擴展頻譜通信系統原理（第4版）

《擴展頻譜通信系統原理(第4版)》一書闡述了擴譜通信中的編碼與調制、直擴與跳頻擴譜碼同步、自適應濾波與陣列、衰落與分集、碼分多址與 MIMO、移動 Ad Hoc 與蜂窩網、疊代信道檢測、擴譜信號檢測等一系列基本問題,重點針對擴譜通信的基本原理和基本理論展

開論述。本書是當前最新的較為權威的擴譜通信基礎理論專著。本書可以作為工科院校通信工程、信息工程等專業高年級本科生和研究生的教材使用同時對於從事無線通信系統相關領域的科研人員和工程技術人員來說,也是一本難得的參考書。

前言

擴展頻譜（以下簡稱 “擴譜”）通信系統的不斷發展，以及對之前版本內容範圍進行擴展的願望，是促使我著手編寫第 4 版《擴展頻譜通信系統原理》的主要原因。再版的目的是使讀者能夠了解當前最先進的擴譜通信系統。此版本針對擴譜碼跟蹤、歸一化最小二乘算法、跳頻分集、直擴多碼和 MIMO 系統、幹擾抵消、最佳跳頻圖案、補碼、拉普拉斯變換和特征函數、正交函數以及厄米特正定矩陣等內容，或增加了新的章節，或補充了原有章節。書的其余部分也作了徹底改進，以更好地方便讀者閱讀。

本書對擴譜通信系統進行了更為綜合和深入的論述，適於具有紮實數字通信理論基礎的研究生和在職工程師使用。正如本書標題所指出的，本書的重點在於原理，而非其他許多書中所述的特定的現有系統或已設計的系統。本書的主要目標是對擴譜系統的基本原理進行簡明清晰的說明，重點介紹有助於未來研究的理論原理和數學分析方法。對於本書特定主題的選擇，我折中考慮了這些主題的實用意義以及研究人員和系統設計人員的興趣。全書對經典理論重新進行了推導，並給出了最新的研究結果，從而將讀者帶入該領域的前沿。本書分析方法和部分內容的描述也可應用於各類通信系統。每章結尾列出的思考題可用於幫助讀者鞏固知識，並提供分析技巧的訓練。我所列出的參考文獻，建議讀者深入研究或作為其他研究的參考資料。

目前並沒有制約擴譜通信有效性的基本理論障礙，這是一個重要但並不顯而易見的事實，因為擴譜信號帶寬的增加使得通過接收濾波器過濾到達解調器的噪聲功率成為必須。然而，當任何信號和高斯白噪聲通過一個與信號匹配的濾波器時，采樣濾波器輸出的信噪比僅取決於信號能量與噪聲功率譜密度之比。因此，輸入信號的帶寬是無關緊要的，且擴譜信號並無固有的內在限制。

第 1 章回顧了編碼和調制理論的基本結論，這些結論對於全面理解擴譜系統是必需的。本章中，編碼和調制理論用於推導所需要的接收機計算方法及譯碼後信息比特的錯誤概率，重點闡述在擴譜系統中已被證明最為有用的編碼與調制類型。信道編碼也稱為糾錯編碼或差錯控制編碼，它對於充分發揮擴譜系統的潛在能力具有至關重要的作用。盡管直擴系統能夠極大地抑制幹擾，然而實際的直擴系統仍需信道編碼來降低殘留幹擾和信道損失（如衰落）的影響。盡管設計跳頻通信系統的目的是為了躲避幹擾，但它也可能會跳入一個非期望的頻譜區域，這就需要信道編碼來保證系統所需的性能。

第 2 章闡述了直擴系統的基本原理。本章首先闡述了基本的擴譜序列和波形，然後詳細分析了直擴接收機如何抑制各種幹擾。直接序列調制將高速擴譜序列直接加在低速數據序列上，從而使得發射信號具有相對較寬的帶寬。在接收機中移除擴譜序列使得帶寬減小，從而能夠采用合適的濾波器來消除很大一部分幹擾。

第 3 章的內容涵蓋了跳頻系統的基本原理。跳頻是發射信號的載波頻率周期性改變的通信方式。跳頻系統的這種時變性賦予系統很強的潛在抗幹擾能力。直擴系統依靠頻譜擴展、解擴及濾波來抑制幹擾，而跳頻系統抑制幹擾的機理是躲避幹擾。當躲避失敗時，由於載波頻率周期性改變，跳頻信號僅被暫時幹擾。通過廣泛采用信道編碼，幹擾對跳頻系統的影響將進一步減輕。從這一點來說，跳頻系統比直擴系統更需要信道編碼。跳頻系統的基本概念、頻譜、性能，以及編碼和調制問題都在本章進行了介紹。本章還研究了部分頻帶幹擾和多音幹擾的影響。此外，對頻率合成器設計中最重要的問題也進行了闡述。

第 4 章介紹了直擴系統和跳頻系統的擴譜碼同步方法。擴譜接收機必須通過擴譜碼同步產生與接收的直擴序列或跳頻圖案同步的直擴序列或跳頻圖案。接收機或其生成的直擴序列碼片或跳頻駐留間隔必須通過擴譜碼同步之後才能精確或近似一致。任何偏差都將導致解調器的輸出信號幅度下降，下降幅度與自相關或部分自相關函數有關。在實際實現時，將同步分為捕獲和跟蹤兩個步驟，可以極大地方便擴譜碼同步。碼捕獲通過將接收機生成的碼片或跳頻駐留間隔可能的時間偏移限定在一定的量化範圍內來實現粗略同步。碼捕獲幾乎一直是整個擴譜系統的設計關鍵，也是最昂貴的部分。在碼捕獲之後，通過碼跟蹤來實現精細同步，從而進一步減少同步誤差，或者至少將同步誤差保持在一定範圍內。符號同步是由碼同步系統實現的，用於向譯碼器提供符號檢測所需的定時脈沖。

自適應濾波和自適應陣列作為通信系統的組成部分得到了廣泛應用。第 5 章的內容涵蓋了此類自適應濾波器和自適應陣列，它們可利用擴譜信號特殊的頻譜特征使得幹擾抑制程度超出解擴或解跳本身的固有能力。本章給出了用於抑制窄帶幹擾及主要用於抑制寬帶幹擾的自適應濾波器；本章對最小二乘（LMS）算法、歸一化 LMS 算法和 Frost 算法進行了推導，並確定了其平均權重向量的收斂條件；本章對用於直擴系統及跳頻系統的自適應陣列也進行了闡述，並顯示出它們具有很高的潛在幹擾抑制能力。

第 6 章對衰落中最重要的問題和抗衰落分集方法的作用進行了總體描述。傳播媒質物理特性的變化使得發射信號多徑分量的相互作用發生變化，從而導致接收信號強度的變化，形成衰落。抗衰落的主要手段是分集，它主要利用了同一信號的兩個或多個獨立衰落多徑分量之間潛在的冗余度。分集的基本原理在於：盡管信號的部分多徑分量會衰落，但是其他分量大概率不會衰落。直擴信號和跳頻信號都證明存在分集。作為多數直擴系統的核心，Rake 解調器並非簡單地消除多徑信號，而是能夠充分利用不希望出現的多徑信號。多載波直擴系統和頻域均衡被證明是處理多徑信號的有效替代方法。

多址接入是指多個用戶共享公共傳輸媒質並相互進行通信的能力。若發射信號是正交的或在某種意義上是可分離的，那麼就可實現無線多址通信。信號可通過時間（時分多址（TDMA））、頻率（頻分多址（FDMA））或擴譜碼（碼分多址（CDMA））來區分。第 7 章闡述了直接序列 CDMA（DS - CDMA）系統和跳頻 CDMA（FH - CDMA）系統的一般特征。CDMA 中應用擴譜調制可允許多個用戶在同一頻段上同時傳輸信號。雖然所有信號都使用分配到的全部頻譜，但擴譜序列或跳頻圖案卻各不相同。信息論表明，對於一個孤立的小區，只有應用了最優多用戶檢測時，CDMA 系統才能獲得與 TDMA 或 FDMA 系統相同的頻譜效率。然而，即使是單用戶檢測，CDMA 對於移動通信網絡也是很有優勢的，因為它無須在小區間協調頻率和時隙，允許載波頻率在相鄰小區間覆用，且對用戶數量的上限沒有嚴格要求，還具有抗幹擾與抗截獲能力。多用戶檢測技術潛力巨大但實際應用困難，如最優檢測器、解相關檢測器、最小均方誤差檢測器或自適應檢測器等，本章也對其進行了推導和闡述，並確定了具有空間覆用或波束成形的直接序列多輸入多輸出的權衡和設計問題。

第 8 章分析了多址幹擾對采用 DS - CDMA 和 FH - CDMA 的移動 Ad Hoc 網絡及蜂窩網絡的影響。使用擴譜技術的移動通信網絡中存在的顯著現象和問題包括隔離區、保護帶、功率控制、速率控制、網絡策略、小區扇區化以及各種擴譜參數的選擇等。網絡性能的基本度量，即中斷概率，在 Ad Hoc 和蜂窩網絡，以及 DS - CDMA 和 FH - CDMA 系統中都進行了推導。本章對 DS - CDMA 蜂窩網絡中所需的捕獲和同步技術也進行了闡述。

第 9 章研究了疊代信道估計在設計先進擴譜系統中的作用。信道參數的估計，如衰落幅度和幹擾加噪聲的功率譜密度等，對軟判決譯碼的有效使用必不可少。信道估計可通過接收機處理收到的導頻信號來實現，但發射導頻信號會增加開銷，如數據吞吐量下降等。直接從接收的數據符號中得到信道的最大似然估計通常極為困難。另一種有效的方法是使用 Turbo 碼或低密度奇偶校驗碼。本章對期望最大化算法進行了推導和說明，它能夠為最大似然方程提供一種疊代近似解，且與疊代解調、譯碼算法天然契合。本章闡述和分析了先進擴譜系統中應用疊代信道估計、解調、譯碼的兩個案例，它們為設計先進系統所要進行的計算提供了良好的例證。

認知無線電、超寬帶以及軍事電子信息系統通常要求具備檢測擴譜信號的能力。針對擴譜序列及跳頻圖案未知或無法被檢測器精確估計的問題，第 10 章對擴譜信號的檢測問題進行了分析。因此，檢測器不能簡單模仿擴譜通信接收機的處理方法，而是需要進行其他處理。本章僅限於研究擴譜信號的檢測方法，而不涉及解調或譯碼。然而，根據檢測理論對擴譜信號進行檢測會導致檢測裝置難以實現。另一種方法是使用無線場強計或能量檢測器，即僅依靠能量測量來確定未知信號的存在性。能量檢測器不僅可用於擴譜信號的檢測，還可用於認知無線電和超寬帶系統的常規感知。

本書最後的 8 個附錄對高斯隨機過程和中心極限定理、矩母函數和拉普拉斯變換、傅裏葉變換和特征函數、確定信號和隨機信號特征、概率分布函數、正交函數和參數估計、厄米特正定矩陣及特殊函數的重要數學原理進行了詳細描述。

撰寫本書時，我很大程度上依賴於事前先充分準備的筆記和文檔，以及我在美國陸軍研究所工作時獲得的理念。非常感謝我的同行 Matthew Valenti、Hyuck Kwon，他們審閱了原始書稿的全部章節。此外，非常感激我的妻子 Nancy，她不僅給予我堅定的支持，而且還在文本編輯方面給予了我廣泛的協助。