扩频通信

 
 
扩展频谱技术又称为扩频技术是近年来发展很快的技术,不仅在军事通信中发挥出不可取代的优势,而且广泛的渗透到了通信的各个方面,如卫星通信、移动通信、微波通信、无线定位系统、无线局域网、全球个人通信等等。所谓的扩频技术是指发送的信息被展扩到一个比信息带宽宽的多的频带上去,接受端通过相关的接收,将其恢复到信息带宽的一种技术。这样的系统就称为扩展频谱系统或扩频系统。

 
 

扩频技术具有以下特点:

很强的抗干扰能力

由于将信号扩展到很宽的频带上,在接收端对扩频信号进行相关处理既带宽压缩,恢复成窄带信号。对干扰信号而言,由于与扩频用的伪随机码相关,则被扩展到一很宽的频带上,使之进入信号通频带内的干扰功率大大降低,相应的增加了相关器的输出信号/干扰比,因此具有很强的抗干扰能力。其抗干扰能力与其频带的扩频倍数成正比,频谱扩展的越宽,抗干扰的能力越强。

可进行多址通信

扩展频谱通信本身就是一种多址通信方式,成为扩频多址,实际上是码分多址(CDMA)的一种,用不同的扩频码组成不同的网。虽然扩频频谱系统占用了很宽的频带,但由于各网可在同一时刻共用同一频段,其频谱利用率甚至比单路单载波系统还要高。CDMA是未来全球个人通信的一种主要通信方式。

安全保密

由于扩频系统将传输的信息扩展到很宽的频带上去,其功率密度随着频谱的展宽而降低,甚至可以将信号淹没在噪音中。因此,其保密性很强,要截获或窃听、侦察这样的信号是非常困难的,除非采用与发送端所用的扩频码且与之同步后进行相关的检测,是否对扩频信号是无能为力的。由于扩频信号功率频谱密度很低,在许多国家,如美、日、欧洲等国家对专用频段,如ISM频段,只要功率频谱密度满足一定的要求,就可以不经批准使用频段。在中国,原则上国家无线管理委员会没有允许的自由频段,任何无线频段的使用都要经过申请,但在2.4G~2.483G的频段上,国家无线管理委员会是允许民用产品使用,一般申请都会同意,而且基本上不要费用。

 
 


扩频技术包括以下几种方式:

直接序列扩展频谱,简称直扩,记为DS(Direct Sequence)
跳频,记为 FH(Frequency Hopping)
跳时,记为TH( Time Hopping)
线性跳频,记为Chirp

除了以上四种基本扩频方式以外,还有这些扩频方式的组合方式,如FH/DS、TH/DS、FH/TH等。在通信中应用较多的主要是DS、FH和FH/DS。



扩频系统的基本调制解调原理



直接序列扩频


直扩技术使用伪随机码(PN CODE)对信息比特进行模2加得到扩频序列,然后将扩频序列调制载波发射到空中,此时系统占用功率谱密度也大大降低。PN码由伪随机序列发生器产生,其码速比原始信息码速高的多,每一PN码的长度(即切普CHIP宽度)很小。 

直扩系统的接收一般采用相关接收,分为两步,即解扩和解调。在接收端,接收信号经过放大混频后,用于发射端相同且同步的伪随机码对中频信号进行相关解扩,把扩频信号恢复成窄带信号,然后再解调,恢复原始信息序列。对于干扰和噪音,由于与伪随机码不相关,接收机的相关解扩相当于一次扩频,将干扰和噪音进行频谱扩展,降低了进入频带内的干扰功率,同时使得解调器的输入信噪比和载干比提高,提高了系统的抗干扰能力。另外,采用不同PN码即不相关的接收机很难发现和解出扩频序列中的信息,由于不同构造的PN码之间相关性很低,码分多址CDMA就是采用同样原理区别不同的用户。

对于直扩系统最好是先解扩再解调,因为无线信号在空间传输中会有很大的信号衰减。未解扩前的信噪比很低,甚至信号淹没在噪声中。一般解调器很难在很低的信噪比下正常解调,导致高误码。 但在室内通信条件下,由于信号有较高的强度,可以先解调后解扩。当信号达到一定电平时,简单的解调器已经能够正常的工作,可以先将信号解调为一个数据流(未解扩),然后用普通的集成电路进行数字相关信号解扩。采用直扩的无线局域网卡一般采用这种方法,射频单元的处理大为简化,体积可以缩小很多,并且成本明显下降。

在性能上,先解扩再解调明显优于先解调后解扩。先解扩可以通过解扩过程获得扩频增益(扩展的频谱带宽与原始信息的带宽之比),提高接收信号信噪比。室外远程(2、3公里以上的)扩频通信必须采用这种方式,以保证通信质量和可靠性。  

直扩系统的同步

直扩系统采用先解扩时,首先只有在完成伪随机码(PN码)的同步后才可能用同一码序列对扩频信号进行相关解扩。接收机本地PN码的速率和相位要与接收到的高速扩频序列保持一致。即使发射和接收端的相位差大于一个CHIP码片时,它们的相关性就不存在。解扩的第一步就是要在接收信号中捕获到一个与本地PN码一致的相位状态。 扩频序列中的相位捕获一般采用匹配滤波器或相位搜索电路实现,接收机在搜索同步过程中,通过改变本地PN码的时钟速率,使接收信号中的PN码相位和本地PN码相位在相关器内相对滑动。滑动过程中,当相关峰值超过捕获门限,标志完成同步捕获,此时收发双方的PN码的相位误差已经小于一个切普码宽(Tc)。捕获进入跟踪状态,相位差进一步缩小,相关性增大,获得高的解扩信号信噪比,满足以后的解调门限的要求。

直扩技术中还有一种更高级的接收技术,叫RAKE接收技术。RAKE接收技术可以实现多径分集。由于大气状况,地理位置等各种组合因素影响,信号在空间的传输与只有直射波有很大不同,信号经过多条路经(直射,反射,折射,大气波导)经过不同时延到达接收端,各个信号到达的时间不同,相位不一致,造成最终信号的幅度相互抵消,引起信号大幅度衰落。  

先解扩后解调的直扩系统具备了抗多径的能力,在时间上将主通道(最大峰值)上的相关峰分离出来。从而降低多径干扰。而RAKE接收技术实现多径分集技术,可以将接收的各个多径信号组合起来,获得加权增益,转化为合成的信号,达到更高的抗衰落性能。但由于 RAKE技术的接收加权合并实现复杂而且昂贵,目前只有美国少数几家公司在其扩频系统中实现了这一技术。

直扩中的“软扩频”

对于无线局域网等宽带方式,要在近距离范围内达到速率每秒数兆比特时,若采用一般的直序扩频技术,则系统扩展的频谱带宽甚至会超过开放ISM频段规定的频率范围。与“真扩频”方法不同,软扩频实际是采用编码的方法完成频率的扩展。软扩频是一种(N,K)编码,K为信息码由N位长的伪随机序列来表示。用几位信息元对应一条伪随机码,扩展的倍数不大,而且不一定是整数。而对比“真扩频”,每一位信息码都与多个整数位的PN码相模2加。在室内距离通信的条件下,软扩频既满足开放频段的系统要求,也能达到很高的速率,成本也低。

 



跳频技术

跳频技术与直序扩频技术完全不同,是另一种意义上的扩频。跳频的载频受一个伪随机码的控制,在其工作带宽范围内,其频率合成器按PN码的随机规律不断改变频率。在接收端,接收机频率合成器受伪随机码控制,并保持与发射端变化规律相同。 

跳频是载波频率在一定范围内不断跳变意义上扩频,而不是对被传送信息进行扩谱,不会得到直序扩频的处理增益。跳频相当于瞬时的窄带通信系统,基本等同于常规通信系统,由于不能抗多径,同时发射效率低,同样发射功率的跳频系统在有效传输距离上小于直扩系统。跳频的优点是抗干扰,定频干扰只会干扰部分频点。用于语音信息的传输,当定频干扰只占一部分时不会对语音通信造成很大的影响。

跳速的高低直接反映跳频系统的性能,跳速越高抗干扰的性能越好,军事上的跳频系统可以达到每秒上万跳。实际上移动通信GSM系统也是跳频系统,其规定的跳速为每秒217跳。出于成本的考虑,商用跳频系统跳速都很慢,一般在50跳/秒以下。由于慢跳跳频系统可以简单的实现,因此低速无线局域网产品常常采用这种技术。 

不同扩频系统性能 以上描述了各种不同扩频通信系统的原理和性能,扩频通信设备的实现方法和难易程度,直接决定了其最终性能和成本。一般讲慢跳跳频系统的实现最简单,成本最低,但性能最差。采用软扩频的编码技术可以达到高速率,但限制到室内近距离范围内应用。先解调后解扩的直扩系统,可以采用集成电路直接对扩频序列进行数字处理,但前提是有足够高的信号强度。 扩频系统中性能最好的是直接序列扩频中的先解扩再解调的技术,这种扩频系统对扩频信号先相关,再相关解调,需要完成伪随机码的同步和载波恢复,大大增加了系统的复杂程度。例如,一个速率64K的直扩系统,其伪随机码的速率要超过5Mbit/s左右,其实现方法比之于3M速率的跳频系统还要复杂的多。因此,高性能的直序扩频系统的成本很高。

信道特性对扩频系统的影响

信道特性对无线信号的传输至关重要,信号通过不同的信道发生不同的失真和畸变。通信系统的收发设备必须依据信道特征来设计,采用不同技术的无线扩频系统应用定位也不相同。 在无线通信中由于气候,环境,距离等各种因素的影响,接收到的信号幅度和相位是随机起伏变化的,主要需要考虑的是慢衰落,快衰落,平衰落,频率选择性衰落。室内信道的时间衰落特性是慢衰落的,同时时延扩展因素小,因而较为简单的达到通信速率Mbps数量级以上。而室外无线传输信道的特征有很大不同。必须考虑各种快衰落,深度平衰落,长扩展时延等因素。通信速率高(占用带宽大)时还要考虑频率选择性衰落等各种不确定因素。另外其接收灵敏度必须保障在信号衰减上百dB情况下的信号拾取。 为保证通信质量和通信可靠性(用可用度表示)。常规微波频段通信系统为了保证足够的性能指标(误码指标)一般会预先在链路设计上予留30~50dB的链路裕度(或称衰落储备)。然而对于多径传输和深度衰落等原因造成的误码,除了采用快速自动增益控制AGC等手段之外。必须采用抗多径衰落的技术。正如前文所叙,采用直扩技术中高性能的实现手段(先解扩再解调)可以很好抵消多径衰落的不利影响。更好的RAKE接收技术甚至可以实现多径分集接收,进而抵消室外无线衰落信道系统中的性能严重恶化。另外由于直扩技术的频谱很宽,部分频带的选择性衰落不会影响整体接收。 一般不要将室内扩频设备用于室外,例如,即使利用高的铁塔和好的传输路线空间,无线局域网扩频产品实际上并不能解决由于信道特性引起的通信质量迅速下降。一般无线局域网扩频设备使用高增益天线在传输距离超过3,4公里后,误码率仍旧会迅速上升,并且随气候和环境的变化可用度很低。此时采用加入功率放大器等增加发射功率的措施是不现实的,考虑到深衰落和设备的非线形失真,误码率会出现平展,同时由于匹配非线形产生的寄生辐射甚至可能会影响常规微波频段的其他设备正常通信。

 
 
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