扩频通信技术简介

无线扩频通信原理图
由图可见, 由图可见,一般的无线扩频通信系统都 要进行三次调制.一次调制为信息调制, 要进行三次调制.一次调制为信息调制,二 次调制为扩频调制,三次调制为射频调制. 次调制为扩频调制,三次调制为射频调制. 接收端有相应的射频解调, 接收端有相应的射频解调,扩频解调和信息 解调. 解调.
频谱的扩展的实现和直接序列扩频
频谱的扩展是用数字化方式实现的. 频谱的扩展是用数字化方式实现的.在 一个二进制码位的时段内用一组新的多位长 的码型予以置换,新码型的码速率远远高出 的码型予以置换, 原码的码速率, 原码的码速率,由傅立叶分析可知新码型的 带宽远远高出原码的带宽,从而将信号的带 带宽远远高出原码的带宽, 宽进行了扩展.这些新的码型也叫伪随机( 宽进行了扩展.这些新的码型也叫伪随机( PN)码,码位越长系统性能越高.通常,商 码位越长系统性能越高.通常, ) 用扩频系统PN码码长应不低于 码码长应不低于12位 用扩频系统 码码长应不低于 位,一般取 32位,军用系统可达千位. 位 军用系统可达千位.
如使用调幅信号传输, 如使用调幅信号传输,因为调制过程中 将产生上下两个边带, 将产生上下两个边带,信号带宽需要达到信 息带宽的两倍,而在实际传输中, 息带宽的两倍,而在实际传输中,人们采用 压缩限幅技术, 压缩限幅技术,把广播语音的带宽限制在大 约为2× 左右; 约为 ×4500Hz=9KHz左右;采用边带压缩 左右 技术, 技术,把普通电视信号包括语音信号一起限 制在1.2× 左右. 制在 ×6.5MHz=8MHz左右.即使在普通 左右 的调频通信上, 的调频通信上,人们最大也只把信号带宽放 宽到信息带宽的十几倍左右, 宽到信息带宽的十几倍左右,这些都是采用 了窄带通信技术. 了窄带通信技术.
扩频通信属于宽带通信技术, 扩频通信属于宽带通信技术,通常的扩 频信号带宽与信息带宽之比将高达几百甚至 几千倍.有人要问为什么要这么做?这样是 几千倍.有人要问为什么要这么做? 不是太浪费频率资源了? 不是太浪费频率资源了?这些问题可以用信 息论和抗干扰理论来解释. 息论和抗干扰理论来解释.
扩展频谱通信的定义
所谓扩展频谱通信( 所谓扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication),可简单表述如下:"扩 ),可简单表述如下 ),可简单表述如下: 频通信技术是一种信息传输方式, 频通信技术是一种信息传输方式,其信号所 占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小 带宽; 带宽;频带的扩展是通过一个独立的码序列 来完成,用编码及调制的方法来实现的, 来完成,用编码及调制的方法来实现的,与 所传信息数据无关; 所传信息数据无关;在接收端则用同样的码 进行相关同步接收, 进行相关同步接收,解扩及恢复所传信息数 据".
扩频通信具有以下几项优点: 扩频通信具有以下几项优点 1. 抗干扰性强,误码率低 抗干扰性强, 2. 易于同频使用,提高了无线频谱利用率 易于同频使用, 3. 隐蔽性好,对各种窄带通信系统的干扰很小 隐蔽性好, 4. 可以实现码分多址 5. 抗多径干扰 6. 能精确地定时和测距 7. 适合数字话音和数据传输,以及开展多种通信业务 适合数字话音和数据传输, 8. 安装简便,易于维护 安装简便,
扩频增益和抗干扰容限
一般把扩频信号带宽W与信息带宽△ 一般把扩频信号带宽 与信息带宽△F 与信息带宽 之比称为处理增益G 之比称为处理增益 P,即:
它表明了扩频系统信噪比改善的程度. 它表明了扩频系统信噪比改善的程度. 除此之外, 除此之外,扩频系统的其他一些性能也大都 有关.因此, 与GP有关.因此,处理增益是扩频系统的一 个重要性能指标. 个重要性能指标.
由于扩频系统这一优良性能, 由于扩频系统这一优良性能,其误码率 很低,正常条件下可达10 很低,正常条件下可达 -10,最差条件下也 可达10 远高于普通的微波通信的效果. 可达 -6,远高于普通的微波通信的效果.应 该说, 该说,抗干扰性能强是扩频通信的最突出的 优点. 优点.
抗干扰性强, 抗干扰性强,误码率低
扩频通信系统由于在发送端扩展信号频 在接收端解扩还原信息, 谱,在接收端解扩还原信息,产生了扩频增 从而大大地提高了抗干扰容限. 益,从而大大地提高了抗干扰容限.根据扩 频增益不同,甚至在负的信噪比条件下,也 频增益不同,甚至在负的信噪比条件下, 可以将信号从噪声的淹没中提取出来, 可以将信号从噪声的淹没中提取出来,在目 前商用的通信系统中,扩频通信是唯一能够 前商用的通信系统中, 工作于负信噪比条件下的通信方式. 工作于负信噪比条件下的通信方式.
扩频通信的理论基础
根据仙农(C.E.Shannon)在信息论研究中 在信息论研究中 根据仙农 总结出的信道容量公式,即仙农公式: 总结出的信道容量公式,即仙农公式: C = W×Log2(1+S/N) × 式中: 信息的传输速率 信息的传输速率, 有用信 式中:C--信息的传输速率, S--有用信 频带宽度, 号,功率 W--频带宽度, N--噪声功率 频带宽度 噪声功率
相对与信息信号, 相对与信息信号,脉冲干扰只经过了一 次被模二相加的调制过程,频谱被扩展, 次被模二相加的调制过程,频谱被扩展,功 率谱密度下降, 率谱密度下降,从而使有用信息在噪声干扰 中被提取出来. 中被提取出来.
扩频通信具有许多窄带通信难以替代的 优良性能, 优良性能, 使得它能迅速推广到各种公用和 专用通信网络之中. 专用通信网络之中.
扩频通信的主要特点
图4:扩频通信中,频谱宽度与功率谱密度示意 :扩频通信中,
从图4中我们还可以用能量面积图示概 从图 中我们还可以用能量面积图示概 念看出: 念看出: 待传信息的频谱被扩展了以后, 待传信息的频谱被扩展了以后,能量被 均匀地分布在较宽的频带上, 均匀地分布在较宽的频带上,功率谱密度下 降; 扩频信号解扩以后, 扩频信号解扩以后,宽带信号恢复成窄 带信息,功率谱密度上升; 带信息,功率谱密度上升;
图2:信息的频谱扩展过程 :
图3:扩频信号的解扩过程 :
在图上我们可以看出:在发端, 在图上我们可以看出:在发端,信息码 码调制以后, 经码率较高的 PN 码调制以后,频谱被扩展 在收端,扩频信号经同样的PN码解调以 了.在收端,扩频信号经同样的 码解调以 信息码被恢复;信息码经调制, 后,信息码被恢复;信息码经调制,扩频传 解调然后恢复的过程,类似与PN码进行 输,解调然后恢复的过程,类似与 码进行 了二次"模二相加 的过程. 模二相加"的过程 了二次 模二相加 的过程.
扩展频谱通信简介
2010 年 5月 月
我们知道, 我们知道,传输任何信息都需要一定的 带宽,称为信息带宽. 带宽,称为信息带宽.例如语音信息的带宽 大约为20Hz～20000Hz,普通电视图像信息 大约为 ～ , 带宽大约为6MHz.为了充分利用频率资源, 带宽大约为 .为了充分利用频率资源, 通常都是尽量压缩传输带宽. 通常都是尽量压缩传输带宽.如电话是基带 传输,人们通常把带宽限制在3400Hz左右. 左右. 传输,人们通常把带宽限制在 左右
根据扩展频谱的方式不同, 根据扩展频谱的方式不同,扩频通信系 统可分为:直接序列扩频方式(DS),跳变频率 统可分为:直接序列扩频方式 , 方式(FH),跳变时间方式(TH),宽带线性 ),宽带线性 方式 ,跳变时间方式( ), 调频方式以及以上几种方式的组合. 调频方式以及以上几种方式的组合.
所谓直接序列扩频(DS-Direct Scquency), 所谓直接序列扩频 就是用高码率的扩频码序列在发端直接去扩 展信号的频谱,在收端直接使用相同的扩频 展信号的频谱, 码序列对扩展的信号频谱进行解调, 码序列对扩展的信号频谱进行解调,还原出 原始的信息. 原始的信息.
频谱的扩展的实现和直接序列扩频
目前常见的码型有以下三种: 目前常见的码型有以下三种: 序列, (1)M序列,即最长线性伪随机系列; ) 序列 即最长线性伪随机系列; 序列; (2)GOLD序列; ) 序列 函数正交码. (3) WALSH函数正交码. ) 函数正交码
频谱的扩展的实现和直接序列扩频
当选取上述任意一个序列后, 序列, 当选取上述任意一个序列后,如M序列, 序列 将其中可用的编码,即正交码,两两组合, 将其中可用的编码,即正交码,两两组合,并 划分为若干组,各组分别代表不同用户, 划分为若干组,各组分别代表不同用户,组内 两个码型分别表示原始信息"1"和"0".系统 两个码型分别表示原始信息 和 . 对原始信息进行编码,传送, 对原始信息进行编码,传送,接收端利用相关 处理器对接收信号与本地码型相关进行相关运 解出基带信号( 即原始信息)实现解扩 实现解扩, 算,解出基带信号 即原始信息 实现解扩,从 而区分出不同用户的不同信息. 而区分出不同用户的不同信息.
各种形式人为的干扰(如电子对抗中 或其 各种形式人为的干扰 如电子对抗中)或其 如电子对抗中 他窄带或宽带(扩频 系统的干扰,只要波形, 扩频)系统的干扰 他窄带或宽带 扩频 系统的干扰,只要波形, 时间和码元稍有差异, 时间和码元稍有差异,解扩后仍然保持其宽 带性,而有用信号将被压缩. 带性,而有用信号将被压缩.
扩频通信的理论基础
由式中可以看出: 由式中可以看出:为了提高信息的传输 速率C,可以从两种途径实现,既加大带宽W 速率 ,可以从两种途径实现,既加大带宽 或提高信噪比S/N.换句话说,当信号的传输 或提高信噪比 .换句话说, 速率C一定时 信号带宽W和信噪比 一定时, 和信噪比S/N是可 速率 一定时,信号带宽 和信噪比 是可 以互换的,即增加信号带宽可以降低对信噪 以互换的, 比的要求,当带宽增加到一定程度, 比的要求,当带宽增加到一定程度,允许信 噪比进一步降低, 噪比进一步降低,有用信号功率接近噪声功 率甚至淹没在噪声之下也是可能的. 率甚至淹没在噪声之下也是可能的.
扩频通信的理论基础
扩频通信就是用宽带传输技术来换取信 噪比上的好处, 噪比上的ຫໍສະໝຸດ Baidu处,这就是扩频通信的基本思想 和理论依据. 和理论依据.
扩频增益和抗干扰容限
扩频通信系统由于在发送端扩展了信号 频谱,在接收端解扩还原了信息, 频谱,在接收端解扩还原了信息,这样的系 统带来的好处是大大提高了抗干扰容限. 统带来的好处是大大提高了抗干扰容限.理 论分析表明, 论分析表明,各种扩频系统的抗干扰性能与 信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关. 信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关.
扩频通信的基本特点
扩频通信, 扩频通信,即扩展频谱通信技术 ),它的 (Spread Spectrum Communication),它的 ), 基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大 于信息本身的带宽. 于信息本身的带宽.
扩频通信的特征
扩频通信具有如下特征: 扩频通信具有如下特征 1. 它是一种数字传输方式; 它是一种数字传输方式; 2. 带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数 (扩频函数 对被传信息进行调制实现的; 扩频函数)对被传信息进行调制实现的 扩频函数 对被传信息进行调制实现的; 2.在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号 在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号 进行相关解调,还原出被传信息. 进行相关解调,还原出被传信息.
扩频增益和抗干扰容限
系统的抗干扰容限M 定义如下: 系统的抗干扰容限 J定义如下:
式中:( 式中:(S/N)= 输出端的信噪比, :( ) 输出端的信噪比, LS = 系统损耗
扩频增益和抗干扰容限
由此可见,抗干扰容限 由此可见,抗干扰容限MJ与扩频处理增 成正比,扩频处理增益提高后, 益GP成正比,扩频处理增益提高后,抗干扰 容限大大提高, 容限大大提高,甚至信号在一定的噪声湮没 下也能正常通信. 下也能正常通信.通常的扩频设备总是将用 户信息(待传输信息 的带宽扩展到数十倍, 待传输信息)的带宽扩展到数十倍 户信息 待传输信息 的带宽扩展到数十倍,上 百倍甚至千倍,以尽可能地提高处理增益. 百倍甚至千倍,以尽可能地提高处理增益.