【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 這樣敵人要進(jìn)行干擾就必須維持很寬的頻段。另一方面，直序擴(kuò)頻則起源于導(dǎo)航系統(tǒng)中高精度測(cè)距。 真正實(shí)用的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是在 50 年代中期發(fā)展起來的。麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的擴(kuò)頻通信系統(tǒng) F9CA/Rake 系統(tǒng)被公認(rèn)為第一個(gè)成功的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的研制過程中，首次提出了瑞克 (RAKE)接收的概念并成功應(yīng)用，該系統(tǒng)也是第一個(gè)真正實(shí)用的寬帶通信系統(tǒng)。第一個(gè)跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng) BLADES 也在這段時(shí)期研制成功，在該系統(tǒng)中第一次利用移位寄存序列實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)編碼。在此期間，噴氣實(shí)驗(yàn)室（ JPL）在其空間任務(wù)中完成了偽碼產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)以及跟蹤環(huán)路的設(shè)計(jì)。 自從擴(kuò)頻通信的概念在 50 年代開始成熟以后，此后的二十多年擴(kuò)頻通信技術(shù)仍得到很大的發(fā)展，但都只是局部的發(fā)展，如硬件的改進(jìn)和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。而個(gè)人通信業(yè)務(wù)（ PCS）東華 理工大學(xué) 3 的發(fā)展終于 使擴(kuò)頻技術(shù)迎來了另一次大發(fā)展的機(jī)遇。 2. 在民用通信中的應(yīng)用 一直到 80 年代初期，擴(kuò)頻通信的概念都只是在軍事通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用，這種狀況到了80 年代中期才得到改變。美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（ FCC）于 1985 年 5 月發(fā)布了一份關(guān)于將擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用到民用通信的報(bào)告。從此，擴(kuò)頻通信技術(shù)獲得了更加廣闊的應(yīng)用空間。 擴(kuò)頻技術(shù)最初在無繩電話中獲得成功應(yīng)用，因?yàn)楫?dāng)時(shí)已經(jīng)沒有可用的頻段供無繩電話使用，而擴(kuò)頻通信技術(shù)允許與其它通信系統(tǒng)共用頻段，所以擴(kuò)頻技術(shù)在無繩電話的通信系統(tǒng)中獲得了其在民用通信系統(tǒng)中應(yīng)用的第一次成功經(jīng)歷。 而真正使擴(kuò)頻通信技術(shù)成為當(dāng)今通信領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的原因是碼分多址（ CDMA）的應(yīng)用。 90 年代初 ， 在第一代模擬蜂窩通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了 PCS 研究的熱潮。要實(shí)現(xiàn)PCS 并考慮其長(zhǎng)期發(fā)展，需要 FCC 為其分配 100~200 MHz 的帶寬，而與頻譜分配相關(guān)的一個(gè)重要技術(shù)因素就是多址技術(shù)。當(dāng)時(shí)頻譜資源的分配已經(jīng)是非常擁擠，不存在還未分配且可用的一段寬達(dá) 100 MHz 的頻譜資源。要為 PCS 分配可用的頻段就只有 2 種方案：一是為 PCS 分配一段專用頻譜，使正在使用該頻譜的用戶換到其它的頻段；另一種辦法就是讓 PCS 與其它用戶 共享一段頻譜。采取第一種方案將要遇到巨大的政治和經(jīng)濟(jì)阻礙：當(dāng)時(shí)只有政府使用的一些頻段還比較寬松，因此只能是讓政府用戶換用其它頻段來為 PCS 騰出頻譜資源；同時(shí)換用頻段意味著已有設(shè)備的射頻部分需要改造。因此第二種方案成為合理的選擇。 擴(kuò)頻技術(shù)為共享頻譜提供了可能。使用擴(kuò)頻技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)碼分多址，即在多用戶通信系統(tǒng)中所有用戶共享同一頻段，但是通過給每個(gè)用戶分配不同的擴(kuò)頻碼實(shí)現(xiàn)多址通信。利用擴(kuò)頻碼的自相關(guān)特性能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)給定用戶信號(hào)的正確接收；將其他用戶的信號(hào)看作干擾，利用擴(kuò)頻碼的互相關(guān)特性，能夠有效抑制用戶之間的 干擾。此外由于擴(kuò)頻用戶具有類似白噪聲的寬帶特性，它對(duì)其它共享頻段的傳統(tǒng)用戶的干擾也達(dá)到最小。由于采用 CDMA 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)與傳統(tǒng)用戶共享頻譜，因此它也就成為 PCS 首選的多址方案。 隨著 PCS 以及蜂窩移動(dòng)通信的發(fā)展， CDMA 技術(shù)已經(jīng)成為不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。擴(kuò)頻通信技術(shù)也在民用通信中找到更為廣闊的應(yīng)用空間 ,而關(guān)于 CDMA 技術(shù)的研究熱潮也一直延續(xù)到現(xiàn)在。 擴(kuò)頻技術(shù)的研究現(xiàn)狀 擴(kuò)頻技術(shù)的研究現(xiàn)狀 擴(kuò)頻技術(shù)由于其本身具備的優(yōu)良性能而得到廣泛應(yīng)用，到目前為止，其最主要的兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域仍是軍事抗干擾通信和移動(dòng)通信系統(tǒng) ,而跳頻系統(tǒng)與直擴(kuò)系統(tǒng)則分別是在這兩個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用最多的擴(kuò)頻方式。一般而言，跳頻系統(tǒng)主要在軍事通信中對(duì)抗故意干擾，在衛(wèi)星通信中也用于保密通信，而直擴(kuò)系統(tǒng)則主要是一種民用技術(shù)。 對(duì)跳頻系統(tǒng)的分析，現(xiàn)在仍集中在其對(duì)抗各種干擾的性能方面，如對(duì)抗部分邊帶干擾以及多頻干擾等。而直擴(kuò)系統(tǒng)，即 DSCDMA 系統(tǒng)，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用則成為擴(kuò)頻技術(shù)的主流。歐洲的 GSM 標(biāo)準(zhǔn)和北美的以 CDMA 技術(shù)為基礎(chǔ)的 IS95 都 在第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)（ 2G）的應(yīng)用中取得了巨大的成功。而在目前所有建議的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（ 3G）標(biāo)準(zhǔn)中（除了 EDGE）都采用了某種形式的 CDMA。因此 CDMA 技術(shù)成為目前擴(kuò)頻技術(shù)中研究最多的對(duì)象，其中又以碼捕獲技術(shù)和多用戶檢測(cè)（ MUD）技術(shù)代表了目前擴(kuò)頻技術(shù)研究的現(xiàn)狀。 碼捕獲 搜索文檔 ：基于 FPGA 實(shí)現(xiàn) CDMA 擴(kuò)頻通信中同步系統(tǒng) 4 同步的實(shí)現(xiàn)是直擴(kuò)系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵問題。只有在接收機(jī)將本地產(chǎn)生的偽碼和接收信號(hào)中調(diào)制信息的偽碼實(shí)現(xiàn)同步以后，才有可能實(shí)現(xiàn)直序擴(kuò)頻通信的各種優(yōu)點(diǎn)。同步過程分為兩步來實(shí)現(xiàn) :首先是捕獲階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)中偽碼的粗跟蹤；然后是跟 蹤階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)偽碼的精確跟蹤。目前的研究主要集中在碼捕獲過程。 目前對(duì)碼捕獲的研究主要集中在對(duì)周期較長(zhǎng)的碼實(shí)現(xiàn)捕獲的問題，也就是快速捕獲的問題。以前采用的主要是串行捕獲方法，這種方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但捕獲速度不能滿足要求。而現(xiàn)在大規(guī)模集成電路的應(yīng)用使并行捕獲方案成為可能，但系統(tǒng)的復(fù)雜度很高，因此研究的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)碼捕獲時(shí)間性能和系統(tǒng)復(fù)雜度之間的折衷。在串行捕獲方案中，雙停頓時(shí)間搜索法和序貫檢測(cè)法都是縮短捕獲時(shí)間的有效方 法，利用一些新的搜索算法進(jìn)一步改進(jìn)這些系統(tǒng)的性能成為研究的熱點(diǎn) 。此外以前主要研究的是高斯信道 下的捕獲性能，現(xiàn)在則考慮到非高斯信道下的捕獲性能，以及在有頻偏等影響條件下捕獲性能。 多用戶檢測(cè) CDMA 系統(tǒng)容量受到來自其他用戶的多址干擾的限制，多用戶檢測(cè)能夠利用這些多址干擾來改善接收機(jī)的性能，因此是一種提高系統(tǒng)容量的有效方法。傳統(tǒng)的 CDMA 接收機(jī)是由一系列單用戶檢測(cè)器組成，每個(gè)檢測(cè)器都是與特定擴(kuò)頻碼對(duì)應(yīng)的相關(guān)器，它并沒有考慮多址干擾的結(jié)構(gòu)，而是把來自其它用戶的干擾當(dāng)成加性噪聲，因此當(dāng)用戶數(shù)量增加時(shí)，其性能急劇下降。通過對(duì)所有用戶的聯(lián)合譯碼可以極大地改善 CDMA 系統(tǒng)的性能。但是最優(yōu)的多用 戶接收機(jī)，其復(fù)雜度隨用戶數(shù)量成指數(shù)增長(zhǎng)，因此在實(shí)際通信系統(tǒng)中幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。這樣尋找在性能和復(fù)雜度之間折中的次最優(yōu)多用戶檢測(cè)器成為研究的熱點(diǎn)。 目前研究的次最優(yōu)多用戶檢測(cè)器主要可分為兩大類：線性檢測(cè)器和反饋檢測(cè)器。前者包括解相關(guān)檢測(cè)器、最小均方誤差序列檢測(cè)器等；后者則包括多級(jí)檢測(cè)器、判決反饋檢測(cè)器、順序干擾撤銷和并行干擾撤銷檢測(cè)器等?？紤]信道編碼的多用戶接收機(jī)又可以分為非迭 代接收機(jī)和迭代接收機(jī) 。這些檢測(cè)器的實(shí)現(xiàn)都需要知道預(yù)期用戶的擴(kuò)頻碼、定時(shí)信息以及信道沖擊響應(yīng)，有時(shí)還需要知道多用戶干擾。這些信息可以通過發(fā)送導(dǎo)頻序列獲得，但使用導(dǎo)頻序列就降低了系統(tǒng)的頻譜利用效率，因此不使用導(dǎo)頻序列的多用戶 檢測(cè)方法，又稱為盲多用戶檢測(cè)器，也正在得到深入的研究 。 擴(kuò) 頻技術(shù)的展望 擴(kuò)頻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 從擴(kuò)頻技術(shù)的歷史可以看出，每一次技術(shù)上的大發(fā)展都是由巨大的需求驅(qū)動(dòng)的。軍事通信抗干擾的驅(qū)動(dòng)以及個(gè)人通信業(yè)務(wù)的驅(qū)動(dòng)使得擴(kuò)頻技術(shù)的抗干擾性能和碼分多址能力得到最大限度的挖掘。展望未來，第四代移動(dòng)通信系 統(tǒng)（ 4G）的驅(qū)動(dòng)無疑會(huì)使擴(kuò)頻技術(shù)傳輸高速數(shù)據(jù)的能力得到更大的拓展。 3G 設(shè)計(jì)的目標(biāo)主要是支持多媒體業(yè)務(wù)的高速數(shù)據(jù)傳輸，因此其研究主要集中在新標(biāo)準(zhǔn)和新硬件的開發(fā)。而對(duì)于 3G 以后的發(fā)展，不同的研究者有不同的觀點(diǎn)。但是從用戶的觀點(diǎn)看， 4G 應(yīng)該具備以下的主要特征 ： ① 最大的靈活性 ,應(yīng)該能夠滿足在任何時(shí)間和地點(diǎn)，通過任何設(shè)備都可以實(shí)現(xiàn)通信； ② 降低成本， 4G 在實(shí)現(xiàn)比 3G 的傳輸速率高 1~2 個(gè)數(shù)量級(jí)的同時(shí)，還應(yīng)該使成本降為 3G 時(shí)的 1/10 或 1/100； ③ 個(gè)性化和綜合化的業(yè)務(wù) ， 不僅僅是保證每個(gè)人都能通過一個(gè)終端進(jìn)行通信，而 要在人周圍的家庭、辦公室以及熱點(diǎn)地區(qū)建立一個(gè)通用的信息環(huán)境，使每個(gè)人都可以根據(jù)需要以各種方式獲得信息。 對(duì) 4G 的認(rèn)識(shí)不同，采取的技術(shù)解決手段也各不一樣。目前實(shí)現(xiàn) 4G 觀點(diǎn)主要有 2 種：東華 理工大學(xué) 5 一種是開發(fā)新的無線接口和技術(shù)；另一種則是集成現(xiàn)有的及未來的無線系統(tǒng)。前者關(guān)注新技術(shù)的應(yīng)用，例如多載波調(diào)制技術(shù)，即 OFDM，是一種傳輸高速數(shù)據(jù)的有效調(diào)制方案，被認(rèn)為有望成為 4G 的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制技術(shù)。而另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為，更重要的是將現(xiàn)有的和未來的通信系統(tǒng)集成，其中的網(wǎng)絡(luò)包括無線局域網(wǎng)（ WLANs）、無線個(gè)域網(wǎng)（ WPANs）、 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò) 以及家庭局域網(wǎng)等，其中連接的設(shè)備則包括便攜式移動(dòng)終端、固定設(shè)備、個(gè)人電腦以及娛樂設(shè)備等。超寬帶（ UWB）技術(shù)以及軟件無線電（ SDR）技術(shù)在無線網(wǎng)絡(luò)集成方面也起著重要的作用。在 4G 網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)中，有的技術(shù)本身就是擴(kuò)頻技術(shù)的延伸，有的則能夠很好得與擴(kuò)頻技術(shù)結(jié)合，還有的則能用于擴(kuò)頻系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，因此這些新技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)著擴(kuò)頻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。 超寬帶技術(shù) 衡量擴(kuò)頻系統(tǒng)的重要指標(biāo)是擴(kuò)頻增益，在一定的傳輸帶寬下，要提高有效數(shù)據(jù)的傳輸速率就要降低擴(kuò)頻增益，而擴(kuò)頻增益的下降也意味著擴(kuò)頻系統(tǒng)性能的降低，因此要提高傳輸數(shù)據(jù)速率，而且不降低擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能（即保證一定的擴(kuò)頻增益），就只有提高傳輸帶寬。超寬帶 (UWB)技術(shù)可以看作是一種將傳輸帶寬極大擴(kuò)展以獲得高數(shù)據(jù)傳輸速率的擴(kuò)頻技術(shù)。 UWB 作為一種短距離通信技術(shù)在未來無線通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中扮演著重要的角色。 在 3G 向 4G 轉(zhuǎn)變的過程中，要求實(shí)現(xiàn)無所不在的通信平臺(tái)，短距離無線設(shè)備和業(yè)務(wù)的設(shè)計(jì)、配置和應(yīng)用也達(dá)到前所未有的高度 。目前的短距離無線設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)主要是基于 IEEE 802 系列無線標(biāo)準(zhǔn)的 WLANs/WPANs，但是這些網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備都是獨(dú)立工作的，它們要么單獨(dú)地工作在室內(nèi)和辦公室環(huán)境，要么單獨(dú)地工作在開闊的公共地區(qū)，完全沒有考慮它們之間的互連問題。此外，未來無線通信系統(tǒng)對(duì)短距離通信的高速數(shù)據(jù)傳輸也會(huì)提出更高的要求，而高速數(shù)據(jù)傳輸帶來的最大問題就是頻譜資源緊缺。 UWB 技術(shù)的出現(xiàn)為解決這些難題提供了可能的方案。 UWB 技術(shù)通過共享頻譜，而不是尋找目前存在但實(shí)用性不高的頻譜來實(shí)現(xiàn)短距離高速數(shù)據(jù)傳輸，它有效地解決了頻譜分配問題，因此自 從 FCC 在 2020 年 2 月 14 日頒布了將UWB 技術(shù)用于商用的法規(guī)以后， UWB 技術(shù)的研究熱潮始終高漲。 與現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)相比， UWB 有著明顯不同的工作原理和應(yīng)用特性。傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)使用連續(xù)電波作為通信載波，即用某種調(diào)制方式將信號(hào)加載到連續(xù)電波上，并且連續(xù)電波被限定在小范圍的頻段上（一般約為 6 MHz）。而 UWB 技術(shù)不使用連續(xù)電波，它通過非常短、非?？於?“離散 ”的電子脈沖來傳輸信號(hào)，由編碼來控制脈沖的發(fā)送時(shí)間，脈沖本身就形成了數(shù)字通信中的 “0”或 “1”，并且脈沖可以覆蓋范圍非常廣泛的頻段（可以在幾赫到 幾吉赫之間）。正是由于其獨(dú)特的工作原理使它具備下列優(yōu)點(diǎn)：隱蔽性好；極低的截獲率；處理增益高；多徑分辨能力強(qiáng)；傳輸速率高；系統(tǒng)容量大；低功耗等。但是 UWB系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)還有很多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，因此可以說 UWB 技術(shù)的發(fā)展是機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存。 多載波調(diào)制技術(shù) 多載波調(diào)制技術(shù)，即正交頻分多址（ OFDM），是一種有效的傳輸高速數(shù)據(jù)的方法，它已經(jīng)成為一系列重要的高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。 OFDM 和 CDMA 的結(jié)合也為解決未來無線通信系統(tǒng)的難題提供了技術(shù)選擇。 在傳統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，符號(hào)是順序發(fā)射的，每個(gè)數(shù)據(jù)符 號(hào)的頻譜都可以占用整個(gè)可用頻譜。由于瑞利信道的突發(fā)特性，一些鄰近的符號(hào)可能會(huì)由于衰落而受到嚴(yán)重的破壞。在這種系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，要么使用高階調(diào)制犧牲系統(tǒng)性能，要么降低符號(hào)間隔使得信道帶寬增大。然而延時(shí)擴(kuò)展使系統(tǒng)具有一個(gè)等待周期，這個(gè)周期決定下一個(gè)脈沖何時(shí)可以發(fā)射。同時(shí)，這個(gè)等待周期要求信號(hào)采樣速率降低到比延時(shí)擴(kuò)展的倒數(shù)小得多的搜索文檔 ：基于 FPGA 實(shí)現(xiàn) CDMA 擴(kuò)頻通信中同步系統(tǒng) 6 情況以防止符號(hào)間干擾。降低符號(hào)間隔使得系統(tǒng)更容易受到延時(shí)擴(kuò)展的干擾。 為了解決串行系統(tǒng)遇到的許多困難，采用并行或多路數(shù)據(jù)系統(tǒng)是一種可能的解決方案。并行系統(tǒng)同時(shí)傳輸幾個(gè)順序數(shù) 據(jù)流，因此在任何時(shí)間內(nèi)都有多個(gè)數(shù)據(jù)元素在傳輸。在這樣的系統(tǒng)中，單個(gè)數(shù)據(jù)元素的頻譜通常只占用整個(gè)可用頻譜的一部分。在典型的并行數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，整個(gè)信號(hào)頻譜分解成 N 個(gè)頻率不重疊的子信道。每個(gè)子信道都調(diào)制獨(dú)立的符號(hào)，這樣 N 個(gè)子信道就實(shí)現(xiàn)頻率分割。如果每個(gè)獨(dú)立信道的頻譜允許重疊，同時(shí)在接收機(jī)使每個(gè)子信道具有特定的正交限制以便分離，則并行系統(tǒng)利用頻譜的效率更高 ,這就是 OFDM 的基本思想。 組合 CDMA和 OFDM的多載波 CDMA方案主要可分為兩大類：一種是頻域擴(kuò)展系統(tǒng)，即 MCCDMA（ Multicarrier CDMA），也稱為 OFDMCDMA；另一種則是時(shí)域擴(kuò)展系統(tǒng)，包括 MCDSCDMA 以及 MTCDMA（ Multitone CDMA）。 MCCDMA 的發(fā)射機(jī)在頻域使用一定的擴(kuò)頻碼將原始數(shù)據(jù)擴(kuò)展到不同的子載波進(jìn)行傳輸。時(shí)域擴(kuò)展的多載波調(diào)制方案又可分為兩類。 MCDSCDMA 的發(fā)射機(jī)先將原始數(shù)據(jù)流進(jìn)行串并變換，然后在時(shí)域上使用一定的擴(kuò)頻碼對(duì)變換后的數(shù)據(jù)流擴(kuò)頻，再分別調(diào)制到不同的子載波上進(jìn)行傳輸。 MTCDMA的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)與 MCDSCDMA 相似，不過它采用的擴(kuò)頻碼周期更長(zhǎng)。對(duì)這些多載波調(diào)制方案的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、檢測(cè) 算法以及誤碼性能都有較詳細(xì)的研究比較。此外，在更通用的MCDSCDMA 方案則同時(shí)在頻域和時(shí)域?qū)π盘?hào)進(jìn)行擴(kuò)展，并被證明這種調(diào)制方案能夠適應(yīng)包括室內(nèi)、鄉(xiāng)村、郊區(qū)以及城市在內(nèi)