跳頻多址與碼分多址的性能分析

1、2006年第7期(總第93期)大眾科技DA ZHONG KE JINo.7,2006(Cumulatively No.93) 74 74 跳頻多址與碼分多址的性能分析屈輝立，鄧明元(湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410200)【摘要】擴(kuò)頻多址(SSMA)是第三代移動(dòng)通信的核心技術(shù)，也是今后全球衛(wèi)星通信的發(fā)展方向。跳頻多址(FH)和碼分多址(DS)是兩種常用的擴(kuò)頻多址技術(shù)。文章對(duì)這兩種擴(kuò)頻多址技術(shù)進(jìn)行了分析和比較。 【關(guān)鍵詞擴(kuò)頻多址；跳頻多址；碼分多址 74 74 【中分類(lèi)號(hào)】TN914.41【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1008-1151(2006)07-0073-02 74 74 【收稿I【作

2、者簡(jiǎn)介】屈輝立(1965-)，男，湖南邵陽(yáng)人，湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，研究方向：數(shù)字通信、交換技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)；鄧明元 (1976-)，男，湖南邵陽(yáng)人湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，研究方向：電信與通信控制技術(shù)。擴(kuò)頻多址技術(shù)就是利用偽隨機(jī)序列作為地址碼(PN)對(duì)所 傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行處理，處理后的信號(hào)頻譜寬度一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)寬于原 信號(hào)(未經(jīng)過(guò)地址碼處理的信號(hào))頻譜寬度，如果地址碼相互正 交，即地址碼的互相關(guān)性很小，接收端可利用地址碼解調(diào)出原 信號(hào)，解調(diào)所得到的原信號(hào)受其他信號(hào)的干擾很小，從而達(dá)到 區(qū)分信號(hào)的目的。這樣多對(duì)通信點(diǎn)(發(fā)送和接收)可以其特有的 地址碼在共同的信道帶寬內(nèi)傳送信息，這種數(shù)字通信多址方式 叫做

3、擴(kuò)頻多址，又稱(chēng)為碼分多址。下面分析通信中應(yīng)用較多的 跳頻(FH)、直接序列(DS)等兩種基本的擴(kuò)頻多址方式。、跳頻多址(FHMA)圖1是跳頻信號(hào)的發(fā)送與接收原理框圖，在發(fā)送端，基帶 信號(hào)調(diào)制后再與頻率合成器輸出的頻率進(jìn)行混頻，振蕩器輸 出的頻率是固定的，但頻率合成器輸出的頻率受PN碼控制， 頻率合成器輸出的頻率少則幾個(gè)，多則上千個(gè)頻率，這樣輸出 的跳頻信號(hào)的載波頻率隨PN碼變化而變化。在接收端，跳頻 信號(hào)經(jīng)寬帶濾波器濾除干擾后，分兩路輸岀，一路進(jìn)人同步系 統(tǒng)，獲取相應(yīng)的同步信息；另一路進(jìn)入混頻器，與頻率合成器 輸出的頻率進(jìn)行混頻，由于頻率合成器的輸出頻率受PN碼產(chǎn) 生器的PN碼控制，如果接收端

4、的PN碼與發(fā)送端的PN碼不 一致，混頻后就只能得到噪聲而不能獲得相應(yīng)的中頻信號(hào)，解 調(diào)器輸出只能是噪聲；只有當(dāng)接收端的PN碼與發(fā)送端的PN 碼一致時(shí)，解調(diào)器才能恢復(fù)出發(fā)送端發(fā)送的信息。由此可見(jiàn), 如果整個(gè)系統(tǒng)中,各通信點(diǎn)的PN碼在同一時(shí)刻各不相同，則 系統(tǒng)可以通過(guò)PN碼為地址來(lái)區(qū)分各通信點(diǎn)的信號(hào)，完成多址 通信，跳頻多址每對(duì)發(fā)送機(jī)-接收機(jī)具有相同的地址碼、編碼 器、譯碼器、調(diào)制器和解調(diào)器，所以每對(duì)發(fā)送機(jī)和接收機(jī)在通 信時(shí)不會(huì)受到其他發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的干擾。在任一時(shí)刻，跳頻 多址占用的頻帶寬度很窄，只不過(guò)在很寬的頻帶范圍內(nèi)跳動(dòng)。 FHMA分為慢跳頻系統(tǒng)和快跳頻系統(tǒng)，如果載波變化速度大 于系統(tǒng)的傳碼

5、率，稱(chēng)為快跳頻系統(tǒng)；如果載波變化速度小于或 等于系統(tǒng)的傳碼度，稱(chēng)為慢跳頻系統(tǒng)。FHMA與FDMA的區(qū)別是FDMA的載波是不變的，而 FHMA的載波是不斷地變化?？焯l系統(tǒng)可以認(rèn)為是一個(gè)頻 率分集的 ：。圖2是跳頻信號(hào)的頻譜圖，它是由許多的窄帶頻譜組成，覆蓋較寬的頻帶，各窄帶頻譜不是同時(shí)出 現(xiàn)，在某一時(shí)刻，只存在圖中的某一個(gè)窄帶，而這一窄帶的出 現(xiàn)受PN碼控制。(“境射端跳類(lèi) 信號(hào)基帶信號(hào)(b)攝收端圖1跳頻信號(hào)的發(fā)送與接收(一)跳頻多址的優(yōu)點(diǎn)由于跳頻多址的載波頻率是跳變的，因此具有抗單頻及 部分帶寬干擾的能力、一定的抗截獲的能力和保密能力。當(dāng)跳 變的頻率數(shù)目足夠多時(shí)，跳頻帶寬足夠?qū)挄r(shí)，其抗干擾

6、能力是 很強(qiáng)的。載波頻率的快速跳變，相當(dāng)于頻率分集的作用，從而 使系統(tǒng)具有抗多徑衰落的能力。條件是跳變的頻率間隔具要大于相關(guān)帶寬。以及共享頻譜資源，并具有承受過(guò)載的能力。跳頻系統(tǒng)為瞬時(shí)窄帶系統(tǒng)，能與現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)兼容通信。跳頻系統(tǒng)對(duì)模擬信源和數(shù)字信源均適用。跳頻系統(tǒng)無(wú)明顯的遠(yuǎn)近效應(yīng)。這是因?yàn)楫?dāng)大功率信號(hào)只 在某個(gè)頻率上產(chǎn)生遠(yuǎn)近效應(yīng)，當(dāng)載波頻率跳變至另一個(gè)頻率 時(shí)則不再受其影響。這一點(diǎn)，使跳頻系統(tǒng)在移動(dòng)通信中易于得 到應(yīng)用與發(fā)展。 （二）跳頻系統(tǒng)的缺點(diǎn)和局限雖然跳頻系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是它也存在著一定的缺 點(diǎn)和局限性,具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.信號(hào)的隱蔽性差。因?yàn)樘l系統(tǒng)的接收機(jī)除跳頻器外與普

7、通超外差式接收機(jī)沒(méi)有什么差別，它要求接收機(jī)輸人端的 信號(hào)噪聲功率比是正值，而且要求信號(hào)功率遠(yuǎn)大于噪聲功率, 在頻譜儀上是能夠明顯地看到跳頻信號(hào)的頻譜，特別是在慢 速跳頻時(shí)，跳頻信號(hào)容易被敵方偵察、識(shí)別與截獲。IE2 跳頻系統(tǒng)抗多頻干擾及跟蹤式干擾能力有限。當(dāng)跳頻的 頻率數(shù)目中有一半的頻率被干擾時(shí)，對(duì)通信會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響, 甚至中斷通信?？垢櫴礁蓴_要求快速跳頻，使干擾機(jī)跟蹤不 上而失效。3 快速跳頻器的限制。產(chǎn)生寬的跳頻帶寬、快的跳頻速率、偽 隨機(jī)性好的跳頻圖案的跳頻器在制作上遇到很多困難，且有些 指標(biāo)是相互制約的。使得跳頻系統(tǒng)的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)也受到了局限。（卜）搖收械肘類(lèi) AT號(hào)圖3 二進(jìn)制相移調(diào)制

8、直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)二、碼分多址/直接序列擴(kuò)頻多址（CDMA）利用直擴(kuò)偽隨機(jī)序列碼型的正交性，可構(gòu)成直接序列擴(kuò) 展頻譜碼分多址系統(tǒng)。在這樣的碼分多址系統(tǒng)中，每個(gè)通信站 址分配一個(gè)地址碼（一種偽隨機(jī)序列），利用地址碼對(duì)基帶信號(hào) 進(jìn)行調(diào)制，由于地址碼的傳碼率遠(yuǎn)高于基帶信號(hào)的傳碼率，所 以已調(diào)信號(hào)的頻譜寬度遠(yuǎn)寬于基帶信號(hào)，這個(gè)過(guò)程就是擴(kuò)頻; 接收端利用地址解調(diào)出的信號(hào)，所解調(diào)的信號(hào)頻譜寬度恢復(fù) 為原基帶信號(hào)的頻譜寬度，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為解擴(kuò)；正交地址碼具 有互相關(guān)性很小的特點(diǎn)，所解調(diào)岀的信號(hào)受其他信號(hào)的干擾 很小,從而達(dá)到區(qū)分信號(hào)的目的。如圖3是直接序列擴(kuò)頻調(diào)制發(fā)送端和接收端的原理框 圖，在發(fā)送端,要發(fā)送的信

9、息（如圖4（a）所示），與地址碼（如圖 4（b）所示）進(jìn)行模2相加運(yùn)算產(chǎn)生的擴(kuò)頻序列（如圖4（c）所 示）,擴(kuò)頻序列的傳碼率遠(yuǎn)比消息碼的傳碼率高，所以其頻帶 寬度遠(yuǎn)比消息碼的頻帶寬度寬（圖5所示），通過(guò)基帶濾器再 經(jīng)載波調(diào)制器調(diào)制載波信號(hào)形成射頻信號(hào)，調(diào)制方法常用的 有BPSK（二進(jìn)制相移鍵控）、QPSK（正交相移鍵控）等方式，也 可以采用相應(yīng)的差分相移鍵控（DBPSK或DQPSK）調(diào)制，在無(wú) 線網(wǎng)絡(luò)采用的是數(shù)字方式QPSK調(diào)制方式。調(diào)制后獲得寬帶 的擴(kuò)頻信號(hào)，經(jīng)寬帶放大器放大后發(fā)射出去。在接收端，接收 到的信號(hào)經(jīng)放大后，要經(jīng)過(guò)射頻寬帶濾波器處理，以提高信噪 比并提取信號(hào)以對(duì)齊相位，同步系統(tǒng)拾

10、取到發(fā)送來(lái)的擴(kuò)頻碼 的準(zhǔn)確相位，以此作為同步信號(hào)，使其PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的解 調(diào)擴(kuò)頻碼與發(fā)送的擴(kuò)頻碼的相位差盡量?。ㄐ∮?/10碼元寬 度），即可獲得消息碼。（一）直接序列擴(kuò)頻的優(yōu)點(diǎn)直擴(kuò)譜密度低，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于背景噪聲的功率，這樣F無(wú)湮沒(méi)在噪聲之中了，竊聽(tīng)者很難從噪聲中發(fā)現(xiàn)有信號(hào)仔往，更別說(shuō)進(jìn)一步檢測(cè)出信號(hào)的參數(shù)了。因 此，擴(kuò)頻信號(hào)被截獲的概率很低，這就是擴(kuò)頻通信的隱蔽性， 從而抗偵察、抗截獲的能力強(qiáng)；另外，功率污染小，即對(duì)其他系111統(tǒng)引起的電磁環(huán)境污染小，以利于多種系統(tǒng)共存。圖5是擴(kuò)頻 前或解擴(kuò)后的信號(hào)功率譜密度和擴(kuò)頻信號(hào)的功率譜密度。頻 率擴(kuò)展得越寬，其功率譜密度越小。直擴(kuò)偽隨機(jī)序列的偽隨機(jī)

11、性和密鑰量使信息具有保密 性，即系統(tǒng)本身具有加密的能力。因?yàn)橛脗坞S機(jī)序列對(duì)信息比 特流進(jìn)行擴(kuò)展頻譜，就相當(dāng)于對(duì)信息的加密；而所擁有的碼型 不同的偽隨機(jī)序列的數(shù)目，就相當(dāng)于密鑰量。當(dāng)不知道直擴(kuò)系 統(tǒng)所采用的碼型時(shí)，就無(wú)法破譯。CDMA采用了長(zhǎng)達(dá)42位的 編碼,42位長(zhǎng)的代碼有242（4.3萬(wàn)億）種，如此巨大的天文數(shù) 字，以至于以1.2288MB的高速來(lái)傳送也需要41天半才能傳 完一遍。在如此眾多的碼中去猜特定用戶所使用的編碼有如 大海撈針，其可能性可以說(shuō)是微乎其微。而如果不知道用戶所 使用的編碼，竊聽(tīng)?zhēng)缀跏遣豢赡艿摹４a分多址系統(tǒng)中的用戶也是共享頻譜資源的。直接擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)具有抗寬帶干擾、抗多頻干

12、擾及單頻 干擾的能力。這是因?yàn)橹苯訑U(kuò)展頻譜系統(tǒng)具有很高的處理增 益，對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行相關(guān)接收和解擴(kuò)，將有用信號(hào)恢復(fù)成窄帶 信號(hào)，使有用信號(hào)的功率譜密度增大；由于干擾信號(hào)與該P(yáng)N 碼不相關(guān)，對(duì)有用信號(hào)解擴(kuò)的同時(shí)也對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行頻譜擴(kuò) 展，使干擾信號(hào)功率譜密度減小,這樣干擾信號(hào)大部分的功率 被接收機(jī)中頻帶通濾波器所濾除。利用直接擴(kuò)展頻譜信號(hào)的相關(guān)接收，它具有抗多徑效應(yīng) 的能力。當(dāng)直擴(kuò)偽隨機(jī)序列的碼片寬度（持續(xù)時(shí)間）小于多徑時(shí) 延時(shí)，利用相關(guān)接收可以消除多徑時(shí)延的影響，因而直接擴(kuò)展 頻譜系統(tǒng)具有抗多徑干擾的能力。利用直接擴(kuò)展頻譜信號(hào)可實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)距定位。直接擴(kuò) 展頻譜系統(tǒng)除可進(jìn)行通信外，還可利用直接擴(kuò)

13、展頻譜信號(hào)的 發(fā)送時(shí)刻與返回時(shí)刻的時(shí)間差，測(cè)岀目標(biāo)物的距離。因此，在 同時(shí)具有通信和導(dǎo)航能力的綜合信息系統(tǒng)中顯示了直接擴(kuò)展 頻譜系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。（二）直接序列擴(kuò)頻的局限性直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)是一個(gè)寬帶系統(tǒng)，雖然可與窄帶 系統(tǒng)電磁兼容;但不能與其建立通信。另外，對(duì)模擬信源（如話 音）需作預(yù)先處理（如語(yǔ)聲編碼）后,才可接入直擴(kuò)系統(tǒng)。直接擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的接收機(jī)存在明顯的遠(yuǎn)近效應(yīng)。所謂 遠(yuǎn)近效應(yīng)是指大功率的信號(hào)（近處的電臺(tái)）抑制小功率信號(hào)（遠(yuǎn) 端的電臺(tái)）的現(xiàn)象。對(duì)此，需要在系統(tǒng)中采用自動(dòng)功率控制以保 證遠(yuǎn)端和近端電臺(tái)到達(dá)接收機(jī)的有用信號(hào)是同等功率的。這 一點(diǎn)，增加了直接擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)在移動(dòng)通信環(huán)境中應(yīng)用的復(fù) 雜性。直接擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的處理增益受限于碼片（chip）速率和信 源的比特率，即碼片速率的提高和信源比特率的下降都存在 困難。處理增益受限，意味著抗干擾能力受限，多址能力受限。直接擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)只適用于數(shù)字話音和數(shù)據(jù)信息的傳 輸。這是由于擴(kuò)頻系統(tǒng)本身是數(shù)字系統(tǒng)所決定的。三、結(jié)論除了跳頻（FH）、直接序列（DS）這兩種擴(kuò)頻多址方式外， 還有跳時(shí)（TH）線性調(diào)頻（Chirp）等基本擴(kuò)頻多址方式，由