前言

擴(kuò)展頻譜（以下簡稱 擴(kuò)譜）通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，以及對之前版本內(nèi)容范圍進(jìn)行擴(kuò)展的愿望，是促使我著手編寫第 4 版《擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)原理》的主要原因。再版的目的是使讀者能夠了解當(dāng)前最先進(jìn)的擴(kuò)譜通信系統(tǒng)。此版本針對擴(kuò)譜碼跟蹤、歸一化最小二乘算法、跳頻分集、直擴(kuò)多碼和 MIMO 系統(tǒng)、干擾抵消、最佳跳頻圖案、補(bǔ)碼、拉普拉斯變換和特征函數(shù)、正交函數(shù)以及厄米特正定矩陣等內(nèi)容，或增加了新的章節(jié)，或補(bǔ)充了原有章節(jié)。書的其余部分也作了徹底改進(jìn)，以更好地方便讀者閱讀。

本書對擴(kuò)譜通信系統(tǒng)進(jìn)行了更為綜合和深入的論述，適于具有扎實(shí)數(shù)字通信理論基礎(chǔ)的研究生和在職工程師使用。正如本書標(biāo)題所指出的，本書的重點(diǎn)在于原理，而非其他許多書中所述的特定的現(xiàn)有系統(tǒng)或已設(shè)計的系統(tǒng)。本書的主要目標(biāo)是對擴(kuò)譜系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行簡明清晰的說明，重點(diǎn)介紹有助于未來研究的理論原理和數(shù)學(xué)分析方法。對于本書特定主題的選擇，我折中考慮了這些主題的實(shí)用意義以及研究人員和系統(tǒng)設(shè)計人員的興趣。全書對經(jīng)典理論重新進(jìn)行了推導(dǎo)，并給出了最新的研究結(jié)果，從而將讀者帶入該領(lǐng)域的前沿。本書分析方法和部分內(nèi)容的描述也可應(yīng)用于各類通信系統(tǒng)。每章結(jié)尾列出的思考題可用于幫助讀者鞏固知識，并提供分析技巧的訓(xùn)練。我所列出的參考文獻(xiàn)，建議讀者深入研究或作為其他研究的參考資料。

目前并沒有制約擴(kuò)譜通信有效性的基本理論障礙，這是一個重要但并不顯而易見的事實(shí)，因?yàn)閿U(kuò)譜信號帶寬的增加使得通過接收濾波器過濾到達(dá)解調(diào)器的噪聲功率成為必須。然而，當(dāng)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于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(guān)緊要的，且擴(kuò)譜信號并無固有的內(nèi)在限制。

第 1 章回顧了編碼和調(diào)制理論的基本結(jié)論，這些結(jié)論對于全面理解擴(kuò)譜系統(tǒng)是必需的。本章中，編碼和調(diào)制理論用于推導(dǎo)所需要的接收機(jī)計算方法及譯碼后信息比特的錯誤概率，重點(diǎn)闡述在擴(kuò)譜系統(tǒng)中已被證明最為有用的編碼與調(diào)制類型。信道編碼也稱為糾錯編碼或差錯控制編碼，它對于充分發(fā)揮擴(kuò)譜系統(tǒng)的潛在能力具有至關(guān)重要的作用。盡管直擴(kuò)系統(tǒng)能夠極大地抑制干擾，然而實(shí)際的直擴(kuò)系統(tǒng)仍需信道編碼來降低殘留干擾和信道損失（如衰落）的影響。盡管設(shè)計跳頻通信系統(tǒng)的目的是為了躲避干擾，但它也可能會跳入一個非期望的頻譜區(qū)域，這就需要信道編碼來保證系統(tǒng)所需的性能。

第 2 章闡述了直擴(kuò)系統(tǒng)的基本原理。本章首先闡述了基本的擴(kuò)譜序列和波形，然后詳細(xì)分析了直擴(kuò)接收機(jī)如何抑制各種干擾。直接序列調(diào)制將高速擴(kuò)譜序列直接加在低速數(shù)據(jù)序列上，從而使得發(fā)射信號具有相對較寬的帶寬。在接收機(jī)中移除擴(kuò)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干擾。

第 3 章的內(nèi)容涵蓋了跳頻系統(tǒng)的基本原理。跳頻是發(fā)射信號的載波頻率周期性改變的通信方式。跳頻系統(tǒng)的這種時變性賦予系統(tǒng)很強(qiáng)的潛在抗干擾能力。直擴(kuò)系統(tǒng)依靠頻譜擴(kuò)展、解擴(kuò)及濾波來抑制干擾，而跳頻系統(tǒng)抑制干擾的機(jī)理是躲避干擾。當(dāng)躲避失敗時，由于載波頻率周期性改變，跳頻信號僅被暫時干擾。通過廣泛采用信道編碼，干擾對跳頻系統(tǒng)的影響將進(jìn)一步減輕。從這一點(diǎn)來說，跳頻系統(tǒng)比直擴(kuò)系統(tǒng)更需要信道編碼。跳頻系統(tǒng)的基本概念、頻譜、性能，以及編碼和調(diào)制問題都在本章進(jìn)行了介紹。本章還研究了部分頻帶干擾和多音干擾的影響。此外，對頻率合成器設(shè)計中最重要的問題也進(jìn)行了闡述。

第 4 章介紹了直擴(kuò)系統(tǒng)和跳頻系統(tǒng)的擴(kuò)譜碼同步方法。擴(kuò)譜接收機(jī)必須通過擴(kuò)譜碼同步產(chǎn)生與接收的直擴(kuò)序列或跳頻圖案同步的直擴(kuò)序列或跳頻圖案。接收機(jī)或其生成的直擴(kuò)序列碼片或跳頻駐留間隔必須通過擴(kuò)譜碼同步之后才能精確或近似一致。任何偏差都將導(dǎo)致解調(diào)器的輸出信號幅度下降，下降幅度與自相關(guān)或部分自相關(guān)函數(shù)有關(guān)。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時，將同步分為捕獲和跟蹤兩個步驟，可以極大地方便擴(kuò)譜碼同步。碼捕獲通過將接收機(jī)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范圍內(nèi)來實(shí)現(xiàn)粗略同步。碼捕獲幾乎一直是整個擴(kuò)譜系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)鍵，也是最昂貴的部分。在碼捕獲之后，通過碼跟蹤來實(shí)現(xiàn)精細(xì)同步，從而進(jìn)一步減少同步誤差，或者至少將同步誤差保持在一定范圍內(nèi)。符號同步是由碼同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，用于向譯碼器提供符號檢測所需的定時脈沖。

自適應(yīng)濾波和自適應(yīng)陣列作為通信系統(tǒng)的組成部分得到了廣泛應(yīng)用。第 5 章的內(nèi)容涵蓋了此類自適應(yīng)濾波器和自適應(yīng)陣列，它們可利用擴(kuò)譜信號特殊的頻譜特征使得干擾抑制程度超出解擴(kuò)或解跳本身的固有能力。本章給出了用于抑制窄帶干擾及主要用于抑制寬帶干擾的自適應(yīng)濾波器；本章對最小二乘（LMS）算法、歸一化 LMS 算法和 Frost 算法進(jìn)行了推導(dǎo)，并確定了其平均權(quán)重向量的收斂條件；本章對用于直擴(kuò)系統(tǒng)及跳頻系統(tǒng)的自適應(yīng)陣列也進(jìn)行了闡述，并顯示出它們具有很高的潛在干擾抑制能力。

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(jìn)行了總體描述。傳播媒質(zhì)物理特性的變化使得發(fā)射信號多徑分量的相互作用發(fā)生變化，從而導(dǎo)致接收信號強(qiáng)度的變化，形成衰落�？顾ヂ涞闹饕�手段是分集，它主要利用了同一信號的兩個或多個獨(dú)立衰落多徑分量之間潛在的冗余度。分集的基本原理在于：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(kuò)信號和跳頻信號都證明存在分集。作為多數(shù)直擴(kuò)系統(tǒng)的核心，Rake 解調(diào)器并非簡單地消除多徑信號，而是能夠充分利用不希望出現(xiàn)的多徑信號。多載波直擴(kuò)系統(tǒng)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(zhì)并相互進(jìn)行通信的能力。若發(fā)射信號是正交的或在某種意義上是可分離的，那么就可實(shí)現(xiàn)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(kuò)譜碼（碼分多址（CDMA））來區(qū)分。第 7 章闡述了直接序列 CDMA（DS - CDMA）系統(tǒng)和跳頻 CDMA（FH - CDMA）系統(tǒng)的一般特征。CDMA 中應(yīng)用擴(kuò)譜調(diào)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(kuò)譜序列或跳頻圖案卻各不相同。信息論表明，對于一個孤立的小區(qū)，只有應(yīng)用了最優(yōu)多用戶檢測時，CDMA 系統(tǒng)才能獲得與 TDMA 或 FDMA 系統(tǒng)相同的頻譜效率。然而，即使是單用戶檢測，CDMA 對于移動通信網(wǎng)絡(luò)也是很有優(yōu)勢的，因?yàn)樗鼰o須在小區(qū)間協(xié)調(diào)頻率和時隙，允許載波頻率在相鄰小區(qū)間復(fù)用，且對用戶數(shù)量的上限沒有嚴(yán)格要求，還具有抗干擾與抗截獲能力。多用戶檢測技術(shù)潛力巨大但實(shí)際應(yīng)用困難，如最優(yōu)檢測器、解相關(guān)檢測器、最小均方誤差檢測器或自適應(yīng)檢測器等，本章也對其進(jìn)行了推導(dǎo)和闡述，并確定了具有空間復(fù)用或波束成形的直接序列多輸入多輸出的權(quán)衡和設(shè)計問題。

第 8 章分析了多址干擾對采用 DS - CDMA 和 FH - CDMA 的移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)及蜂窩網(wǎng)絡(luò)的影響。使用擴(kuò)譜技術(shù)的移動通信網(wǎng)絡(luò)中存在的顯著現(xiàn)象和問題包括隔離區(qū)、保護(hù)帶、功率控制、速率控制、網(wǎng)絡(luò)策略、小區(qū)扇區(qū)化以及各種擴(kuò)譜參數(shù)的選擇等。網(wǎng)絡(luò)性能的基本度量，即中斷概率，在 Ad Hoc 和蜂窩網(wǎng)絡(luò)，以及 DS - CDMA 和 FH - CDMA 系統(tǒng)中都進(jìn)行了推導(dǎo)。本章對 DS - CDMA 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中所需的捕獲和同步技術(shù)也進(jìn)行了闡述。

第 9 章研究了迭代信道估計在設(shè)計先進(jìn)擴(kuò)譜系統(tǒng)中的作用。信道參數(shù)的估計，如衰落幅度和干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(jī)處理收到的導(dǎo)頻信號來實(shí)現(xiàn)，但發(fā)射導(dǎo)頻信號會增加開銷，如數(shù)據(jù)吞吐量下降等。直接從接收的數(shù)據(jù)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(yàn)碼。本章對期望最大化算法進(jìn)行了推導(dǎo)和說明，它能夠?yàn)樽畲笏迫环匠烫峁┮环N迭代近似解，且與迭代解調(diào)、譯碼算法天然契合。本章闡述和分析了先進(jìn)擴(kuò)譜系統(tǒng)中應(yīng)用迭代信道估計、解調(diào)、譯碼的兩個案例，它們?yōu)樵O(shè)計先進(jìn)系統(tǒng)所要進(jìn)行的計算提供了良好的例證。

認(rèn)知無線電、超寬帶以及軍事電子信息系統(tǒng)通常要求具備檢測擴(kuò)譜信號的能力。針對擴(kuò)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(kuò)譜信號的檢測問題進(jìn)行了分析。因此，檢測器不能簡單模仿擴(kuò)譜通信接收機(jī)的處理方法，而是需要進(jìn)行其他處理。本章僅限于研究擴(kuò)譜信號的檢測方法，而不涉及解調(diào)或譯碼。然而，根據(jù)檢測理論對擴(kuò)譜信號進(jìn)行檢測會導(dǎo)致檢測裝置難以實(shí)現(xiàn)。另一種方法是使用無線場強(qiáng)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于擴(kuò)譜信號的檢測，還可用于認(rèn)知無線電和超寬帶系統(tǒng)的常規(guī)感知。

本書最后的 8 個附錄對高斯隨機(jī)過程和中心極限定理、矩母函數(shù)和拉普拉斯變換、傅里葉變換和特征函數(shù)、確定信號和隨機(jī)信號特征、概率分布函數(shù)、正交函數(shù)和參數(shù)估計、厄米特正定矩陣及特殊函數(shù)的重要數(shù)學(xué)原理進(jìn)行了詳細(xì)描述。

撰寫本書時，我很大程度上依賴于事前先充分準(zhǔn)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(jié)。此外，非常感激我的妻子 Nancy，她不僅給予我堅(jiān)定的支持，而且還在文本編輯方面給予了我廣泛的協(xié)助。

唐?托列里
于美國馬里蘭州銀泉