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1、扩展频谱通信简介,2010 年 5月,我们知道，传输任何信息都需要一定的 带宽，称为信息带宽。例如语音信息的带宽 大约为20Hz20000Hz、普通电视图像信息 带宽大约为6MHz。为了充分利用频率资源， 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。,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，信号带宽需要达到信 息带宽的两倍，而在实际传输中，人们采用 压缩限幅技术，把广播语音的带宽限制在大 约为24500Hz=9KHz左右；采用边带压缩 技术，把普通电视信号包括语音信号一起限 制在1.26.5MHz=8MHz左右。即使在普通 的调频通信上，
2、人们最大也只把信号带宽放 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。,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 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。,扩展频谱通信的定义,所谓扩展频谱通信（Spread Spectrum Communication），可简单表述如下：“扩 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；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，与 所传信息数据无关；在接收端则用同样的码 进行相关同步
3、接收、解扩及恢复所传信息数 据”。,扩频通信的基本特点,扩频通信，即扩展频谱通信技术 （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。,扩频通信的特征,扩频通信具有如下特征: 1. 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； 2.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。,扩频通信的理论基础,根据仙农(C.E.Shannon)在信息论研究中 总结出的信道容量公式，即仙农公式： C = WLog2(1+S/N) 式中：C-信息的
4、传输速率、 S-有用信 号、功率 W-频带宽度、 N-噪声功率,扩频通信的理论基础,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 或提高信噪比S/N。换句话说，当信号的传输 速率C一定时，信号带宽W和信噪比S/N是可 以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪 比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信 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。,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，这就是扩频通信的基本思想 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
5、，这样的系 统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。理 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。,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F 之比称为处理增益GP，即： 它表明了扩频系统信噪比改善的程度。 除此之外，扩频系统的其他一些性能也大都 与GP有关。因此，处理增益是扩频系统的一 个重要性能指标。,扩频增益和抗干扰容限,系统的抗干扰容限MJ定义如下： 式中：（S/N）= 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MJ与扩频处理增 益GP成正比，扩频处理增益提高后，抗干扰 容限大大提高，甚至信号在一定的噪声
6、湮没 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、上 百倍甚至千倍，以尽可能地提高处理增益。,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。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 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 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 用扩频系统PN码码长应不低于12位，一般取 32位，军用系统可达千位。,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： （1）M序列，即最长线性伪随
7、机系列； （2）GOLD序列； （3） WALSH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，如M序列， 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，组内 两个码型分别表示原始信息1和0。系统 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 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。,无线扩频通信原理图,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，二 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，扩频解调和信息 解调。,
8、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 方式(FH)、跳变时间方式（TH）、宽带线性 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), 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 码序列对扩展的信号频谱进行解调，还原出 原始的信息。,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，信息码 经码率较高的 PN 码调制以后，频谱被扩展 了。在收端，扩频信号经同样的PN码解调以 后，信息码被恢复；信息码经调制、扩频传 输、解调然后恢复的过程，类似与
9、PN码进行 了二次模二相加的过程。,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,从图4中我们还可以用能量面积图示概 念看出： 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，功率谱密度下 降； 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；,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，功 率谱密度下降，从而使有用信息在噪声干扰 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， 使得它能迅速推广到各种公用和 专用通信网络之中。,扩频通信具有以下几项优点: 1. 抗干扰性强，误码率低 2. 易于同频使用，提高
10、了无线频谱利用率 3. 隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小 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 8. 安装简便，易于维护,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 谱，在接收端解扩还原信息，产生了扩频增 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 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 工作于负信噪比条件下的通信方式。,各种形式人为的干扰(如电子对抗中)或其 他窄带或宽带(扩频)系统的干扰，只要波形、 时间和码元稍有
11、差异，解扩后仍然保持其宽 带性，而有用信号将被压缩。,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10-10，最差条件下也 可达10-6，远高于普通的微波通信的效果。应 该说，抗干扰性能强是扩频通信的最突出的 优点。,易于同频使用，提高了无线频谱利用率,无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波 都已得到开发利用，仍然满足不了社会的需 求。为此，世界各地都设计了频谱管理机构 ， 用户只能使用申请获得的频率，依靠频道 划分来防止信道之间发生干扰。,易于同频使用，提高了无线频谱利用率,由于扩频通信采用了相关接收这一高 技术，信号发送功率极低（1W，一般为 1100mW），且可工作在信道噪声和热
12、噪 声背景中，易于在同一地区重复使用同一频 率，也可以与现今各种窄带通信共享同一频 率资源。,隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小,由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩 展了，单位频带内的功率很小，信号湮没在 噪声里，一般不容易被发现，而想进一步检 测信号的参数（如伪随机编码序列）就更加 困难，因此说其隐蔽性好。 再者，由于扩频信号具有很低的功率谱 密度，它对目前使用的各种窄带通信系统的 干扰很小。,可以实现码分多址,扩频通信提高了抗干扰性能，但付出了占用频 带宽的代价。 如果让许多用户共用这一宽频带，则可大为提 高频带的利用率。由于在扩频通信中存在扩频码序 列的扩频调制，充分利用各种不同码型
13、的扩频码序 列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端 利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户 码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有 用信号。这样一来，在一宽频带上许多对用户可以 同时通话而互不干扰。,抗多径干扰,在无线通信中，抗多径干扰问题一直是 难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关 特性；在接收端可以用相关技术从多径信号 中提取分离出最强的有用信号，也可把多个 路径来的同一码序列的波形相加使之得到加 强，从而达到有效的抗多径干扰。,能精确地定时和测距,我们知道电磁波在空间的传播速度是固 定不变的光速。人们自然会想到如果能够精 确测量电磁波在两个物体之间传播的时间， 也就等
14、于测量两个物体之间的距离。,在扩频通信中如果扩展频谱很宽，则意 味着所采用的扩频码速率很高，每个码片占 用的时间就很短。当发射出去的扩频信号在 被测物体反射回来后，在接收端解调出扩频 码序列，然后比较收发两个码序列相位之差， 就可以精确测出扩频信号往返的时间差，从 而算出二者之间的距离。测量的精度决定于 码片的宽度，也就是扩展频谱的宽度。码片 越窄，扩展的频谱越宽，精度越高。,扩频通信是数字通信，特别适合数字话 音和数据同时传输，扩频通信自身具有加密 功能，保密性强，便于开展各种通信业务。 扩频通信容易采用码分多址、语音压缩等多 项新技术，更加适用于计算机网络以及数字 化的话音、图像信息传输。,扩频通信绝大部分是数字电路，设备高 度集成，安装简便，易于维护，也十分小巧 可靠，便于安装，便于扩展，平均无故障率 时间也很长。,另外，扩频设备一般采用积木式结构， 组网方式灵活，方便统一规划，分期实施， 利于扩容，有效地保护前期投资。,
