楊文君

【摘 要】在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，偽隨機(jī)碼的性能的優(yōu)劣將直接影響系統(tǒng)的通信容量、抗多徑干擾能力和安全性等主要性能。直接序列擴(kuò)頻通信是將基帶信號(hào)的頻譜通過(guò)偽隨機(jī)序列擴(kuò)展到寬頻帶，具有抗干擾能力強(qiáng)、截獲率低、通信隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛的應(yīng)用于軍事通信、民用通信、測(cè)距及測(cè)速等領(lǐng)域。偽隨機(jī)碼測(cè)距采用偽隨機(jī)碼對(duì)連續(xù)光源進(jìn)行調(diào)制后發(fā)射，在衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，被偽隨機(jī)碼調(diào)制的信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，直接影響到導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精度。

【關(guān)鍵詞】偽隨機(jī)碼 調(diào)制 測(cè)距

偽隨機(jī)碼在擴(kuò)頻通信中得到廣泛應(yīng)用，在迅速發(fā)展的導(dǎo)航通信融合技術(shù)中，多采用擴(kuò)頻通信技術(shù)來(lái)傳輸導(dǎo)航信息和通信內(nèi)容。由于擴(kuò)頻碼類似于白噪聲，易于從其他信號(hào)或干擾中分離出來(lái)，具有優(yōu)良的抗干擾特性。偽隨機(jī)碼的性能直接影響系統(tǒng)的通信容量、抗多徑干擾能力和安全性等主要性能。偽隨機(jī)碼測(cè)距技術(shù)廣泛使用于地球科學(xué)和衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，通常利用偽隨機(jī)碼調(diào)制的測(cè)距方式將連續(xù)光源通過(guò)偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，以脈沖串的形式發(fā)射，降低了系統(tǒng)對(duì)峰值功率的要求，提高測(cè)距的重復(fù)頻率。

1 偽隨機(jī)碼的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 擴(kuò)頻通信偽隨機(jī)碼現(xiàn)狀

白噪聲具有優(yōu)良的相關(guān)特性，但不容易對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)、放大、調(diào)制、同步及控制等操作，偽隨機(jī)碼就是一種具有類似白噪聲性質(zhì)的碼。工程實(shí)踐中只能用類似于帶限白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的偽隨機(jī)碼信號(hào)來(lái)逼近，并作為擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼。直接序列擴(kuò)頻通信是將基帶信號(hào)的頻譜通過(guò)偽隨機(jī)序列（PN碼）擴(kuò)展到寬頻帶，然后進(jìn)行傳輸?shù)囊环N系統(tǒng)，直接擴(kuò)頻通信具有抗干擾能力強(qiáng)、截獲率低、通信隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為通信領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，目前已被廣泛的應(yīng)用于軍事通信、民用通信、測(cè)距及測(cè)速等領(lǐng)域。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，偽隨機(jī)碼是至關(guān)重要的，其性能的優(yōu)劣將直接關(guān)系到系統(tǒng)性能的好壞[1]。

1.2 新的偽隨機(jī)碼型

傳統(tǒng)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)一般都采用移位寄存器產(chǎn)生的線性PN碼，如m序列或Gold碼序列[2]，這兩種較早的偽隨機(jī)碼存在的主要缺點(diǎn)是：可用碼組數(shù)目有限，并且復(fù)雜度低，同時(shí)隨著對(duì)直接擴(kuò)頻系統(tǒng)偽隨機(jī) PN 碼偵破技術(shù)的不斷突破，其保密性受到一定威脅。根據(jù)現(xiàn)代通信對(duì)偽隨機(jī)碼的發(fā)展要求，從上世紀(jì)八十年代開始，各國(guó)技術(shù)人員又提出很多新的碼型，例如混沌序列等等。

1.3 偽隨機(jī)碼型性能比較與分析

偽隨機(jī)碼型的性能參數(shù)有：相關(guān)性、序列平衡性、游程特性和線性復(fù)雜度，這四個(gè)性能參數(shù)可以全面地反映序列在通信系統(tǒng)中的性能。下面重點(diǎn)介紹幾種應(yīng)用最多的偽隨機(jī)碼型。

（1）m序列。m序列具有最優(yōu)的自相關(guān)特性，抗多徑能力好，但是互相關(guān)函數(shù)中出現(xiàn)多個(gè)峰值，互相關(guān)性差，導(dǎo)致使用m序列的系統(tǒng)抗多址能力差；m序列中1的個(gè)數(shù)總是比0的個(gè)數(shù)只多一個(gè)，平衡度很小，平衡性優(yōu)良；m序列的游程特性是非常優(yōu)良的：例如在n級(jí)的m 序列的每個(gè)周期內(nèi)，序列總的游程數(shù)為2n-1，長(zhǎng)度為k的游程占游程總數(shù)的1/2k，同時(shí)在等長(zhǎng)游程中，0游程和1游程各占一半；m序列的線性復(fù)雜度就是產(chǎn)生該序列的移位寄存器的階數(shù)n。

（2）Gold序列。Gold序列自相關(guān)函數(shù)沒(méi)有m序列那么優(yōu)良，但是互相關(guān)函數(shù)具有三值特性，且平坦沒(méi)有峰值，互相關(guān)特性良好，但是存在碼組數(shù)量不充足和線性復(fù)雜度不優(yōu)的特點(diǎn)，影響系統(tǒng)的通信容量和保密性；Gold碼的平衡性也與m序列一樣，平衡性較為優(yōu)良；Gold序列也基本符合長(zhǎng)度為k的游程占總數(shù)的1/2k這一規(guī)律，其游程特性接近于m序列的游程特性；與m序列同樣長(zhǎng)度的Gold序列的線性復(fù)雜度為2n。

（3）混沌序列?；煦缧蛄凶韵嚓P(guān)特性也沒(méi)有m序列優(yōu)良，但是互相關(guān)函數(shù)曲線平坦無(wú)峰值，克服了m序列互相關(guān)差的缺點(diǎn)；混沌序列受到序列長(zhǎng)度、初始值和分形參數(shù)的影響，相比m序列或Gold碼序列，其平衡性就稍差一些，然而適當(dāng)?shù)娜≈?，可以使混沌序列的平衡度?，這種情況下混沌序列同樣有優(yōu)良的平衡性；混沌序列與m序列一樣，同樣基本符合長(zhǎng)度為k的游程占總數(shù)的1/2k這一規(guī)律，其游程特性接近于m序列的游程特性；與m序列同樣長(zhǎng)度的混沌序列的線性復(fù)雜度略為其序列長(zhǎng)度的一半，使得混沌序列的線性復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于諸如m序列或Gold序列的普通PN序列，具有更好的安全性，非常適用于對(duì)保密性要求較高的通信系統(tǒng)。

2 偽隨機(jī)碼測(cè)距

2.1 偽隨機(jī)碼測(cè)距概念

偽隨機(jī)碼測(cè)距采用偽隨機(jī)碼對(duì)連續(xù)光源進(jìn)行調(diào)制后發(fā)射，在大氣探測(cè)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)中，測(cè)距是通過(guò)終端在測(cè)距信道上發(fā)送測(cè)距信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。測(cè)距信號(hào)包含一個(gè)測(cè)距CDMA碼字。測(cè)距CDMA碼是由偽隨機(jī)比特序列產(chǎn)生的偽噪聲碼，以保證不同PN碼之間互相關(guān)性較低。作為四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GPS、GLONASS、GALILEO和COMPASS，都是采用了偽隨機(jī)碼調(diào)制的激光測(cè)距體制。并且在衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，被偽隨機(jī)碼調(diào)制的信號(hào)表現(xiàn)得越隨機(jī)或者它的頻譜所占的帶寬越寬，以及信噪比越高，則時(shí)差測(cè)量的效果就會(huì)越好，導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精度也隨之提高，因此，構(gòu)造性能更優(yōu)的擴(kuò)頻碼一直是導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)之一。

2.2 測(cè)距原理

在偽隨機(jī)碼調(diào)制測(cè)距系統(tǒng)中，使用偽隨機(jī)碼序列對(duì)連續(xù)光源進(jìn)行調(diào)制。更具體地，可以采用電光調(diào)制器根據(jù)信號(hào)發(fā)生器生成的偽隨機(jī)碼，對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制，從而得到測(cè)距光源[3]。詳細(xì)的測(cè)距原理框圖參見(jiàn)圖1所示。

本文將測(cè)距系統(tǒng)的偽隨機(jī)碼調(diào)制速率設(shè)置為1GHz，以此高速偽隨機(jī)碼調(diào)制為例，將上述調(diào)制后偽隨機(jī)碼作為信號(hào)光輸出，經(jīng)光纖延遲后由可調(diào)光衰減器衰減至光子序列狀態(tài)后進(jìn)入到單光子探測(cè)器，使用示波器采集探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)，并采用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光的脈沖信號(hào)的閾值判決和相關(guān)運(yùn)算，基于相關(guān)運(yùn)算峰值位置的偏移量來(lái)獲得目標(biāo)距離。

2.3 測(cè)距精度以及距離分辨率

由測(cè)距精度的理論計(jì)算公式可知，距離分辨率和信噪比越高，測(cè)距精度越高。在高調(diào)制速率下，系統(tǒng)的測(cè)距精度隨之提高。

在實(shí)際的偽隨機(jī)碼測(cè)距中，由探測(cè)器所接收到的信號(hào)中，包括有從目標(biāo)返回的信號(hào)，同時(shí)還包括探測(cè)器自身的噪聲以及傳播過(guò)程中的噪聲[4]，因此在計(jì)算機(jī)的相關(guān)計(jì)算程序中要盡可能地鑒別信號(hào)光和噪聲?？梢圆捎迷O(shè)置探測(cè)器輸出脈沖信號(hào)的閾值的方法，丟棄探測(cè)器輸出信號(hào)中低于閾值的上升沿脈沖，從而獲得有效的接收回波信號(hào)。

不同調(diào)制速率下的距離分辨率計(jì)算公式為：△d=c/f，其中，c是激光在光纖中的傳播速度，為2×108m/s，f為相應(yīng)的調(diào)制速率。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了偽隨機(jī)碼的發(fā)展現(xiàn)狀，并通過(guò)對(duì)兩種典型傳統(tǒng)偽隨機(jī)序列m序列、Gold序列和混沌序列的相關(guān)性、平衡性、游程特性和線性復(fù)雜度這四個(gè)性能參數(shù)進(jìn)行了分析和比較，并且針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的偽隨機(jī)碼測(cè)距進(jìn)行了原理分析，偽隨機(jī)碼測(cè)距技術(shù)在未來(lái)若能采用更高階數(shù)的偽隨機(jī)碼，并且進(jìn)一步提高信號(hào)光功率，必然會(huì)在大氣探測(cè)系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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