扩频通信.docx

1、扩频通信 移动通信技术 指导老师：石林 姓名：艾威威 学号：1005020314 日期：2013/6/3扩频通信扩频通信也叫做扩频通信技术，长期以来，扩频通信主要用于军事保密通信和电子对抗系统，随着世界范围政治格局的变化和冷战的结束，该项技术才逐步转向商业化。数年前扩频通信在我国通信领域仍鲜为人知，有关资料介绍也比较少，一九九三年开始, 吉隆公司即致力于向我国引进扩频产品, 已经在电力、金融、公安、交通等行业收到了明显的社会、经济效益，引起国内通信界人士的广泛注意。一，扩展频谱通信简介我们知道，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

2、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，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

3、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。二 ，扩频通信的定义扩频通信，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。除此以外，扩频通信还具有如下特征: 是一种数字传输方式；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； 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。三，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-信息的传

4、输速率 S-有用信号功率 W-频带宽度 N-噪声功率由式中可以看出：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。四，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，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

5、抗干扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。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。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。五，频谱的扩展的实现和直接序列扩频频谱的扩展是

6、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。目前常见的码型有以下三种：l M序列，即最长线性伪随机系列；l GOLD序列；l WALSH函数正交码。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

7、，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。微波无线扩频通信的原理下图：扩频通信原理由图可见，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。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（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）、线性调频以及以上几种方法的组合。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

8、频谱进行解调，还原出原始的信息。直接序列扩频的频谱扩展和解扩过程见图2和图3所示：信息的频谱扩展过程扩频信号的解扩过程（图）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PN码进行了二次模二相加的过程。在以下的图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

9、降，从而使有用信息在噪声干扰中被提取出来.六，扩频通信的主要特点扩频通信中，频谱宽度与功率谱密度示意（图）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。简单来说主要有以下几项优点: 1抗干扰性强，误码率低如上所述，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

10、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。从图4可以看出，对于脉冲干扰， 由于在信号的接收过程中，它是一个被一次模二相加过程，可以看成是一个被扩频过程，其带宽将被扩展，而有用信号却是一个被二次模二相加过程，是一个解扩过程，其信号被恢复(压缩)后，保证高于干扰。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（如通常所说的一点多址）的效果，完全能满足目前国内SCADA系统对通信传输质量的要求。应该说，抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点； 2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

11、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。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； 3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。 4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； 5 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； 6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。