【文章內容簡介】 增加信號帶寬，仍然保持可靠的通信。擴頻通信就是用寬帶傳輸技術來換取信噪比上的好處，這就是擴頻通信的基本思想和理論依據(jù)。[5]無線擴頻通信原理框圖如圖21。數(shù)據(jù)調制PN碼本振數(shù)據(jù)本振PN碼同步解調圖21 無線擴頻通信原理框圖 香農(nóng)公式說明了系統(tǒng)的信道容量可以通過帶寬和信噪比的互換而保持小變。而實際工程中，信道的噪聲功率譜密度是不能隨意選定的，所以為保持信道容量C一定，只能是系統(tǒng)帶寬B與信號功率值S的互換，也就是說，為了保證一定的C值，可以通過改變系統(tǒng)帶寬B或改變信號功率的辦法來實現(xiàn)。 但是如果傳輸信號的帶寬變窄，將導致信號功率大幅度地提高，這需要消耗很多的功率能源，在很多功率受限的場合是不適用的。如果采用增加信號帶寬B去換取信號的功率減小，就能節(jié)省很多的信號功率能源。所以，欲提高信道容量，采用增加信號帶寬比提高信號功率的方法更加有效。擴頻技術正是利用這一原理，用高速率的擴頻碼來達到擴展待傳輸?shù)臄?shù)字信息帶寬的目的。 相對于普通的窄帶調制通信，擴頻通信系統(tǒng)具有如下特點： 1）具有低截獲概率 相對常規(guī)通信系統(tǒng)而言，擴頻系統(tǒng)的信號頻譜帶寬遠大于所傳輸?shù)男畔?，擴頻信號占據(jù)了更寬的帶寬，因此在發(fā)射功率相同的情況下，擴頻信號的功率譜密度要遠遠小于常規(guī)系統(tǒng)發(fā)射信號的功率譜密度。而擴頻系統(tǒng)的接收端甚至可以在信號完全淹沒的情況下工作，即當接收到的擴頻信號的功率譜密度低于信道噪聲功率譜時，接收機仍然能夠正常工作。而在不知道擴頻信號有關參數(shù)的情況下，偵察接收機難以對擴頻信號進行監(jiān)視和截獲，更難以對其進行測向。因此擴頻信號具有天然的低截獲概率特性。 2）抗干擾性能好 最初發(fā)展擴頻技術就是為了增強系統(tǒng)的抗干擾能力。由于采用了頻譜擴展原理，從而大大提高了接收機信息恢復時的信干比，相當于提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。具有極強的抗人為寬帶干擾、窄帶瞄準式干擾、中繼轉發(fā)式干擾的能力，有利于電子反對抗。 3）具有高的時間分辨率 由于擴頻信號帶寬較寬，因此在接收端對接收信號進行相關處理時，其時間分辨率較窄帶系統(tǒng)要高的多。這樣，擴頻技術非常適合在雷達、導航定位、制導和高精度授時等領域應用，用以提高雷達的距離分辨率、導航定位和制導的精度。 4）具有信息保密性 由于擴頻系統(tǒng)使用碼周期很長的偽隨機碼，在一個偽碼周期中具有隨機特性，經(jīng)它調制后的數(shù)字信息類似于隨機噪聲，傳送信號的功率譜密度較低，不易被敵方發(fā)現(xiàn)和破譯。當然，擴頻技術的這種保密性有一定的局限性，一般單純的擴頻保密適用于保密要求小高的場合，如商業(yè)通信中。而在軍用通信中，為進一步提高系統(tǒng)的保密性，仍然要采用其他一些信息加密技術。 5）可以進行多址通信當不同的擴頻系統(tǒng)用戶采用互相關特性很好的偽隨機碼作為擴頻碼時，這些系統(tǒng)可以在同一時刻、同一地域內工作在同一頻段上，而相互造成的干擾可以很小，這就是CDMA。雖然目前對CDMA系統(tǒng)的容量有小同的看法，有的認為CDMA系統(tǒng)容量較TDMA高，有的認為CDMA容量和TDMA相當，甚至更低，但如今的事實是CDMA通信已經(jīng)廣泛應用在民用通信系統(tǒng)中。而且3G和4G都采用了CDMA技術。 在實際應用中，擴頻通信有以下三種基本工作方式： 1）直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum)，簡稱直擴（DS）：這種方式直接用偽噪聲序列對載波進行調制。將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息編碼后，跟偽噪聲序列進行模二加生成復合碼后，去調制載波；接收端在收到發(fā)射信號后，首先通過偽碼同步捕獲電路來捕獲發(fā)送來的偽碼的精確相位，并由此產(chǎn)生跟發(fā)送端偽碼相位完全一致的偽隨機序列，作為本地的解擴信號，以便能夠即時恢復出數(shù)據(jù)信息來，完成整個直擴通信系統(tǒng)的信號接收。 2）跳頻擴頻(Frequency Hopping Spread Spectrum)：這種工作方式中，發(fā)射載波頻率受偽隨機碼序列發(fā)生器控制，并在一定頻帶內，隨機地跳變。跳頻擴頻需要有個關鍵部件就是快速響應的頻率合成器。因此，載波調制大多數(shù)采用跟相位無關的調頻方式。擴展頻帶由整個頻率合成器生成的最小頻率間隔和頻率間隔數(shù)目來共同決定。 3）跳時擴頻(Time Hopping Spread Spectrum)：信息數(shù)據(jù)送入受偽噪聲序列控制的脈沖調制發(fā)射機，發(fā)射出攜帶信息數(shù)據(jù)的偽噪聲間隔射頻信號，這種工作方式，允許在隨機時分多址通信應用中，發(fā)射機和接收機使用同一個天線。在實際應用中，一般需要和其他工作方式混合使用才能構成一個實際工程系統(tǒng)。 上述三種基本工作方式，可以混合使用，從而構成常見的跳頻一直擴混合系統(tǒng)、跳頻一跳時混合系統(tǒng)、跳時一直擴混合系統(tǒng)等。在實際的擴頻通信系統(tǒng)工程中，用得比較普遍得是直擴方式和跳頻方式，而直擴是目前使用最多、也是最典型的一種。 直接序列擴頻通信系統(tǒng)直接序列擴頻通信系統(tǒng)是目前廣泛使用的一種擴頻系統(tǒng)。圖22給出了一種典型的直擴通信系統(tǒng)的原理方框圖。圖中發(fā)射的數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后，首先和偽隨機碼相乘（或作異或）進行擴頻調制，然后進行BPSK調制，經(jīng)放大后由天線發(fā)射出去。接收端收到信號經(jīng)過前端射頻放大后，變頻到基帶，然后和本地偽隨機碼相乘解擴，再經(jīng)過窄帶低通濾波器后，送基帶匹配抽樣電路、并判決恢復出原始數(shù)據(jù)信息。[8]圖22 直擴通信系統(tǒng)原理示意圖假設偽碼為m序列，其速率為Rc，典型的DSBPSK系統(tǒng)中擴頻信號的功率譜R(f)示意圖如圖23所示。該功率譜類似于[sin(2πf/2Rc)/(2πf /2 Rc)]2，主瓣寬度為2Rc，旁瓣寬度為Rc。圖23 直擴信號功率譜示意圖 擴頻偽隨機碼 在擴頻通信中，信號頻譜的擴展是通過擴頻碼實現(xiàn)的。擴頻系統(tǒng)的性能同采用的偽隨機碼的性能有很大的關系。香農(nóng)指出，在高斯噪聲的干擾下，在功率受限的信道上，實現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號是具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號，這是因為高斯白噪聲信號具有理想的自相關特性。但是對于白噪聲信號的產(chǎn)生、加工和復制至今仍存在許多技術困難。 因此人們就找了一些偽隨機或偽噪聲序列，它們的統(tǒng)計特性逼近于高斯白噪聲的統(tǒng)計特性，這些擴頻碼都有這些特點： 1)易于產(chǎn)生，易于控制； 2)具有隨機性； 3)具有盡可能長的周期； 4)具有雙值自相關函數(shù)和良好的互相關特性。在擴頻系統(tǒng)中，應用最多的偽隨機序列是m序列和Gold序列：m序列具有良好的自相關和互相關特性，但m序列的數(shù)量是有限的，Gold序列是用m序列優(yōu)選對生成的序列，其互相關特性與m序列一致，而目數(shù)量多，保密性強，但其自相關特性沒有m序列的自相關特性理想。因此應根據(jù)實際情況選擇小同的偽碼，以充分利用其自相關特性來實現(xiàn)擴頻系統(tǒng)的捕獲和跟蹤。 擴頻信號的相關解擴 對于常規(guī)數(shù)字通信，接收端有了相干載波，即可解調出基帶數(shù)字信號。然而，對于擴頻信號，首先要完成解擴才能進行基帶解調。因而接收端還要復制一個與發(fā)射端碼型相同、碼元同步的本地偽碼信號。稱收、發(fā)兩端偽碼同步信號相乘并積分為相關解擴。擴頻信號的相關解擴是接收機的重要環(huán)節(jié)之一。擴頻接收機接收到信號后，第一步就是要解除擴頻調制，把原來占有很寬頻譜的擴頻信號，變換為窄帶信號，從而取得處理增益。然而在擴頻通信系統(tǒng)中，接收端擴頻接收機一般要在輸入信噪比為0—30dB條件下進行信號處理，而一個設計良好的相關器可以允許在輸入信噪比低達20—50dB的惡劣環(huán)境下，從強干擾噪聲中檢測出微弱信號。因此在擴頻通信中，常利用信號的相干性來檢測淹沒在噪聲中的有用信號。所謂相干性，就是指信號的某個特定標記（通常指相位）在時間坐標上有規(guī)定的時間關系。相干檢測的原理圖如圖24所示：濾波低通濾波器圖24 相干檢測原理圖 圖中的信號Sr(t)是與信號s(t)有密切相干關系的本地參考信號，n(t)為噪聲。Sr(t)與信號s(t)的頻率相同，而且相位相干。在實際的接收解調設備中，噪聲往往是窄帶的或者是帶限的，這種噪聲可以分解為相互獨立的一些變量，它們與本地參考信號是不相干的。當進行相干檢測時，r(t)在與有用信號s(t)相位相關的本地參考信號Sr(t)相乘和低通濾波器的作用下，可以消除一部分噪聲分量的影響，從而改善了接收系統(tǒng)的質量。 能夠完成解擴功能的載波同步及碼位同步的是一些特殊的鎖相環(huán)，比如平方環(huán)、科斯塔斯環(huán)、延遲鎖相環(huán)以及匹配濾波器等。 直序擴頻的同步同步技術是直擴系統(tǒng)的關鍵技術，同步性能的好壞直接關系到系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。在擴頻系統(tǒng)中，接收端一般有兩類不確定的因素，就是碼相位和載波頻率的不確定性。如果在收發(fā)信機中均使用精確的頻率源，雖然可以消除大部分碼時鐘相位和載波頻率的不確定性，但是并不能完全克服由多普勒頻移引起的載波和碼速率的偏移。收發(fā)信機相對移動時，也會引起碼相位、載波中心頻率相位的變化。固定位置的收發(fā)站也會由于電波傳播中的多徑效應而引起碼相位、載波中心頻率相位的延遲從而造成同步的不確定性。在數(shù)字通信系統(tǒng)中同步主要指的是：碼時鐘速率同步即碼位同步（碼元同步）和碼字同步及載波同步。所謂碼元同步是指需要在接收端產(chǎn)生一個與接收到的碼元重復頻率和相位一致的定時脈沖，也就是同步時鐘。同時，為了還原每組信息，還需要準確的碼字同步，也即字同步。否則，如果字同步不準確，就可能把組分錯。這樣就不能正確地譯碼。實現(xiàn)碼字同步的方法很多，大致可以分為以下幾種：獨立信道同步法、插入特殊碼字同步法和自同步法等。對于同步的鎖定，一般有延時鎖定方法和相位鎖定方法。延時鎖定方法是利用相關特性來形成誤差信號，使本地的同步序列發(fā)生器跟蹤或鎖定于外來的序列。兩個碼序列在時延上的差別則需要通過相關運算來監(jiān)視，即如果兩個碼序列的相位相同，則有最大的相關輸出。反之，如果相位不同，則輸出很小。相位鎖定方法則是使用相位鎖定技術使本地正弦振蕩器或周期方波發(fā)生器跟蹤或鎖定于外來的正弦或方波信號，兩個正弦波的相位差別可以通過鑒相器或乘法器的輸出來顯示。而本次設計對于同步問題解決主要采用載波同步。擴頻系統(tǒng)中載波的同步也包括捕獲和跟蹤兩個過程。載波捕獲即載頻頻差的粗略估計，通常包含在偽碼同步過程中，而精確的載波相位及多普勒頻移變化跟蹤則通過載波參數(shù)估計器或反饋跟蹤控制環(huán)實現(xiàn)，其方式根據(jù)應用的不同而異。載波跟蹤有載波頻率跟蹤和載波相位跟蹤兩種方法，取決于載波鑒別器提取環(huán)路誤差控制量的方法。常規(guī)接收機中載波跟蹤是在數(shù)字延遲鎖相環(huán)(DDLL)對偽隨機碼相關解擴的基礎上，通過科斯塔斯環(huán)（Costas，實際上也是一種鎖相環(huán)）重構載波相位相干解調實現(xiàn)的。一般環(huán)境下，在無線信道中進行通信很容易造成頻率偏移，固為了解決頻率偏移而造成的相位不同步的問題，傳統(tǒng)解決的方法是鎖相環(huán)，用鎖相環(huán)來進行自動頻率，相位跟蹤。而在高速環(huán)境下，由于多普勒頻偏過大，一般采用鎖頻環(huán)來進行自動頻率，相位跟蹤，因為在高速環(huán)境下鎖頻環(huán)比鎖相環(huán)的性能要更好。 同步單元在一個擴頻系統(tǒng)中起到了舉足輕重的作用。只有在完成偽碼的同步以后，才能夠用同步的偽碼對接收到的擴頻信號進行相關解擴，把擴頻的寬帶信號恢復成非擴頻的窄帶信號，以便從中將傳送的信息解調出來。 直擴系統(tǒng)的同步包括偽碼同步、位同步、幀同步和載波同步，后三種與一般的通信系統(tǒng)基本相同，而偽碼的同步一般分為兩步進行，即捕獲和跟蹤。捕獲又稱為初同步或初始同步，是對輸入信號的同步信息進行搜索，使收發(fā)雙方用的偽碼相位差小于一個偽碼碼片；而跟蹤又稱為精同步，它是在捕獲的基礎上，使收發(fā)雙方的偽碼相位差進一步減小，保證收端的偽碼相位一直跟隨接收到的偽碼相位，僅在一個允許的范圍內變化。初始同步的方法很多，最常用的是應用滑動相關法和匹配濾波