直接序列擴(kuò)頻通信抗干擾性能分析

摘 要 簡述了直接序列擴(kuò)頻通信基本原理，討論了直接序列擴(kuò)頻通信的特點(diǎn)，對直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力進(jìn)行研究，最后提出了幾種用于提高該通信系統(tǒng)抗干擾能力的具體方法。

關(guān)鍵詞 直接序列擴(kuò)頻 通信抗干擾 通信對抗

1 引言

擴(kuò)頻通信即擴(kuò)展頻譜通信（Spread Spectrum Communication），與光纖通信、衛(wèi)星通信一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時(shí)代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。簡單來說，擴(kuò)頻（調(diào)制）是這樣一種通信技術(shù)：被發(fā)射的調(diào)制信號(hào)在發(fā)射到信道之前，被與傳輸信號(hào)無關(guān)的偽隨機(jī)碼進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，使之占有的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原有信息所需的帶寬；而在接收端，接收信號(hào)則被本地偽隨機(jī)碼進(jìn)行解擴(kuò)處理，使其頻帶被縮小相同倍數(shù)。在擴(kuò)頻通信中，信息已不再是決定調(diào)制信號(hào)帶寬的一個(gè)重要因素，其調(diào)制信號(hào)的帶寬主要由擴(kuò)頻信號(hào)來決定。

直接序列擴(kuò)頻通信具有很強(qiáng)的抗截獲和抗干擾能力，近年來對該通信方式的研究也已成為通信對抗領(lǐng)域的重點(diǎn)。本文在討論直接序列擴(kuò)頻通信特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在不同干擾方式下的抗干擾性能，研究提高直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾能力的具體措施。

2 直接序列通信系統(tǒng)

2.1 直接序列的組成

直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)（PN）序列擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上去，在接收端，用與發(fā)端擴(kuò)展相同的偽隨機(jī)序列對接收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，恢復(fù)出原來的信息。圖1是直接序列系統(tǒng)的組成原理框圖。

由信源輸出的信號(hào)a（t）是碼元持續(xù)時(shí)間為Ta的信息流，偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼為c（t），每一偽隨機(jī)碼碼元寬度或切普（chip）寬度為Tc。將信息碼a（t）和c（t）進(jìn)行模2加產(chǎn)生一速率與偽隨機(jī)碼速率相同的擴(kuò)頻序列，然后再用擴(kuò)頻序列去調(diào)制載波，這樣就得到已擴(kuò)頻調(diào)制的射頻信號(hào)。

在接收端，接收到的擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)高放和混頻后，用與發(fā)端同步的偽隨機(jī)序列對中頻的擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，將信號(hào)的頻帶恢復(fù)為信息序列a（t）的頻帶，即為中頻調(diào)制信號(hào)。然后再進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出所傳輸?shù)男畔（t），從而完成信息的傳輸。對于干擾和噪聲，由于和偽隨機(jī)序列不相關(guān)，在相關(guān)解擴(kuò)器的作用下，相當(dāng)于進(jìn)行了一次擴(kuò)頻。從而干擾和噪聲的頻譜被擴(kuò)展，其譜密度降低，這樣就大大降低了進(jìn)入信號(hào)通頻帶內(nèi)的干擾功率，使調(diào)制解調(diào)器的輸入信噪比和信干比提高，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.2 直接序列的處理增益與干擾容限

處理增益與抗干擾容限是直接序列的兩個(gè)重要抗干擾指標(biāo)。傳輸信號(hào)在擴(kuò)頻和解擴(kuò)的處理過程中，擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的抗干擾性能得到提高，這種擴(kuò)頻處理得到的好處，就稱之為擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益Gp，其定義為接收相關(guān)處理器輸出與輸入信噪比的比值，即

對于直接序列，輸出功率不變。對于干擾信號(hào)，解擴(kuò)過程就相當(dāng)于干擾信號(hào)的擴(kuò)展過程，干擾信號(hào)功率被分散到很寬的頻帶上，進(jìn)入解調(diào)器輸入端的干擾功率相對于解擴(kuò)器輸入端下降很大，即干擾功率在解擴(kuò)前后發(fā)生了變化。對于直擴(kuò)通信系統(tǒng)而言，其處理增益就是干擾功率減小的倍數(shù)。經(jīng)推導(dǎo)可知，直擴(kuò)通信系統(tǒng)的處理增益為擴(kuò)頻信號(hào)射頻帶寬與傳輸?shù)男畔挼谋戎?，或?yàn)閭坞S機(jī)碼速率Rc與信息速率Ra的比值，也即直擴(kuò)通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻倍數(shù)N。

所謂干擾容限，是指在保證系統(tǒng)正常工作的條件下，接收機(jī)能承受的干擾信號(hào)比有用信號(hào)高出的分貝數(shù)，用Mj表示有：

其中，Ls為系統(tǒng)內(nèi)部損耗，（S/N）0為系統(tǒng)正常工作時(shí)要求的最小輸出信噪比，即相關(guān)器的輸出信噪比或解調(diào)器的輸入信噪比。干擾容限直接反映了擴(kuò)頻系統(tǒng)接收機(jī)可能抵抗的極限干擾強(qiáng)度，當(dāng)干擾機(jī)的干擾功率超過干擾容限后，才能對擴(kuò)頻系統(tǒng)形成干擾。因而，干擾容限往往比處理增益能更確切地反映系統(tǒng)的抗干擾能力。

3 提高直擴(kuò)通信系統(tǒng)抗干擾能力的方法

3.1 采用長偽碼序列

由以上分析可知，長偽碼序列比短偽碼序列具有更強(qiáng)的干擾能力，而且從偵收中破譯更難，對長偽碼序列實(shí)施波形重合干擾也幾乎是不可能的。所以，抗干擾能力強(qiáng)的直擴(kuò)通信，其特征之一都是采用長的偽碼序列，有的偽碼序列長度達(dá)，其周期可達(dá)一年之久。

3.2 采用自適應(yīng)濾波器抑制窄帶干擾

自適應(yīng)濾波器是一個(gè)空間域的數(shù)字濾波器，它對不應(yīng)作濾波處理的點(diǎn)不作濾波，使濾波過程對區(qū)域成分的畸變降到最小。在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，可在接收機(jī)基帶部分或中頻部分加入自適應(yīng)干擾抑制濾波器。因?yàn)閿U(kuò)頻信號(hào)有很寬的頻帶，且強(qiáng)的窄帶干擾是容易識(shí)別和估計(jì)的，所以窄帶干擾和其他單頻干擾所引起的系統(tǒng)性能下降，可以由自適應(yīng)濾波法來改善。通常用來估計(jì)和抑制窄帶干擾的算法可分為2類：第1類是非參數(shù)法，利用快速傅里葉變換算法完成對接收信號(hào)的譜估計(jì)，在譜估計(jì)的基礎(chǔ)上用一個(gè)橫向?yàn)V波器來抑制干擾；第2類是線性預(yù)測，稱為參數(shù)法，這種算法是把干擾模擬成為白噪聲通過一個(gè)全極點(diǎn)濾波器，用線性預(yù)測器來估計(jì)所有極點(diǎn)模型的相關(guān)系數(shù)，抑制干擾。

窄帶干擾的估計(jì)及抑制是在擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)前進(jìn)行的。俄羅斯的捷標(biāo)坦特系列接力機(jī)，就是利用了直接序列擴(kuò)頻、自適應(yīng)窄帶濾波、調(diào)零天線及快速自動(dòng)改頻等技術(shù)，抗干擾效果較好，可靠性很高。

3.3 采用智能天線技術(shù)

智能天線的基本思想就是利用各用戶信號(hào)空間特征的差異，采用陣列天線技術(shù)，根據(jù)某個(gè)接受準(zhǔn)則自動(dòng)調(diào)節(jié)各天線陣元的加權(quán)向量，達(dá)到最佳接收和發(fā)射，使得在同一信道上接受和發(fā)射多個(gè)用戶信號(hào)而又不互相干擾。實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵是數(shù)字波束形成技術(shù)。因此，在多用戶條件下，使用智能天線形成窄波束取代傳統(tǒng)的全向天線能夠提供更大的增益，各個(gè)鏈路的用戶以降低發(fā)射功率，相應(yīng)地降低了同信道干擾，從而增加同時(shí)容納的用戶數(shù)。如果用戶信號(hào)是空間可分的，即信號(hào)從不同的方向到達(dá)智能天線，智能天線能夠通過自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的空間濾波，使不同方向的用戶共享同一頻譜資源，所以應(yīng)用智能天線的直擴(kuò)通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大大高于其處理增益的抗干擾能力。

3.4 采用多進(jìn)制高效直擴(kuò)技術(shù)

多進(jìn)制高效直擴(kuò)是利用一組擴(kuò)頻序列對含多個(gè)比特信息的信息碼組進(jìn)行擴(kuò)頻而不是以比特為基礎(chǔ)進(jìn)行擴(kuò)頻，其具有在擴(kuò)頻序列長度一定、速率一定時(shí)，可傳輸更多信息；在信息量一定、偽碼序列速率一定時(shí)，擴(kuò)頻處理增益更高、抗干擾能力愈強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。美軍的JTIDS系統(tǒng)，采用了多進(jìn)制直擴(kuò)、跳頻、跳時(shí)相結(jié)合通信體制，直擴(kuò)碼長32 位，每32位偽碼代表5bit信息，處理增益15dB。要實(shí)現(xiàn)高效多進(jìn)制直擴(kuò)，關(guān)鍵是尋求足夠長、足夠多的符合擴(kuò)頻要求的偽隨機(jī)碼序列。

3.5 采用變碼直擴(kuò)技術(shù)

實(shí)現(xiàn)偽碼碼型自動(dòng)變換，能增加干擾方識(shí)別碼型的難度，增強(qiáng)直擴(kuò)信號(hào)的反偵察、抗干擾能力，解決變碼直擴(kuò)的關(guān)鍵是解決變碼同步、高速變碼器件的實(shí)現(xiàn)等技術(shù)。

3.6 采用直擴(kuò)/跳頻混合擴(kuò)頻技術(shù)

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)，其能獲得較大的處理增益，大大提高通信抗干擾能力，其既發(fā)揮直擴(kuò)信號(hào)低截獲、高隱蔽性優(yōu)點(diǎn)，又發(fā)揮了跳頻的全部優(yōu)點(diǎn)，使得遠(yuǎn)近效應(yīng)、多徑效應(yīng)、同臺(tái)干擾、同步問題都較好地得到解決。意大利的HYDRA/V電臺(tái)，是直擴(kuò)/ 跳頻混合擴(kuò)頻體制的成功例子，由于采用了直擴(kuò)技術(shù)，RF信號(hào)譜密度低，與單純跳頻系統(tǒng)相比，有9dB的增益，提高了抗截收、抗測向能力。HYDRA/V亦是一個(gè)寬帶系統(tǒng)，跳率達(dá)到100-200Hz/s，不易受跟瞄式或應(yīng)答式干擾機(jī)的干擾。

4 結(jié)束語

從上述分析可以看出，直擴(kuò)通信系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，要對其實(shí)施有效的干擾，目前來看有相當(dāng)?shù)碾y度。如果在上述各種有利于系統(tǒng)提高抗干擾能力方法的研究上取得突破并加以利用，那么直擴(kuò)通信系統(tǒng)將會(huì)更加地完善，相信未來的一段時(shí)間內(nèi)該系統(tǒng)在其軍用領(lǐng)域的作用將會(huì)更加突出。