擴(kuò)頻通信技術(shù)

1、 移動(dòng)通信技術(shù)及其應(yīng)用課程設(shè)計(jì)題 目 擴(kuò)頻通信技術(shù) 指導(dǎo)教師 李秋菊 學(xué)生姓名 張新星 學(xué) 號(hào) 5 專 業(yè) 09電子信息工程 教學(xué)單位 物理系 二O一二年 七月 一日目錄引言21. 摘要22. 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)基本概念23. 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可行性理論基礎(chǔ)2 3.1香農(nóng)公式2 3.2柯捷爾尼可夫關(guān)于信息差錯(cuò)傳輸概率的公式34. 擴(kuò)頻通信典型的集中工作方式3 4.1直接序列擴(kuò)頻3 4.2跳頻擴(kuò)頻4 4.3跳時(shí)擴(kuò)頻5 4.4混合擴(kuò)頻6 5.擴(kuò)頻通信的優(yōu)缺點(diǎn)76.擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其發(fā)展方向8參考文獻(xiàn)9引言擴(kuò)頻技術(shù)(Spread Spectrum, SS)的歷史可以追溯到20世紀(jì)50年代中期，但

2、是直到80年代初，擴(kuò)頻技術(shù)仍然主要應(yīng)用在軍事通信和保密通信中。隨著個(gè)人通信業(yè)務(wù)的發(fā)展以及全球定位系統(tǒng)的應(yīng)用，到現(xiàn)在為止，使用擴(kuò)頻技術(shù)的用戶已經(jīng)超過一億。使用擴(kuò)頻技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)碼分多址，為共享頻譜提供了可能，即在多用戶通信系統(tǒng)中所有用戶共享同一頻段，通過給每個(gè)用戶分配不同的擴(kuò)頻碼實(shí)現(xiàn)多址通信。利用擴(kuò)頻碼的自相關(guān)特性能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)給定用戶信號(hào)的正確接收，將其他用戶的信號(hào)看作干擾，利用擴(kuò)頻碼的互相關(guān)特性，能夠有效抑制用戶之間的干擾。此外由于擴(kuò)頻用戶具有類似白噪聲的寬帶特性，它對(duì)其它共享頻段的傳統(tǒng)用戶的干擾也達(dá)到最小。另外，擴(kuò)頻通信技術(shù)在保密性能和抗干擾等方面優(yōu)勢(shì)巨大，逐漸成為目前軍事通信系統(tǒng)中抗干擾的重要

3、技術(shù)之一。 1.摘 要介紹了擴(kuò)頻通信技術(shù)的工作原理 、組成及特點(diǎn)，分析了擴(kuò)頻通信可行性的理論基礎(chǔ)，即信息論中關(guān)于信息容量的香農(nóng)公式和柯捷爾尼可夫關(guān)于信息錯(cuò)概率公式，指出了擴(kuò)頻通信的主要性能指標(biāo)，給出了擴(kuò)頻通信的數(shù)學(xué)模型和物理模型，最后分析了幾種典型的擴(kuò)頻方式（包括直接序列擴(kuò)頻、調(diào)頻擴(kuò)頻、跳時(shí)擴(kuò)頻和直擴(kuò)/跳頻混合擴(kuò)頻）及其應(yīng)用領(lǐng)域，并闡述了擴(kuò)頻通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀，展望了其發(fā)展方向。關(guān)鍵詞 直接序列擴(kuò)頻 調(diào)頻擴(kuò)頻 跳時(shí)擴(kuò)頻 直擴(kuò)/跳頻混合擴(kuò)頻2. 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)基本概念 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)（SPREAD SPECTRUM COMMUNICATION SYSTEM，SSCS） 是指用特定的擴(kuò)頻函數(shù)對(duì)待傳輸信

4、號(hào)頻譜擴(kuò)展后變?yōu)闉閷掝l帶信號(hào)，然后在信道中傳輸，同時(shí)對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行壓縮，進(jìn)而在接收端得到傳輸信息的通信系統(tǒng)。在 SSCS 中，擴(kuò)頻函數(shù)決定了調(diào)制信號(hào)的帶寬，而不再由信息來決定。按照系統(tǒng)的工作方式不同，SSCS 可以分為以下4 種，直接序列擴(kuò)頻 （DSSS）、跳時(shí)擴(kuò)頻（THSS）、跳頻擴(kuò)頻（FHSS）和線性調(diào)頻（Chirp Modulation）。各類 SSCS 都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，為了析取各類系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，出現(xiàn)了多種擴(kuò)頻方式的組合，如，F(xiàn)H/DS、FH/TH 和 TH/DS 等。下面主要對(duì)直接序列擴(kuò)頻、跳頻擴(kuò)頻、跳時(shí)擴(kuò)頻和混合擴(kuò)頻 FH/DS 進(jìn)行介紹。3.擴(kuò)頻通信可行性的理論基礎(chǔ) 3.1香農(nóng)公式

5、 信息論中關(guān)于信息容量的香農(nóng)公式為： C=Wlog（1+S/N） 式中：C為信道容量（用傳輸速率度量），W為信號(hào)頻帶寬度，S為信號(hào)功率，N為白噪聲功率。在給定C的 情況下，W與信噪比（S/N）可以互換，即可通過擴(kuò)展頻譜降低對(duì)S/N的要求。 3.2 柯捷爾尼可夫關(guān)于信息差錯(cuò)傳輸概率的公式 柯捷爾尼可夫關(guān)于信息差錯(cuò)傳輸速率的公式為： Powjf(S/No)式中：Powj為差錯(cuò)概率，E為信號(hào)能量，No為噪聲功率譜密度。S=E/T=EF,N=W No(T為信息持續(xù)時(shí)間，為信息帶寬)，Powjf(E/No)=f(STW/N)=f(S/NW/F)=f(S/NGp)。因此，可通過提高處理增益（Gp）降低對(duì)S

6、/N的要求，在強(qiáng)干擾條件下保證可安全的。4.擴(kuò)頻通信典型的幾種工作方式4.1 直接序列擴(kuò)頻 目前，直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)（DSSS）是應(yīng)用最為廣泛的一種擴(kuò)頻系統(tǒng)。其實(shí)現(xiàn)方法是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)（PN）序列擴(kuò)展到很寬的頻帶上，得到經(jīng)過擴(kuò)頻序列調(diào)制的射頻信號(hào) 。在接收端，利用與發(fā)射端擴(kuò)展用的相同的偽隨機(jī)序列對(duì)接收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理 ，從而去除偽隨機(jī)性，恢復(fù)所傳輸?shù)男旁?。?于干擾信號(hào)與偽隨機(jī)序列不相關(guān)，在接收端被擴(kuò)頻，使得落入信號(hào)頻帶內(nèi)的干擾和噪聲的頻譜被擴(kuò)展，大大降低了其功率譜密度，從而提高了系統(tǒng)的輸出信噪比 ，加強(qiáng)了擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能，較好地完成了抗干擾的目的。其發(fā)射和接收部分的組成框圖

7、見圖 1。DSSS 系統(tǒng)可以在背景噪聲很強(qiáng)的環(huán)境下傳輸，因此具有許多優(yōu)點(diǎn)：一是隱蔽性強(qiáng) ；二是抗干擾能力強(qiáng)；三是抗竊聽、抗偵察、抗測(cè)向能力強(qiáng) ；四是能抗多徑干擾。正是由于這些特點(diǎn)，使得DSSS 廣泛用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)、通信抗干擾系統(tǒng) 、導(dǎo)航以及保密通信系統(tǒng)等方面。信號(hào)源擴(kuò)頻調(diào)制PN碼振蕩器高放混頻解擴(kuò)解調(diào)本振PN碼同步 圖1 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)組成的框圖 盡管 DSSS 系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，目前仍存在以下缺陷：一是捕獲時(shí)間較長(zhǎng)；二是遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響比較嚴(yán)重（所謂遠(yuǎn)近效應(yīng)是指在多址系統(tǒng)中，當(dāng)其他一些用戶的功率比較大時(shí)將淹沒率較小的有用信號(hào)）；三是要求信道在寬帶內(nèi)相頻失真小 ；四是抗窄帶瞄準(zhǔn)干擾能力

8、有限 。這些缺點(diǎn)極大地影響了 DSSS 的通信的質(zhì)量。 4.2 跳頻擴(kuò)頻 跳頻技術(shù)通過發(fā)射載波頻率隨機(jī)跳變來主動(dòng)避開干擾 ，從而增加了系統(tǒng)抗干擾能力 。 目前戰(zhàn)術(shù)通信中跳頻通信技術(shù)已成為抗干擾的主要手段。它用偽隨機(jī)序列構(gòu)成跳頻指令控制頻率合成器，在多個(gè)備選頻率中進(jìn)行選擇的頻移鍵控，載波頻率由偽隨機(jī)序列控制而實(shí)現(xiàn)隨機(jī)跳變。相比于直接序列擴(kuò)頻，跳頻系統(tǒng)并不是直接傳輸偽隨機(jī)序列，而是用其來選擇信道。跳頻系統(tǒng)的發(fā)射和接收部分組成見圖 2。顯然，DSSS 和跳頻系統(tǒng)抗干擾機(jī)理是不同的，這是因?yàn)?DSSS 通過干擾功率分散方法來減小干擾功率，增大解調(diào)器輸入信噪比 ，從而達(dá)到抗干擾目的，因而是一種被動(dòng)式的抗

9、干擾方式。相反，跳頻系統(tǒng)用躲避干擾的方式抗干擾，故是一種主動(dòng)式抗干擾方式。信號(hào)源頻率合成器PN碼調(diào)制高放信號(hào)源中放解調(diào)頻率合成器PN碼解調(diào)圖2 調(diào)頻系統(tǒng)組成框圖跳頻系統(tǒng)不僅能能克服遠(yuǎn)近效應(yīng)，而且具有很好的多址能力，易于組網(wǎng)，頻譜利用率高，易兼容。其缺點(diǎn)是跳頻系統(tǒng)抗跟蹤干擾能力差，抗寬帶噪聲干擾能力差 ，而且系統(tǒng)抗部分頻帶干擾性能也有限。 目前跳頻技術(shù)在軍事通信中應(yīng)用非常廣泛，如抗干擾和戰(zhàn)術(shù)跳頻電臺(tái)等 。調(diào)頻技術(shù)與多種高效調(diào)制技術(shù)的結(jié)合也不斷在向民用通信滲透。4.3跳時(shí)擴(kuò)頻跳時(shí)擴(kuò)頻（THSS）系統(tǒng)采用偽隨機(jī)碼控制信號(hào)發(fā)送時(shí)刻及發(fā)送時(shí)間的長(zhǎng)短，它與跳頻的差別在于前后控制頻率，后者控制時(shí)間。在時(shí)間跳

10、變中，將一個(gè)信號(hào)分為若干時(shí)隙，由偽隨機(jī)碼控制在那個(gè)時(shí)隙發(fā)送信號(hào)。實(shí)習(xí)選擇和持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短也由偽隨機(jī)碼控制。因此，信函是在很短的實(shí)習(xí)中以較高的峰值功率傳輸?shù)?，可以看成是隨機(jī)的脈位調(diào)制（PPM）和脈寬調(diào)制（PEM）。跳時(shí)系統(tǒng)工作原理如圖3所示。信源調(diào)制開關(guān)振蕩器PN碼門1PN碼門2檢測(cè)檢測(cè)判決圖3 跳時(shí)擴(kuò)頻原理框圖跳時(shí)系統(tǒng)的抗干擾效果并不好，很少單獨(dú)使用，通常跳時(shí)都與其他方式結(jié)合使用，組成各種混合方式。4.4 混合擴(kuò)頻 FH/DS將 DSSS 系統(tǒng)和 FHSS 系統(tǒng)結(jié)合能充分利用 DSSS 和FHSS 的優(yōu)點(diǎn)，而克服它們所存在的缺點(diǎn)，這就產(chǎn)生了基于 FH/DS 的混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。由于 FH/DS

11、 一方面可通過 DSSS 信號(hào)功率譜密度低于噪聲功率譜密度的特性起到保密的作用，另一方面又可通過 FHSS 來獲得超大頻譜寬度，進(jìn)而使敵方的電子干擾機(jī)無能為力，因而混合擴(kuò)頻技術(shù)在通信領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。FH/DS 混合擴(kuò)頻系統(tǒng)的基本框圖見圖 3。從圖 3 可知，F(xiàn)H/DS 首先對(duì)基帶信號(hào)直接序列擴(kuò)頻，進(jìn)而形成 DS 信號(hào)；然后再對(duì) DS 信號(hào)進(jìn)行跳頻擴(kuò)頻，發(fā)射出去后形成 FH/DS 信號(hào) 。在接收端，收到 FH/DS 信號(hào)后先對(duì)接收信號(hào)解調(diào)，使其變?yōu)槠胀ǖ腄S 信號(hào)，最后對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)解調(diào) ，進(jìn)而完成對(duì) FH/DS 信號(hào)的解調(diào)過程。顯然混合擴(kuò)頻比單一擴(kuò)頻、跳頻以及跳時(shí)的性能更為優(yōu)良。數(shù)

12、字信息擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻碼解調(diào)頻率合成器跳頻碼帶通濾波器解調(diào)帶通濾波器解擴(kuò)解調(diào)本地跳頻碼本地直接序列擴(kuò)頻碼圖4 混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)組成框圖5.擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)由以上分析可知，目前擴(kuò)頻通信系統(tǒng)和其他抗干擾技術(shù)相比具有以下特點(diǎn)：（1）保密性好。這是擴(kuò)頻通信最初在軍事通信領(lǐng)域中獲得應(yīng)用的主要原因 。將其用于保密通信 中，信號(hào)具有隱蔽性，采用普通偵察手段和破譯方法很難發(fā)現(xiàn)和識(shí)別。（2）抗干擾能力強(qiáng)。在抗窄帶瞄準(zhǔn)式干擾、抗人為寬帶干擾、抗中繼轉(zhuǎn)發(fā)式干擾方面，優(yōu)勢(shì)巨大，在反電子對(duì)抗中應(yīng)用廣泛。（3）具有多址能力，容易實(shí)現(xiàn)碼多分址。通過偽隨機(jī)序列擴(kuò)頻可以利用不同的偽隨機(jī)序列作為不同用戶地址碼來實(shí)現(xiàn)碼多分址通

13、信 。（4）具有抗多徑干擾和抗衰落能力。由于擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的信號(hào)頻譜被展寬，所以擴(kuò)頻系統(tǒng)具有潛在的抗頻率選擇性衰落的能力，此外，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)還能有效地克服多徑干擾。 在具有以上優(yōu)點(diǎn)的同時(shí) ，擴(kuò)頻通信也存在一定的缺點(diǎn)，如：易受其他設(shè)備干擾，并干擾其他設(shè)備，從而降低了整個(gè)通信系統(tǒng)效率。這就要求擴(kuò)頻通信必須綜合多項(xiàng)抗干擾技術(shù)。6.擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其發(fā)展方向 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是在 20 世紀(jì) 50 年代中期產(chǎn)生的 ，其抗干擾、抗竊聽、低截獲等方面的能力得到很大的發(fā)展，但都只是局部的發(fā)展。隨著微處理器、超大規(guī)模集成電路、數(shù)字信號(hào)處理器件、擴(kuò)頻專用器件的問世，在 20 世紀(jì) 60 年代擴(kuò)頻技術(shù)獲得

14、了重大的突破和進(jìn)展，在實(shí)際的應(yīng)用中優(yōu)越性更加明顯，擴(kuò)頻通信成為通信的一種重要方式 。其優(yōu)良的抗干擾特性 、低截獲概率特性 、多址接入能力和強(qiáng)保密性不僅在軍事通信中發(fā)揮出了不可取代的優(yōu)勢(shì)，而且廣泛地滲透到民用和商用通信各個(gè)領(lǐng)域，如衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、微波通信、無線定位系統(tǒng) 、全球個(gè)人通信和無線局域網(wǎng)等等?？傊?，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)決定了它在國(guó)內(nèi)第三代移動(dòng)通信中將擁有廣闊應(yīng)用前景。為了使擴(kuò)頻通信系統(tǒng)更好地發(fā)揮其抗干擾能力，應(yīng)繼續(xù)在以下幾方面進(jìn)一步研究：（1）相關(guān)跳頻增強(qiáng)擴(kuò)頻系統(tǒng)（CHESS）被廣泛裝備于國(guó)外部隊(duì)，具有很強(qiáng)的抗干擾性能，對(duì) CHESS 進(jìn)行干擾研究是未來的發(fā)展方向之一。（2） 跳頻技術(shù)與多種高效調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于很多民用通信系統(tǒng)，但由于無需考慮跟蹤式干擾或轉(zhuǎn)發(fā)式干擾等敵對(duì)干擾 ，其跳速通常較慢 。如何解決高速跳頻技術(shù)與高效調(diào)制解調(diào)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合還有待在今后的研究中不斷探索。（3）因?yàn)榛煦缦到y(tǒng)對(duì)初始值的敏感依賴性 ，可以提供數(shù)量眾多、非相關(guān)、類隨機(jī)而又確定 、易于產(chǎn)生的信號(hào)，所以混沌序列特別適合作為擴(kuò)頻通信中的擴(kuò)頻碼，混沌擴(kuò)頻通信是目前混沌應(yīng)用研究最熱門的方向之一 。（4）進(jìn)一步研究混合式擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)（例如直擴(kuò)與跳頻 ，直擴(kuò)與跳時(shí)，直擴(kuò) 、跳頻與跳時(shí)的組合），優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而滿足高性能指標(biāo)的抗干擾要求，緩解某些