【文章內(nèi)容簡介】 噪比進一步降低，有用信號功率接近噪聲功率甚至淹沒在噪聲之下也是可能的。擴頻通信就是用寬帶傳輸技術(shù)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)。式（ ）中由于噪聲功率 N 與信道帶寬 B 有關(guān)，若噪聲功率譜密度為 0n 時，則噪聲功率為 N= 0n B 那么式（ ）可以用另一種方式來表示 2 0log (1 )SCB nB?? （ ） 由上式可以看出信道的容量要 受到 三個要素 的 限制，即系統(tǒng)頻帶帶寬 B、噪聲功率譜密度的幅值 0n 以及信號的功率 S。這三個要素確定了，系統(tǒng)的信道容量也就確定了。 擴頻通信就是根據(jù) 該 信道容量的公式，通過擴展頻譜來拓展信道容量。 擴頻通信的原理 擴頻通信，從電磁波利用來看，與一般現(xiàn)有的常規(guī)通信方式完全不同。擴頻通信利用偽隨機編碼把信息數(shù)據(jù) （ 窄帶信號）的頻譜進行擴展，形成寬帶的低功率譜密度信號發(fā) 射 ， 使用不同的偽隨機序列編碼，不同通信用戶可在 同一 頻段、同一時間工作，互不影響或干擾極小 地 進行通信。常規(guī)的通信 是 在頻段上細分（頻分）或時間上細分（時分）給通信用戶，彼此互不干擾地分別使用。因此，擴頻通信在調(diào)制、解調(diào)上 都與眾不同。 擴頻通信的基本原理如圖 11所示，信息數(shù)據(jù)經(jīng)擴頻調(diào)制后變成帶寬 為 B1 的信號（ B1 為窄帶信號的帶寬），用擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機編碼（ PN 碼）去對基帶信號 進行 擴頻調(diào)制，形成帶寬為 B2（ B2B1）、功率譜密度極低的擴頻信號后再發(fā)射。2lo g (1 / )C B S N??南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 每個通信用戶使用各自不同的偽隨機序列編碼，可以同時 使用帶寬為 B2 的 同 一頻帶。在接收端，首先使用與擴頻信號發(fā)送者相同的偽隨機序列編碼作擴頻解調(diào)處理，把 寬帶信號恢復(fù)成通常的 窄帶 基帶信號，再使用通常的通信處理手段解調(diào)出發(fā)送來的信息數(shù)據(jù)。顯然，當(dāng)接收端不知道發(fā)送來的擴頻信號所使用的 偽 隨機編碼時，要進行擴頻是相當(dāng)困難、甚至是不可能的 ， 這時實現(xiàn)了信息數(shù)據(jù)的保密 通信 。如果接收端用某一偽隨機 編碼在接收端 接收 某一發(fā)送端發(fā)送來的信號時，通信中的另一些偽隨機編碼調(diào)制的 擴頻信號不能在該接收端的擴頻解調(diào)處理器中形成明顯的信號輸出 ，即不會對接收端的擴頻解調(diào)處理形成干擾。這樣，接收端使 用 不同 的 偽隨機編碼 作擴頻解調(diào)，就可得到不同發(fā)送者發(fā)送來的信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多用戶（多址）通信。 圖 11 擴 頻通信 原理圖 1． 5 擴頻通信的主要特點 由于擴頻通信大大擴展了信號的頻譜，發(fā)送端用擴頻碼序列調(diào)制，在接收端利用相關(guān)解調(diào)技術(shù)恢復(fù)出信息數(shù)據(jù)，所以它具有一系列優(yōu)良的性能。 1 抗干擾性強 擴 頻通信系統(tǒng)的頻譜越寬，處理增益越高，抗干擾性能越強，從理論上講，擴頻通信能把信號從噪聲淹沒中提取出來。 在接收端對干擾頻譜能量加以擴散，對信號頻譜能量壓縮集中，因此 在輸出端就得到了信噪比的增益，這樣擴頻通信 系統(tǒng) 可以 在 很小的信噪比情況下進行通信，甚至可在信號比干擾信號 強度 低得多的條件下實現(xiàn)可靠的 通信。這種“去除干擾”的性能，是擴頻通信的主要優(yōu)點之一， 現(xiàn)分析如下： 1) 當(dāng)接收機本地解擴碼與收到的 信息 碼完全一致時，所需要的信號恢復(fù)到未擴頻前的原始帶寬，而其他任何不匹配的干擾信號被接收機擴散到更寬的頻帶，從而使信息 調(diào)制 擴頻 調(diào)制 射頻 調(diào)制 變頻 解調(diào) 擴頻 解調(diào) 信息 解調(diào) 擴頻 碼發(fā) 生器 射頻 發(fā)生 器 本地同步電路 本地 擴頻 碼發(fā) 生器 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 落入到信息帶寬范圍的干擾強度被大大降低了，當(dāng)通過窄帶濾波器 時 ，就全部抑制了濾波器 的帶外干擾 信號 。 2）擴頻系統(tǒng)的抗干擾性能，取決于系統(tǒng)對信號與噪聲功率的壓縮和擴展處理 的比值 ，該處理增益越大，則系統(tǒng)抗干擾能力越強。例如，處理增益為 30dB， 則接收機可在 15~20dB 的信噪比下提取信號，除去內(nèi)部損耗約 2dB 外，接收機還能在干擾信號比有用信號強 18dB 的條件下，仍有不小于 10dB 的工作信噪比，既有 10dB 的 余量做信號解調(diào)，進行正常通信。 3）系統(tǒng)對高斯白噪聲干擾、正弦波干擾、鄰碼干擾以及脈沖干擾均有較強的抗干擾能力 ， 對多徑效應(yīng)的影響不敏感。對正弦波干擾有獨特的抵抗能力，這對于電子對抗是十分有利的。 當(dāng)然，在接收端一般采用相關(guān)檢測或匹配濾波的方法提取信號。此外，對于單頻及多頻載波 信號的干擾、其他偽隨機調(diào)制信號的干擾以及脈沖正弦信號的干擾等，擴頻系統(tǒng)都有抑制干擾提高輸出信噪比的作用。特別是對抗敵人人為干擾方面，效果更是突出，這也是在軍事通信領(lǐng)域率先廣泛應(yīng)用的主要原因。簡單 地 說，如果信號帶寬展寬 10 倍，干擾方面需要在更寬的頻帶進行干擾，分散了干擾功率。在總功 率不變的條件下，其干擾強度只有原來的 1/10。要保持原有的干擾強度，必須加大 10 倍總功率，這在實際的戰(zhàn)場條件下有時是很難實現(xiàn)的。另外，由于在接收端采用擴頻碼序列進行相關(guān)檢測，即使采用同類型信號進行干擾，如果不能檢測出有用信號的碼序列 ，由于不同碼序列之間的相關(guān)性，干擾也起不了太大的作用?？梢哉f ，抗干擾性是擴頻通信最突出的優(yōu)點。 2 隱蔽性好 由于擴頻信號在很寬的頻帶上被 擴展 ，單位頻帶內(nèi)的功率很小，即信號的功率譜密度很低，所以應(yīng)用擴頻碼序列擴展頻譜的 直 序 擴頻系統(tǒng)，可在信道噪聲和熱噪聲的背景下 以 很低的信號功率譜密度上通信。信號既然被淹沒在噪聲里，敵方就很 難 發(fā)現(xiàn)有信號的存在，想進一步檢測信號的參數(shù)就更困難了。因此，擴頻信號具有很低的被截獲概率，這在軍事通信上是十分有用的，可以進行隱蔽通信。再者，由于擴頻信號具有很低的功率譜密度，對目前使用的各 種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小。近年來在民用通信上，各國都在研究和在原有窄帶通信的頻帶內(nèi)同時進行擴頻通信，大大提高了頻帶利用率。特別是對于一些信 息 的通信服務(wù)，如個人通信服務(wù)，采用擴頻碼分多址方式時，理論和實踐證明，不需要分配另外的頻段即可實現(xiàn)，因而引起了廣泛的重視。 3 實現(xiàn)碼分多址 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 擴頻通信提高了抗干擾性，但是卻付出了占用頻帶寬的代價。如果讓許多用戶共同使用這一寬頻帶，可大 大 提高頻帶利用率。由于在擴頻通信中存在擴頻碼序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，在接收端利用相關(guān)檢測技術(shù)進行解擴，則在分配給不同用戶不同碼 型的情況下可以區(qū)分不同用戶的信號。這樣，在一個寬頻帶上，許多對用戶可以同時通話而不相互干擾，這與利用頻帶分割或時間分割方法實現(xiàn)多址通信的概念相類似，即用不同的碼型進行分割，所以 稱為 碼分多址（ CDMA）。碼分多址方式雖然要占用較寬的頻帶，但是平均到每個用戶占用的頻帶來計算，其頻帶利用率是很高的。最近的研究表明，在數(shù)字蜂窩移動通信中，采用擴頻碼分多址技術(shù)可以提高容量 20 倍，除此之外，采用碼分多址，還有利于組網(wǎng)、 選址 、增加保密性、解決新用戶隨時入網(wǎng)等問題。 4 抗多徑干擾 在無線電通信的各個頻段，即短波、超短波、微 波和光纖通信的光波中大量存在各種類型的多徑干擾。長期以來，抗多徑干擾問題始終是一個難以解決的問題之一。一般的方法是排除干擾或變害為利。前者是設(shè)法把最強的有用信號分離出來，排除其他路徑的干擾信號，這就是采用分集技術(shù)的基本思路。后者是設(shè)法把不同路徑來的延時的信號在接收端從時間上對齊相加，合并成較強的有用信號，這就是采用梳狀濾波器的基本思路。這兩種基本方法在擴頻通信中都是很容易實現(xiàn)的 ， 可以利用擴頻碼序列之間的相關(guān)性，在接收端用相關(guān)技術(shù)從多徑信號中提取和分離出最強的有用信號，或把多個路徑來的同一碼序列的波形相加合成 。另外，在跳頻通信系統(tǒng)中，由于用多個頻率的信號傳送同一信息，實際上起到了頻率分集的作用。因此，在目前民用數(shù)字蜂窩移動通信及 部分 軍事通信設(shè)備中經(jīng)常采用簡單的跳頻技術(shù)作為抗多徑干擾的一種手段。 5 能精確地定時和測距 電磁波在空間 的 傳播速度是固定不變 的 光速，如果能夠精確測量電磁波在兩個物體之間傳播 的時間，也就等于測量出了兩個物體之間的距離 。在擴頻通信中如果擴展頻譜很寬，意味著所采用的擴頻碼速率很高，每個碼片占用的時間很短。當(dāng)發(fā)射出去的擴頻信號在被物體反射回來后在接收端調(diào)出擴頻序列，比較收發(fā)兩端兩個碼序列的相位之 差，就可以精確測出擴頻信號往返的時間差，算出兩者之間的距離。測量的精確度決定于碼片的寬度，也就是擴展頻譜的寬度。碼片越窄，精度越高。目前廣泛應(yīng)用的全球定位系統(tǒng)也就是利用擴頻信號的這一特點來精確定位和定時的。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 13 第二章 直擴系統(tǒng)性能分析 2． 1 擴展頻譜通信的基本概念 頻譜是電信號的頻域描述。運載各種信息 (如語音，圖象，壓強，溫度，數(shù)據(jù)等 )的信號一般都是以時域來表示，即表示為一個時間函數(shù) f(t)。信號的時域表示式 f(t)可以用付里葉變換得到表示式 F(? )。頻域和時域的關(guān)系由下式確定。 ?????????????????????dtjFtfdttjtfF)e x p ()()()e x p ()()( () 式中 ? ＝ 2? f。函數(shù) f(t)的付氏變換存在的充分條件是 ()f t dt????必須為有限值。有相當(dāng)一些 f(t)，其付氏變換并不存在，可以把付氏變換推廣為拉氏變換。這時信號頻域和時域關(guān)系式為 ?????????????????dtstcxptfsFdsstcxpsFjtf jj)()()()()(2 1)( ??? () 式中變量 ?? js ?? 。 在頻域中觀察和分析擴展頻譜信號，將帶來一定的方便。 以直接序列擴展頻譜通信為例，來研究其原理。它的一般方框圖如圖 所示，圖 (a)是它的發(fā)射系統(tǒng)。(b)是它的接收系統(tǒng)。信源產(chǎn)生的信息流｛ an｝通過編碼器輸出二進制碼流 d(u,t)，其中 u 用以表示隨機變量。二進制碼流中所含的兩個符號的先驗概率相同 ， 均為1/2，且兩個符號相互獨立，其波形圖如圖 (a)所示，二進制數(shù)字信號 d(u,t)與一個高速率的二進制偽隨機碼c(u,t) 波 形 (如圖 (b)所示，偽隨機碼為 m序列 )相乘，得到如圖 (c)所示的復(fù)合信號 d(u,t) c(u,t)。 圖 擴展頻譜通信系統(tǒng)模型 (a)發(fā)射系統(tǒng)； (b)接收系統(tǒng) 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 一般偽隨機碼的速率是 Mbps 的量級，有的甚至達到幾百 Mbps。目前國外已有1000Mbps 的超高速偽隨機碼。 而待傳信息流｛ an｝經(jīng)編碼后的速率較低，如數(shù)字話音信號一般為 32～ 64kbps， 經(jīng)擴頻之后，信息速率被擴展。 擴頻后的 d(u,t) c(u,t)復(fù)合信號對載波調(diào)制 (直接序列擴頻一般用 PSK 調(diào)制 )后，通過發(fā)射機和天線送入信道中傳輸。發(fā)射機輸出的擴頻信號用 s(u,t)表示，見圖 (d)所示，而 s(u,t)的射 頻帶寬取決于偽隨機碼 c(u,t)的碼速率。在 PSK 情況下是等于偽隨機碼速率的 2 倍，而與數(shù)字信息流的碼速率幾乎無關(guān)。以上處理過程就達到了擴展數(shù)字信息流頻譜的目的。 在接收端用一個和發(fā)射端同步的偽隨機碼 ))(?,(* utucr ?? 所調(diào)制的本地信號)](?)(?[( 02 utuj de ??? ??? 與接收到的 s(u,t) 進行相關(guān)處理 。相關(guān)處理是將兩個信號相乘，然后求其數(shù)學(xué)期望 (均值 )，或求兩個信號瞬間時值相乘的積分。當(dāng)兩個信號完全相同時 (或相關(guān)性很好 )，得到最大的相關(guān)峰值，經(jīng)數(shù)據(jù)監(jiān)測器恢復(fù)發(fā)射端的信 號為 d， (u,t)。 從擴展頻譜信號中恢復(fù)基帶信號 d(u,t)，是利用了下列兩個基本關(guān)系式即 d(u,t)c(u,t)c*(u,t)=d(u,t) () 其中： d(u,t)c(u,t)是接收到的擴頻信號， c*(u,t)是本地擴頻碼信號，它與 c(u,t)共軛。若用序列邏輯運算，可表示為 )()(*)()( uducucud ??? () 圖 理想擴展頻譜系統(tǒng)波形 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 15 上兩式中利用了模二加法的以下兩個性質(zhì)： 0)(*)( ?? ucuc () 1)(*)( ?? ucuc () 關(guān)系式 ()和 ()是很重要的，它是數(shù)字通信中采用偽隨機碼實現(xiàn)擴頻技術(shù)的一個基本出發(fā)點。 現(xiàn)代擴頻通信系統(tǒng)與常規(guī)通信系統(tǒng)相比 ， 發(fā)射增加了一個高速率的偽隨機碼 ， 并與數(shù)字信號實現(xiàn)波形相乘 ， 接收端增加一個本地擴頻碼 ， 與接收到的信號進行一次相關(guān)解擴。 經(jīng)過 這些處理，擴頻系統(tǒng)就比常規(guī)的通信系統(tǒng)具有 更 強的抗人為干擾、抗窄帶干擾、 抗多徑干擾的能力。此外還具有信息隱蔽、低的空間無線電波“通量密度”及多址保密通信等優(yōu)點。 擴頻技術(shù)的上述優(yōu)點基于以下理論。 首先，擴展頻譜技術(shù)的理論基礎(chǔ)可用香農(nóng) (CEShannon)信道容量公式來描述。 2log ( 1 / )C B S N?? （ ） 該公式表明，在高斯信道中當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信噪比 S/N 下降時，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬B 的辦法來保持信道容量 C 不變。對于任意給定的信噪比，可以用增大傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯率。擴展頻譜技術(shù)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。擴頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)通信體制大幾百倍至幾千倍 ， 故在相同的信噪比條件下 ， 具有較強的抗干擾能力。 其次 ，香農(nóng)又指出：在高斯噪聲的干擾下，在限平均功率的信道上，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(guān)特性，其功率譜為 2)( 0NS ?? ?????? ? () 它的自相 關(guān)函數(shù)為 )(2)(21)( 0 ?????? ?? NdeSR j ?? ???? () 其中： f?? 2? ， ? 為時延， ???? ?? ? 時當(dāng) 時當(dāng) 000)( ??? t () 白噪聲的自相關(guān)函數(shù)具有 ????函數(shù)的特點，說明它具有尖銳的自相關(guān)特性。但是對白噪聲信號的產(chǎn)生、加工和復(fù)制至今仍存在著許多技術(shù)困難。 然而人們已經(jīng)找到了一些易于產(chǎn)生又便于加工和控制的偽 隨機 序列，它們的統(tǒng)計特性逼近于高斯白噪聲統(tǒng)計特性。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 設(shè)某種偽隨機序列周期為 p， 且碼元都是二元域｛ 1， 1｝上的元，一個周期為 p，碼元為 x 的偽隨機二元序列 X 的歸一化自相關(guān)函數(shù)為 ?????????????????)011)0111111)