《扩频通信技术简介》PPT课件.ppt

扩展展频谱通信通信简介介2010年年5月月我我们知道，知道，传输任何信息都需要一定的任何信息都需要一定的带宽，称，称为信息信息带宽。例如。例如语音信息的音信息的带宽大大约为20Hz20000Hz、普通、普通电视图像信息像信息带宽大大约为6MHz。为了充分利用了充分利用频率率资源，源，通常都是尽量通常都是尽量压缩传输带宽。如。如电话是基是基带传输，人，人们通常把通常把带宽限制在限制在3400Hz左右。左右。如使用如使用调幅信号幅信号传输，因，因为调制制过程中程中将将产生上下两个生上下两个边带，信号，信号带宽需要达到信需要达到信息息带宽的两倍，而在的两倍，而在实际传输中，人中，人们采用采用压缩限幅技限幅技术，把广播，把广播语音的音的带宽限制在大限制在大约为24500Hz=9KHz左右；采用左右；采用边带压缩技技术，把普通，把普通电视信号包括信号包括语音信号一起限音信号一起限制在制在1.26.5MHz=8MHz左右。即使在普通左右。即使在普通的的调频通信上，人通信上，人们最大也只把信号最大也只把信号带宽放放宽到信息到信息带宽的十几倍左右，的十几倍左右，这些都是采用些都是采用了窄了窄带通信技通信技术。扩频通信属于通信属于宽带通信技通信技术，通常的，通常的扩频信号信号带宽与信息与信息带宽之比将高达几百甚至之比将高达几百甚至几千倍。有人要几千倍。有人要问为什么要什么要这么做？么做？这样是是不是太浪不是太浪费频率率资源了？源了？这些些问题可以用信可以用信息息论和抗干和抗干扰理理论来解来解释。扩展展频谱通信的定通信的定义所所谓扩展展频谱通信（通信（SpreadSpectrumCommunication），可），可简单表述如下：表述如下：“扩频通信技通信技术是一种信息是一种信息传输方式，其信号所方式，其信号所占有的占有的频带宽度度远大于所大于所传信息必需的最小信息必需的最小带宽；频带的的扩展是通展是通过一个独立的一个独立的码序列序列来完成，用来完成，用编码及及调制的方法来制的方法来实现的，与的，与所所传信息数据无关；在接收端信息数据无关；在接收端则用同用同样的的码进行相关同步接收、解行相关同步接收、解扩及恢复所及恢复所传信息数信息数据据”。扩频通信的基本特点通信的基本特点扩频通信，即通信，即扩展展频谱通信技通信技术（SpreadSpectrumCommunication），它的），它的基本特点是其基本特点是其传输信息所用信号的信息所用信号的带宽远大大于信息本身的于信息本身的带宽。扩频通信的特征通信的特征扩频通信具有如下特征通信具有如下特征:1.它是一种数字它是一种数字传输方式；方式；2.带宽的展的展宽是利用与被是利用与被传信息无关的函数信息无关的函数(扩频函数函数)对被被传信息信息进行行调制制实现的；的；2.在接收端使用相同的在接收端使用相同的扩频函数函数对扩频信号信号进行相关解行相关解调，还原出被原出被传信息。信息。扩频通信的理通信的理论基基础根据仙根据仙农(C.E.Shannon)在信息在信息论研究中研究中总结出的信道容量公式，即仙出的信道容量公式，即仙农公式：公式：C=WLog2(1+S/N)式中：式中：C-信息的信息的传输速率、速率、S-有用信有用信号、功率号、功率W-频带宽度、度、N-噪声功率噪声功率扩频通信的理通信的理论基基础由式中可以看出：由式中可以看出：为了提高信息的了提高信息的传输速率速率C，可以从两种途径，可以从两种途径实现，既加大，既加大带宽W或提高信噪比或提高信噪比S/N。换句句话说，当信号的，当信号的传输速率速率C一定一定时，信号，信号带宽W和信噪比和信噪比S/N是可是可以互以互换的，即增加信号的，即增加信号带宽可以降低可以降低对信噪信噪比的要求，当比的要求，当带宽增加到一定程度，允增加到一定程度，允许信信噪比噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功一步降低，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。扩频通信的理通信的理论基基础扩频通信就是用通信就是用宽带传输技技术来来换取信取信噪比上的好噪比上的好处，这就是就是扩频通信的基本思想通信的基本思想和理和理论依据。依据。扩频增益和抗干增益和抗干扰容限容限扩频通信系通信系统由于在由于在发送端送端扩展了信号展了信号频谱，在接收端解，在接收端解扩还原了信息，原了信息，这样的系的系统带来的好来的好处是大大提高了抗干是大大提高了抗干扰容限。理容限。理论分析表明，各种分析表明，各种扩频系系统的抗干的抗干扰性能与性能与信息信息频谱扩展后的展后的扩频信号信号带宽比例有关。比例有关。扩频增益和抗干增益和抗干扰容限容限一般把一般把扩频信号信号带宽W与信息与信息带宽F之比称之比称为处理增益理增益GP，即：，即：它表明了它表明了扩频系系统信噪比改善的程度。信噪比改善的程度。除此之外，除此之外，扩频系系统的其他一些性能也大都的其他一些性能也大都与与GP有关。因此，有关。因此，处理增益是理增益是扩频系系统的一的一个重要性能指个重要性能指标。扩频增益和抗干增益和抗干扰容限容限系系统的抗干的抗干扰容限容限MJ定定义如下：如下：式中：（式中：（S/N）=输出端的信噪比，出端的信噪比，LS=系系统损耗耗扩频增益和抗干增益和抗干扰容限容限由此可由此可见，抗干，抗干扰容限容限MJ与与扩频处理增理增益益GP成正比，成正比，扩频处理增益提高后，抗干理增益提高后，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。通常的下也能正常通信。通常的扩频设备总是将用是将用户信息信息(待待传输信息信息)的的带宽扩展到数十倍、上展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽可能地提高百倍甚至千倍，以尽可能地提高处理增益。理增益。频谱的的扩展的展的实现和直接序列和直接序列扩频频谱的的扩展是用数字化方式展是用数字化方式实现的。在的。在一个二一个二进制制码位的位的时段内用一段内用一组新的多位新的多位长的的码型予以置型予以置换，新，新码型的型的码速率速率远远高出高出原原码的的码速率，由傅立叶分析可知新速率，由傅立叶分析可知新码型的型的带宽远远高出原高出原码的的带宽，从而将信号的，从而将信号的带宽进行了行了扩展。展。这些新的些新的码型也叫型也叫伪随机（随机（PN）码，码位越位越长系系统性能越高。通常，商性能越高。通常，商用用扩频系系统PN码码长应不低于不低于12位，一般取位，一般取32位，位，军用系用系统可达千位。可达千位。频谱的的扩展的展的实现和直接序列和直接序列扩频目前常目前常见的的码型有以下三种：型有以下三种：（1）M序列，即最序列，即最长线性性伪随机系列；随机系列；（2）GOLD序列；序列；（3）WALSH函数正交函数正交码。频谱的的扩展的展的实现和直接序列和直接序列扩频当当选取上述任意一个序列后，如取上述任意一个序列后，如M序列，序列，将其中可用的将其中可用的编码，即正交，即正交码，两两，两两组合，并合，并划分划分为若干若干组，各，各组分分别代表不同用代表不同用户，组内内两个两个码型分型分别表示原始信息表示原始信息1和和0。系。系统对原始信息原始信息进行行编码、传送，接收端利用相关送，接收端利用相关处理器理器对接收信号与本地接收信号与本地码型相关型相关进行相关运行相关运算，解出基算，解出基带信号信号(即原始信息即原始信息)实现解解扩，从，从而区分出不同用而区分出不同用户的不同信息。的不同信息。无无线扩频通信原理通信原理图由由图可可见，一般的无，一般的无线扩频通信系通信系统都都要要进行三次行三次调制。一次制。一次调制制为信息信息调制，二制，二次次调制制为扩频调制，三次制，三次调制制为射射频调制。制。接收端有相接收端有相应的射的射频解解调，扩频解解调和信息和信息解解调。根据根据扩展展频谱的方式不同，的方式不同，扩频通信系通信系统可分可分为：直接序列：直接序列扩频方式方式(DS)、跳、跳变频率率方式方式(FH)、跳、跳变时间方式（方式（TH）、）、宽带线性性调频方式以及以上几种方式的方式以及以上几种方式的组合。合。所所谓直接序列直接序列扩频(DS-DirectScquency),就是用高就是用高码率的率的扩频码序列在序列在发端直接去端直接去扩展信号的展信号的频谱，在收端直接使用相同的，在收端直接使用相同的扩频码序列序列对扩展的信号展的信号频谱进行解行解调，还原出原出原始的信息。原始的信息。图2：信息的：信息的频谱扩展展过程程图3：扩频信号的解信号的解扩过程程在在图上我上我们可以看出：在可以看出：在发端，信息端，信息码经码率率较高的高的PN码调制以后，制以后，频谱被被扩展展了。在收端，了。在收端，扩频信号信号经同同样的的PN码解解调以以后，信息后，信息码被恢复；信息被恢复；信息码经调制、制、扩频传输、解、解调然后恢复的然后恢复的过程，程，类似与似与PN码进行行了二次了二次模二相加模二相加的的过程。程。扩频通信的主要特点通信的主要特点图4：扩频通信中，通信中，频谱宽度与功率度与功率谱密度示意密度示意从从图4中我中我们还可以用能量面可以用能量面积图示概示概念看出：念看出：待待传信息的信息的频谱被被扩展了以后，能量被展了以后，能量被均匀地分布在均匀地分布在较宽的的频带上，功率上，功率谱密度下密度下降；降；扩频信号解信号解扩以后，以后，宽带信号恢复成窄信号恢复成窄带信息，功率信息，功率谱密度上升；密度上升；相相对与信息信号，脉冲干与信息信号，脉冲干扰只只经过了一了一次被模二相加的次被模二相加的调制制过程，程，频谱被被扩展，功展，功率率谱密度下降，从而使有用信息在噪声干密度下降，从而使有用信息在噪声干扰中被提取出来。中被提取出来。扩频通信具有通信具有许多窄多窄带通信通信难以替代的以替代的优良性能，良性能，使得它能迅速推广到各种公用和使得它能迅速推广到各种公用和专用通信网用通信网络之中。之中。扩频通信具有以下几通信具有以下几项优点点:1.抗干抗干扰性性强，误码率低率低2.易于同易于同频使用，提高了无使用，提高了无线频谱利用率利用率3.隐蔽性好，蔽性好，对各种窄各种窄带通信系通信系统的干的干扰很小很小4.可以可以实现码分多址分多址5.抗多径干抗多径干扰6.能精确地定能精确地定时和和测距距7.适合数字适合数字话音和数据音和数据传输，以及开展多种通信，以及开展多种通信业务8.安装安装简便，易于便，易于维护抗干抗干扰性性强，误码率低率低扩频通信系通信系统由于在由于在发送端送端扩展信号展信号频谱，在接收端解，在接收端解扩还原信息，原信息，产生了生了扩频增增益，从而大大地提高了抗干益，从而大大地提高了抗干扰容限。根据容限。根据扩频增益不同，甚至在增益不同，甚至在负的信噪比条件下，也的信噪比条件下，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前商用的通信系统中，中，扩频通信是唯一能通信是唯一能够工作于工作于负信噪比条件下的通信方式。信噪比条件下的通信方式。各种形式人各种形式人为的干的干扰(如如电子子对抗中抗中)或其或其他窄他窄带或或宽带(扩频)系系统的干的干扰，只要波形、，只要波形、时间和和码元稍有差异，解元稍有差异，解扩后仍然保持其后仍然保持其宽带性，而有用信号将被性，而有用信号将被压缩。由于由于扩频系系统这一一优良性能，其良性能，其误码率率很低，正常条件下可达很低，正常条件下可达10-10，最差条件下也，最差条件下也可达可达10-6，远高于普通的微波通信的效果。高于普通的微波通信的效果。应该说，抗干，抗干扰性能性能强是是扩频通信的最突出的通信的最突出的优点。点。易于同易于同频使用，提高了无使用，提高了无线频谱利用率利用率无无线频谱十分宝十分宝贵，虽然从然从长波到微波波到微波都已得到开都已得到开发利用，仍然利用，仍然满足不了社会的需足不了社会的需求。求。为此，世界各地都此，世界各地都设计了了频谱管理机构管理机构，用用户只能使用申只能使用申请获得的得的频率，依靠率，依靠频道道划分来防止信道之划分来防止信道之间发生干生干扰。易于同易于同频使用，提高了无使用，提高了无线频谱利用率利用率由于由于扩频通信采用了相关接收通信采用了相关接收这一高一高技技术，信号，信号发送功率极低（送功率极低（1W，一般，一般为1100mW），且可工作在信道噪声和），且可工作在信道噪声和热噪噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率，也可以与率，也可以与现今各种窄今各种窄带通信共享同一通信共享同一频率率资源。源。隐蔽性好，蔽性好，对各种窄各种窄带通信系通信系统的干的干扰很小很小由于由于扩频信号在相信号在相对较宽的的频带上被上被扩展了，展了，单位位频带内的功率很小，信号湮没在内的功率很小，信号湮没在噪声里，一般不容易被噪声里，一般不容易被发现，而想，而想进一步一步检测信号的参数（如信号的参数（如伪随机随机编码序列）就更加序列）就更加困困难，因此，因此说其其隐蔽性好。蔽性好。再者，由于再者，由于扩频信号具有很低的功率信号具有很低的功率谱密度，它密度，它对目前使用的各种窄目前使用的各种窄带通信系通信系统的的干干扰很小。很小。可以可以实现码分多址分多址扩频通信提高了抗干通信提高了抗干扰性能，但付出了占用性能，但付出了占用频带宽的代价。的代价。如果如果让许多用多用户共用共用这一一宽频带，则可大可大为提提高高频带的利用率。由于在的利用率。由于在扩频通信中存在通信中存在扩频码序序列的列的扩频调制，充分利用各种不同制，充分利用各种不同码型的型的扩频码序序列之列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关利用相关检测技技术进行解行解扩，则在分配在分配给不同用不同用户码型的情况下可以区分不同用型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有的信号，提取出有用信号。用信号。这样一来，在一一来，在一宽频带上上许多多对用用户可以可以同同时通通话而互不干而互不干扰。抗多径干抗多径干扰在无在无线通信中，抗多径干通信中，抗多径干扰问题一直是一直是难以解决的以解决的问题，利用，利用扩频编码之之间的相关的相关特性；在接收端可以用相关技特性；在接收端可以用相关技术从多径信号从多径信号中提取分离出最中提取分离出最强的有用信号，也可把多个的有用信号，也可把多个路径来的同一路径来的同一码序列的波形相加使之得到加序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干，从而达到有效的抗多径干扰。能精确地定能精确地定时和和测距距我我们知道知道电磁波在空磁波在空间的的传播速度是固播速度是固定不定不变的光速。人的光速。人们自然会想到如果能自然会想到如果能够精精确确测量量电磁波在两个物体之磁波在两个物体之间传播的播的时间，也就等于也就等于测量两个物体之量两个物体之间的距离。的距离。在在扩频通信中如果通信中如果扩展展频谱很很宽，则意意味着所采用的味着所采用的扩频码速率很高，每个速率很高，每个码片占片占用的用的时间就很短。当就很短。当发射出去的射出去的扩频信号在信号在被被测物体反射回来后，在接收端解物体反射回来后，在接收端解调出出扩频码序列，然后比序列，然后比较收收发两个两个码序列相位之差，序列相位之差，就可以精确就可以精确测出出扩频信号往返的信号往返的时间差，从差，从而算出二者之而算出二者之间的距离。的距离。测量的精度决定于量的精度决定于码片的片的宽度，也就是度，也就是扩展展频谱的的宽度。度。码片片越窄，越窄，扩展的展的频谱越越宽，精度越高。，精度越高。扩频通信是数字通信，特通信是数字通信，特别适合数字适合数字话音和数据同音和数据同时传输，扩频通信自身具有加密通信自身具有加密功能，保密性功能，保密性强，便于开展各种通信，便于开展各种通信业务。扩频通信容易采用通信容易采用码分多址、分多址、语音音压缩等多等多项新技新技术，更加适用于，更加适用于计算机网算机网络以及数字以及数字化的化的话音、音、图像信息像信息传输。扩频通信通信绝大部分是数字大部分是数字电路，路，设备高高度集成，安装度集成，安装简便，易于便，易于维护，也十分小巧，也十分小巧可靠，便于安装，便于可靠，便于安装，便于扩展，平均无故障率展，平均无故障率时间也很也很长。另外，另外，扩频设备一般采用一般采用积木式木式结构，构，组网方式灵活，方便网方式灵活，方便统一一规划，分期划，分期实施，施，利于利于扩容，有效地保容，有效地保护前期投前期投资。