扩频通信基础知识技术背景传统的模拟无线通信一般采用调频FM通信电子电信技术通信电子数据通信与网络.pdf

扩频通信基础知识 技术背景：传统的模拟无线通信一般采用调频（FM）和调幅（AM）两种方式，不能适应高 速数据通信的要求。进入八十年代后，数字无线数据通信方式成为主流，其调制方式 有振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和相移键控（PSK），其优势是便于采用先 进的数字信号处理技术，如均衡技术、编码技术等等，提高了数据传输速率和传输的 可靠性。实际的系统如 GSM、IS-54 等。但是这些系统也存在一些缺陷。一方面，由 于无线通信信道的开放性，通信环境不可避免地存在各种各样的突发干扰，使得信号 传输的可靠性降低，同时，信道的时域和频域选择性衰落，使得数据传输速率的提高 受到限制；另一方面，随着无线业务的快速增长，要求无线网络具备相当的灵活性，以适应业务的发展变化。这些都是常规的无线数字通信难以解决的。这些因素促成了 对采用新技术的需求，以提高数据传输速率并进一步提高传输的可靠性。扩频通信的基本原理和优势：扩频通信就其调制方式而言，与传统的数据通信没有什么差别，也包括 ASK、FSK、PSK 以及最近得到迅速发展的 QAM，不同之处是在调制之前增加了一个扩频处理环 节，把待传送符号用特征码进行扩展，扩展后的符号称为码片；在接收端同样增加了 一个解扩处理的环节，将 N 个码片恢复为一个符号。这即是扩频通信的基本原理。扩频通信的优势是由扩频操作所使用的特征码伪随机序列（PN CODE）带来的。伪随机码具有双值自相关特性，它保证了同步相关操作获得的输出远大于非同步相关 的输出值。这样就大大降低了当两条传播路径的时差在一个码片以上时彼此之间的干 扰。这即是通常所说的扩频抗多径原理。同时，相关解扩处理还能够大大降低窄带脉 冲干扰，如一般的工业噪声、环境噪声等等。特别值得一提的是，由于解扩处理是对 N 个码片的能量进行累加，因此，可以允许接收的信号电平在噪声以下，只要保证累 加获得的能量满足信号判决的要求即可。这一性能使得扩频通信技术首先在军队保密 通信系统中获得了广泛的应用。扩频通信抗多径的性能使得移动通信信道的相关带宽 不再成为限制通信速率的障碍，因此在扩频通信方式下可以实现高速数据通信。传输 速率的限制取决于信号处理的速度。可见，扩频技术在提高数据通信速率和改善数据 通信的可靠性方面，大大优于常规数字通信。同时，由于所有用户可以共用同一频带，大大简化了网络系统的规划，使得系统在适应不断增长变化的业务方面，具有很高的 灵活性。这种通信方式与常规的窄道通信方式是有区别的：一是信息的频谱扩展后形成宽带传输；二是相关处理后恢复成窄带信息数据。正是由于这两大持点，使扩频通信有如下的优点：抗干扰 抗噪音 抗多径衰落 具有保密性 功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率 高精度测量等 可多址复用和任意选址 一、信号的频谱被展宽了。传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。例如人类的语音的信息带宽为 300Hz-3400Hz，电视图像信息带宽为数 MHz。为 了充分利用频率资源，通常都是尽量采用大体相当的带宽的信号来传输信息。在无线 电通信中射频信号的带宽与所传信息的带宽是相比拟的。如用调幅信号来传送语音信 息，其带宽为语音信息带宽的两倍；电视广播射频信号带宽也只是其视频信号带宽的 一倍多。这些都属于窄带通信。一般的调频信号，或脉冲编码调制信号，它们的带宽与信息带宽之比也只有几到十几。扩展频谱通信信号带宽与信息带宽之比则高达 100-1000，属于宽带通信。为什么要用这样宽的频带的信号来传输信息呢?这样岂不太浪费宝贵的频率资源了 吗?二、采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。我们知道，在时间上有限的信号，其频谱是无限的。例如很窄的脉冲信号，其频谱则 很宽。信号的频带八十年代后数字无线数据通信方式成为主流其调制方式有振幅键控移频键控和相移键控其优势是便于采用先进的数字信号处理技术如均衡技术编码技术等等提高了数据传输速率和传输的可靠性实际的系统如等但是这些系统也存在一低同时信道的时域和频域选择性衰落使得数据传输速率的提高受限制另一方面随着无线业务的快速增长要求无线网络具备相当的灵活性以适应业务的发展变化这些都是常规的无线数字通信难以解决的这些因素促成了对采用新技术的统的数据通信没有什么差别也包括以及最近得迅速发展的不同之处是在调制之前增加了一个扩频处理环节把待传送符号用特征码进行扩展扩展后的符号称为码片在接收端同样增加了一个解扩处理的环节将个码片恢复为一个符号这即宽度与其持续时间近似成反比。1 微秒的脉冲的带宽约为 1MHz。因此，如果用限窄的脉冲序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信号。如下面介绍的直接序列扩频系统就是采用这种方法获得扩频信号。这种很窄的脉冲码 序列，其码速率是很高的，称为扩频码序列。这里需要说明的一点是所采用的扩频码 序列与所传信息数据是无关的，也就是说它与一般的正弦载波信号一样，丝毫不影响 信息传输的透明性。扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。三、在接收端用相关解调来解扩 正如在一般的窄带通信中，已调信号在接收端都要进行解调来恢复所传的信息。在扩 频通信中接收端则用与发送端相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解调，恢 复所传的信息。换句话说，这种相关解调起到解扩的作用。即把扩展以后的信号又恢 复成原来所传的信息。这种在发端把窄带信息扩展成宽带信号，而在收端又将其解扩 成窄带信息的处理过程，会带来一系列好处。弄清楚扩频和解扩处理过程的机制，是 理解扩频通信本质的关键所在。在 2001 年的某个冬日,侯山窝煤院的某个教室里,正在进行着该校信电学院的 理论课考试,第一道题目就是:浅谈香农公式在数据传输中的指导意义.俺(javie)知 道这是老师送分的题目,因为只要把课本上香农公式那一节的第一段抄上,就肯定是满 分了(俺带了小抄),但是俺想写点自己的东西.所以,那个时候俺就想到了扩频通信,顺 便多吹了点,于是,本次理论课考试 javie 得了 99 分,哈哈 好,我们开始讲述扩频通信的理论基础.主要是基于两个公式.长期以来，人们总是想法使信号所占领谱尽量的窄，以充分利用十分宝贵的频谱资源。为什么要用这样宽频带的信号来传送信息呢?简单的回答就是主要为了通信的安全 可靠。扩频通信的基本特点，是传输信号所占用的频带宽度(W)远大于原始信息本身实 际所需的最小(有效)带宽(DF)，其比值称为处理增益 Gp:Gp=W/DF .(1)八十年代后数字无线数据通信方式成为主流其调制方式有振幅键控移频键控和相移键控其优势是便于采用先进的数字信号处理技术如均衡技术编码技术等等提高了数据传输速率和传输的可靠性实际的系统如等但是这些系统也存在一低同时信道的时域和频域选择性衰落使得数据传输速率的提高受限制另一方面随着无线业务的快速增长要求无线网络具备相当的灵活性以适应业务的发展变化这些都是常规的无线数字通信难以解决的这些因素促成了对采用新技术的统的数据通信没有什么差别也包括以及最近得迅速发展的不同之处是在调制之前增加了一个扩频处理环节把待传送符号用特征码进行扩展扩展后的符号称为码片在接收端同样增加了一个解扩处理的环节将个码片恢复为一个符号这即众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，如话音为 1.7-3.1kHz，电视图像则宽到数兆赫。为了充分利用有限的频率资源，增加通路数目，人们广泛选 择不同调制方式，采用宽频信道(同轴电缆、微波和光纤等)，和压缩频带等措施，同 时力求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽。因现今使用的电话、广播系统 中，无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式，Gp 值一般都在十多倍范围内，统 称为“窄带通信”。而扩频通信的 Gp 值，高达数百、上千，称为“宽带通信”。扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。信息论中关于信息容量的仙农(Shannon)公式为：C=WLog2(1 十 P/N)(2)式中：C-信道容量(用传输速率度量)W-信号频带宽度 P-信号功率 N-白噪声功率 式(2)说明，在给定的传输速率 C 不变的条件下，频带宽度 W 和信噪比 PN 是可以 互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比 P/N(S/N)情况下，传输 信息。扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应 用奠定了基础。八十年代后数字无线数据通信方式成为主流其调制方式有振幅键控移频键控和相移键控其优势是便于采用先进的数字信号处理技术如均衡技术编码技术等等提高了数据传输速率和传输的可靠性实际的系统如等但是这些系统也存在一低同时信道的时域和频域选择性衰落使得数据传输速率的提高受限制另一方面随着无线业务的快速增长要求无线网络具备相当的灵活性以适应业务的发展变化这些都是常规的无线数字通信难以解决的这些因素促成了对采用新技术的统的数据通信没有什么差别也包括以及最近得迅速发展的不同之处是在调制之前增加了一个扩频处理环节把待传送符号用特征码进行扩展扩展后的符号称为码片在接收端同样增加了一个解扩处理的环节将个码片恢复为一个符号这即扩频通信可行性的另一理论基础，为柯捷尔尼可夫关于信息传输差错概率的公式：Powj»f(E/N。).(3)式中：Powj-差错概率 E-信号能量 N。-噪声功率谱密度 因为，信号功率P=E/T(T为信息持续时间)噪声功率 N=WN。(W为信号频带宽度)信息带宽D F=1/T 则式(3)可化为：Powj»f(TW.P/N)=f(P/N.W/D F).(4)式(4)说明，对于一定带宽 DF 的信息而言，用 Gp 值较大的宽带信号来传输，可以提 高通信抗干扰能力，保证强干扰条件下，通信的安全可靠。亦即式(4)与式(2)一样，说明信噪比和带宽是可以互换的。总之，我们用信息带宽的 100 倍，甚至 1000 倍以上的宽带信号来传输信息，就是为 了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。这就是扩展频谱 通信的基本思想和理论依据。八十年代后数字无线数据通信方式成为主流其调制方式有振幅键控移频键控和相移键控其优势是便于采用先进的数字信号处理技术如均衡技术编码技术等等提高了数据传输速率和传输的可靠性实际的系统如等但是这些系统也存在一低同时信道的时域和频域选择性衰落使得数据传输速率的提高受限制另一方面随着无线业务的快速增长要求无线网络具备相当的灵活性以适应业务的发展变化这些都是常规的无线数字通信难以解决的这些因素促成了对采用新技术的统的数据通信没有什么差别也包括以及最近得迅速发展的不同之处是在调制之前增加了一个扩频处理环节把待传送符号用特征码进行扩展扩展后的符号称为码片在接收端同样增加了一个解扩处理的环节将个码片恢复为一个符号这即