【文章內(nèi)容簡介】 特別引人注目，得到了迅速發(fā)展和廣泛 應(yīng)用。 [， ] 1 . 2 擴頻通信技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀 擴頻通信技術(shù)最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。 50 年代美國麻省理工學(xué)院研究成功 NoMAe(NoiseMo 血 lationnadeoerrlationsystem)系統(tǒng)，成為擴頻通信研究發(fā)展的 開端，從此，軍事通信機關(guān)對軍事通信、空間探測、衛(wèi)星偵察等方面廣泛應(yīng)用擴 頻通信方式的研究十分活躍。 1985 年 5 月美國聯(lián)邦通信委員會 F(CC)制訂了民 用公共安全、工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)療和業(yè)余無線電采用擴頻通信的標準和規(guī)范，明確 規(guī)定公共安全用 37MHz 一 952MHz，最大輸出功率為 ZW 的電臺 。工業(yè)、科學(xué)和醫(yī) 療用 902MHz 一 928MHz、 、 ，最大 輸出功率為 IOOmW。世界各國相繼行動，組織擴頻通信專門研究機構(gòu)和學(xué)術(shù)團體， 開始了對擴頻通信的深入研究和廣泛應(yīng)用。 1999 年，在火爆的移動通信領(lǐng)域，世界目光的焦點是 3G(3drgneeration)標 99 年 10 月 25 日至 11 月 5日在芬蘭赫爾辛基 召開的 TIU 一 RTGS/1 最后一次會議順利確定了 3G 無線接口標準，即 IMTZOOO 無 線接口技術(shù)規(guī)范建議 ()，基于這一全球統(tǒng)一的標準，用戶可以實現(xiàn)全 球漫游。世界各國都提出了自己的建議和標準，其中最有影響的是歐洲的 WCDMA、美國的 edmZaooo 以及我國提出的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的 TD 一 SCDMA。 20xx 年 3 月 16 日， TD 一 SCDMA 標準被正式寫入 3GPPRelease4，這是 TD SCDMA 基于 STEL20xxA 的擴頻信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于 STEL20xxA 的擴頻信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 基于 STEL20xxA 的擴頻信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于 STEL20xxA 的擴頻信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 發(fā)展史上一個重要的里程碑。而基于擴頻理論的 CDMA 技術(shù)更是成為國際電聯(lián) 3G 標準的主流技術(shù)。 從 20xx 年開始，全球的 3G 市場開始快速發(fā)展。進入 20xx 年，在 3G 商用網(wǎng) 絡(luò)建設(shè)上逐漸進入穩(wěn)定增長的時期，業(yè)務(wù)發(fā)展和用戶數(shù)量繼續(xù)快速增長，產(chǎn)業(yè)鏈 和設(shè)備市場也越來越成熟。截至 20xx 年 6 月底的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球使用 CDMAZ000IX 和 WCDMA 等 3G 技術(shù)的用戶已經(jīng)達到了 。 20xx 年， 隨著我國 3G 牌照的發(fā)放， 3G 用戶將迅猛增長，信息產(chǎn)業(yè)部預(yù)計到 20xx 年底我國 3G 用戶將超過 1000 萬。 隨著技術(shù)的融合，業(yè)務(wù)需求的增長，最終在全球范圍內(nèi) 3G 將全面取代 ZG 網(wǎng) 絡(luò)。這樣便確立了以擴頻理論為基礎(chǔ)的 CDMA 通信技術(shù)在當今移動通信領(lǐng)域中的 穩(wěn)固地位，把擴頻 CDMA 通信的研究、應(yīng)用和發(fā)展推向了一個全新的階段。 川 [2][3][4]15][6]17]18][9] 專用擴頻芯片研發(fā)現(xiàn)狀 目前，在專用擴頻芯片研制領(lǐng)域，國外不少的公司都推出了自己的產(chǎn)品。如 美國 AMI 公司生產(chǎn)的直接序列擴頻芯片 SXO43，美國 Harris 公司的直接序列擴頻 基帶處理芯片 HSP3824， ZLOG 電信公司生產(chǎn)的直接序列數(shù)字脈沖調(diào)制解調(diào)芯片 287200，美國 stnaofdrTeleeom 公司生產(chǎn)的單片全數(shù)字擴頻處理芯片 STEL 一 20xxA 等。 這些擴頻芯片的功能很強大，比如 SXO43 擴頻芯片具有可選長度為 11 位的 Barker 碼和最長碼長達 2047 的 m 序列或 Gold 碼，在全雙工或半雙工方式下，具 有高達 IMbps(BpSK/DBpSK)、 ZMbps(QpsE 了 DQpsK)、 3Mbps(SQAM)、 4MPb(sl6QAM)的數(shù)據(jù)速率，能完成直接序列擴頻基帶處理的全部功能。而 信號恢復(fù)成通常的基帶信號，再使用通常 !通信處理手段解調(diào)出發(fā)送來的信息數(shù)據(jù) D。顯然，接收端不知道發(fā)送的擴頻信 卜所使用的偽隨機編碼時，要進行擴頻解調(diào)是非常難辦甚至不可能的。川 Ll 擴頻通信的理論基礎(chǔ) 擴頻通信的理論基礎(chǔ)是信息論中關(guān)于信息容量的香農(nóng)定理 : e=B109:(l+S/N) 式中 :C為信道容量 (比特渺 )。B 為信道帶寬 為信號平均功率?？梢?，增加系統(tǒng)的信息傳輸速率， 增加信道帶寬 (B)增加信噪比側(cè) N)來實現(xiàn) 。當信道容量 汾 1) (赫茲 )。N 為噪聲功率 。S 即增加信道容量，可以通過 C為常數(shù)時，帶寬 B 與信噪 比之間可以互換，即可以通過增加帶寬 (B)來降低系統(tǒng)對信噪比 (別 N)的要求，也可 以通過增加信號功率來降低信號的帶寬 。當帶寬 (B)增加到一定程度后，信道容量 C 不可能無限制地增加。因此，在無差錯傳輸?shù)男畔⑺俾? 則可以用足夠?qū)挼膸拋韨鬏斝盘枴? C不變時，如信噪比很低， 擴頻通信的另一個理論基礎(chǔ)是柯捷爾夫的抗干擾理論， 息與 差錯概率的公式 : 其中得到的如下關(guān)于信 Pe 二 (f 習(xí) N0)份 2) 基于 STEL20xxA 的擴頻信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于 STEL20xxA 的擴頻信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 基于 STEL20xxA 的擴頻信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于 STEL20xxA 的擴頻信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 這個公式指出 :差錯概率凡是信號能量 E 與噪聲功率頻譜 N0 之比的函數(shù)。設(shè) 信號頻譜寬度為 B，信息持續(xù)時間為 T，信號功率為 S 二習(xí) T，噪聲功率為 N=B從， 信息帶寬為叮二 /lT，則 : 幾二 fS( .T 可 N)二 f《 /sN.)B(/M))份 3) 從上式可知 :差錯概率凡是輸入信號與噪聲功率比 /sN 和信號帶寬與信息帶 寬比側(cè)夢二者乘積的函數(shù)。也就是說，對于傳輸一定帶寬叮的信息來說，信噪 比與帶寬是可以互換的。它同樣指出了用增加帶寬的方法可以換取信噪比上的好 處這一客觀規(guī)律。 總之，我們用信息帶寬的 100 倍，甚至 1000 倍的帶寬信號來傳輸信息，就是 為了提高通信的抗千擾能力，即在強千擾條件下保證可靠安全地通信。擴頻通信 擴頻通信系統(tǒng) 2 . 1 擴頻通信的基本原理 擴頻通信一般是指用遠遠大于原始數(shù)據(jù)信號帶寬的頻帶寬度來傳輸信息的技 術(shù)。在信號發(fā)送端，首先將信息調(diào)制形成數(shù)據(jù)信號，該數(shù)據(jù)信號經(jīng)擴頻序列 (S，飛 adingSeuqneec)調(diào)制后，信號的頻帶被展寬，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經(jīng)變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā) 端相同的 擴頻碼序列去相關(guān)解擴，再經(jīng)過信息解調(diào)恢復(fù)成原始信息輸出。具有偽 隨機編碼調(diào)制和信號相關(guān)處理兩大特點。正是這兩大特點，使擴展頻譜通信方式 有許多優(yōu)點，如抗干擾、抗噪聲、抗多徑衰弱、能在低功率譜密度下工作、有保 密性、可多址復(fù)用和任意選址、可高精度測量等。擴展頻譜通信作為新型通信方 特別引人注目，得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。 A Dl 數(shù)據(jù)調(diào)制卜一叫擴頻調(diào)制擴頻解調(diào) l 呻 I 數(shù)據(jù)解調(diào)卜州信息接收 ，一源式一信 擴頻編碼發(fā)生器擴頻編碼發(fā)生器 同步電路 圖 2 一 1 擴頻通信的基本原理圖 一 1Basietheo 仃 figuerofsPerdasPectrummunication 擴頻通信的基本原理如圖分 1 所示。信息數(shù)據(jù) D 經(jīng)通常的數(shù)據(jù)調(diào)制后變成帶寬 為 B(.為基帶信號帶寬 )，用擴頻序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機編碼 P(N 編碼 : pseudoNoiseCod)e 去對基帶信號作擴頻調(diào)制，形成帶寬為 B:(B:B.)、功率譜 密度極低的擴頻信號，再發(fā)射。眾多的通信用戶，使用各自不同的偽隨機編碼， 可以同時使用帶寬為 B:的同一頻帶。在接收端，首先使用與擴頻信號發(fā)送者相同 上的好處，這就是擴展頻譜通信的基本思想和 理論依據(jù)。 [10] 2LZ 擴頻通信系統(tǒng)的指標 擴頻通信系統(tǒng)有兩個重要的性能指標 :處理增益和干擾容限。 (擴頻增益 ) 擴頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能在擴頻和解擴的處理過程中得到提高，這種擴頻 處理得到的好處稱之為擴頻系統(tǒng)的處理增益，用 G 表示，定義為接收相關(guān)處理器 輸出與輸入信噪比之值，即 : 基于 STEL20xxA 的擴頻信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于 STEL20xxA 的擴頻信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 基于 STEL20xxA 的擴頻信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于 STEL20xxA 的擴頻信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) G，嘿鐫蹂畏或 G，二‘ 01s 簫 =Bd()奇份刃 式中 :乓為頻譜擴展后的信號帶寬，凡為頻譜寬展前的信息帶寬。在直擴系 統(tǒng)中，處理增益也等于偽隨機碼速率凡與信息速率凡的比值，即擴頻的倍數(shù)。 擴頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力與擴頻 處理增益成正比。 2 干擾容限 干擾容限指在保證系統(tǒng)正常工作條件下 (系統(tǒng)輸出信噪比一定 )，接收機輸入 端能夠正常承受的干擾信號比有用信號高出的分貝數(shù)，用從表示 : _「 _S、 1 M，一行一 {L +(萬?！固锾锕?5) ~一 _、一 ~‘。 .， ~S、 .一，、人‘二、? ~__二 _‘， ..一、一二‘、 一一式中 :入為系統(tǒng)的損耗， (殺 )n 為系統(tǒng)輸出端信噪比， G。為處理增益。干擾容限直’ N‘” 一 p一”一’ 一” 一 接反映了擴頻系統(tǒng)接收機可能允許的極限干擾強度，當干擾機的干擾功率超過干 擾容限后，才能對擴頻系統(tǒng)形成干擾。因此它往往比處理增益更確切表征了系統(tǒng) 的抗干擾能力。 2L3 擴頻通信的特點 擴頻通信是通信領(lǐng)域中的一個重要發(fā)展方向，與傳統(tǒng)的通信相比它具有如下 特點 : (1)抗干擾能力強 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?(擴頻 )系統(tǒng) 有差異，在接收端進行相關(guān)解擴后仍然保持其 寬帶性，而有用信號將被壓縮。因此擴頻系統(tǒng)具有極強的抗干擾能力。 ②抗衰落能力強，信息傳輸可靠性高 擴頻信號占據(jù)的頻帶很寬，當由于某種原因引起衰落時，只會使一小部分頻 譜衰落，而不會使整個信號產(chǎn)生嚴重畸變。故具有抗頻率選擇性衰落的能力。 ③抗多徑干擾能力強 由于在擴頻系統(tǒng)中增加了擴頻調(diào)制與解擴過程，這樣可以利用擴頻碼序列間 的相關(guān)特性，在接收端解擴時用分集接收技術(shù)從多徑信號中分離出最強的有用信 號，或?qū)⒍鄰叫盘栔械南嗤a序列信號疊加，這樣就可以有效地消除無線通信中 多徑干涉造成的信號衰落現(xiàn)象。 ④保密性好 由于擴頻信號分布在很寬的頻帶內(nèi)，功率譜密度很低，信號可以在強噪聲背 景下，甚至是有用信號被噪聲淹沒的情況下進行可靠通信，這有利于減少對其他 通信系統(tǒng)的干擾，同時降低了被 竊聽’和被截獲’的機會。因而擴頻系統(tǒng)具有很高 的保密性。 ⑤可以采用碼分復(fù)用實現(xiàn)多址通信 利用擴頻碼序列之間良好的自相關(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，在分配給不同用戶不同碼型的情況下，系統(tǒng)可以區(qū)分不同用戶 的信號，這樣在同一頻帶上許多用戶可以同時通話而互不干擾。提高了頻帶利用 率。 ⑥易于多媒體通信組網(wǎng) 擴頻系統(tǒng)是寬帶系統(tǒng)，是一個透明的高速數(shù)字信道，可以傳送語音、傳真、 數(shù)據(jù)和圖像等綜合業(yè)務(wù)。 [’ 011” l 2L4 擴頻通信的分類 基于 STEL20xxA 的擴頻信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于 STEL20xxA 的擴頻信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 基于 STEL20xxA 的擴頻信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于 STEL20xxA 的擴頻信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 按照擴展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴頻通信系統(tǒng)可以分為以下幾種 : (DriectSequene。 s詳 eadSpe 通信系統(tǒng)。就是采用高速率的直接序列偽隨機碼 c 勺氏 lm)通信系統(tǒng)，簡稱直擴 (DS) (PN 碼 ) 端采用相同的偽碼進行相關(guān)解擴。擴頻調(diào)制可用振幅鍵控、 在發(fā)端進行擴頻，在收 頻移鍵控和相移鍵控。 ng)通信系統(tǒng)，簡稱跳頻 (FH)通信系統(tǒng)。形 象地說就是采用特定的偽碼控制的多頻率移頻鍵控。簡單的頻移鍵控只有兩個頻 率，它分別代表傳號與空號。而跳頻系統(tǒng)是用偽隨機碼來為選擇載頻的，跳頻通 信有幾十個甚至上千個頻率，由所傳信息碼與偽隨機碼的組合碼序列進行控制， 按照碼序列隨機地自動地改變電臺的工作頻率。雖然在每一瞬間跳頻通信的頻譜 與窄帶通信相同，但從一個較長的觀察時間來看，跳頻通信的頻譜占據(jù)了很寬的 頻帶，所以通常認為跳頻通信也是擴頻通信的一種形式。 3 跳變時間 (Tim。 H 叩 ping)通信系統(tǒng)，簡稱跳時 (TH)通信系統(tǒng)。跳時系 統(tǒng)也是一種擴展頻譜技術(shù)，主要用于時分多址 T(DMA)通信。跳時是用偽碼序列來 啟閉鍵控發(fā)射機，將一個信碼的持續(xù)時間分成若干時隙，由偽隨機編碼序列控制 在每一個時隙中發(fā) 射一個信碼。因此，信息碼是在短時隙中以高的峰值功率突發(fā) 式傳輸?shù)?。發(fā)射機的啟閉同偽碼序列一樣，在時間上是偽隨機的。通常，跳時技 術(shù)在擴頻系統(tǒng)中不單獨使用，而與其他擴頻方式結(jié)合組成混合式系統(tǒng)。 生寬帶線性調(diào)頻 (Ch 帥 Modul 而 no)通信系統(tǒng)，簡稱 ChPri 通信系統(tǒng)。如果 發(fā)生的射頻脈沖信號在一個周期內(nèi)，其載頻的頻率作線性變化，則稱為線性調(diào)頻。 5 各種混合方式。在上述幾種基本的擴頻方式基礎(chǔ)上，可以組合起來構(gòu)成多 種混合方式。例如 :FH/DS、 DS/TH、 F川 TH 等。不同方式結(jié)合起來的優(yōu)點有時能 夠得到單用其中 一種方式所得不到的特性。 因本課題是針對直接序列擴頻通信技術(shù) (DSSS)的研究，所以對 DSSS 做一 下重點介紹。 2 . 2 直接序列擴頻通信系統(tǒng) (0555) 直接序列擴頻通信系統(tǒng)與其他擴頻通信系統(tǒng)相比較，實現(xiàn)頻譜擴展方便，無 論對通信、測距應(yīng)用