擴頻通信技術(shù)簡介

擴展頻譜通信簡介2010年5月我們知道，傳輸任何信息都需要一定的帶寬，稱為信息帶寬。例如語音信息的帶寬大約為20Hz～20000Hz、普通電視圖像信息帶寬大約為6MHz。為了充分利用頻率資源，通常都是盡量壓縮傳輸帶寬。如電話是基帶傳輸，人們通常把帶寬限制在3400Hz左右。如使用調(diào)幅信號傳輸，因為調(diào)制過程中將產(chǎn)生上下兩個邊帶，信號帶寬需要達到信息帶寬的兩倍，而在實際傳輸中，人們采用壓縮限幅技術(shù)，把廣播語音的帶寬限制在大約為2×4500Hz=9KHz左右；采用邊帶壓縮技術(shù)，把普通電視信號包括語音信號一起限制在1.2×6.5MHz=8MHz左右。即使在普通的調(diào)頻通信上，人們最大也只把信號帶寬放寬到信息帶寬的十幾倍左右，這些都是采用了窄帶通信技術(shù)。擴頻通信屬于寬帶通信技術(shù)，通常的擴頻信號帶寬與信息帶寬之比將高達幾百甚至幾千倍。有人要問為什么要這么做？這樣是不是太浪費頻率資源了？這些問題可以用信息論和抗干擾理論來解釋。擴展頻譜通信的定義所謂擴展頻譜通信（SpreadSpectrumCommunication），可簡單表述如下：“擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關；在接收端則用同樣的碼進行相關同步接收、解擴及恢復所傳信息數(shù)據(jù)”。擴頻通信的基本特點擴頻通信，即擴展頻譜通信技術(shù)（SpreadSpectrumCommunication），它的基本特點是其傳輸信息所用信號的帶寬遠大于信息本身的帶寬。擴頻通信的特征擴頻通信具有如下特征:1.它是一種數(shù)字傳輸方式；2.帶寬的展寬是利用與被傳信息無關的函數(shù)(擴頻函數(shù))對被傳信息進行調(diào)制實現(xiàn)的；2.在接收端使用相同的擴頻函數(shù)對擴頻信號進行相關解調(diào)，還原出被傳信息。擴頻通信的理論基礎根據(jù)仙農(nóng)(C.E.Shannon)在信息論研究中總結(jié)出的信道容量公式，即仙農(nóng)公式：

C=W×Log2(1+S/N)式中：C--信息的傳輸速率、

S--有用信號、功率

W--頻帶寬度、

N--噪聲功率擴頻通信的理論基礎由式中可以看出：為了提高信息的傳輸速率C，可以從兩種途徑實現(xiàn)，既加大帶寬W或提高信噪比S/N。換句話說，當信號的傳輸速率C一定時，信號帶寬W和信噪比S/N是可以互換的，即增加信號帶寬可以降低對信噪比的要求，當帶寬增加到一定程度，允許信噪比進一步降低，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。擴頻通信的理論基礎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)。擴頻頻增增益益和和抗抗干干擾擾容容限限擴頻頻通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)由由于于在在發(fā)發(fā)送送端端擴擴展展了了信信號號頻譜譜，，在在接接收收端端解解擴擴還還原原了了信信息息，，這這樣樣的的系系統(tǒng)帶帶來來的的好好處處是是大大大大提提高高了了抗抗干干擾擾容容限限。。理理論分分析析表表明明，，各各種種擴擴頻頻系系統(tǒng)統(tǒng)的的抗抗干干擾擾性性能能與與信息息頻頻譜譜擴擴展展后后的的擴擴頻頻信信號號帶帶寬寬比比例例有有關關。。擴頻頻增增益益和和抗抗干干擾擾容容限限一般般把把擴擴頻頻信信號號帶帶寬寬W與信信息息帶帶寬寬△△F之比比稱稱為為處處理理增增益益GP，即即：：它表表明明了了擴擴頻頻系系統(tǒng)統(tǒng)信信噪噪比比改改善善的的程程度度。。除此此之之外外，，擴擴頻頻系系統(tǒng)統(tǒng)的的其其他他一一些些性性能能也也大大都都與GP有關關。。因因此此，，處處理理增增益益是是擴擴頻頻系系統(tǒng)統(tǒng)的的一一個重重要要性性能能指指標標。。擴頻頻增增益益和和抗抗干干擾擾容容限限系統(tǒng)統(tǒng)的的抗抗干干擾擾容容限限MJ定義義如如下下：：式中中：：（（S/N）=輸出出端端的的信信噪噪比比，，LS=系統(tǒng)統(tǒng)損損耗耗擴頻頻增增益益和和抗抗干干擾擾容容限限由此此可可見見，，抗抗干干擾擾容容限限MJ與擴擴頻頻處處理理增增益GP成正正比比，，擴擴頻頻處處理理增增益益提提高高后后，，抗抗干干擾擾容限限大大大大提提高高，，甚甚至至信信號號在在一一定定的的噪噪聲聲湮湮沒沒下也也能能正正常常通通信信。。通通常常的的擴擴頻頻設設備備總總是是將將用用戶信信息息(待傳傳輸輸信信息息)的帶帶寬寬擴擴展展到到數(shù)數(shù)十十倍倍、、上上百倍倍甚甚至至千千倍倍，，以以盡盡可可能能地地提提高高處處理理增增益益。。頻譜譜的的擴擴展展的的實實現(xiàn)現(xiàn)和和直直接接序序列列擴擴頻頻頻譜譜的的擴擴展展是是用用數(shù)數(shù)字字化化方方式式實實現(xiàn)現(xiàn)的的。。在在一個個二二進進制制碼碼位位的的時時段段內(nèi)內(nèi)用用一一組組新新的的多多位位長長的碼碼型型予予以以置置換換，，新新碼碼型型的的碼碼速速率率遠遠遠遠高高出出原碼碼的的碼碼速速率率，，由由傅傅立立葉葉分分析析可可知知新新碼碼型型的的帶寬寬遠遠遠遠高高出出原原碼碼的的帶帶寬寬，，從從而而將將信信號號的的帶帶寬進進行行了了擴擴展展。。這這些些新新的的碼碼型型也也叫叫偽偽隨隨機機（（PN）碼碼，，碼碼位位越越長長系系統(tǒng)統(tǒng)性性能能越越高高。。通通常常，，商商用擴擴頻頻系系統(tǒng)統(tǒng)PN碼碼碼長長應應不不低低于于12位，，一一般般取取32位，，軍軍用用系系統(tǒng)統(tǒng)可可達達千千位位。。頻譜譜的的擴擴展展的的實實現(xiàn)現(xiàn)和和直直接接序序列列擴擴頻頻目前前常常見見的的碼碼型型有有以以下下三三種種：：（1）M序列列，，即即最最長長線線性性偽偽隨隨機機系系列列；；（2）GOLD序列列；；（3）WALSH函數(shù)數(shù)正正交交碼碼。。頻譜譜的的擴擴展展的的實實現(xiàn)現(xiàn)和和直直接接序序列列擴擴頻頻當選選取取上上述述任任意意一一個個序序列列后后，，如如M序列列，，將其其中中可可用用的的編編碼碼，，即即正正交交碼碼，，兩兩兩兩組組合合，，并并劃分分為為若若干干組組，，各各組組分分別別代代表表不不同同用用戶戶，，組組內(nèi)內(nèi)兩個個碼碼型型分分別別表表示示原原始始信信息息"1"和"0"。系系統(tǒng)統(tǒng)對原原始始信信息息進進行行編編碼碼、、傳傳送送，，接接收收端端利利用用相相關關處理理器器對對接接收收信信號號與與本本地地碼碼型型相相關關進進行行相相關關運運算，，解解出出基基帶帶信信號號(即原原始始信信息息)實現(xiàn)現(xiàn)解解擴擴，，從從而區(qū)區(qū)分分出出不不同同用用戶戶的的不不同同信信息息。。無線線擴擴頻頻通通信信原原理理圖圖由圖圖可可見見，，一一般般的的無無線線擴擴頻頻通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)都都要進進行行三三次次調(diào)調(diào)制制。。一一次次調(diào)調(diào)制制為為信信息息調(diào)調(diào)制制，，二二次調(diào)調(diào)制制為為擴擴頻頻調(diào)調(diào)制制，，三三次次調(diào)調(diào)制制為為射射頻頻調(diào)調(diào)制制。。接收收端端有有相相應應的的射射頻頻解解調(diào)調(diào)，，擴擴頻頻解解調(diào)調(diào)和和信信息息解調(diào)調(diào)。。根據(jù)據(jù)擴擴展展頻頻譜譜的的方方式式不不同同，，擴擴頻頻通通信信系系統(tǒng)可可分分為為：：直直接接序序列列擴擴頻頻方方式式(DS)、跳跳變變頻頻率率方式式(FH)、跳跳變變時時間間方方式式（（TH）、、寬寬帶帶線線性性調(diào)頻頻方方式式以以及及以以上上幾幾種種方方式式的的組組合合。。所謂謂直直接接序序列列擴擴頻頻(DS-DirectScquency),就是是用用高高碼碼率率的的擴擴頻頻碼碼序序列列在在發(fā)發(fā)端端直直接接去去擴擴展信信號號的的頻頻譜譜，，在在收收端端直直接接使使用用相相同同的的擴擴頻頻碼序序列列對對擴擴展展的的信信號號頻頻譜譜進進行行解解調(diào)調(diào)，，還還原原出出原始始的的信信息息。。圖2：信信息息的的頻頻譜譜擴擴展展過過程程圖3：擴擴頻頻信信號號的的解解擴擴過過程程在圖圖上上我我們們可可以以看看出出：：在在發(fā)發(fā)端端，，信信息息碼碼經(jīng)碼碼率率較較高高的的PN碼調(diào)調(diào)制制以以后后，，頻頻譜譜被被擴擴展展了。。在在收收端端，，擴擴頻頻信信號號經(jīng)經(jīng)同同樣樣的的PN碼解解調(diào)調(diào)以以后，，信信息息碼碼被被恢恢復復；；信信息息碼碼經(jīng)經(jīng)調(diào)調(diào)制制、、擴擴頻頻傳傳輸、、解解調(diào)調(diào)然然后后恢恢復復的的過過程程，，類類似似與與PN碼進進行行了二二次次"模二二相相加加"的過過程程。。擴頻頻通通信信的的主主要要特特點點圖4：擴擴頻頻通通信信中中，，頻頻譜譜寬寬度度與與功功率率譜譜密密度度示示意意從圖圖4中我我們們還還可可以以用用能能量量面面積積圖圖示示概概念看看出出：：待傳傳信信息息的的頻頻譜譜被被擴擴展展了了以以后后，，能能量量被被均勻勻地地分分布布在在較較寬寬的的頻頻帶帶上上，，功功率率譜譜密密度度下下降；；擴頻頻信信號號解解擴擴以以后后，，寬寬帶帶信信號號恢恢復復成成窄窄帶信信息息，，功功率率譜譜密密度度上上升升；；相對對與與信信息息信信號號，，脈脈沖沖干干擾擾只只經(jīng)經(jīng)過過了了一一次被被模模二二相相加加的的調(diào)調(diào)制制過過程程，，頻頻譜譜被被擴擴展展，，功功率譜譜密密度度下下降降，，從從而而使使有有用用信信息息在在噪噪聲聲干干擾擾中被被提提取取出出來來。。擴頻頻通通信信具具有有許許多多窄窄帶帶通通信信難難以以替替代代的的優(yōu)良良性性能能，，使使得得它它能能迅迅速速推推廣廣到到各各種種公公用用和和專用用通通信信網(wǎng)網(wǎng)絡絡之之中中。。擴頻頻通通信信具具有有以以下下幾幾項項優(yōu)優(yōu)點點:1.抗干擾性強強，誤碼率率低2.易于同頻使使用，提高高了無線頻頻譜利用率率3.隱蔽性好，，對各種窄窄帶通信系系統(tǒng)的干擾擾很小4.可以實現(xiàn)碼碼分多址5.抗多徑干擾擾6.能精確地定定時和測距距7.適合數(shù)字話話音和數(shù)據(jù)據(jù)傳輸，以以及開展多多種通信業(yè)業(yè)務8.安裝簡便，，易于維護護抗干擾性強強，誤碼率率低擴頻通信系系統(tǒng)由于在在發(fā)送端擴擴展信號頻頻譜，在接收收端解擴還還原信息，，產(chǎn)生了擴擴頻增益，從而大大大地提高高了抗干擾擾容限。根根據(jù)擴頻增益不同同，甚至在在負的信噪噪比條件下下，也可以將信號號從噪聲的的淹沒中提提取出來，，在目前商用的通通信系統(tǒng)中中，擴頻通通信是唯一一能夠工作于負信信噪比條件件下的通信信方式。各種形式人人為的干擾擾(如電子對抗抗中)或其他窄帶或?qū)拰拵?擴頻)系統(tǒng)的干擾擾，只要波波形、時間和碼元元稍有差異異，解擴后后仍然保持持其寬帶性，而有有用信號將將被壓縮。。由于擴頻系系統(tǒng)這一優(yōu)優(yōu)良性能，，其誤碼率率很低，正常常條件下可可達10-10，最差條件件下也可達10-6，遠高于普普通的微波波通信的效效果。應該說，抗干干擾性能強強是擴頻通通信的最突突出的優(yōu)點。易于同頻使使用，提高高了無線頻頻譜利用率率無線頻譜十十分寶貴，，雖然從長長波到微波波都已得到開開發(fā)利用，，仍然滿足足不了社會會的需求。為此，，世界各地地都設計了了頻譜管理理機構(gòu)，用戶只只能使用申申請獲得的的頻率，依依靠頻道劃分來防止止信道之間間發(fā)生干擾擾。易于同頻使使用，提高高了無線頻頻譜利用率率由于擴頻通通信采用了了相關接收收這一高技術(shù)，信號號發(fā)送功率率極低（<1W，一般為1~100mW），且可工工作在信道道噪聲和熱熱噪聲背景中，，易于在同同一地區(qū)重重復使用同同一頻率，也可以以與現(xiàn)今各各種窄帶通通信共享同同一頻率資源。隱蔽性好，，對各種窄窄帶通信系系統(tǒng)的干擾擾很小由于擴頻信信號在相對對較寬的頻頻帶上被擴擴展了，單位位頻帶內(nèi)的的功率很小小，信號湮湮沒在噪聲里，一一般不容易易被發(fā)現(xiàn)，，而想進一一步檢測信號的參參數(shù)（如偽偽隨機編碼碼序列）就就更加困難，因此此說其隱蔽蔽性好。再者，由于于擴頻信號號具有很低低的功率譜譜密度，它對對目前使用用的各種窄窄帶通信系系統(tǒng)的干擾很小。。可以實現(xiàn)碼碼分多址擴頻通信提提高了抗干干擾性能，，但付出了了占用頻帶寬的代價價。如果讓許多多用戶共用用這一寬頻頻帶，則可可大為提高頻帶的利利用率。由由于在擴頻頻通信中存存在擴頻碼碼序列的擴頻調(diào)調(diào)制，充分分利用各種種不同碼型型的擴頻碼碼序列之間優(yōu)良良的自相關關特性和互互相關特性性，在接收收端利用相關檢檢測技術(shù)進進行解擴，，則在分配配給不同用用戶碼型的情況況下可以區(qū)區(qū)分不同用用戶的信號號，提取出出有用信號。這這樣一來，，在一寬頻頻帶上許多多對用戶可可以同時通話而而互不干擾擾。抗多徑干擾擾在無線通信信中，抗多多徑干擾問問題一直是是難以解決的的問題，利利用擴頻編編碼之間的的相關特性；在接接收端可以以用相關技技術(shù)從多徑徑信號中提取分離離出最強的的有用信號號，也可把把多個路徑來的同同一碼序列列的波形相相加使之得得到加強，從而達達到有效的的抗多徑干干擾。能精確地定定時和測距距