【導(dǎo)讀】theaccuracy.characteristics.

　　

【正文】 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?息。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(fèi)寶貴的頻率資源了嗎 ? 2）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。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(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)展信號頻譜的作用。 3）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。 14 擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ) 長期以來，人們總是想法使信號所占領(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 (DF)，其比值稱為處理增益 Gp: FWGP ?? / (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，同時力求使傳輸?shù)拿浇橹袀鬏數(shù)男盘栒加帽M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)于信息容量的香農(nóng) (Shannon)公式為： ）（ NPWLC /1og 2 ?? (2) （ 2） 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 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 NP/ 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 NP/ ( NS/ )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(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)于信息傳輸差錯概率的公式： ）（ 0j /fow NEP ? （ 3） 式中： jPow 差錯概率 E 信號能量 0N 噪聲功率譜密度 信號功率 TEP /? (T 為信息持續(xù)時間 ) 噪聲功率 0WNN? (W 為信號頻帶寬度 ) 15 信息帶寬 TDF /1? 則式 (3)可化為： )//(/ow FWNPfNPTWfP ????? ）（ （ 4） 式 (4)說明，對于一定帶寬 DF 的信息而言，用 PG 值較大的寬帶信號來傳輸，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)。 擴(kuò)頻通信的主要性能指標(biāo) 1）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)。 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 DF 與頻帶擴(kuò)展后的信號帶寬W之比： FWGP ?? / （ 5） 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DF 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。 2）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： ]s)/[( outj LNSGM ??? （ 6） 其中： jM 抗干擾容 G 處理增益 out)/( NS 信息數(shù)據(jù)被正確解調(diào)而要求的最小輸出信噪比 sL 接收系統(tǒng)的工作損耗 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的工作原理 數(shù)字?jǐn)U頻通信的一般工作原理如圖 1 所示。 16 圖 1 數(shù)字?jǐn)U頻通信系統(tǒng)基本框圖 圖 1 所示為一個數(shù)字?jǐn)U頻通信系統(tǒng)的基本框圖。其中信道編碼器、信道解碼器、調(diào)制器和解調(diào)器是傳統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成單元。在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中除去了這些單元外，應(yīng)該用了相同的偽隨機(jī)序列發(fā)生器，分別作用在發(fā)送前端的調(diào)制器與接收前端的解調(diào)器。這兩個序列發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)噪聲（ PN）二值序列，在調(diào)制端將傳送信號在頻域進(jìn)行擴(kuò)展，在解調(diào)端解擴(kuò) 該擴(kuò)頻發(fā)送信號。 3 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的特點(diǎn) 擴(kuò)頻信號是不可預(yù)測的偽隨機(jī)的寬帶信號 ,其帶寬遠(yuǎn)大于欲傳輸數(shù)據(jù) (信息 ) 帶寬 ,同時 ,接收機(jī)中必須有與寬帶載波同步的副本。由于擴(kuò)頻信號的上述特點(diǎn) ,擴(kuò)頻系統(tǒng)具有以下特點(diǎn) : 抗干擾性強(qiáng) 由于擴(kuò)頻信號的不可預(yù)測性 ,擴(kuò)頻系統(tǒng)具有很高的抗干擾能力。因?yàn)楦蓴_者難以通過觀察改善其干擾性能 ,而只能采用發(fā)射同被干擾信號不匹配的干擾技術(shù) ,因此 ,干擾起不了太大作用 。由于擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在傳輸過程中擴(kuò)展了信號帶寬 ,所以即使信噪比很低 ,甚至是有用信號功率低于干擾信號功率的情況下仍能夠高質(zhì)量地 不受干擾地進(jìn)行通信 ,擴(kuò)展的頻譜越寬 ,其抗干擾性越強(qiáng)。 低截獲性 擴(kuò)頻信號的功率相當(dāng)于均勻地被分布在很寬的頻帶上 ,以至于被傳輸信號的功率密度很低 ,使偵察接收機(jī)難以監(jiān)測到。因此 ,擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具有低截獲概率性。 抗多路徑干擾性能好 多路徑干擾是由于在電波傳播過程中 ,遇到各種非期望反射體 (如電離層、高山、建筑物等 ) 引起反射或散射。這些反射或散射信號同直達(dá)路徑信號在接收端相互干涉造成干擾。多路徑干擾在雷達(dá)和通信中都有嚴(yán)重影響。由于在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中增加了擴(kuò)頻調(diào)制與解擴(kuò)過程 ,這樣可以利用擴(kuò)頻碼序列間的相 關(guān)特性 ,在接收端解擴(kuò)時用相關(guān)技術(shù)從多徑信號中分離出最強(qiáng)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 ,因而擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具有良好的抗多徑衰落 17 特性。 保密性好 在一定的發(fā)射功率下 ,由于擴(kuò)頻信號分布在很寬的頻帶內(nèi) ,無線信道中有用信號功率譜密度極低 ,這樣信號可以在強(qiáng)噪聲背景下 ,甚至是有用信號被噪聲淹沒的情況下進(jìn)行可靠通信 ,使外界很難截獲傳送的信息 ,想進(jìn)一步檢測出信號的特征參數(shù)就更難了。所以 ,擴(kuò)頻系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)隱蔽通信 。同時 ,對不同用戶使用不同的碼 ,旁人無 法竊聽他們的通信 ,因而擴(kuò)頻系統(tǒng)具有高的保密性。 4 擴(kuò)頻通信在 MATLAB 仿真中的應(yīng)用 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)誤碼率的仿真 根據(jù)香農(nóng)定理可知 : ）（ NSWLC /1og ?? （ 7） 式中 :W 為傳輸帶寬 。C 為信息容量 .式 (7) 含 義是在給定信號功率 S 和噪聲功率 N的條件下 ,用一種編碼系統(tǒng) ,以很小的誤碼率 ,接近 C 的傳輸速率傳送信息 .根據(jù)柯捷爾尼可夫理論可知 : )/( 0e NEFP ? （ 8） 式中 : eP 為誤碼率 。 F 為信號的頻率 。 E 為信號能量 。 0N 為噪聲功率譜密度 .將傳輸帶寬 W ,信號功率 TES /? ,噪聲功率 0WNN? ,信號持續(xù)時間 T ,信息信號帶寬TF /1?? ,代入式 (8) ,得 FWNSNST WNE ???0 (9) 式 (9) 說明 , eP 是由 FWNS? 決定的 ,就是說 ,傳輸一定帶寬 F? 的信息 ,信噪比 NS 可以和帶寬 W 互換 . 對于二進(jìn)制信息序列的擴(kuò)頻通信 ,假設(shè)信息速率為 R , 碼元間隔為 SRT /1b? , 傳輸信息的有效帶寬為 )m( RBB CC .在直擴(kuò)系統(tǒng)中 ,采用 MatLab 工具箱中的偽隨機(jī)序列函數(shù)來生成偽隨機(jī)碼序列 . 此中的 PN碼是具有多個碼位的 0,1 序列 ,它們是經(jīng)過嚴(yán)格挑選的 ,具有良好的自相關(guān)性 ,但彼此之間卻近似是相互正交 ,與線性無關(guān) ,在眾多碼型中 ,它們很容易識別出與自己相同的碼型 ,而不容易與其它碼型混淆 . 利用在發(fā)射機(jī)中 PN 序列 ,將窄帶的信息序列擴(kuò)展為寬帶信號送入信道傳輸 ,在接收端將接收的寬帶信號與發(fā)送端同步的PN 序列相乘 ,解擴(kuò)出窄帶的信息序列 ,而各種干擾信號被與 PN 序列的相乘處理擴(kuò)展為寬帶形式 ,最終將干擾信號的能量削弱 W/R 倍 .在調(diào)制器中 ,信息序列的帶寬擴(kuò)展為 CBW? ,由于 傳輸中普遍存在干擾 ,因此在仿真時必須考慮到干擾信號對判決器判決結(jié)果的影響 . 18 假設(shè)在信號傳輸過程中受到干擾信號為余弦形式作用 ,則該信號電流為 )2co s()( tfAti jj ?? (10) 式 (10)中 : jf 為發(fā)送信號帶寬內(nèi)的干擾頻率 . )(ti 與 )(tc 相乘使余弦形式的干擾變?yōu)閷拵Ц蓴_ ,其能量譜密度為 WPJ J /0 ? ,式中 : 2/2JJ AP ? 為干擾信號的平均能量 .為了更直觀地分析直擴(kuò)信號抑制正弦干擾的效果 ,建立了 Monte Carlo 仿真模型 , 圖 2 直擴(kuò)系統(tǒng) Monte Carlo 仿真模型 由圖 2可以看出 ,由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一系列二 進(jìn)制 (177。 1) 信息數(shù)據(jù) , 每個信息重復(fù)CL 次 , CL 對應(yīng)于每個信息所包含的偽碼碼片數(shù) ,一個隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的 PN 序列 )(nc相乘 ,然后在該序列上疊加方差為 2/02 N?? 的高斯白噪聲和形式為 nAni 0sin)( ?? 的正弦干擾信號 ,其中 ?? ?? 00 且 CLA? .在解調(diào)器中，進(jìn)行與 PN 序列互相關(guān)運(yùn)算 , 并且將組成各信息的 CL 個樣本求和 .將加法器的輸出送到判決器 ,對信號和門限值 0 比較 , 以確定傳送的數(shù)據(jù)為 +1還是 1,圖 2中的計(jì) 數(shù)器用來記錄判決器的錯判數(shù)目。 仿真結(jié)果分析 加入噪聲和干擾后 ,取 CL = 10 ,用 3 個不同的正弦信號干擾 ,其振幅分別為 2 ,3 ,7. 在誤碼率運(yùn)算中加性噪聲的方差是固定的 ,總共進(jìn)行了 1萬次運(yùn)算 ,而且在每次運(yùn)算中 ,信號能量取值都滿足所需的信噪比要求 ,從而得到了圖 3 所示的仿真曲線 . 可見 ,正弦干擾信號的振幅越大 ,誤碼率越大 .同樣，在相同信噪比下 ,處理增益越大 ,誤碼率越小 ,而在大信噪比時 ,這種差別尤為明顯。 19 圖 3 蒙 特卡羅仿真的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)不同振幅正弦干擾下的誤碼率仿真曲線 5 結(jié)束語 作者在本文中，建立并優(yōu)化了 Monte Carlo 仿真模型 ,可對各種直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的誤碼率進(jìn)行仿真分析 ,仿真結(jié)果表明 ,直擴(kuò)系統(tǒng)的判決器能以較小的差錯概率恢復(fù)出原始信號 ,判決器具有優(yōu)良的性能 . 在相同信噪比下 ,處理增益越大 ,誤碼率越小 ,特別是在大信噪比時 ,這種差別尤為明顯 。而在處理增益不變時 ,正弦干擾信號振幅增加 ,誤碼率則增大。