偽隨機碼的發(fā)展以及偽隨機碼測距技術(shù)淺析

楊文君

【摘 要】在擴頻通信系統(tǒng)中，偽隨機碼的性能的優(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。直接序列擴頻通信是將基帶信號的頻譜通過偽隨機序列擴展到寬頻帶，具有抗干擾能力強、截獲率低、通信隱蔽性好等優(yōu)點，目前已被廣泛的應(yīng)用于軍事通信、民用通信、測距及測速等領(lǐng)域。偽隨機碼測距采用偽隨機碼對連續(xù)光源進行調(diào)制后發(fā)射，在衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，被偽隨機碼調(diào)制的信號的各項參數(shù)指標(biāo)，直接影響到導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精度。

【關(guān)鍵詞】偽隨機碼 調(diào)制 測距

偽隨機碼在擴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，多采用擴頻通信技術(shù)來傳輸導(dǎo)航信息和通信內(nèi)容。由于擴頻碼類似于白噪聲，易于從其他信號或干擾中分離出來，具有優(yōu)良的抗干擾特性。偽隨機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。偽隨機碼測距技術(shù)廣泛使用于地球科學(xué)和衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，通常利用偽隨機碼調(diào)制的測距方式將連續(xù)光源通過偽隨機碼進行調(diào)制，以脈沖串的形式發(fā)射，降低了系統(tǒng)對峰值功率的要求，提高測距的重復(fù)頻率。

1 偽隨機碼的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 擴頻通信偽隨機碼現(xiàn)狀

白噪聲具有優(yōu)良的相關(guān)特性，但不容易對其進行檢測、放大、調(diào)制、同步及控制等操作，偽隨機碼就是一種具有類似白噪聲性質(zhì)的碼。工程實踐中只能用類似于帶限白噪聲統(tǒng)計特性的偽隨機碼信號來逼近，并作為擴頻通信系統(tǒng)的擴頻碼。直接序列擴頻通信是將基帶信號的頻譜通過偽隨機序列（PN碼）擴展到寬頻帶，然后進行傳輸?shù)囊环N系統(tǒng)，直接擴頻通信具有抗干擾能力強、截獲率低、通信隱蔽性好等優(yōu)點，已成為通信領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向，目前已被廣泛的應(yīng)用于軍事通信、民用通信、測距及測速等領(lǐng)域。擴頻通信系統(tǒng)中，偽隨機碼是至關(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 新的偽隨機碼型

傳統(tǒng)擴頻通信系統(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碼存在的主要缺點是：可用碼組數(shù)目有限，并且復(fù)雜度低，同時隨著對直接擴頻系統(tǒng)偽隨機 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)代通信對偽隨機碼的發(fā)展要求，從上世紀(jì)八十年代開始，各國技術(shù)人員又提出很多新的碼型，例如混沌序列等等。

1.3 偽隨機碼型性能比較與分析

偽隨機碼型的性能參數(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。下面重點介紹幾種應(yīng)用最多的偽隨機碼型。

（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的個數(shù)總是比0的個數(shù)只多一個，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級的m 序列的每個周期內(nèi)，序列總的游程數(shù)為2n-1，長度為k的游程占游程總數(shù)的1/2k，同時在等長游程中，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，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)特性也沒有m序列優(yōu)良，但是互相關(guān)函數(shù)曲線平坦無峰值，克服了m序列互相關(guān)差的缺點；混沌序列受到序列長度、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≈担梢允够煦缧蛄械钠胶舛葹?，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序列同樣長度的混沌序列的線性復(fù)雜度略為其序列長度的一半，使得混沌序列的線性復(fù)雜度要遠遠優(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，非常適用于對保密性要求較高的通信系統(tǒng)。

2 偽隨機碼測距

2.1 偽隨機碼測距概念

偽隨機碼測距采用偽隨機碼對連續(xù)光源進行調(diào)制后發(fā)射，在大氣探測系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)中，測距是通過終端在測距信道上發(fā)送測距信號來實現(xiàn)的。測距信號包含一個測距CDMA碼字。測距CDMA碼是由偽隨機比特序列產(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，都是采用了偽隨機碼調(diào)制的激光測距體制。并且在衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，被偽隨機碼調(diào)制的信號表現(xiàn)得越隨機或者它的頻譜所占的帶寬越寬，以及信噪比越高，則時差測量的效果就會越好，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)的擴頻碼一直是導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研究熱點之一。

2.2 測距原理

在偽隨機碼調(diào)制測距系統(tǒng)中，使用偽隨機碼序列對連續(xù)光源進行調(diào)制。更具體地，可以采用電光調(diào)制器根據(jù)信號發(fā)生器生成的偽隨機碼，對激光器進行調(diào)制，從而得到測距光源[3]。詳細的測距原理框圖參見圖1所示。

本文將測距系統(tǒng)的偽隨機碼調(diào)制速率設(shè)置為1GHz，以此高速偽隨機碼調(diào)制為例，將上述調(diào)制后偽隨機碼作為信號光輸出，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)后進入到單光子探測器，使用示波器采集探測器輸出的脈沖信號，并采用計算機來實現(xiàn)對信號光的脈沖信號的閾值判決和相關(guān)運算，基于相關(guān)運算峰值位置的偏移量來獲得目標(biāo)距離。

2.3 測距精度以及距離分辨率

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

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

不同調(diào)制速率下的距離分辨率計算公式為：△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

本文介紹了偽隨機碼的發(fā)展現(xiàn)狀，并通過對兩種典型傳統(tǒng)偽隨機序列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)雜度這四個性能參數(shù)進行了分析和比較，并且針對衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的偽隨機碼測距進行了原理分析，偽隨機碼測距技術(shù)在未來若能采用更高階數(shù)的偽隨機碼，并且進一步提高信號光功率，必然會在大氣探測系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]楊海清，張昊，楊智文.擴頻通信偽隨機碼現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析[J].電子世界，2013（10）.

[2]何瑞珠，崔君霞.偽隨機碼的研究及新碼構(gòu)造[J].第四屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會電子文集-S2 衛(wèi)星導(dǎo)航信號體制及兼容與互操作，2013-05-15.

[3]楊芳，張鑫，賀巖，陳衛(wèi)標(biāo).基于不同偽隨機碼調(diào)制的光纖激光測距系統(tǒng)[J].中國激光，2014（06）.

[4]楊芳，張鑫，賀巖，陳衛(wèi)標(biāo).采用高速偽隨機碼調(diào)制和光子計數(shù)技術(shù)的光纖激光測距系統(tǒng) [J].紅外與激光工程，2013（12）.