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扩频通信期末


几种扩频系统的比较
摘要 扩频通信技术以其所表现出的抗干扰性能、 传输保密性和选址随意性等显著 优势,被普遍应用于移动通信、卫星通信以及个人通信等多个领域。本文主要介 绍直接序列(DS)扩频系统(SS) 、跳频、线性调频扩频系统、混合扩频系统的 工作原理及应用, 并对各个系统的优缺点进行了比较,最后给出了扩频系统未来 的发展趋势。 关键词:扩频 直序列 跳频 线性调频

混合扩频

1 引言
扩频通信就是将要传送的信息数据用伪随机码进行调制, 实现频谱扩展后再 进行传输。接收端采用相同的编码进行解调及相关处理,恢复出原始数据信息。 扩频通信具有抗干扰能力强、抗截获、抗多径和多址能力强、保密性好及测距精 度高等特点。因此在无线局域网、皮网、2G 和 3G 移动通信、全球卫星定位、军 用通信、航天通信等众多领域都有所发展。 扩频技术是当今信息社会最为先进的无线通信技术之一, 它的历史可以追溯 到 20 世纪 50 年代中期, 因为其具有良好的性能而迅速发展起来。在早期研究这 种技术的主要目的是为提高军事通信的保密和抗干扰的性能, 因此这种技术的开 发和应用一直是处于保密状态。 扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛 应用, 到目前为止, 其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系 统, 而跳频系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而 言,跳频系统主要在军事通信中对抗故意干扰,在卫星通信中也用于保密通信, 而直扩系统则主要是一种民用技术。 面对全世界范围内对移动通信日益增加的要 求,CDMA 将是无线通信中最主要的多址介入手段。在本世纪,扩频技术将得到 更加广泛的应用。 军事通信抗干扰的驱动以及个人通信业务的驱动使得扩频技术 的抗干扰性能和码分多址能力得到最大限度的挖掘。第四代移动通信系统(4G) 的驱动无疑会使扩频技术传输高速数据的能力得到更大的拓展。

2 扩频通信简介 2.1 扩频通信的含义
扩频通信技术是一种信息传输方式,在发送端采用扩频码调制,使信号所占 的频带宽度远远大于所传信息所需的带宽; 在接收端采用相同的扩频码进行相关 解调来解扩以恢复所传信息数据。这一定义包括三个方面的含义:信号的频谱被 展宽; 采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱; 在接收端用相关解调来解扩。

2.2 扩频通信的理论基础
香农公式是其理论基础: C=B lb(1+S/N) 式中,C 为信道容量,意指单位时间内信道中无差错传输的最大信息量,其 单位是 b/s;B 为信号频带宽度,单位为 Hz;S 为信号功率,单位为 W;N 为噪声 功率,单位为 W;S/N 为输入功率与噪声功率之比,简称信噪比。 香农公式的原意是说, 在给定信号功率 S 和噪声功率 N 的情况下,只要采用 某种编码系统, 就能以任意小的差错概率,以接近于 C 的信息传输速率来传送信 息。这个公式还表示在保持信息传输速率不变的条件下,可以用不同频带宽度 B 和信噪比来传输信息。 这说明, 采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱 的方法可以换取信噪比上的好处。

2.3 扩频通信的发展历程
扩频通信技术最初是在军事抗干扰通信中发展起来的[3],后来又在移动通 信中得到广泛的应用[4]。 1.在军事通信中的应用 扩频通信系统是在 50 年代中期产生的,其最初的应用包括军事抗干扰通信、 导航系统、抗多径实验系统以及其它方面[5]。它的最初构想是在第二次世界大 战期间形成的, 跳频通信的思路也是在这段时期出现的,但是真正实用的扩频通 信系统是在 50 年代中期发展起来的。麻省理工学院林肯实验室开发的扩频通信 系统 F9C-A/Rake 系统是第一个成功的扩频通信系统,该系统也是第一个真正实 用的宽带通信系统。 自从扩频通信的概念在 50 年代开始成熟以后,此后的二十多

年扩频通信技术仍得到很大的发展,但都只是局部的发展,如硬件的改进和应用 领域的拓展。而个人通信业务(PCS)的发展终于使扩频技术迎来了另一次大发展 的机遇。 2.在民用通信中的应用 80 年代初期, 扩频技开始用于民用通信,美国联邦通信委员会(FCC)于 1985 年 5 月发布了一份关于将扩频技术应用到民用通信的报告[6]。 从此,扩频通信技 术获得了更加广阔的应用空间。90 年代初,在第一代模拟蜂窝通信系统的基础上, 出现了 PCS 研究的热潮。 要实现 PCS 并考虑其长期发展,需要 FCC 为其分配 100~ 200 MHz 的带宽,而与频谱分配相关的一个重要技术因素就是多址技术。当时采 用的方法就是让 PCS 与其它用户共享一段频谱[7],这样扩频技术为共享频谱提 供了可能。为了实现与传统用户共享频谱,PCS 首选的技术是 CDMA。随着 PCS 以及蜂窝移动通信的发展,CDMA 技术已经成为不可或缺的关键技术。扩频通信技 术也在民用通信中找到更为广阔的应用空间,而关于 CDMA 技术的研究热潮也一 直延续到现在。

3 扩频系统的几种工作方式
扩频系统包括下面几种扩频方式:直接序列扩频、跳频、跳时、线性跳频、 混合扩频系统(频率跳变-直接序列混合系统、时间跳变-频率跳变混合系统、时 间跳变-直接序列混合系统)

3.1 直接序列扩频
直扩系统的组成原理框图如图 1 所示。由信源输出的信号 a(t)是码元持续 时间 Ta 的信息流,伪随机码产生器产生的伪随机码为 c(t),每一伪随机码码元 宽度为 Tc,将信码 a(t)与伪随机码 c(t)进行模 2 加,产生一速率与伪随机码速 率相同的扩频序列, 然后再用扩频序列去调制载波,这样就得到已扩频调制的射 频信号。 在接收端, 接收到的扩频信号经高放和混频后,用与发端同步的伪随机序列 对中频的扩频调制信号进行相关解扩,将信号的频带恢复为信息序列 a(t)的频 带,即为中频调制信号;然后再进行解调,恢复出所传输的信号 a(t),从而完 成信息传输。对于干扰信号和噪声而言,由于与伪随机序列不相关,在相关解调

器的作用下,相当于进行了一次扩频。干扰信号和噪声频带被扩展后,其谱密度 降低, 这样就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率,使解调器的输入信噪比 和信干比提高,从而提高了系统的抗干扰能力。 直扩系统组成原理框图 1 所示:

图 1 直扩系统组成原理框图 (a)发射(b)接受

3.2 调频
跳频系统的组成如图 2 所示。用信源产生的信息流 a(t)去调制频率合成器 产生的载频,得到射频信号。频率合成器产生的载频受伪随机码控制,按一定规 律跳变。在接收端,接收到的信号与干扰经高放滤波器后送至混频器。接收机的 本振信号也是一种频率跳变信号,发端的本振和收端的本振的跳变规律相同。两 个合成器产生的频率相对应,但对应的频率有一频差为 f 信号进行解调,就可以恢复出发送的信息。 I,正好为接收机的 中频。只要收发双方的伪随机码同步,就可以得到一不变的中频信号,再对中频

图 2 跳频系统的组成原理框图

3.3 线性调频
线性调频信号的产生方法, 可由一个锯齿波信号控制压控振荡器(VCO)来实

现。 振荡频率随锯齿波而变化, 因此脉冲信号的载频从原来单一频率展宽为Δ F =B,如图 3 所示。

VCO

图 3 线性调频信号产生方法

发射端用一锯齿波信号控制压控振荡器, 就可产生随锯齿波斜率变化的线 性调频信号。 线性调频信号的接收解调器由匹配滤波器来完成。 匹配滤波器由 色散延迟线( DDL)构成, 这种延迟线对高频成分延时长, 对低频成分延时短。 因此, 频率由高变低的载波信号通过匹配滤波器后, 各种频率几乎同时到 达输出端, 这些信号成分叠加在一起 , 形成对脉冲时间的压缩 , 使输出信号的 幅度增加, 能量集中, 形成一相关峰, 如图 4 所示, 通过对相关峰的检测, 就 可把信号检测出来。

DDL

图 4 信号输出波形

3.4 混合扩频系统
常用的混合扩频方式有 FH/DS、TH/DS、FH/TH。 1. FH/DS 系统 FH/DS 系统原理图如 5 所示。需要发送的信号首先被伪随机码 I 扩频, 然后 去调制由伪随机码Ⅱ控制的频率合成器产生的跳变频率, 被放大后发送出去。 接收端首先进行解跳, 得到一固定中频的直扩信号, 然后进行解扩, 送至解调 器, 将传送的信号恢复出来。 在这里用了两个伪随机码, 一个用于直扩, 一个 用于控制频率合成器。 一般用于直扩的伪随机码的速率比用于跳频的伪随机码 的速率要高得多。

图 5 FH/DS 系统原理图 2. TH/DS 系统

这种系统 (TH/DS) 是解决 “远-近” 问题的几种富有生命力的方法之一。 对 于在同一条射频链路上距离和发射功率有很大变化的双工、 无线电话交换网, 如果以随机选呼离散地址作为基本的通信方式, 则比较适合采用 TH/FH 系统。 直扩/跳时系统, 是在直接序列扩展频谱系统的基础上增加了对射频信号 突发时间跳变控制的功能。 图中(a)为发送端框图,(b)为接收端框图。由图(a)中可以看出,当射频开 关接通时,就输出直接扩展频谱信号,当射频开关断开时,则停止输出信号。射 频开关的通断受触发器控制, 触发器的状态是由控制逻辑指令来控制的,控制逻 辑指令又是由伪码发生器产生的。 所以射频开关的接通与断开的起止时间是跳变 的。图中的控制逻辑、触发器及射频开关可视作一个整体,起码控射频开关的作 用。因此,可称作是跳时器。 图 6 所示的接收过程,可以看作是发送的逆过程。首先进行解跳时,再经混 频变成中频直接扩展频谱信号,再与本地伪随机序列在乘法器中进行相关解扩, 恢复成窄带信号、最后经解调器输出信息码。
DS/TH信号 DS信号

射频开 关
TH信号

信息输入

存储器

伪码发 生器
(a)发端

控制逻 辑

触发器

载波 DS/TH信号

射频开 关 控制逻 辑 伪码发 生器

滤波器

解调器

触发器

存储器
信息输出 同步时钟

(b)收端

图 6 TH/DS 系统原理图

4 不同扩频方式的比较 4.1 直扩系统
直扩系统的主要特点有以下几个方面: (1)具有较强的抗干扰能力。扩频系统经过相关接收,将干扰功率扩展到 很宽的频带上去, 使进入信号频带内的干扰功率大大降低,提高了解调器输入端 的信噪比,从而提高了系统的抗干扰能力。 (2)具有很强的隐蔽性和抗侦查、抗窃听、抗侧向的能力。扩频信号的谱 密度很低,使信号湮没在噪声之中,不易被敌方截获、侦查、测向和窃听。 (3)抗衰落,特别是抗频率选择性能好。直扩信号的频谱很宽,一小部分 衰落对整个信号的影响不大。 (4)可以提高分辨率的测向、定位。利用直扩系统伪随机码的相关性,可 以完成精度很高的测距和定位。 (5)具有选址能力,可以实现码分多址。 (6)抗多径干扰。 但是该体统也有许多局限性 : (1) 直接序列扩展频谱系统是二个宽带系统,虽然可与窄带系统电磁兼容; 但不能与其建立通信。另外,对模拟信源 (如话音)需作预先处理(如语声编码) 后,才可按入直扩系统。 (2)在直接扩展频谱系统的接收机存在明显的远近效应。 (3) 直接扩展频谱系统的处理增益受限于码片(chip)速率和信源的比特率, 即码片速率的提高和信源比特率的下降都存在困难。处理增益受限,意味着抗干 扰能力受限,多址能力受限。

4.2 跳频系统
跳频系统也是一中常用的扩频系统,在军事中应用比较广泛,它的优点是: (1)跳频图案的伪随机性和跳频图案的密钥量使跳频系统具有保密性。即 使是模拟话音的跳频通信, 只要敌方不知道所使用的跳频图案就具有一定的保密 的能力。当跳频图案的密钥足够大时,具有抗截获的能力。 (2)由于载波频率是跳变的,具有抗单频及部分带宽干扰的能力。当跳变 的频率数目足够多时,跳频带宽足够宽时,其抗干扰能力是很强。 (3)利用载波频率的快速跳变,具有频率分集的作用,从而使系统具有抗 多径衰落的能力。条件是跳变的频率间隔具要大于相关带宽。

(4)利用跳频图案的的正交性可构成跳频码分多址系统,共享频谱资源, 并具有承受过载的能力。 (5)跳频系统为瞬时窄带系统,能与现有的窄带系统兼容通信,另外跳频 系统无明显的多径效应。 其局限性是: (1)信号的隐蔽性差。 在慢速跳频时,跳频信号容易被敌方侦察、识别与 截获。 (2) 跳频系统抗多频干扰及跟踪式干扰能力有限。 当跳频的频率数目中有 一半的频率被干扰时,对通信会产生严重影响,甚至中断通信。抗跟踪式干扰要 求快速跳频,使干扰机跟踪不上而失效。 (3)快速跳频器的限制。 产生宽的跳频带宽、快的跳频速率、伪随机性好 的跳频图案的跳频器在制作上遇到很多困难,且有些指标是相互制约的。因此, 使得跳频系统的各项优点也受到了局限。

4.3 跳时系统
跳时系统虽然也是一种扩展频谱技术,但因其抗干扰性能不强,通常并不单 独使用。 在时分多址通信系统中利用跳时来减少网内干扰,并能改善系统中存在 的远近效应。 将跳时(TH)分别与直接扩频(DS)和跳频(FH)相结合则构成直扩/跳时(DS/ TH)系统和跳频/跳时(FH/TH)系统。若将直扩、跳频和跳时三者结合在一起则 构成直扩/跳频/跳时(DS/FH/TH)扩展频谱系统。 以上三种扩频技术的优缺点比较如表 1 所示:

表1

4.4 混合式扩频系统
单独的一种扩频系统往往不能满足实际的需要, 需要将两种及以上的扩频系 统结合起来使用,这样会有较好的效果。 比如,当抗干扰指标要求很高时,单独的任一种扩展频谱系统往往很难达 到要求, 甚至遇到技术上的难题得不到解决;或者要大大增加设备的复杂程度从 而使成本也大为提高。若是采用几种基本扩展频谱系统的组合,优势互补,则可 满足高抗干扰指标的要求,又可能缓解某些技术难点,降低成本,从而达到更合 理的性能价格比。当然,其代价是系统的复杂程度有所增加。 概括而言, 混合式扩展频谱系统可以带来的好处是: 提高系统的抗干扰能力, 降低部件制作的技术难度,使设备简化,降低成本,满足使用要求。 混合扩频系统具有很强的适用性。如当电磁环境异常恶劣的条件下,或者要 求通信系统的抗于扰指标非常高,单独一种扩展频谱系统难以满足要求时,采用 直扩/跳频混合式扩展频谱系统既能满足指标要求,又容易实现。这种直扩与跳 频混合式扩频系统,可实现优势互补,使其具有全面的抗干扰能力。 在移动通信中, 移动体的相对运动将引起收、发信机之间电波传播距离的随 机变化。当系统内多用户同时工作时,对直扩系统而言,会在接收机输入端产生 近距离大功率无用信号抑制远端小功率有用信号的现象,即所谓远-近效应。为 了消除远近效应对通信系统的影响,多采用混合式扩展频谱通信系统,如跳频/ 跳时扩展频谱通信系统。 若综合考虑抗干扰性能时, 可采用直扩/跳频/跳时(DS /H/TH)混合式扩展频谱系统。 在短波的天波传播通信以及城市地面移动通信中,都存在着严重的多径效 应。直接序列扩展频谱通信系统由于采用相关接收,它具有抗多径效应的能力。 跳频系统由于其载波频率的跳变起到频率分集的作用从而也具有一定的抗多径 效应的能力。对于跳时系统,可以看作是对信号进行时间分集接收。但是这三种 系统的抗多径能力都是在一定的条件下才成立的。 直接序列扩频系统要求码片宽 度小于或等于最小的传播时延; 跳频系统要求跳频频率间隔要大于相关带宽,并 采用快跳频,即保证每一比特信息应在一跳或多跳中传输。对跳时系统,也要求 每一比特信息应在一跳或多跳中传输。只有这样才能起到分集的效果。为了消除 多径效应移动通信抗多径的环境下,往往采用混合式扩频系统。比如,直扩与跳 频,直扩与跳时,直扩、跳频与跳时的组合。

5 扩频技术的发展趋势
扩频通信以为其优良的特性势必会获得更加广泛的应用前景, 其未来的发展

趋势也会是多方面的。 首先是在第四代移动通信上的应用。在 4G 网络的实现中,有的技术本身就 是扩频技术的延伸, 有的则能够很好得与扩频技术结合,还有的则能用于扩频系 统的实现,4G 的驱动无疑会使扩频技术传输高速数据的能力得到更大的拓展, 因此这些新技术的发展体现着扩频技术的发展趋势。 其次,超宽带技术。衡量扩频系统的重要指标是扩频增益,在一定的传输带 宽下, 要提高有效数据的传输速率就要降低扩频增益,而扩频增益的下降也意味 着扩频系统性能的降低, 因此要提高传输数据速率,而且不降低扩频系统的性能 (即保证一定的扩频增益) , 就只有提高传输带宽。超宽带(UWB)技术可以看作是 一种将传输带宽极大扩展以获得高数据传输速率的扩频技术。UWB 作为一种短距 离通信技术在未来无线通信系统的实现中扮演着重要的角色。 最后,软件无线电。软件无线电就是将模块化、标准化的硬件单元通过标准 接口构成基本平台, 并借助软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式体系结 构。 扩频技术是未来无线通信系统中的关键技术,而软件无线电是实现未来无线 通信系统的有效手段, 因此采用软件无线电技术来实现扩频通信系统是很自然的 思路。 目前虽然软件无线电还有很多关键技术需要突破,但是其在无线通信系统 中的应用成果也是显著的, 用软件无线电技术来实现扩频系统的研究也一直在继 续。

6 结论
本文对各种扩频技术的原理进行了论述,总结了每一种技术的优缺点,并且 对扩频技术未来的发展趋势进行了概括。 这不仅对于我们在以后选择扩频技术的 方式上有一定的参考意义,而且对未来扩频通信技术的研究指明了方向。

参考文献
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