伪随机码的发展以及伪随机码测距技术浅析

杨文君

【摘 要】在扩频通信系统中，伪随机码的性能的优劣将直接影响系统的通信容量、抗多径干扰能力和安全性等主要性能。直接序列扩频通信是将基带信号的频谱通过伪随机序列扩展到宽频带，具有抗干扰能力强、截获率低、通信隐蔽性好等优点，目前已被广泛的应用于军事通信、民用通信、测距及测速等领域。伪随机码测距采用伪随机码对连续光源进行调制后发射，在卫星导航定位系统中，被伪随机码调制的信号的各项参数指标，直接影响到导航定位系统的精度。

【关键词】伪随机码 调制 测距

伪随机码在扩频通信中得到广泛应用，在迅速发展的导航通信融合技术中，多采用扩频通信技术来传输导航信息和通信内容。由于扩频码类似于白噪声，易于从其他信号或干扰中分离出来，具有优良的抗干扰特性。伪随机码的性能直接影响系统的通信容量、抗多径干扰能力和安全性等主要性能。伪随机码测距技术广泛使用于地球科学和卫星导航领域，通常利用伪随机码调制的测距方式将连续光源通过伪随机码进行调制，以脉冲串的形式发射，降低了系统对峰值功率的要求，提高测距的重复频率。

1 伪随机码的发展现状

1.1 扩频通信伪随机码现状

白噪声具有优良的相关特性，但不容易对其进行检测、放大、调制、同步及控制等操作，伪随机码就是一种具有类似白噪声性质的码。工程实践中只能用类似于带限白噪声统计特性的伪随机码信号来逼近，并作为扩频通信系统的扩频码。直接序列扩频通信是将基带信号的频谱通过伪随机序列（PN码）扩展到宽频带，然后进行传输的一种系统，直接扩频通信具有抗干扰能力强、截获率低、通信隐蔽性好等优点，已成为通信领域的一个重要发展方向，目前已被广泛的应用于军事通信、民用通信、测距及测速等领域。扩频通信系统中，伪随机码是至关重要的，其性能的优劣将直接关系到系统性能的好坏[1]。

1.2 新的伪随机码型

传统扩频通信系统一般都采用移位寄存器产生的线性PN码，如m序列或Gold码序列[2]，这两种较早的伪随机码存在的主要缺点是：可用码组数目有限，并且复杂度低，同时随着对直接扩频系统伪随机 PN 码侦破技术的不断突破，其保密性受到一定威胁。根据现代通信对伪随机码的发展要求，从上世纪八十年代开始，各国技术人员又提出很多新的码型，例如混沌序列等等。

1.3 伪随机码型性能比较与分析

伪随机码型的性能参数有：相关性、序列平衡性、游程特性和线性复杂度，这四个性能参数可以全面地反映序列在通信系统中的性能。下面重点介绍几种应用最多的伪随机码型。

（1）m序列。m序列具有最优的自相关特性，抗多径能力好，但是互相关函数中出现多个峰值，互相关性差，导致使用m序列的系统抗多址能力差；m序列中1的个数总是比0的个数只多一个，平衡度很小，平衡性优良；m序列的游程特性是非常优良的：例如在n级的m 序列的每个周期内，序列总的游程数为2n-1，长度为k的游程占游程总数的1/2k，同时在等长游程中，0游程和1游程各占一半；m序列的线性复杂度就是产生该序列的移位寄存器的阶数n。

（2）Gold序列。Gold序列自相关函数没有m序列那么优良，但是互相关函数具有三值特性，且平坦没有峰值，互相关特性良好，但是存在码组数量不充足和线性复杂度不优的特点，影响系统的通信容量和保密性；Gold码的平衡性也与m序列一样，平衡性较为优良；Gold序列也基本符合长度为k的游程占总数的1/2k这一规律，其游程特性接近于m序列的游程特性；与m序列同样长度的Gold序列的线性复杂度为2n。

（3）混沌序列。混沌序列自相关特性也没有m序列优良，但是互相关函数曲线平坦无峰值，克服了m序列互相关差的缺点；混沌序列受到序列长度、初始值和分形参数的影响，相比m序列或Gold码序列，其平衡性就稍差一些，然而适当的取值，可以使混沌序列的平衡度为0，这种情况下混沌序列同样有优良的平衡性；混沌序列与m序列一样，同样基本符合长度为k的游程占总数的1/2k这一规律，其游程特性接近于m序列的游程特性；与m序列同样长度的混沌序列的线性复杂度略为其序列长度的一半，使得混沌序列的线性复杂度要远远优于诸如m序列或Gold序列的普通PN序列，具有更好的安全性，非常适用于对保密性要求较高的通信系统。

2 伪随机码测距

2.1 伪随机码测距概念

伪随机码测距采用伪随机码对连续光源进行调制后发射，在大气探测系统中得到了广泛的应用。在IEEE802.16e标准中，测距是通过终端在测距信道上发送测距信号来实现的。测距信号包含一个测距CDMA码字。测距CDMA码是由伪随机比特序列产生的伪噪声码，以保证不同PN码之间互相关性较低。作为四大卫星导航系统的GPS、GLONASS、GALILEO和COMPASS，都是采用了伪随机码调制的激光测距体制。并且在卫星导航定位系统中，被伪随机码调制的信号表现得越随机或者它的频谱所占的带宽越宽，以及信噪比越高，则时差测量的效果就会越好，导航定位系统的精度也随之提高，因此，构造性能更优的扩频码一直是导航定位系统的研究热点之一。

2.2 测距原理

在伪随机码调制测距系统中，使用伪随机码序列对连续光源进行调制。更具体地，可以采用电光调制器根据信号发生器生成的伪随机码，对激光器进行调制，从而得到测距光源[3]。详细的测距原理框图参见图1所示。

本文将测距系统的伪随机码调制速率设置为1GHz，以此高速伪随机码调制为例，将上述调制后伪随机码作为信号光输出，经光纤延迟后由可调光衰减器衰减至光子序列状态后进入到单光子探测器，使用示波器采集探测器输出的脉冲信号，并采用计算机来实现对信号光的脉冲信号的阈值判决和相关运算，基于相关运算峰值位置的偏移量来获得目标距离。

2.3 测距精度以及距离分辨率

由测距精度的理论计算公式可知，距离分辨率和信噪比越高，测距精度越高。在高调制速率下，系统的测距精度随之提高。

在实际的伪随机码测距中，由探测器所接收到的信号中，包括有从目标返回的信号，同时还包括探测器自身的噪声以及传播过程中的噪声[4]，因此在计算机的相关计算程序中要尽可能地鉴别信号光和噪声。可以采用设置探测器输出脉冲信号的阈值的方法，丢弃探测器输出信号中低于阈值的上升沿脉冲，从而获得有效的接收回波信号。

不同调制速率下的距离分辨率计算公式为：△d=c/f，其中，c是激光在光纤中的传播速度，为2×108m/s，f为相应的调制速率。

3 结语

本文介绍了伪随机码的发展现状，并通过对两种典型传统伪随机序列m序列、Gold序列和混沌序列的相关性、平衡性、游程特性和线性复杂度这四个性能参数进行了分析和比较，并且针对卫星导航定位系统中的伪随机码测距进行了原理分析，伪随机码测距技术在未来若能采用更高阶数的伪随机码，并且进一步提高信号光功率，必然会在大气探测系统中有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]杨海清，张昊，杨智文.扩频通信伪随机码现状及发展趋势分析[J].电子世界，2013（10）.

[2]何瑞珠，崔君霞.伪随机码的研究及新码构造[J].第四届中国卫星导航学术年会电子文集-S2 卫星导航信号体制及兼容与互操作，2013-05-15.

[3]杨芳，张鑫，贺岩，陈卫标.基于不同伪随机码调制的光纤激光测距系统[J].中国激光，2014（06）.

[4]杨芳，张鑫，贺岩，陈卫标.采用高速伪随机码调制和光子计数技术的光纤激光测距系统 [J].红外与激光工程，2013（12）.