【文章內(nèi)容簡介】 一、信號的頻譜被展寬了 我們知道，傳輸任何信息都需要一定的帶寬，稱為信息帶寬。 例如人類的語音的信息帶寬為 300Hz 3400Hz，電視圖像信息帶寬為數(shù)MHz。為了充分利用頻率資源，通常都是 盡量采用大體相當(dāng)?shù)膸挼男盘杹韨鬏斝畔?。在無線電通信中射頻信號的帶寬與所傳信息的帶寬是相比擬的。如用調(diào)幅信號來傳送語音信息，其帶寬為語音信息帶寬的兩倍；電視廣播射頻信號帶寬也只是其視頻信號帶寬的一倍多。這些都屬于窄帶通信。 一般的調(diào)頻信號，或脈沖編碼調(diào)制信號，它們的帶寬與信息帶寬之比也只有幾到十幾。擴(kuò)展頻譜通信信號帶寬與信息帶寬之比則高達(dá) 100 1000，屬于寬帶通信。 為什么要用這樣寬的頻帶的信號來傳輸信息呢 ? 這樣豈不太浪費寶貴的頻率資源了嗎 ? 二、采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制的方式來展寬信號頻譜 我們 知道，在時間上有限的信號，其頻譜是無限的。例如很窄的脈沖信號，其頻譜則很寬。信號的頻帶寬度與其持續(xù)時間近似成反比。 1微秒的脈沖的帶寬約為 1MHz。因此，如果用限窄的脈沖序列被所傳信息調(diào)制，則可產(chǎn)生很寬頻帶的信號。 沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文 8 如下面介紹的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)就是采用這種方法獲得擴(kuò)頻信號。這種很窄的脈沖碼序列，其碼速率是很高的，稱為擴(kuò)頻碼序列。這里需要說明的一點是所采用的擴(kuò)頻碼序列與所傳信息數(shù)據(jù)是無關(guān)的，也就是說它與一般的正弦載波信號一樣，絲毫不影響信息傳輸?shù)耐该餍浴U(kuò)頻碼序列僅僅起擴(kuò)展信號頻譜的作用 。 三、在接收端用相關(guān)解 調(diào)來解擴(kuò) 正如在一般的窄帶通信中，已調(diào)信號在接收端都要進(jìn)行解調(diào)來恢復(fù)所傳的信息。在擴(kuò)頻通信中接收端則用與發(fā)送端相同的擴(kuò)頻碼序列與收到的擴(kuò)頻信號進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，恢復(fù)所傳的信息。換句話說，這種相關(guān)解調(diào)起到解擴(kuò)的作用。即把擴(kuò)展以后的信號又恢復(fù)成原來所傳的信息。這種在發(fā)端把窄帶信息擴(kuò)展成寬帶信號，而在收端又將其解擴(kuò)成窄帶信息的處理過程，會帶來一系列好處。弄清楚擴(kuò)頻和解擴(kuò)處理過程的機(jī)制，是理解擴(kuò)頻通信本質(zhì)的關(guān)鍵所在。 2. 2 擴(kuò)頻技術(shù)的基礎(chǔ)理論 我們知道，傳輸任何信息都需要一定的帶寬，稱為信息帶寬。例如語音信息的帶 寬大約為 300— 3400HZ，普通電視圖像信息帶寬大約為 。為了充分利用頻率資源，通常都是盡量壓縮傳輸帶寬。如電話是基帶傳輸，一般把帶寬限制在 3400HZ 左右。又如使用調(diào)幅信號傳輸，因為調(diào)制過程中將產(chǎn)生上下兩個邊帶，信號帶寬需要達(dá)到信息帶寬的兩倍，而在實際傳輸中，是采用壓縮限幅技術(shù)，把廣播語音的帶寬限制在大約為 2*4500Hz=9kHz 左右；采用邊帶壓縮技術(shù)，把普通電視信號包括語音信號一起限制在 *=8MHz 左右。及時在普通的調(diào)頻通信上，最大也只把信號帶寬放寬到信息寬帶的十幾倍左右 ，這些都是采用了窄帶通信技術(shù)。長期以來，人們總是想方設(shè)法使信號所占頻譜盡量窄，以充分提高十分寶貴的頻率資源的利用率。而擴(kuò)頻通信屬于寬帶通信技術(shù)，通常的擴(kuò)頻信號帶寬與信息帶寬之比將高達(dá)幾百甚至幾千倍。為什么要用寬頻帶信號來傳輸窄帶信息呢？簡單言之，就是主要為了通信的安全可靠，這個問題可以用信息論來解釋。 擴(kuò)頻通信的可行性， 是從信息論和抗干擾理論的基本公式中引伸而來的。 信息論中關(guān)于信息容量的 香 農(nóng) (Shannon)公式為： C ＝ WLog2(1 十 P/N) (1) 沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文 9 式中 ： C 信道容量 (用傳輸速率度量 ) W 信號頻帶寬度 P 信號功率 N 噪聲 平均 功率 由上式可以看出，在特定通頻帶寬 W和特定信躁比 S/N的信道中傳送信息的速率 C是一定的。由香農(nóng)公式可以得出以下結(jié)論： （ 1）提高信躁比 S/N，可以增加信道容量 C。 （ 2）當(dāng)信道中的噪聲功率Ｎ－＞０，信道容量 C 無窮大，也就是說，無干擾信道的容量可以無窮大。 （ 3）當(dāng)信道容量 C一定時，信道通頻帶寬 W與信躁比 S/N之間可以互換。在擴(kuò)頻通信中，通信擴(kuò)展信號帶寬和增加信道通頻帶寬，在低 信躁比的情況下，仍可以保持所需要的信道容量。 （ 4）信躁比一定，增加通頻帶寬可以增大信道容量。但實際通信系統(tǒng)的背景噪聲為高斯白噪聲，增加通頻帶寬會使信躁比下降，無限增大通頻帶寬也只能對應(yīng)有限的信道容量，其極限容量為： C(winf)= （ S/n0） 其中， n0 為噪聲功率密度， n0=N/W 式 (1)說明，在給定的傳輸速率 C 不變的條件下，頻帶寬度 W 和信噪比 P／ N是可以互換的。即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比 P／ N(S／ N)情況下，傳輸信息。 擴(kuò)展頻譜換取信噪比要求的降低，正是擴(kuò)頻通信的 重要特點，并由此為擴(kuò)頻通信的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 擴(kuò)頻通信的基本特點，是傳輸信號所占用的頻帶寬度（ W）遠(yuǎn)大于原始信息本身實際所需的最小帶寬（ B），其比值稱為處理增益（ Gp）： [] [52RD 總之，我們用擴(kuò)展頻譜的寬帶信號來傳輸信息，就是為了提高通信的抗干擾能力，即在強(qiáng)干擾條件下保證可靠安全地通信。這就是擴(kuò)展頻譜通信的基本思想和理論依據(jù) 。 沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文 10 2. 3 擴(kuò)頻通信的主要性能指標(biāo) 處理增益和抗干擾容限是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的兩個重要性能指標(biāo)。 一、 處理增益 G也稱擴(kuò)頻增益 (Spreading Gain) 它定 義為頻譜擴(kuò)展前的信息帶寬 ?F與頻帶擴(kuò)展后的信號帶寬 W之比： G＝ W／ ?F 在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中．接收機(jī)作擴(kuò)頻解調(diào)后，只提取偽隨機(jī)編碼相關(guān)處理后的帶寬為 ?F 的信息，而排除掉寬頻帶 W中的外部干擾、噪音和其地用戶的通信影響。因此，處理增益 G 反映了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)信噪比改善的程度。 二、 抗干擾容限 它 是指擴(kuò)頻通信系統(tǒng)能在多大干擾環(huán)境下正常工作的能力，定義為： Mj = G － [(S/N)out + Ls] 其中： Mj 抗干擾容 限 G 處理增益 (S／ N)out 信息數(shù)據(jù)被正確解調(diào)而要求的 最小輸出信噪比 Ls 接收系統(tǒng)的工作損耗 例如 , 一個擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益為 35dB．要求誤碼率小于 l0－ 5的信息數(shù)據(jù)解調(diào)的最小的輸出信噪比 (S/N)out ＜ 10 dB，系統(tǒng)損耗 Ls＝ 3dB，則干擾容限 Mj ＝ 35 － (10 +3) ＝ 22dB。 這說明，該系統(tǒng)能在干擾輸入功率電平比擴(kuò)頻信號功率電平高 22dB 的范圍內(nèi)正常工作，也就是該系統(tǒng)能夠在接收輸入信噪比大于或等于－ 22dB 的環(huán)境下正常工作。 2. 4 擴(kuò)頻通信的基本原理 信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過一 個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端則用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)”。 擴(kuò)頻通信的一般工作原理如圖 (a)所示。 沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文 11 圖 擴(kuò)頻通信工作原理 (a) 在發(fā)端輸入的信息先經(jīng)信息調(diào)制形成數(shù)字信號，然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號以展寬信號的頻譜。展寬后的信號再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。 在接收端收到的寬帶射頻信號，變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)。再經(jīng)信息解調(diào)、恢復(fù)成原始信息輸出。 由此可見， — 般的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)都要進(jìn)行三次調(diào)制和相應(yīng)的解調(diào)。一次調(diào)制為信息調(diào)制，二次調(diào)制為擴(kuò)頻調(diào)制，三次調(diào)制為射頻調(diào)制，以及相應(yīng)的信息解調(diào)、解擴(kuò)和射頻解調(diào)。 與一般通信系統(tǒng)比較，擴(kuò)頻通信就是多了擴(kuò)頻調(diào)制 和解擴(kuò)部分 。 沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文 12 圖 信息的頻譜擴(kuò)展過程 圖 擴(kuò)頻信號的解擴(kuò)過程 2 .5 擴(kuò)頻通信的特點 由于擴(kuò)頻通信能大大擴(kuò)展信號的頻譜，發(fā)端用擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制， 以及在收端用相關(guān)解調(diào)技術(shù)，使其具有許多窄帶通信難于替代的優(yōu)良性能， 能在“軍轉(zhuǎn)民”后，迅速推廣到各種公 用和專用通信網(wǎng)絡(luò)之中，主要有以下幾 沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文 13 項特點： 1) 易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率 無線頻譜十分寶貴，雖然從長波到微波都得到了開發(fā)利用，仍然滿足不了社會的需求。在窄帶通信中，主要依靠波道劃分來防止信道之間發(fā)生干擾。 為此，世界各國都設(shè)立了頻率管理機(jī)構(gòu)，用戶只能使用申請獲準(zhǔn)的頻率。 擴(kuò)頻通信發(fā)送功率極低 (1 650mW)，采用了相關(guān)接收這一高技術(shù)，且可工作在信道噪聲和熱噪聲背景中，易于在同一地區(qū)重復(fù)使用同一頻率 , 也可與現(xiàn)今各種窄道通信共享同一頻率資源。所以，在美國及世界絕大多數(shù)國家，擴(kuò)頻通信不需申請頻率，任何個人與單位可以無執(zhí)照使用。 2) 抗干擾性強(qiáng)，誤碼率低 擴(kuò)頻通信在空間傳輸時所占有的帶寬相對較寬，而收端又采用相關(guān)檢測的辦法來解擴(kuò)，使有用寬帶信息信號恢復(fù)成窄帶信號，而把非所需信號擴(kuò)展成寬帶信號，然后通過窄帶濾波技術(shù)提取有用的信號。這祥，對于各種干擾信號，因其在收端的非相關(guān)性，解擴(kuò)后窄帶信號中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干擾性強(qiáng)。 如上述例子當(dāng) Gp = 35dB 時，抗干擾容限 Mj = 22dB，即在負(fù)信 噪聲比 (－22dB)條件下，可以將信號從噪聲的湮滅中提取出來。 在目前商用的通信系統(tǒng)中， 擴(kuò)頻通信是唯一能夠工作于負(fù)信噪比條件下的通信方式。 對于寬帶干擾和脈沖干擾在擴(kuò)頻設(shè)備中如何被抑制的物理過程，可以用圖 和圖 加以說明。 對于各種形式人為的 (如電子對抗中 )干擾或其他窄帶或?qū)拵?(擴(kuò)頻 )系統(tǒng)的干擾， 只要波形、時間和碼元稍有差異，解擴(kuò)后仍然保持其寬帶性，而有用信號將被壓縮，見圖 所示。 沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文 14 圖 擴(kuò)頻系統(tǒng)抗寬帶干擾能力示意圖 對于脈沖干擾，帶寬將被展寬到 B，而有用信號恢復(fù) (壓縮 )后，保證高于干擾，見圖 所示。 圖 擴(kuò)頻系統(tǒng)抗脈沖干擾能力示意圖 由于擴(kuò)頻系統(tǒng)這一優(yōu)良性能，誤 碼率很低，正常條件下可低到 l 010, 最差條件下約 106，完全能滿足國內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)對通道傳輸質(zhì)量的要求。 3) 隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小 由于擴(kuò)頻信號在相對較寬的頻帶上被擴(kuò)展了，單位頻帶內(nèi)的功率很小，信號湮沒在噪聲里，一般不容易被發(fā)現(xiàn)，而想進(jìn)一步檢測信號的參數(shù) (如偽隨機(jī)編碼序列 )就更加困難，因此說其隱蔽性好。 再者，由于擴(kuò)頻信號具有很低的功率譜密度，它對目前使用的