扩展频谱通信的基本概念

2019-11-05 02:52:18

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　　 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”。
　　
　　这一定义包含了以下三方面的意思：
　　
　　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，假如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要害所在。
　　
　　 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)
　　
　　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＝l／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。
　　
　　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(SPReading 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大干扰环境下正常工作的能力，定义为：
　　
　　Mj = G － [(S/N)out + Ls]
　　
　　其中：
　　
　　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l0－5的信息数据解调的最小的输出信噪比(S/N)out ＜10 dB，系统损耗Ls＝3dB，则干扰容限Mj ＝35 － (10 +3) ＝ 22dB
　　
　　这说明，该系统能在干扰输入功率电平比扩频信号功率电平高22dB的范围内正常工作，也就是该系统能够在接收输入信噪比大于或等于－22dB的环境下正常工作。

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