扩频通信的一般原理及应用.docx

1、扩频通信的一般原理及应用扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码（扩频序列：Spread Sequence）调制，实现频谱 扩展后再传输：接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。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可多址复用和任意选址高精度测屋等正是由于扩频通信技术具有上述优点，自50年代中期美国军方便开始研究，一直为军事通 信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域

2、。直到80年代初才 被应用于民用通信领域。为了满足口益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源, 各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩 频技术已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等 系统中。2.1扩展频谱通信的定义所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：“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人于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立 的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样 的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”。这一定义包含了以卞三方面的

3、意思: 一、信号的频谱被展宽了。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，通常都是尽量采用人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

4、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。 信号的频带宽度与其持续时间近似成反比。1微秒的脉冲的带宽约为IMHZo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。如卜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，丝亳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。

5、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。2.2扩频通信的理论基础长期以来，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

6、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)远人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)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1.73.1kHz,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|制内，统称为“窄带通信”。而扩频通信的 Gp值

7、，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(l 十 PZN) . (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P/N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。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

8、式：Powi ? f(E/No ) . (3)式中：Poyj -差错概率E-信号能量No -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=WNo (W为信号频带宽度)信息带宽DF=1/T则式(3)可化为：Powj ? f(TW.P/N) = RP/N.W/D F ) . (4)式(4)说明，对于一定带宽DF的信息而言，用Gp值较人的宽带信号来传输，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)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

9、在强干扰条件卞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。2.3扩频通信的主要性能指标处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。处理增益G也称扩频增益(Spreadmg Gain)它定义为频谱扩展前的信息带宽DF与频带扩展后的信号带宽W之比：G=W / DF在扩频通信系统中.接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽为DF的信 息，而排除掉宽频带W中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。因此，处理增益G反 映了扩频通信系统信噪比改善的程度。抗干扰容限是指扩频通信系统能在多人干扰环境下正常工作的能力，定义为：Mj = G 一 (S/N)out + Ls其中

10、：Mj 抗干扰容G-处理增益(S / N)out -信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比Ls -接收系统的工作损耗例如，一个扩频系统的处理增益为35dB.要求误码率小于10-5的信息数据解调的最小的输 出信噪比(S/N)out fo fin。这样得到了带宽为 2fc的载波抑制的宽带信号。这一扩展了频谱的信号再送到发射机中去对射频fT进行调制后 由天线辐射出去。信号在射频信道传输过程中必然受到各种外来信号的干扰。因此，在收端，进入接收机的除 有用信号外还存在干扰信号。假定干扰为功率较强的窄带信号，宽带有用信号与干扰信号同 时经变频至中心频率为中频fl输出。不言而喻，对这一中频宽带信号必须进行

11、解扩处理才 能进行信息解调。解扩实际上就是扩频的反变换，通常也是用与发端相同的调制器，并用 与发端完全相同的伪随机码序列对收到的宽带信号再一次进行二相相移键控。从图51(b)中收端波形可以看出，再一次的相移键控正好把扩频信号恢复成相移键控前的 原始信号。从频谱上看则表现为宽带信号被解扩压缩还原成窄带信号。这一窄带信号经中频 窄带滤波器后至信息解调器再恢复成原始信息。但是对于进入接收机的变窄带干扰信号，在 收端调制器中同样也受到伪随机码的双相相移键控调制，它反而使窄带干扰变成宽度干扰信 号。由于干扰信号频谱的扩展，经过中频窄带通滤波作用，只允许通带内的干扰通过，使干 扰功率犬为减少。由此可见，接

12、收机输入端的信号与噪声经过解扩处理，使信号功率集中起 来通过滤波器，同时使干扰功率扩散后被滤波器人量滤除，结果便人人提高了输出端的信号 噪声功率比。这一过程说明了直扩系统的基本原理和它是怎样通过对信号进行扩频与解扩处理从而获得 提高输出信噪比的好处的。它体现了直扩系统的抗干扰能力。综上所述，直扩系统的特点是:1 频谱的扩展是直接由高码率的扩频码序列进行调制而得到的。1 扩频码序列多采用伪随机码，也称为伪噪声(PN)码序列。1 扩频调制方式多采用BPSK或QPSK等幅调制。扩频和解扩的调制解调器多采用平衡调制器，制作简单又能抑制载被。1 模拟信息调制多采用频率调制(FM),而数字信息调制多采用脉

13、冲编码调制(PCM)或增量调制(DM)。1 接收端多采用产生本地伪随机码序列对接收信号进行相关解扩，或采用匹配滤波器来解扩信号。1 扩频和解扩的伪随机码序列应有严格的同步，码的搜捕和跟踪多采用匹配滤波器或利用伪随机码的优良的相关特性在延迟锁定环中实现。1 一般需要用窄带通滤波器来排除干扰，以实现其抗干扰能力的提高。5.1.2 直扩信号的波形与频谱任何周期性的时间波形都可以看成是许多不同幅度、频率和相位的正弦波之和。这些不同的 频率成分，在频谱上占有一定的频带宽度。单一频率的正弦波，在频谱上只有一条谱线，而 周期性的矩形脉冲序列，则有许多谱线。任何周期性的时间波形，可以用富氏级数展开的数 学方法

14、求出它的频谱分布图。现在以矩形脉冲序列为例来说明其间的关系。图5-2(a)中为一周期性矩形脉冲序列f(t)的波 形及其频谱函数An(f)a图 5-2 (a), (b), (c)图中E为脉冲的幅度，to为脉冲的宽度，To为脉冲的重复周期。设To =5to,从图中可以 看出f(t)的An分布为一系列离散谱线，由基频fo及其高次谐波组成。随着谐波频率的升 高、幅度逐渐衰减。对于棱角分明的波形，在理论上包含有无限多的频谱成分。不难证明， 时间有限的波形，在频谱无限的；相反，频谱有限的信号，在时间上也是无限的。但一般来说，信号的能量主要集中在频谱的主瓣内，即频率从0开始到频谱经过第一个0 点的频率为止的宽度内，称为信号的频带宽度，以Ef表示。从数学分析可知，信号谱线间 隔决定于脉冲序列的重复周期，即fo = l/Too而信号频带宽度取决于脉冲的宽度，即Bo =1/tOo在图5-2(b)中，1 如果脉冲重复周期增加一倍，基频降低一半，谱线间隔也减少一半，谱线密度增加一倍，此时Bfo不变。1 如果脉冲重复周期不变，而脉冲宽度减少一半tl=t0/2,则从图5-2(c)可以看出，谱线间隔不变，但信号的频带宽度Bfl增加一倍。此外，从图中还可以看出，无 论是脉冲重复周期的增加，还是脉冲宽度的减少，频谱函数