【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的處理過程能夠帶來一系列優(yōu)點(diǎn) 。因此 弄清楚擴(kuò)頻和解擴(kuò)處理過程的機(jī)制 問題 是 充分 理解擴(kuò)頻通信本質(zhì)的關(guān)鍵 點(diǎn) 。 一直以來大家總是想方設(shè)法使得信號(hào)所占的領(lǐng)譜盡可能的窄以達(dá)到充分利用十分寶貴的頻譜資源的目的。那么為什么要用這種頻帶很寬的信號(hào)來傳送信息的回答很簡(jiǎn)單，主要就是為了保證通信的安全可靠。這個(gè)能采用信息論和抗干擾理論的基本觀點(diǎn)來進(jìn)行說明。信息理 論中由數(shù)學(xué)表達(dá)式關(guān)于信道容量，稱作香農(nóng)定理： C ＝ WLog2(1 十 P/N) （ 1） 從公式（ 1）中我們可以看到：如果給定了信號(hào)的功率 P 以及白噪聲的功率 N，只需要采用某一種的編碼系統(tǒng)我們就可以以任意小的差錯(cuò)概率和接近于 C 的速率來傳送信息。式中的 W 表示頻帶寬度， C 表示的是傳輸速率。香農(nóng)公式暗示著在保證信息傳輸?shù)乃俾?C 不變的情況下，我們能用不同的頻帶寬度 W 以及信噪比 P/N 來傳送信息。用另一種說法就是頻帶寬度 W 與信噪比 P/N 是可以相互互換的。假如增加了頻帶的寬度，那么就能夠在比較低的信噪比的情況下用一樣的信息率并且以任意小的差錯(cuò)概率來傳輸所需要的信息，更甚至在信號(hào)被噪聲淹沒的情況下也只需要相應(yīng)地增加該信號(hào)的帶 8 寬也一樣能夠保證可靠的通信。香農(nóng)公式表明了擴(kuò)展頻譜信號(hào)通信所具有的優(yōu)越性，就是能用擴(kuò)展頻譜的方法來改善信噪比。 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可行性有另一個(gè)理論基礎(chǔ)， 柯捷爾尼可夫在其潛在抗干擾性理論中得到如下關(guān)于信息傳輸差錯(cuò)概率的公式 0ef Ep n??? ???? （ 2） 這個(gè) 公式指出，差錯(cuò)概率 函數(shù) Pe 是信號(hào)能量 E 和 噪聲功率譜密度 on 之比。 假 設(shè)信息 的持 續(xù)時(shí)間為 T或者 數(shù)字信息的碼元寬度 是 T，那么 信息的帶寬 Bm 為 1mB T? （ 3） 信號(hào) 的 功率 S是 （ 4） 已調(diào)（或 者是 已 經(jīng) 擴(kuò)頻 的 ）信號(hào)的寬度為 B， 那么 噪聲功率 是 0N n B? （ 5） 將（ 3） ~（ 5） 式 代入（ 2） 式 ，可 以 得 到 e mS T S BP f B fN N B????? ? ? ??????? ?? （ 6） 上面 得 公式 可以看出 ，差錯(cuò)概率 Pe是輸入信號(hào) 和 噪聲功率之比（ S/N） 與 信號(hào)帶寬和 信息帶寬之比（ B/Bm） 這二個(gè) 乘積的函數(shù)， 所以 信噪比 和 帶寬是可以互換的。 同時(shí)它也指出了使用 增加帶寬的方法 能夠使信噪比更令人滿意 。 由上述可知 將信息 的 帶寬擴(kuò) 寬 100 倍，甚至 是 用 1000 倍以上的帶寬信 號(hào)來 對(duì) 信息進(jìn)行傳輸 ， 這 就是為了提高通信的抗干擾能力， 也就是 在強(qiáng)干擾 的 條件下保證 通信 可靠安全。這 也正 是擴(kuò)頻通信 技術(shù)的基本思想與 理論依據(jù)。 直擴(kuò)系統(tǒng)的應(yīng)用背景 直接序列擴(kuò)頻技術(shù)是當(dāng)今 廣為人知的 擴(kuò)頻技術(shù)之一 ，直擴(kuò) 技術(shù) 就 是 把需 要發(fā)送 出去的信息 通過 偽隨機(jī)碼（ PN 碼） 從而 擴(kuò)展到一個(gè) 非常 寬的頻帶上 面 去， 而 在接收端 則通過和 發(fā)端 同樣 的偽隨機(jī)碼對(duì) 它所 收到的擴(kuò)頻信號(hào) 來實(shí) 行相關(guān) 的 處理 以進(jìn)行 恢復(fù) 。 直擴(kuò)系統(tǒng)最初開發(fā)于 二戰(zhàn)期間， 其最開始的 用途是 在 軍事通信 領(lǐng)域 提供安全 的 保障 , 是美軍 在通信方面使用的 重要無線保密 技術(shù) 。 該 種技術(shù) 讓 敵 人探測(cè)信號(hào) 變得很困難，即 9 使 探測(cè)到 了 信號(hào) ，但是 如果不知道 它 正確的編碼 也 不可以把 噪聲信號(hào)重新 進(jìn)行 匯編 生 成原始的信號(hào)。 而關(guān)于 擴(kuò)頻通信技術(shù)的觀點(diǎn) 則是由 好萊塢 的 女演員 Hedy Lamarr 與 鋼琴家Gee Antheil 在 1941 年 提出的。 出于 魚雷控制 安全 的 無線通信的 想法 ，他們 提出了專利 申請(qǐng) ，但是結(jié)局 不幸的是 在那個(gè)時(shí)候這個(gè) 技術(shù)沒有 得到 美國(guó)軍方的重視， 一直持續(xù)到十九世紀(jì)八十年代 它 才 被 關(guān)注， 而被 用于 在 敵對(duì)環(huán)境中的無線通信系統(tǒng)。 直序擴(kuò)頻 技術(shù) 解決了 藍(lán)牙技術(shù)和 短距離數(shù)據(jù)收發(fā)信機(jī) （ 如： 3G 移動(dòng)通信系統(tǒng)、 衛(wèi)星定位系統(tǒng) (GPS)、 WLAN (, , )等等 技術(shù)等 在 應(yīng)用方面 的關(guān)鍵問題。擴(kuò)頻技術(shù) 對(duì)于提高 無線電頻率的利用率提供 了 幫助 ，因?yàn)?無線電頻譜有限 所以它 也是一種昂貴的資源 。 如圖 21所示 的是 直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的工作原理 ： 發(fā) 送 端 中輸入 數(shù)字信號(hào)信息 之后，先通過 擴(kuò)頻碼發(fā)生器 所產(chǎn)生出的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行調(diào)制使得 信號(hào)的頻譜 展寬 ，一般采用 PN 碼 作為 擴(kuò)頻碼序列 。 經(jīng)過 展寬 以 后的信號(hào)再調(diào)制到射頻 之后再發(fā)送出去， 調(diào)制 方式一般 采用 BPSK、 DPSK、 MPSK 等 。 接收端收到的信號(hào) 之后進(jìn)行解 調(diào)， 一般 來說采用相干解調(diào)。接著由本地產(chǎn)生的和 發(fā)送端一樣的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)以使 原輸入的信息 得以恢復(fù) 輸出。 圖 21 直擴(kuò)通信工作原理 直擴(kuò) 通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) (1)抗干擾能力強(qiáng)，誤碼率低 10 因?yàn)槔昧祟l譜擴(kuò)展技術(shù)，把信號(hào)擴(kuò)展到了非常寬的頻帶上 面，在接收端對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)實(shí)行相關(guān)方面的處理（帶寬壓縮），把它恢復(fù)成窄帶信號(hào)，同時(shí)把非所需信號(hào)擴(kuò)展為寬帶信號(hào)，之后通過帶濾波技術(shù)將有用的信號(hào)提取出來。這樣一來各種干擾信號(hào)，由于它在接收端非相關(guān)性的原因，在解擴(kuò)后的窄帶信號(hào)中只相當(dāng)于很微弱的成分，抗干擾性強(qiáng)，因?yàn)槠湫旁氡群芨?。目前在商用的通信系統(tǒng)中，唯一能夠在負(fù)信噪比條件下工作的通信方式就是擴(kuò)頻通信。 (2)重復(fù)使用頻率容易，無線頻譜利用率得以提高 無線頻譜非常寶貴，及時(shí)從長(zhǎng)波到微波都得以開發(fā)利用，卻仍然不能滿足社會(huì)的需求。而在窄帶通信過程中，主要防止信道 之間發(fā)生干擾是依靠波道劃分。為此世界各國(guó)都紛紛設(shè)立了管理頻率的機(jī)構(gòu)，申請(qǐng)了獲準(zhǔn)的頻率之后用戶才能使用。擴(kuò)頻通信中發(fā)送功率非常之低，并且運(yùn)用了相關(guān)接收這種高技術(shù)，能夠在信道噪聲和熱噪聲背景中工作，可以比較容易地再同樣地區(qū)中重復(fù)地使用同樣頻率，同時(shí)能夠與當(dāng)今各種各樣的窄帶通信共同分享同一頻率的資源，進(jìn)而大幅度地提高了對(duì)無線頻譜的利用效率。 (3)有很好的隱蔽性，對(duì)于各種窄帶通信系統(tǒng)干擾小 因?yàn)閿U(kuò)頻信號(hào)在相對(duì)較寬的頻帶上被擴(kuò)展，所以在單位頻帶內(nèi)的功率非常小，信號(hào)被淹沒在噪聲里之后，通常不容易被發(fā)現(xiàn)，然而要 想進(jìn)一步對(duì)信號(hào)的參數(shù) (比如偽隨機(jī)碼序列等等 )進(jìn)行檢測(cè)就更為困難，因此有很好的隱蔽性。同時(shí)，因?yàn)閿U(kuò)頻信號(hào)的功率譜密度很低，所以它對(duì)于目前各種正在使用的窄帶通信系統(tǒng)干擾非常小。 (4)能夠?qū)崿F(xiàn)碼分多址 擴(kuò)頻通信的抗干擾性能有了很大提高，但卻以占用頻帶寬作為代價(jià)。因而假如讓很多用戶同享這一個(gè)頻帶，就可以大幅度提高頻帶的利用率。因?yàn)樵跀U(kuò)頻通信中有偽隨機(jī)序列的擴(kuò)頻調(diào)制，并充分地對(duì)各個(gè)不同類型碼型的擴(kuò)頻碼序列之間利用自相關(guān)性與互相關(guān)性，利用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)在接收端進(jìn)行解擴(kuò)，那么在給不同用戶分配碼型的情況下能夠區(qū)別不 同用戶的信號(hào)，并提取出其中有用信號(hào)。如此，在同一個(gè)寬帶上很多的用戶就可以同時(shí)通話并且互相不干擾。 (5)抗多徑干擾 在通信中，尤其是移動(dòng)通信中必須要面對(duì)的但又很難解決的一個(gè)問題是多徑問題，但是擴(kuò)頻技術(shù)本身就具備著強(qiáng)大的抗多徑能力。直擴(kuò)系統(tǒng)中抗多徑干擾的原理主要體現(xiàn)為：第一是直擴(kuò)系統(tǒng)作為一種寬帶系統(tǒng)，即使在通信過程中一部分頻譜有被衰落的可能 11 性，但也不會(huì)引起太大的惡化，單從這一個(gè)角度上來講，可以把頻譜擴(kuò)展看做是一種頻率分集。第二是由于偽隨機(jī)序列有著很強(qiáng)的自相關(guān)特性，所以它對(duì)于多徑效應(yīng)不敏感。假設(shè)有一個(gè)偽碼寬度 Tc，當(dāng)多徑時(shí)延擴(kuò)散小于它的時(shí)候，有用信號(hào)與反射信號(hào)進(jìn)行相互疊加之后被視做信號(hào)的一個(gè)部分，影響有用信號(hào)幅度，但是卻不產(chǎn)生對(duì)偽碼寬度的影響，無論是展寬或壓縮。而同樣假設(shè)一個(gè)偽碼寬度 Tc，當(dāng)多徑時(shí)延超過它時(shí)，就能把多徑信號(hào)當(dāng)做噪聲來進(jìn)行處理，多徑信號(hào)在相關(guān)接收后就能夠被去掉。第三假設(shè)碼元寬度為 Tc，當(dāng) Tc很窄并且偽碼的碼長(zhǎng)很長(zhǎng)的時(shí)侯，系統(tǒng)有非常寬的頻譜，此時(shí)反射回來的多徑頻率分量就不會(huì)同時(shí)到接收點(diǎn)，從而形成的多徑干擾信號(hào)就能被消弱，這對(duì)于接收有用信號(hào)影響并不太大。 (6)直擴(kuò)通信速率高 直擴(kuò)通信 系統(tǒng)的 速率可 以 達(dá) 到 2M， 8M， 11M， 不用 申請(qǐng)頻率資源， 而且 建網(wǎng)簡(jiǎn)單 且網(wǎng)絡(luò)性能好。 (7)保密性能 強(qiáng)大 對(duì)于直擴(kuò)系統(tǒng) 來說 ， 有著很寬的 射頻帶寬 和很低的 譜密度 ，甚至 會(huì) 在噪音中 淹沒 ，這就使 檢查 信號(hào)的存在 很難 。由于 它的 頻譜密度很低，對(duì)其它系統(tǒng)的影響就 非常 小。 直擴(kuò) 通信 系統(tǒng) 的 不足 直擴(kuò) 通信 系統(tǒng)除了一般 的通信 系統(tǒng)所 要達(dá)到的 同步 要求 以外， 同時(shí)還 必須完成 對(duì) 偽隨機(jī)碼的同步， 使得 接受機(jī) 通過 同步后的偽隨機(jī)碼 來對(duì)其所 接受 的 信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)。因此 隨著偽隨機(jī)碼字的加長(zhǎng)， 直擴(kuò)系統(tǒng) 要求的同步精度 就 越 高， 同步 的 時(shí)間就 越 長(zhǎng)。 直擴(kuò)通信的原理 以及結(jié)構(gòu) 如圖 22所示 是 直擴(kuò)通信系統(tǒng)原理。在發(fā)送端輸入的信息 要 先經(jīng) 過 信息調(diào)制 從而 形成調(diào)頻或 者 調(diào)相數(shù)字信號(hào)， 之后用 擴(kuò)頻碼發(fā)生器 所 產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列 對(duì) 數(shù)字信號(hào) 進(jìn)行調(diào)制 以 使得 信號(hào)的頻譜 得以展寬 ， 下一步 再將 經(jīng)過 展寬后的寬帶信號(hào)調(diào)制到射頻 并且 發(fā)送出去。 而 在接收端 一側(cè) ， 當(dāng) 接收機(jī)接收到 傳來的 寬帶射頻信號(hào) 之后，先將其變頻到中頻，之后 通過同步電路 對(duì) 發(fā)送來的擴(kuò)頻碼的準(zhǔn)確相位 進(jìn)行捕捉 ， 這里便 產(chǎn)生與發(fā) 送來的偽隨機(jī)碼相位完全相同 的 用來接收的 偽隨機(jī)碼， 用 本地?cái)U(kuò)頻碼序列 進(jìn)行 擴(kuò)頻解調(diào)， 最終 經(jīng) 過信息 的解調(diào)， 將 原始信息 恢復(fù)并 輸出。 12 圖 22 擴(kuò)頻通信原理圖 由此 可以看出 ，直擴(kuò)通信系統(tǒng) 需要 進(jìn)行三次 相互對(duì)應(yīng)的調(diào)制和 解調(diào) 過程 ， 這三個(gè)過程 分別為信息調(diào)制 ， 擴(kuò)頻調(diào)制 ， 射頻調(diào)制以及 與它們 相應(yīng)的信息解調(diào)、解擴(kuò)和射頻解調(diào)過程。和 一般通信 的 系統(tǒng) 相 比較，擴(kuò)頻通信 多出的就是 擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò) 的 部分。 擴(kuò)頻通信中常用的擴(kuò)頻碼 擴(kuò)頻碼概述 在擴(kuò)頻通信中經(jīng) 常 使 用的擴(kuò)頻碼主要有 下列四種： PN序列、 GOLD序列、 WALSH碼 以及 OVSF碼。 PN碼 就是 偽噪聲序列 ，也可以叫做 偽隨機(jī)序列， 這種碼就 是用確定性 的 方法所產(chǎn)生的序列卻類似具備隨機(jī)所產(chǎn)生的序列能夠擁有的的某些 關(guān)鍵隨機(jī)特性。序列中最常見的偽隨機(jī)序列為 m序列。 GOLD碼 即為 m序列的復(fù)合碼，是由 2個(gè) 序列優(yōu)選對(duì)模 2構(gòu)成，它們 碼時(shí)鐘速率相同 ， 碼長(zhǎng)相等， 只要 改變 2個(gè)序列 之間的 相對(duì)位移就 能夠 得到一個(gè)新的 GOLD序列，這種 GOLD序列具有良好的自 相關(guān)與 互相關(guān)特性， 并 且 它 地址數(shù) 要 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于m序列 的 地址數(shù)， 這種序列結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且 易于實(shí)現(xiàn)， 所以較為廣泛地應(yīng)用 在工程上。 第三種 WALSH函數(shù) 為 一種非正弦的完備正交函數(shù)系， 它 有 著很好的互相關(guān)特性，兩個(gè) WALSH函數(shù) 之間的互相關(guān)函數(shù)為 O，也就表示它們是正交的，所以 WALSH函數(shù)在碼分多址 通信 中可 以作為地址碼 來 使用。在 IS一 95當(dāng) 中，就 在 正向傳輸信道 中 使用了 64階 WALSH函數(shù)。最后 OVSF碼 為 一種正交可變擴(kuò)頻因子碼， 它確保在不同時(shí)隙 的不同 的 擴(kuò)頻因子的擴(kuò)頻碼是 正交 的，所以在每個(gè)時(shí)隙上能夠 使用的碼的數(shù)目 是 不固定 的 ， 而是由 每個(gè)物理信道的數(shù)據(jù)速率 與 擴(kuò)頻因子 決定 。在 TD— SCDMA系統(tǒng)中廣泛使用 了 OVSF碼。 擴(kuò)頻碼序列的相關(guān)性 在頻譜通信 的 擴(kuò)展 中需要用 到 高碼率的窄脈沖序列。這 里 是 針對(duì) 擴(kuò)頻碼序列的波形 13 來說的， 并 沒有 涉及 到 碼的結(jié)構(gòu) 以及 如何產(chǎn)生等問題。 那么究竟 選擇 什么樣的碼序列作為擴(kuò)頻碼序列 比較好 ，這種碼序列又 應(yīng)該具備 怎樣的 基本性能呢 ?在 現(xiàn)在 生活中使用得最頻繁的 是偽隨機(jī)碼， 又被 稱為偽噪聲 (PN)碼。 這種 碼序列 首要 的特性 就 是具有 和 隨機(jī)信號(hào) 相類似 的性能。 由于 噪聲有完全 隨機(jī)性， 所以也 能 說具 與 噪聲的性能 近似 。 然而 真正的隨機(jī)信號(hào) 與 噪聲 不能 重復(fù) 地 再現(xiàn)產(chǎn)生 ，而 只 可以生成 一種周期性脈沖信號(hào) 與 隨機(jī)噪聲的性能 相似 ， 所以叫作 偽隨機(jī)碼或 PN碼。 那么 選用隨機(jī)信號(hào)或噪聲性能的信號(hào)來傳輸信息 的原因是什么 呢？ 有很多的 理論研究表明，在信息傳輸 過程當(dāng) 中 不同 信號(hào)之間的 性能 差別 越大越好。這樣 一來 任意兩個(gè)信號(hào)不 易 混淆， 即 相互之間不 容 易 產(chǎn) 生 干擾， 從而 不會(huì) 誤判。