【導(dǎo)讀】alarmsystem. -2-

　　

【正文】 方法來實(shí)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)”。 。 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?hào)來傳輸信息。在無線電通信中射頻信號(hào)的帶寬與所傳信息的帶寬是相比擬的。如用調(diào)幅信號(hào)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(hào)帶寬也只是其視頻信號(hào)帶寬的一倍多。這些都屬于窄帶通信。 一般的調(diào)頻信號(hào)，或脈沖編碼調(diào)制信號(hào)，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(hào)帶寬與信息帶寬之比則高達(dá) 100 1000，屬于寬帶通 9 信。 為什么要用這樣寬的頻帶的信號(hào)來傳輸信息呢 ? 這樣豈 不太浪費(fèi)寶貴的頻率資源了嗎 ? 。 我們知道，在時(shí)間上有限的信號(hào)，其頻譜是無限的。例如很窄的脈沖信號(hào)，其頻譜則很寬。信號(hào)的頻帶寬度與其持續(xù)時(shí)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(hào)。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(hào)。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(diǎn)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(hào)一樣，絲毫不 影響信息傳輸?shù)耐该餍?。擴(kuò)頻碼序列僅僅起擴(kuò)展信號(hào)頻譜的作用。 正如在一般的窄帶通信中，已調(diào)信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)，而在收端又將其解擴(kuò)成窄帶信息的處理過程，會(huì)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。 通信的理論基礎(chǔ) 長期以來，人們總是想法使信號(hào)所占領(lǐng)譜盡量的窄，以充分利用十分寶貴的頻譜資源。為什么要用這樣寬頻帶的信號(hào)來傳送信息呢 ? 簡單的回答就是主要為了通信的安全可靠。 擴(kuò)頻通信的基本特點(diǎn)，是傳輸信號(hào)所占用的頻帶寬度 (W)遠(yuǎn)大于原始信息本身實(shí)際所需的最小 (有效 )帶寬 (?F)，其比值稱為處理增益 Gp: Gp = W/?F ...... (1)眾所周知，任何信息的有效傳輸都需要一定的頻率寬度，如話音為 ，電視圖像則寬到數(shù)兆赫。為了充分利用有限的頻率資源，增加通路數(shù)目，人們廣泛選擇不同調(diào)制方式，采用寬頻信道 (同軸電纜、微波和光纖等 )，和壓縮頻帶等措施，同時(shí)力求使傳輸?shù)拿浇橹袀鬏數(shù)男盘?hào)占用盡量窄的帶寬。因現(xiàn)今使用的電話、廣播系統(tǒng)中，無論是采用調(diào)幅、調(diào)頻或脈沖編碼調(diào)制制式， Gp 值一般都在十多倍范圍內(nèi)，統(tǒng)稱為“窄帶通信”。而擴(kuò)頻通信的 Gp值，高達(dá)數(shù)百、上千，稱為 “寬帶通信”。 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)于信息容量的仙農(nóng) (Shannon)公式為： C ＝ WLog2(1十 P/N) ...... (2)式中： C 信道容量 (用傳輸速率度量 ) W 信號(hào)頻帶寬度 P 信號(hào)功率 N 白噪聲功率 式 (2)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 10 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(diǎn)，并由此為擴(kuò)頻通信的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 擴(kuò)頻通信可行性的另一理論基礎(chǔ)，為柯捷爾尼可夫關(guān)于信息傳輸差錯(cuò)概率的公式： Powj ? f(E/N。 )(3)式中： Powj 差錯(cuò)概率 E 信號(hào) 能量 N。 噪聲功率譜密度 因?yàn)?，信?hào)功率 P＝ E／ T (T 為信息持續(xù)時(shí)間 ) 噪聲功率 N＝ WN。 (W為信號(hào)頻帶寬度 ) 信息帶寬 ? F＝ l／ T 則式 (3)可化為： Powj ? f() = f(P/? F ) (4) 式 (4)說明，對于一定帶寬 ?F的信息而言，用 Gp 值較大的寬帶信號(hào)來傳輸，可以提高通信抗干擾能力，保證強(qiáng)干擾條件下， 通信的安全可靠。 亦即式 (4)與式 (2)一樣，說明信噪比和帶寬是可以互換的。 總之，我們用信息帶寬的 100 倍，甚至 1000 倍以上的寬帶信號(hào)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)。 處理增益和抗干擾容限是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的兩個(gè)重要性能指標(biāo)。 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(hào)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。 抗干擾容限是指擴(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 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(gè)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(hào)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。 三 擴(kuò)展頻譜通信的主要特點(diǎn) 由于擴(kuò)頻通信能大大擴(kuò)展信號(hào)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 項(xiàng)特點(diǎn)： ，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 11 社會(huì)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(gè)人與單位可以無執(zhí)照使用。 強(qiáng)，誤碼率低 擴(kuò)頻通信在空間傳輸時(shí)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(hào)恢復(fù)成窄帶信號(hào)，而把非所需信號(hào)擴(kuò)展成寬帶信號(hào)，然后通過窄帶濾波技術(shù)提取有用的信號(hào)。這祥，對于各種干擾信號(hào)，因其在收端的非相關(guān)性，解擴(kuò)后窄帶信號(hào)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（第二講），當(dāng) Gp = 35dB 時(shí)，抗干擾容限 Mj = 22dB，即在負(fù)信噪聲比 (－22dB)條件下，可以將信號(hào)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， 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(shí)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(hào)將被壓縮， 對于脈沖干擾，帶寬將被展寬到 B，而有用信號(hào)恢復(fù) (壓縮 )后，保證高于干擾， 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。 由于擴(kuò)頻信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)具有很低的功率譜密度，它對目前使用的各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小。 擴(kuò)頻通信提高了抗干擾性能，但付出了占用頻帶寬的代價(jià)，如果讓許多用戶共用這一寬頻帶，則可大為提高頻帶的利用率。由于在擴(kuò)頻通信中存在擴(kuò)頻碼序列的擴(kuò)頻調(diào)制，充分利用各種不同碼型的擴(kuò)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(jìn)行解擴(kuò)，則在分配給不同用戶碼型的 情況下可以區(qū)分不同用戶的信號(hào)，提取出有用信號(hào)。這樣一來，在一寬頻帶上許多對用戶可以同時(shí)通話而互不干擾。 在無線通信的各個(gè)頻段，長期以來，多徑干擾始終是一個(gè)難以解決的問題之一。在以往的窄帶通信中，采用兩種方法來提高抗多徑干擾的能力： 一是把最強(qiáng)的有用信號(hào)分離出來，排除其他路徑的干擾信號(hào)，即采用分集／接收技術(shù)； 二是設(shè)法把不 12 同路徑來的不同延遲、不同相位的倍號(hào)在接收端從時(shí)域上對齊相加，合并成較強(qiáng)的有用信號(hào)，即采用梳狀濾波器的方法。 這兩種技術(shù)在擴(kuò)頻通信中都易于實(shí)現(xiàn)。利用擴(kuò)頻碼的自相關(guān)特性，在接 收端 從多徑信號(hào)中提取和分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，或把多個(gè)路徑來的同一碼序列的波形相加合成，這相當(dāng)于梳狀濾波器的作用。另外，采用頻率跳變擴(kuò)頻調(diào)制方式的擴(kuò)頻系統(tǒng)中，由于用多個(gè)頻率的信號(hào)傳送同一個(gè)信息，實(shí)際上起到了頻率分集的作用。 我們知道電磁波在空間的傳播速度是固定不變的光速。人們自然會(huì)想到如果能夠精確測量電磁波在兩個(gè)物體之間傳播的時(shí)間，也就等于測量兩個(gè)物體之間的距離。 在擴(kuò)頻通信中如果擴(kuò)展頻譜很寬，則意味著所采用的擴(kuò)頻碼速率很高，每個(gè)碼片占用的時(shí)間就很短。當(dāng)發(fā)射出去的擴(kuò)頻信 號(hào)在被測物體反射回來后，在接收端解調(diào)出擴(kuò)頻碼序列，然后比較收發(fā)兩個(gè)碼序列相位之差，就可以精確測出擴(kuò)頻信號(hào)往返的時(shí)間差，從而算出二者之間的距離。測量的精度決定于碼片的寬度，也就是擴(kuò)展頻譜的寬度。碼片越窄，擴(kuò)展的頻譜越寬，精度越高。