，是通過(guò)濾波器的信號(hào)逐漸逼近期望信號(hào)［12］。應(yīng)用于直擴(kuò)通信系統(tǒng)中時(shí)，由于直擴(kuò)信號(hào)的帶寬很寬，并且較強(qiáng)的窄帶干擾比較容易識(shí)別和估計(jì)，可采用自適應(yīng)濾波器來(lái)抑制窄帶干擾和其它單頻干擾［4，11］，改善直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾性能。

5.4 采用RAKE接收技術(shù)

發(fā)射機(jī)發(fā)出的擴(kuò)頻信號(hào)，在傳輸過(guò)程中受到各種障礙物的反射和折射，到達(dá)接收機(jī)的每個(gè)波束具有不同的時(shí)延，形成多徑信號(hào)，對(duì)要接收的有用信號(hào)形成干擾；RAKE接收技術(shù)實(shí)際上是一種多徑分集接收技術(shù)，可以在時(shí)間上分辨出細(xì)微的多徑信號(hào)，對(duì)這些分辨出的多徑信號(hào)分別進(jìn)行加權(quán)調(diào)整，使之復(fù)合成加強(qiáng)信號(hào)，把原來(lái)的干擾信號(hào)變成有用信號(hào)。

5.5 跳碼直擴(kuò)技術(shù)

跳碼直擴(kuò)通信，是借用跳頻通信的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)固定碼型直擴(kuò)體制的一種擴(kuò)展，即選定M組直擴(kuò)碼的直擴(kuò)碼集，系統(tǒng)采用同一載頻，并按照跳碼圖案在M組直擴(kuò)碼上偽隨機(jī)地跳變［13］。和常規(guī)直擴(kuò)一樣，跳碼直擴(kuò)通信對(duì)多種非相關(guān)干擾有抑制作用，對(duì)于相關(guān)干擾，由于跳碼組是常規(guī)直擴(kuò)的M倍，難以進(jìn)行相關(guān)干擾或使相關(guān)干擾難以造成較大影響［14］，因此采用跳碼直擴(kuò)技術(shù)，能夠增強(qiáng)直擴(kuò)信號(hào)的反偵察、抗干擾能力。

5.6 采用混合擴(kuò)頻技術(shù)

可采用混合擴(kuò)頻技術(shù)改善通信系統(tǒng)的抗干擾能力，其中DS/FH（直擴(kuò)/跳頻）混合擴(kuò)頻是目前應(yīng)用較多的一種綜合擴(kuò)頻技術(shù)，能夠兼顧直擴(kuò)和跳頻的優(yōu)點(diǎn)，獲得比較大的處理增益，較好地解決了遠(yuǎn)近效應(yīng)等問(wèn)題［4］，提高了通信系統(tǒng)的反偵察、抗干擾能力。

6 結(jié)語(yǔ)

以上介紹了直接序列擴(kuò)頻通信的基本原理，詳細(xì)分析了直接序列擴(kuò)頻通信抗不同方式干擾的能力，給出了提高直擴(kuò)系統(tǒng)抗干擾能力的方法。通過(guò)以上分析可知，直擴(kuò)通信系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力，對(duì)不同方式干擾的抗干擾能力有所不同，可以通過(guò)技術(shù)手段增強(qiáng)直擴(kuò)通信的抗干擾性能，同時(shí)，更要在實(shí)際使用中探索戰(zhàn)術(shù)使用的有效方法，將技術(shù)手段和戰(zhàn)術(shù)使用有效結(jié)合，進(jìn)一步提高直擴(kuò)通信系統(tǒng)的抗干擾能力。