扩频通信技术

2008-01-22 15:16 来源: 作者: 网友评论 0 条 浏览次数 6546

扩展频谱通信技术因为其较强的抗干扰能力和较好的保密性能,20 世纪 70年代以来扩频通信的理论和应用方法得到了很大的发展,近年来随着移动通信技术发展,扩频通信已经成为第三代移动通信系统的核心技术之一。扩频通信技术是一种信息传输方式,其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽;频带的扩展是通过一个独立的码序列用编码及调制的方法来实现,与所传信息的数据无关;在接收端则用同样的码序列进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据

1.     扩频通信的特点

1.1 抗干扰能力强

扩频信号的不可预测性,使扩频通信系统具有很强的抗干扰能力。扩频通信系统在传输过程中扩展了信号带宽,所以使信噪比很低,甚至在有用信号功率低于干扰信号功率的情况下,仍然能不受外界干扰。信号的频谱被扩展的越宽,处理增益越高,抗干扰能力就越强。此外,对于单频及多载波信号的干扰,其他伪随机调制信号的干扰,以及脉冲正弦信号的的干扰等,扩频系统都有抑制干扰提高信噪比的作用。简单的说,若将频带展宽 10 倍,在总功率不变的情况下,其干扰强度只是原来的 1/10。而一般频谱带宽至少是信息带宽的几十倍甚至更高。另外,由于接受端采用了伪随机序列进行相关检测,即使采用同类型信号进行干扰,如果不能检测出有用信号的伪随机序列,干扰也起不了太大作用。抗干扰性能强是扩频通信最突出的优点。

1.2 隐蔽性好、低截获性

由于扩频信号的频谱被展宽到很宽的频带上,单位带宽的功率也随之降低,信号功率密度很低,信号被淹没在噪声中、难以被发现,因而不易被敌方截获;加之扩频编码,就更难获取有用信号,而且扩频信号的功率密度极低,对周围的电信设备产生干扰的可能性极小。

1.3 保密性好

在一定的发射功率下,扩频信号分布在很宽的频带内,无线信道中有用信号功率 谱密度很低,有用信号被淹没在噪声下,而且不同的通信在发射时采用不同的扩频序列,只有接受方知道扩频序列的具体内容,其他不知道地接受方几乎不可能破译,因此扩频技术能很好的保证通信的可靠性。

1.4 抗多路径干扰性能好

多路径干扰是电波传输过程中因遇到各种非期望反射体(如电离层、高山、建筑物等)引起的反射或散射,在接受端的这些反射或散射信号与直接路径信号相互干扰。多路径干扰会严重影响通信。扩频通信系统中增加了扩频调制和解扩过程,从多径信号中分离出最强的有用信号,或者将多径信号中的相同码序列信号叠加,这样就可以有效消除无线通信中因多径干扰造成的信号衰落现象,是扩频通信系统具有良好的抗多径衰落特性。

1.5 易于实现码分多址

由于扩频通信要用伪随机序列进行扩频调制发送,而信号接收需要用相同的伪随机序列做相关的解扩才能恢复出信号,这就给频分复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型的伪随机序列之间的自相关特性和互相关特性,分配给不同用户不同的伪随机序列,就可以区别不同用户的信号,众多用户,只要配随使用自己的伪随机序列,就可以互不干扰的同时使用同一频率通信,从而实现了频分复用,使拥挤的频谱得到充分利用。发送者可用不同的伪随机序列,分别向不同的接收者发送数据。同样,接收者用不同的伪随机序列,就可以接收到不同发送方送来的数据,实现了多址通信。

1.6 能精确的定时和测距

我们知道电磁波在空间传播速度是固定不变的。人们自然会想到如果能够精确测量电磁波在两个物体之间传播的时间,也就等于测量两个物体之间的距离。在扩频通信中如果扩展频谱很宽,则意味着所采用的伪随机序列速率很高,每个码片所占用的时间就很短。当发射出去的扩频信号在被测物体反射回来,在接受端接跳出伪随机序列,然后比较收发两个码序列相位之差,就可以精确测出扩频信号往返的时间差,从而算出两者之间的距离。测量精度取决于码片的宽度,码片越窄,精度越高。

2.     扩频通信系统分类

2.1 直接序列扩频系统(DSSS: Sequence Spread Spectrum

直接序列扩频系统是指直接用扩频序列对信息进行调制,直扩系统中选用的扩频序列通常为伪随机序列。将传送的信息编码,和伪随机码序列模2相加后,再去调制载波。为了节省发射功率和提高发射机工作效率,直接序列扩频系统通常采用平衡调制器,因为抑制载波的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力十分有利。当扩频信号采用相移键控调制后由天线发射出去,在接收机中要有一个和发射机中的伪随机码同步的本地码,对接收信号进行解扩,解扩后的信号送到解调器,恢复出传送的信息内容。直接序列扩频方式能够获得更低的信号功率谱和更大的信号吞吐量,具有抗单频干扰、窄带干扰和多径干扰的能力,已广泛应用于军事卫星通信抗干扰系统中。伪随机码的速率(chip率)决定了直接序列扩频信号频谱的宽度,chip率增加,频谱更宽,而带宽决定了直接序列扩频的抗干扰能力。不过由于技术的限制,目前扩频信号速率一般还不超过 50Mchip/s,因此其抗干扰能力还不能做到很高。

2.2 频谱跳变扩频系统(FHSS: Frequency Hopping Spread Spectrum

频率跳变扩频系统是指将数字信息与二进制伪随机码模2相加后,去离散的控制射频载波振荡器的输出频率,使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变,跳变频率范围远大于要传输信息所占的频谱宽度。 FHSS系统中,频率跳变速率越高,抗干扰能力越强。但频率跳变速率的提高受很多因素的制约,因此目前还不能达到很高的跳速。通常,每秒钟跳变 10-50 为慢速跳变;每秒 50-500 为中速跳变;每秒 500 以上为快速跳变。为了减少用户之间的干扰,在每个信道的停留时间必须很短,一般应该少于 10 毫秒。调频方式具有抑制单频干扰和抗窄带干扰能力强的特点,只要受干扰的频率数不超过总频率数的三分之一,则对通信的影响就不大。由于快跳频具有频率分散作用,因此抗多径衰落的能力也很强。此外由于跳频带宽易于做得很宽,因此跳频卫星通信抗干扰系统的抗干扰能力是很强的。

2.3 时间跳变扩频系统(THSS: Time Hopping Spread Spectrum

这种系统和跳频系统类似,区别在于前者是控制频率,后者是控制时间。由于采用了很窄的时片去发送信号,相对来说,信号的频谱也被展宽了。在发送端,输入的数据先存储起来,由扩频码发生器产生扩频码产生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出去;在接受端,从射频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,就能正确的恢复原始数据。跳时也可以看成是一种时分系统,所不同的地方在于它不是在一帧中固定分配一定位置的时片,而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变的时片。跳时系统的处理增益等于一帧中所分的时片数。由于简单的跳时抗干扰能力,很少单独使用,通常都与其他方式结合,组成各种混合方式。

2.4 线性跳频系统(Chirp Modulation System

如果发射的射频脉冲信号再一个周期内,其载频的频率作线性变化,则成为线性调频。线性调频是一种不需要用伪随机码调制的扩频调制技术,由于线性调频信号占用的频带宽度远大于信息带宽,从而可以获得很大的处理增益。

2.2.5 混合系统

混合系统是对上述几种扩频方法进行某种适当组合,这样可以兼容各种扩频方式的优点,克服单一系统的某些缺点,进一步改善整个系统性能或简化设备,获得设计上的更大灵活性。例如,在要求处理增益比较高的场合,单独使用一种扩频方法可能会遇到技术实现的困难,这时可采用跳频和直接序列扩频混合系统(FH/DS)。要有效地解决远近问题可采用跳频和跳时混合系统(FH/TH)。要解决直接序列扩频系统中的互相关性好的序列对不多的问题,可采用跳时和直接序列混合系统(TH/DS)。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,他们可以分别实现各种独特的功能。

从理论上讲,混合系统在目前硬件的基础上可提供比单一扩频技术更强的抗干扰能力,但是同时也应该看到综合系统将集中两个系统的所有技术难点。例如,在 DS/FH系统中,跳频速率的选择,直扩系统的处理增益与跳速之间的折中和优化,这将使设备复杂度大大提高,加大了系统的脆弱性。但是,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组合的扩频系统。

 

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