扩频技术在散射通信中的应用浅析

摘　要：针对散射通信信道特点，介绍了分集接收及分离多径的概念。为论述扩频技术应用于散射通信的可行性，分析了扩频信号特征。基于宽带线性调频扩频技术，论述了线性调频（Chirp）扩频处理增益、线性调频信号脉冲压缩。简述了线性调频技术用于散射通信系统时多径信号的处理，及其产生的隐分集效果。最后提出了扩频隐分集系统优越性。

关键词：隐分集；线性调频；脉冲压缩；多径时延

0. 引言
　　对流层散射通信因其较远的通信距离，适宜的传输带宽，成为微波通信和卫星通信重要的补充手段。扩频通信技术因其良好的抗干扰性，隐秘性而在各种通信网中均得到大规模的应用。本文阐述了散射通信和扩频技术特点，把两种通信技术相融合，实现散射通信的隐分集效果，获得更好的抗干扰性能，同时简化通信系统的硬件设备，是实现散射通信系统小型化一种手段。
1. 散射通信信道特征
　　对流层散射通信是一种利用对流层不均匀媒质来实现无线传播的超视距通信方式，作为一种复杂的变参信道，对流层散射信道主要有以下特点：
　　(1)信道特性是时变的，无论是信道传输损耗，还是多径传输特性都是随时间变化的。
      (2)信道传输损耗很大，通常高达180～250dB。
      (3)信道中存在多径传输，造成衰落（包括时间选择性衰落和频率选择性衰落）。
　　对抗散射信道时变的大损耗、深衰落，除了提高发射功率，分集接收技术是散射通信中必需的手段。显分集依靠增加收发端的设备数量来实现多径信号的接收，隐分集通过设计适当的信号形式，达到克服衰落目的。隐分集克服了显分集系统庞杂这些缺点，所以隐分集技术也是散射通信抗衰落的重要手段。
　　分离多径技术是一种常用的克服衰落的隐分集方式。通过信号形式的设计，使得被传送的信息信号具有某种“可分”特性，以便在接收端能把各径信号波束分离开来，然后将已分离开的分量进行相位校正，使之同相，最后加权合并。
2. 可行性分析
　　扩频通信理论基础是香农信道容量公式（Shannon定理）：
            
　　C表示信道容量，W是信道带宽，Ｓ/N是信噪比。扩频通信系统的信号带宽通常比传输信息带宽大得多。即常说的带宽换取信噪比。扩频技术频谱宽度与功率谱密度如图1所示。

                                                                    
　　在频谱被展宽之后，信息功率谱降低；在解扩之后，信息功率谱提高。这可以有效提高系统抗干扰能力。
　　散射通信分离多径技术要求信号具有良好的自相关和互相关特性。虽然线性调频信号和伪随机序列都有很好的相关特性，适合设计分离多径的隐分集接收方式，但是线性调频信号和伪随机序列相比有其优势:①线性调频信号是一种恒幅信号，有利于充分利用信号功率（见图2）。由于散射通信传输损耗大，要求发射机的功率很大，线性调频的这一特点正好可以在一定程度上弥补发射机功率损失这一缺点;②线性调频信号的功率谱随着压缩系数增大越接近矩形谱，伪随机序列的功率谱是一种升余弦，这致使线性调频信号的频谱利用率要高，节省了频带;③线性调频信号对多普勒频移不敏感，克服了散射通信中由于散射体相对于天线移动而产生的频移这一固有缺陷。
　　
                                                                         　　
3. 线性调频（Chirp）的扩频特性
            　

      3.2 线性调频压缩及其扩频性能
　　线性调频脉冲（Chirp）是一组频率随着时间线性增加的脉冲信号。Chirp信号的优异性源自于其在经过压缩网络后，能够变成幅度较大的窄脉冲。线性调频信号的被压缩过程如图3所示。当延迟网络设计合理时，输出信号将被压缩成幅度较高的窄脉冲。这种理想的脉冲压缩网络，就是线性调频信号的匹配滤波器。
                                                
　　由于线性调频信号经匹配滤波以后，得到的压缩脉冲信号是一很窄的相关峰(其相关峰宽度为1/B，见图3)，且在相关峰以外，自相关函数基本上为0。这样，接收端的匹配滤波器就可以把具有不同时延的各支路信号分离，然后合并各支路信号，从而达到抗衰落的目的。
　　
　　线性调频信号的频谱特性与其时间带宽积D有一定关系，随着时间带宽积增大，线性调频信号的频谱趋于矩形，如图4所示。当D充分大时，其频谱趋近于高斯白噪声频谱。

                                                                  
4. 应用于散射通信的隐分集分析
　　在对流层散射通信工程应用中，线性调频信号失真自适应接收机实际上是利用散射信道多径传播的特点，以匹配滤波器实现宽带线性调频信号的分离多径而获得隐分集增益。

信道可分离多径的抽头延时线模型如图5所示：

在具有多径时延功率谱的通信距离较远（大于100公里）的信道上，宽带线性调频散射通信系统可获得4~5重隐分集通信效果，与4~5重显分集效果接近。
5. 结束语
　　利用线性调频信号的窄相关、恒包络、矩形谱特点，以及对流层散射通信的多径传播特性，使扩频技术和散射通信相结合，实现了散射通信中的隐分集，减少了系统设备复杂度，有效提高散射通信站点的灵活机动性，增强了散射通信的抗干扰抗截获能力，在对流层散射通信中有较高的实用价值及良好的发展前景。
参考文献：
[1] 张明高.对流层散射传播[M].北京:电子工业出版社，2004.
[2] 沈允春.扩频技术[M].北京：国防工业出版社，1995.
[3] 任香凝. 线性调频信号的多径隐分集性能分析[J].无线电通信技术，2005,31(6)：14-19.

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