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扩频发表评论(0)编辑词条

  扩频是一种信息处理传输技术。扩频技术是利用同域传输数据(信息)无关的码对被传输信号扩展频谱,使之占有远远超过被传送信息所必需的最小带宽。
特性

扩频信号具有以下三个特性:

(1)扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号;

(2)扩频信号带宽远大于欲传输数据(信息)带宽;

(3)接收机中必须有与宽带载波同步的副本。

  传输信息时所用信号带宽远大于传输些信息所需最小带宽的一种信号处理技术。发射端展宽频带是用独立于所传数据的码来实现,接收端用同步的相同码解扩以恢复所传数据。扩频的基本方法有,直接序列(DS)、跳频(FH)、跳时(TH)和线性调频(Chirp)等4种。扩频的主要特点为:抗干扰,抗多径衰落,低截获概率,码分多址能力,高距离分辨率和精确定时特性等。

工作原理

  在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号,然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再调制到射频发送出去。 在接收端收到的宽带射频信号,变频至中频,然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。再经信息解调、恢复成原始信息输出。

  由此可见,—般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。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,以及相应的信息解调、解扩和射频解调。与一般通信系统比较,扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。

工作方式

  按照扩展频谱的方式不同,现有的扩频通信系统可以分为:

1、直接序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum)工作方式,简称直扩(DS)方式

  所谓直接序列(DS-DirectScquency)扩频,就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端,用相同的扩频码序列去进行解扩,把展宽的扩频信号还原成原始的信息。直接序列扩频的原理如图所示。 用窄脉冲序列对某一载波进行二相相移键控调制。如果采用平衡调制器,则调制后的输出为二相相移键控信号,它相当于载波抑制的调幅双边带信号。图中输入载波信号的频率为fc,窄脉冲序列的频谱函数为G(C),它具有很宽的频带。平衡调制器的输出则为两倍脉冲频谱宽度,而fc被抑制的双边带的展宽了的扩频信号,其频谱函数为fc+G(C)。在接收端应用相同的平衡调制器作为解扩器。可将频谱为fc+G(C)的扩频信号,用相同的码序列进行再调制,将其恢复成原始的载波信号fc。

2、跳变频率(FrequencyHopping)工作方式,简称跳频(FH)方式

  另外一种扩展信号频谱的方式称为跳频(FH-FrequencyHopping)。所谓跳频,比较确切的意思是:用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说,用扩频码序列去进行频移键控调制,使载波频率不断地跳变,所以称为跳频。 简单的频移键控如2FSK,只有两个频率,分别代表传号和空号。而跳频系统则有几个、几十个、甚至上干个频率、由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制,不断跳变。

3、跳变时间(TimeHopping)工作方式,简称跳时(TH)方式

  与跳频相似,跳时(TH-TimeHopping)是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为:用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。 由于采用了窄得很多的时片去发送信号,相对说来,信号的频谱也就展宽了。右图是跳时系统的原理方框图。在发端,输入的数据先存储起来,由扩频码发生器的扩频码序列去控制通-断开关,经二相或四相调制后再经射频调制后发射。在收端,由射频接收机输出的中频信号经本地产生的与发端相同的扩频码序列控制通-断开关,再经二相或四相解调器,送到数据存储器和再定时后输出数据。只要收发两端在时间上严格同步进行,就能正确地恢复原始数据。

4、宽带线性调频(ChirpModulation)工作方式,简称Chirp方式

  如果发射的射频脉冲信号在一个周期内,其载频的频率作线性变化,则称为线性调频。 因为其频率在较宽的领带内变化,信号的频带也被展宽了。这种扩频调制方式主要用在雷达中,但在通信中也有应用。右图中是线性调频的示意图。

  发端有一锯齿波去调制压控振荡器,从而产生线性调频脉冲。它和扫频信号发生器产生的信号一样。在收端,线性调频脉冲由匹配滤波器对其进行压缩,把能量集中在一个很短的时间内输出,从而提高了信噪比,获得了处理增益。匹配滤波器可采用色散延迟线,它是一个存储和累加器件。其作用机理是对不同频率的延迟时间不一样。如果使脉冲前后两端的频率经不同的延迟后一同输出,则匹配滤波器起到了脉冲压缩和能量集中的作用。匹配滤波器输出信噪比的改善是脉冲宽度与调频频偏乘积的函数。一般,线性调频在通信中很少应用。

5、各种混合方式

  在上述几种基本的扩频方式的基础上,可以组合起来,构成各种混合方式。例如DS/FH、DS/TH、DS/FH/TH等等。 一般说来,采用混合方式看起来在技术上要复杂一些,实现起来也要困难一些。但是,不同方式结合起来的优点是有时能得到只用其中一种方式得不到的特性。例如DS/FH系统,就是一种中心频率在某一领带内跳变的直接序列扩频系统。其信号的频谱如图所示。

  对于DS/TH方式,它相当于在扩频方式中加上时间复用。采用这种方式可以容纳更多的用户。在实现上,DS本身已有严格的收发两端扩频码的同步。加上跳时,只不过增加了一个通-断开关,并不增加太多技术上的复杂性。对于DS/FH/TH,它把三种扩频方式组合在一起,在技术实现上肯定是很复杂的。但是对于一个有多种功能要求的系统,DS、FH、TH可分别实现各自独特的功能。

  因此,对于需要同时解决诸如抗干扰、多址组网、定时定位、抗多径和远-近问题时,就不得不同时采用多种扩频方式。

扩频编码

  扩频又分为直接序列(DirectSequence,DS)扩频技术(简称直扩)和跳频(FrequencyHopping,FH)扩频技术。扩频系统可以看作是两个调制过程,第一步,使用传统的调制方式调制有效信号;第二步,使用扩频编码调制载波,使其扩展到一个非常大的带宽内,实现频谱展宽。

常用扩频编码方式:

(1)直序扩频技术直序扩频技术的原理是使用快速变化的二进制比特流调制射频载波信号,这种二进制比特流看上去是随机的,实际上是按照特定的算法由数字电路产生的,称为伪随机码(Pseudonoise)。在伪随机码的调制下,载波的相位在0度~180度之间跳跃变化,被调制后的载波又同有效信息进行混合,通过发射机发射。相应的接收机内能够产生相同的伪随机码,按照发射的逆过程解调,解析出有效信息信号。

(2)跳频扩频技术跳频扩频技术是通过伪随机码的调制,使载波工作的中心频率不断跳跃改变,而噪音和干扰信号的中心频率却不会改变。这样,只要收、发信机之间按照固定的数字算法产生相同的伪随机码,就可以达到同步,排除噪音和其他干扰信号。

  扩频技术是利用开放的ISM2.4GHz频段。也正是由于这个2.4~2.484GHz频段无需申请许可证(但发射功率受限制),因而此频段很拥挤,微波噪声最大,采取何种发送及接收技术,都将直接影响到微波传输的速率和质量。

  直扩采取主动占有方式,跳频是被动适应。直扩技术同时使用整个子频段,信号被扩展多次而无损耗;跳频技术是连续间断跳跃使用多个频点,当跳跃至某个频点时,判断该频点是否有噪声干扰,若无则传输信号,若有则依据算法跳至下一频点继续判断。

优势

(1)抗干扰能力。强扩频通信系统扩展的频谱越宽,处理增益越高,抗干扰能力就越强。简单地说,如果信号频谱展宽10倍,那么干扰方面需要在更宽的频带上去进行干扰,分散了干扰功率,从而在总功率不变的条件下,其干扰强度只有原来的1/10。另外,由于接收端采用扩频码序列进行相关检测,空中即使有同类信号进行干扰,如果不能检测出有用信号的码序列,干扰也起不了太大作用,因此抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点。

(2)码分多址能力强。由于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扩频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不同码型的情况下,系统可以区分不同用户的信号,这样在同一频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。

(3)高速可扩展能力强。由于独占信道且码分多址,所以速率很高。由于在IEEE802.11标准中,11位随机码元中只有1位用来传输数据,因此吞吐量的扩展能力强。相对于通用标准采用的相位变化DQPSK/DPSK调制技术,增强型采用了直序/脉冲位置调制(DS/PPM)技术。PPM技术使用了预置的8位码元中的3位传输数据,这就使传输率产生了飞跃。

应用

  扩频信号是用扩展随机序列——伪随机码调制射频信号或不断跳跃的载波信号频率而得到的,这样,扩频系统不同于传统通信系统,它可以极大限度地共享相同的频道资源。每套系统都具有与众不同的扩展序列来减少来自其他设备的干扰,只有具有与发射者相同扩展序列的接收者才可以重组或压缩扩频传输信号来获得其中加载的有效信息。即使是多套扩频设备使用同一个频道在同一地区进行信号传输,只要采用不同的扩频序列,就不会相互干扰。扩频系统这一频道复用的优势,使其成为在大城市频谱资源十分拥挤的环境下最理想的选择。

  扩频通信作为一种成熟的高科技技术,可应用于:(1)地僻人稀的农村及通信不发达地区;(2)有线基建已饱和的繁华市区;(3)因业务要求骤增而有线基建滞后的新建社区;(4)用户主干/备份通信网络,以弥补邮电公众网络的不足。

现状

1、扩频技术的研究现状

  扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用,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。

2、码捕获

  对码捕获的研究主要集中在对周期较长的码实现捕获的问题,也就是快速捕获的问题。以前采用的主要是串行捕获方法,这种方案实现简单,但捕获速度不能满足要求。而现在大规模集成电路的应用使并行捕获方案成为可能,但系统的复杂度很高,因此研究的目标就是实现码捕获时间性能和系统复杂度之间的折衷。在串行捕获方案中,双停顿时间搜索法和序贯检测法都是缩短捕获时间的有效方法,利用一些新的搜索算法进一步改进这些系统的性能成为研究的热点。此外以前主要研究的是高斯信道下的捕获性能,现在则考虑到非高斯信道下的捕获性能,以及在有频偏等影响条件下捕获性能。

3、多用户检测

  CDMA系统容量受到来自其他用户的多址干扰的限制,多用户检测能够利用这些多址干扰来改善接收机的性能,因此是一种提高系统容量的有效方法。传统的CDMA接收机是由一系列单用户检测器组成,每个检测器都是与特定扩频码对应的相关器,它并没有考虑多址干扰的结构,而是把来自其它用户的干扰当成加性噪声,因此当用户数量增加时,其性能急剧下降。通过对所有用户的联合译码可以极大地改善CDMA系统的性能。但是最优的多用户接收机,其复杂度随用户数量成指数增长,因此在实际通信系统中几乎不可能实现。这样寻找在性能和复杂度之间折中的次最优多用户检测器成为研究的热点。

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