第二章 扩频序列

扩频通信第一讲扩频通信系统概述扩频通信，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。

扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码（扩频序列：Spread Sequence）调制，实现频谱扩展后再传输;接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据.这种通信方式与常规的窄道通信方式是有区别的：一是信息的频谱扩展后形成宽带传输；二是相关处理后恢复成窄带信息数据。

正是由于这两大持点，使扩频通信有如下的优点：抗干扰抗噪音抗多径衰落具有保密性功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率可多址复用和任意选址高精度测量等正是由于扩频通信技术具有上述优点,自50年代中期美国军方便开始研究,一直为军事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。

直到80年代初才被应用于民用通信领域。

为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中第二讲扩展频谱通信的基本概念2.1 扩展频谱通信的定义所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：“扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”。

这一定义包含了以下三方面的意思：一、信号的频谱被展宽了。

我们知道，传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。

例如人类的语音的信息带宽为300Hz --— 3400Hz，电视图像信息带宽为数MHz。

为了充分利用频率资源，通常都是尽量采用大体相当的带宽的信号来传输信息。

在无线电通信中射频信号的带宽与所传信息的带宽是相比拟的。

扩频通信系统中chirp干扰的识别与抑制研究摘要：扩频通信作为目前正在不断发展的先进通信技术，它的最大特点就是传输带宽比传统的通信方式要大几百倍以上。

由此具有抗干扰能力强，频谱功率低，保密性好，易实现码分多址等优点。

特别是其中的直接序列扩频通信方式，发展的最为成熟，应用最为广泛。

扩频通信系统对于平稳噪声有很好的抵抗力，但是对于非平稳的chirp噪声的干扰表现却不佳，而现在国内外也正在研究这方面的课题。

论文实现了一种基于在chirp基上展开的分数阶傅立叶变换来处理扩频通信系统中遇到的chirp干扰问题，利用分数阶傅立叶变换对于chirp信号良好的聚焦性，当chirp 干扰噪声的旋转角度在与其调频斜率一致时，分数阶傅立叶变换域便会呈现冲激，在适当的阈值下搜索并去除冲激后再进行反变换，从而来去除chirp干扰，并在此基础上做了计算机仿真实验。

仿真实验结果表明，该算法是有效可行的。

关键词：扩频通信；分数阶傅立叶变换；chirp信号；干扰识别；干扰抑制Research on the identification and suppression of chirp interference in spread spectrumcommunication systemsAbstract：Spread Spectrum communication is a continuous developing advanced communication technology, whose biggest character is that its transmission bandwidth is wider over hundreds times than the traditional means of communication. Spread Spectrum communication has many advantages such as good anti-interference, low spectrum power, good confidentiality, and easy to realize the CDMA. In particular, the direct sequence spread spectrum communication, is the most mature and the most widely used communication ways. The spread spectrum communication system has good resistance performance for the stationary noise, but for the non-stationary chirp noise, the performance is poor. Now the domestic and abroad are also looking into the issue. In this paper, the solution which is based on the chirp-launched on fractional Fourier transform to deal with the spread spectrum communication system encountered the chirp interference, using the good focus of the chirp signal in fractional Fourier transform, when rotate the chirp noise a appropriate angle corresponding with the chirp rate, fractional Fourier Transform representation will show a strong pulse .than search the pulse in the appropriate threshold and after the removal of the noise, transform the signal back. And all of those had been done in theform of computer simulation. The simulation results show that the method is feasible and effective.Keywords: Spread Spectrum communication; fractional Fourier transform; chirp signal; Interference identification; Interference suppression目录第一章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 本课题目前的研究现状和研究意义 (1)1.3 论文研究的主要内容和组织结构 (2)第二章扩频通信 (4)2.1 扩频通信概述 (4)2.1.1 扩频通信的定义 (5)2.1.2 扩频通信的理论基础 (6)2.2 直接序列扩频工作方式 (8)2.3 其他工作方式 (15)第三章分数阶傅里叶变换 (18)3.1 分数阶傅里叶变换的研究与发展 (18)3.2 分数阶傅里叶变换定义及其性质 (19)3.2.1 分数阶傅里叶变换的定义 (20)3.2.2 分数阶傅里叶变换的性质 (22)第四章扩频通信系统中chirp干扰的识别与抑制的实现 (24)4.1 扩频通信中调制信号的仿真 (24)4.2 chirp干扰噪声的仿真 (26)4.3 分数阶傅里叶变换处理chirp噪声的基本原理 (27)4.3.1 chirp噪声的聚集性在分数阶傅里叶域的解释 (28)4.3.2 chirp噪声分数阶傅里叶域滤波的基本原理 (29)4.3.3 chirp噪声分数阶傅里叶域滤波模型 (30)4.4 chirp干扰识别与抑制的实验 (31)4.4.1 chirp干扰识别与抑制算法 (31)4.4.2 三种调制方式的chirp识别与抑制实验 (36)第五章总结 (45)致谢 (47)参考文献 (48)附录 (49)第一章绪论1.1 引言扩展频谱通信系统是在一个很宽的频带上，用于扩展基带信号(即信息)的频谱，然后再进行传输的一种系统。

Zhenzhou Tang @ Wenzhou University 2.6 扩频技术
2.6.2扩频序列及其相关特性理想的扩频码序列应具有以下特性：
•高尖锐的自相关特性，以有利于接收时的信号的捕获；•处处为零的互相关值，使得不同用户的信号越容易被区分，且相互之间的干扰也小；
•不同码元数平衡相等，使得随机序列中0和1的个数接近相等；•足够多的正交码组，以提供足够多的用户地址；
•尽可能高的复杂度，使干扰者难以通过扩频码的一小段去重建整个码序列。

常用的扩频码
•m 序列及其派生出来的M 序列、Gold 序列以及它们的截短序列。

•又被称为伪噪声(Pseudorandom Noise ，简称PN)序列•Walsh 序列及其派生出来的可变长度序列
Wireless and Mobile Networks Technology 60。

直接序列扩频通信系统抗干扰性能分析在现代战争中，通信对抗扮演着越来越重要的角色。

随着计算机技术、微电子技术等大量高新技术的应用，军事通信获得了长足的发展，尤其是跳频、扩频等一些新的通信手段应用之后,使得通信频谱越来越宽，通信的反侦察、抗干扰能力越来越强，迫使各国加紧对通信对抗技术以及装备的研制。

直接序列扩频通信由于其优良的多址接入、低截获概率、抗干扰和强保密等特性，使得它在军事通信、卫星通信和民用领域得到了广泛应用.在电子对抗中，对扩频通信的有效干扰成为制胜关键。

第一章研究背景介绍1。

1直扩通信研究背景现代战争首先是电子战，在电子战中失去优势的一方,将导致通信中断，指挥失灵等，从而丧失战争主导权。

两次海湾战争，前南斯拉夫战争以及阿富汗战争都是很好的佐证。

因此,通信对抗作为C4ISR系统的核心,越来越受到各国的重视。

通信对抗属于电子对抗，它包括通信侦察、通信干扰等主要对抗措施.通信对抗的目的在于：侦收和截获敌方信息，测量有关技战术参数；采用各种干扰方式阻止敌方正常通信并抑制敌方对我方的干扰，保证我方通信系统有效工作.扩频通信作为新型的通信方式,具有优良的抗干扰、抗衰落和抗多径性能及频谱利用率高、多址通信等诸多优点，并被广泛地应用于军事通信领域，极大地提高了通信系统的抗截获和抗干扰能力。

因此，扩频通信系统成为干扰方的首要作战目标，同时,扩频通信的抗干扰、抗截获、抗侦破特性给干扰方带来了巨大的困难.为取得现代电子战的胜利，针对扩频通信系统研究高效的干扰方式,如何有效的干扰成为取得现代电子战胜利的重要一环，对战时通信对抗具有重要意义。

1。

2直扩通信的军事应用情况1）直扩通信技术在舰艇卫星通信系统上应用广泛.国外舰艇卫星通信系统和国内舰艇卫星通信系统均采用码分多址通信方式,使用C波段。

这样网络组织与撤收灵活，通信质量高，频道使用少。

从目前使用看，这种方式充分发挥了直接序列扩频通信的特点，是扩频通信应用成功的范例。

直接序列扩频系统简述直接序列扩频就是直接用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。

而在接收端, 用一样的扩频码序列去进展解扩, 将展宽的扩频信号复原成原始的信息。

直扩通信系统原理如图 1 所示。

在发送端输入的信息先经信息调制形成调频或调相数字信号, 然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱, 再将展宽后的宽带信号调制到射频发送出去。

在接收端, 接收机接收到宽带射频信号后, 首先将其变频至中频, 然后通过同步电路捕捉发送来的扩频码的准确相位, 由此产生与发送来的伪随机码相位完全一致的接收用的伪随机码, 作为扩频解调用的本地扩频码序列, 最后经信息解调, 恢复成原始信息输出。

由此可见, 直扩通信系统要进展三次调制和相应的解调, 分别为信息调制、扩频调制和射频调制, 以与相应的信息解调、解扩和射频解调。

与一般通信系统比拟, 扩频通信就是多了扩频调制和解扩局部。

所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：“扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码与调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端如此用同样的码进展相关同步接收、解扩与恢复所传信息数据〞。

扩频通信的根本特点，是传输信号所占用的频带宽度〔W〕远大于原始信息本身实际所需的最小带宽〔B〕，其比值称为处理增益〔Gp〕。

总之，我们用扩展频谱的宽带信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。

这就是扩展频谱通信的根本思想和理论依据。

2.1 Walsh函数的产生产生Walsh函数的源代码如下：function A=walsh(x)H2=[1 1;1 -1];%2阶哈达码NH2=H2*(-1);H4=[H2 H2;H2 NH2];%4阶哈达码NH4=-1*H4;H8=[H4 H4;H4 NH4];%8阶哈达码NH8=-1*H8;H16=[H8 H8;H8 NH8];%16阶哈达码NH16=-1*H16;H32=[H16 H16;H16 NH16];%32阶哈达码NH32=-1*H32; H64=[H32 H32;H32 NH32];%64阶哈达码NH64=-1*H64;H128=[H64 H64;H64 NH64];%128阶哈达码NH128=-1*H128;switch xcase 2A=H2;case 4A=H4;case 8A=H8;case 16A=H16;case 32A=H32;case 64A=H64;case 128A=H128;otherwisedisp('error');end在本实验中我们采用16阶哈达码对用户数据进展Walsh扩频调制，只要调用函数N=16;B=walsh(N)，即可产生扩频增益为N＝16的扩频码。

第三章扩频序列要取得扩频通信抗干扰、抗截获、抗多径、多址通信等有点，关键是扩频码序列有良好的a.伪随机性b.相关特性理想扩频码特性为：1.有尖锐自相关特性――有利于收端伪码序列的捕获与同步抗多径2.有处处为零的互相关特性（各扩频码之间互为正交）――多址复用、抗多址干扰3.不同码元＋－符号数平衡相等――平衡码、可减少码时钟泄漏、伪随机性强4.有足够的正交码集―――可容纳用户多，满足CDMA需要5.有足够长的码序列周期――抗侦破、抗干扰6.结构简单、易于实现目前，几乎所有扩频序列都用移位寄存器生成，方法有线性反馈结构非线性反馈结构非线性前馈结构线性反馈移位寄存器生成二值序列是最基本的，故此谈起一、线性移位寄存器序列结构如图例：可生成“0”与“1”二值序列，响应波形“－1”与“＋1”的矩形波――宽度等于时钟周期⊕为模二加，规则： 0+0=1+1=0; 1+0=0+1=1动作过程：由移位时钟控制――一个时钟周期移位一次，同时模二加反馈一次寄存器： 1 2 3 4 5 6状态： x1 x2 x3 x4 x5 x6设初始态： 0 0 0 0 0 1 n=6 序列态： a n-1 a n-2 … … a 1 a 0可得输出序列： 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0001…011111 a 0 a 1 … a 5 a 6 … a 11 a 12 a 63 序列长 , 全“0”态除去，无法生成序列12nc 0n 级移位寄存器一般形式如图示：寄存器状态用 x 1, x 2, … x n ――x i 表示 x i c i 加至“模二加”再反馈, c0=1ci 取0或1值――“0”表示该线断开；“1”表示该线接通（有反馈）反馈函数（模二加）表示反馈输入同前面各级关系。

∴ 移位寄存器生成序列 与三方面有关： 寄存器级数n 反馈函数 寄存器初始态――初始偏移量求可用递推公式：理解为第i 寄存器在k-i 位上状态 例如：上例中：若生成序列的序列长――称为最大长度序列，否则为非最大长度序列（又称为：除去全“0”态的可能序列）●可以证明：若反馈函数的系数中有奇数个非零、即有奇数条反馈线接通的话，生成序列不是最大长度序列，否则就是最大长度序列，如上：为偶数条，故生成最大长度序列。

扩展频谱（Spread Spectrum，SS）技术最初是为军用目的而开发出来的，应用于军事导航和通信系统中。

出于提高通信系统抗干扰性能的需要，扩频技术的研究得以广泛开展，使得一些民用领域也从扩频技术的独特性质中受益。

本章将概括性地描述扩频技术的基本概念、理论基础、系统组成及性能；介绍扩频系统的优点与应用。

以此阐明直接序列扩频系统（DS—SS）发射机的设计与实现的重要意义。

1.1 扩频的概念扩展频谱通信系统（Spread Spectrum Communication System）是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数（Spreading Function）扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，接收端再利用相应手段将其解扩，从而获取传输信息的通信系统。

为此，扩频函数（信号）必须满足以下的特性：扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号；它的带宽远大于欲传输信息（数据）带宽；具有类似于噪声的随机特性等。

由于扩频信号的上述特性，扩频系统具有许多的优点：（1）扩频信号的不可预测性，使得扩频系统具有很高的抗干扰（anti-jam，AJ）能力。

因为干扰者难以通过观测实施干扰，而只能采用发射大功率宽带的干扰信号进行干扰。

（2）扩频信号的功率相当均匀地被分布在很宽的频率范围，以致被传输信号功率密度很低，侦察接收机难以检测。

因此，扩频系统具有低截获概率性（Low Probability of Intercept，LPI），即信号有很好的隐蔽性。

（3）通过对宽带扩频信号的相关检测，可以使扩频系统具有很高的距离鉴别力，可用于测距。

（4）扩频通信系统具有良好的码分多址（CDMA）能力，对不同的用户使用不同的码，使得旁人无法窃听，因而具有高的保密性，可用于多址通信中。

1.2 扩频技术的应用与分类正因为这种种优点，扩频技术得到了迅速的发展，扩频系统也得到了越来越广泛的应用。

在通信、数据传输、信息保密、定位、测距和多址技术等方面，显示了它极强的生命力。

直接序列扩频系统(2)5.2 扩频码序列5.2.1 码序列的相关性在扩展频谱通信中需要用高码率的窄脉冲序列。

这是指扩频码序列的波形而言。

并未涉及码的结构和如何产生等问题。

那么究竟选用什么样的码序列作为扩频码序列呢? 它应该具备哪些基本性能呢? 现在实际上用得最多的是伪随机码，或称为伪噪声(PN)码。

这类码序列最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。

因为噪声具有完全的随机性，也可以说具有近似于噪声的性能。

但是，真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生的。

我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，故称为伪随机码或PN码。

为什么要选用随机信号或噪声性能的信号来传输信息呢？许多理论研究表明，在信息传输中各种信号之间的差别性能越大越好。

这样任意两个信号不容易混淆，也就是说，相互之间不易发生干扰，不会发生误判。

理想的传输信息的信号形式应是类似噪声的随机信号，因为取任何时间上不同的两段噪声来比较都不会完全相似。

用它们代表两种信号，其差别性就最大。

在数学上是用自相关函数来表示信号与它自身相移以后的相似性的。

随机信号的自相关函数的定义为下列积分：式中f(t)为信号的时间函数，t为时间延迟。

上式的物理概念是f(t)与其相对延迟的t 的f( t - t)来比较:如二者不完全重叠，即t 0，则乘积的积分ya(t)为0；如二者完全重叠，即t＝0；则相乘积分后ya(0)为一常数。

因此，ya(t)的大小可用来表征f(t)与自身延迟后的f( t －t)的相关性，故称为自相关函数。

现在来看看随机噪声的自相关性。

图5－3(a)为任一随机噪声的时间波形及其延迟一段t 后的波形。

图5－3(b)为其自相关函数。

当t＝0时，两个波形完全相同、重叠，积分平均为一常数。

如果稍微延迟一t，对于完全的随机噪声，相乘以后正负抵消，积分为0。

因而在以t 为横座标的图上ya(t)应为在原点的一段垂直线。

在其他t 时，其值为0。

这是一种理想的二值自相关特性。

扩频通信的理论基础1.1扩频通信的基本概念通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。

通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。

这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。

在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。

显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。

在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。

通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。

由于信息在传输过程中受到干扰，收到的信息与发出的信息并不完全相同。

可靠性就是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度。

因此，可靠性决定于系统抵抗干扰的性能，也就是说，通信系统的可靠性决定于通信系统的抗干扰性能。

在模拟通信系统中，传输的可靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。

在数字通信系统中，传输的可靠性是用信息传输的差错率来描述的。

扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了应用。

近年来，扩展频谱通信技术的理论和应用发展非常迅速，在民用通信系统中也得到了广泛的应用。

扩频通信是扩展频谱通信的简称。

我们知道，频谱是电信号的频域描述。

承载各种信息（如语音、图象、数据等）的信号一般都是以时域来表示的，即信息信号可表示为一个时间的函数)(t f 。

信号的时域表示式)(t f 可以用傅立叶变换得到其频域表示式)(f F 。

频域和时域的关系由式(1-1)确定：⎰∞∞-=f e f F t f ft j d )()(π2 (1-1) 函数)(t f 的傅立叶变换存在的充分条件是)(t f 满足狄里赫莱(Dirichlet)条件，或在区间(-∞，+∞)内绝对可积，即t t f d )(⎰∞∞-必须为有限值。

扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息信号)(t f 无关）扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而到达传输信息目的的通信系统。