扩频通信技术

移动通信技术及其应用课程设计题目扩频通信技术指导教师李秋菊学生姓名张新星学号200900802005专业09电子信息工程教学单位物理系二O一二年七月一日目录引言………………………………………………………………………21.摘要……………………………………………………………………22.扩频通信系统基本概念………………………………………………23.扩频通信系统可行性理论基础………………………………………23.1香农公式…………………………………………………………23.2柯捷尔尼可夫关于信息差错传输概率的公式…………………34.扩频通信典型的集中工作方式………………………………………34.1直接序列扩频……………………………………………………34.2跳频扩频…………………………………………………………44.3跳时扩频…………………………………………………………54.4混合扩频…………………………………………………………65.扩频通信的优缺点……………………………………………………76.扩频通信系统的国内外研究现状及其发展方向……………………8参考文献…………………………………………………………………92引言扩频技术(SpreadSpectrum,SS)的历史可以追溯到20世纪50年代中期，但是直到80年代初，扩频技术仍然主要应用在军事通信和保密通信中。随着个人通信业务的发展以及全球定位系统的应用，到现在为止，使用扩频技术的用户已经超过一亿。使用扩频技术能够实现码分多址，为共享频谱提供了可能，即在多用户通信系统中所有用户共享同一频段，通过给每个用户分配不同的扩频码实现多址通信。利用扩频码的自相关特性能够实现对给定用户信号的正确接收，将其他用户的信号看作干扰，利用扩频码的互相关特性，能够有效抑制用户之间的干扰。此外由于扩频用户具有类似白噪声的宽带特性，它对其它共享频段的传统用户的干扰也达到最小。另外，扩频通信技术在保密性能和抗干扰等方面优势巨大，逐渐成为目前军事通信系统中抗干扰的重要技术之一。1.摘要介绍了扩频通信技术的工作原理、组成及特点，分析了扩频通信可行性的理论基础，即信息论中关于信息容量的香农公式和柯捷尔尼可夫关于信息错概率公式，指出了扩频通信的主要性能指标，给出了扩频通信的数学模型和物理模型，最后分析了几种典型的扩频方式（包括直接序列扩频、调频扩频、跳时扩频和直扩/跳频混合扩频）及其应用领域，并阐述了扩频通信技术的研究现状，展望了其发展方向。关键词直接序列扩频调频扩频跳时扩频直扩/跳频混合扩频2.扩频通信系统基本概念扩频通信系统（SPREADSPECTRUMCOMMUNICATIONSYSTEM，SSCS）是指用特定的扩频函数对待传输信号频谱扩展后变为为宽频带信号，然后在信道中传输，同时对传输信号进行压缩，进而在接收端得到传输信息的通信系统。在SSCS中，扩频函数决定了调制信号的带宽，而不再由信息来决定。按照系统的工作方式不同，SSCS可以分为以下4种，直接序列扩频（DS－SS）、跳时扩频（TH－SS）、跳频扩频（FH－SS）和线性调频（ChirpModulation）。各类SSCS都有自己的优缺点，为了析取各类系统的优点，出现了多种扩频方式的组合，如，FH/DS、FH/TH和TH/DS等。下面主要对直接序列扩频、跳频扩频、跳时扩频和3混合扩频FH/DS进行介绍。3.扩频通信可行性的理论基础3.1香农公式信息论中关于信息容量的香农公式为：C=Wlog（1+S/N）式中：C为信道容量（用传输速率度量），W为信号频带宽度，S为信号功率，N为白噪声功率。在给定C的情况下，W与信噪比（S/N）可以互换，即可通过扩展频谱降低对S/N的要求。3.2柯捷尔尼可夫关于信息差错传输概率的公式柯捷尔尼可夫关于信息差错传输速率的公式为：Powj≈f(S/No)式中：Powj为差错概率，E为信号能量，No为噪声功率谱密度。S=E/T=E×△F,N=WNo((T为信息持续时间，为信息带宽)，Powj≈f(E/No)=f(STW/N)=f(S/N×W/△F)=f(S/N×Gp)。因此，可通过提高处理增益（Gp）降低对S/N的要求，在强干扰条件下保证可安全的。4.扩频通信典型的几种工作方式4.1直接序列扩频目前，直接序列扩频系统（DS－SS）是应用最为广泛的一种扩频系统。其实现方法是将要发送的信息用伪随机（PN）序列扩展到很宽的频带上，得到经过扩频序列调制的射频信号。在接收端，利用与发射端扩展用的相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，从而去除伪随机性，恢复所传输的信元。由于干扰信号与伪随机序列不相关，在接收端被扩频，使得落入信号频带内的干扰和噪声的频谱被扩展，大大降低了其功率谱密度，从而提高了系统的输出信噪比，加强了扩频系统的抗干扰性能，较好地完成了抗干扰的目的。其发射和接收部分的组成框图见图1。DS－SS系统可以在背景噪声很强的环境下传输，因此具有许多优点：一是隐蔽性强；二是抗干扰能力强；三是抗窃听、抗侦察、抗测向能力强；四是能抗多径干扰。正是由于这些特点，使得DS－SS广泛用于卫星通信系统、通信抗干扰系统、导航以及保密通信系统等方面。4图1直接序列扩频通信系统组成的框图尽管DS－SS系统的应用非常广泛，目前仍存在以下缺陷：一是捕获时间较长；二是远近效应的影响比较严重（所谓远近效应是指在多址系统中，当其他一些用户的功率比较大时将淹没率较小的有用信号）；三是要求信道在宽带内相频失真小；四是抗窄带瞄准干扰能力有限。这些缺点极大地影响了DS－SS的通信的质量。4.2跳频扩频跳频技术通过发射载波频率随机跳变来主动避开干扰，从而增加了系统抗干扰能力。目前战术通信中跳频通信技术已成为抗干扰的主要手段。它用伪随机序列构成跳频指令控制频率合成器，在多个备选频率中进行选择的频移键控，载波频率由伪随机序列控制而实现随机跳变。相比于直接序列扩频，跳频系统并不是直接传输伪随机序列，而是用其来选择信道。跳频系统的发射和接收部分组成见图2。显然，DS－SS和跳频系统抗干扰机理是不同的，这是因为DS－SS通过干扰功率分散方法来减小干扰功率，增大解调器输入信噪比，从而达到抗干扰目的，因而是一种被动式的抗干扰方式。相反，跳频系统用躲避干扰的方式抗信号源扩频调制PN码振荡器高放混频解扩解调本振PN码同步5干扰，故是一种主动式抗干扰方式。图2调频系统组成框图跳频系统不仅能能克服远近效应，而且具有很好的多址能力，易于组网，频谱利用率高，易兼容。其缺点是跳频系统抗跟踪干扰能力差，抗宽带噪声干扰能力差，而且系统抗部分频带干扰性能也有限。目前跳频技术在军事通信中应用非常广泛，如抗干扰和战术跳频电台等。调频技术与多种高效调制技术的结合也不断在向民用通信渗透。4.3跳时扩频跳时扩频（THSS）系统采用伪随机码控制信号发送时刻及发送时间的长短，它与跳频的差别在于前后控制频率，后者控制时间。在时间跳变中，将一个信号分为若干时隙，由伪随机码控制在那个时隙发送信号。实习选择和持续时间的长短也由伪随机码控制。因此，信函是在很短的实习中以较高的峰值功率传输的，信号源频率合成器PN码调制高放信号源中放解调频率合成器PN码解调6可以看成是随机的脉位调制（PPM）和脉宽调制（PEM）。跳时系统工作原理如图3所示。图3跳时扩频原理框图跳时系统的抗干扰效果并不好，很少单独使用，通常跳时都与其他方式结合使用，组成各种混合方式。4.4混合扩频FH/DS将DS－SS系统和FH－SS系统结合能充分利用DS－SS和FH－SS的优点，而克服它们所存在的缺点，这就产生了基于FH/DS的混合扩频通信系统。由于FH/DS一方面可通过DS－SS信号功率谱密度低于噪声功率谱密度的特性起到保密的作用，另一方面又可通过FH－SS来获得超大频谱宽度，进而使敌方的电子干扰机无能为力，因而混合扩频技术在通信领域具有重要的现实意义。FH/DS混合扩频系统的基本框图见图3。从图3可知，FH/DS首先对基带信号直接序列扩频，进而形成DS信号；然后再对DS信号进行跳频扩频，发射出去后形成FH/DS信号。在接收端，收到FH/DS信号后先对接收信号解调，使其变为普通的DS信号，最后对接收信号进行解扩解调，进而完成对FH/DS信号的解调过程。显然混合扩频比单一扩频、跳频以及跳时的性能更为优良。信源调制开关振荡器PN码门1PN码门2检测检测判决7图4混合扩频通信系统组成框图5.扩频通信系统的优缺点由以上分析可知，目前扩频通信系统和其他抗干扰技术相比具有以下特点：（1）保密性好。这是扩频通信最初在军事通信领域中获得应用的主要原因。将其用于保密通信中，信号具有隐蔽性，采用普通侦察手段和破译方法很难发现和识别。（2）抗干扰能力强。在抗窄带瞄准式干扰、抗人为宽带干扰、抗中继转发式干扰方面，优势巨大，在反电子对抗中应用广泛。（3）具有多址能力，容易实现码多分址。通过伪随机序列扩频可以利用不同的伪随机序列作为不同用户地址码来实现码多分址通信。（4）具有抗多径干扰和抗衰落能力。由于扩频通信系统的信号频谱被展宽，所以扩频系统具有潜在的抗频率选择性衰落的能力，此外，扩频通信系统还能有效地克服多径干扰。在具有以上优点的同时，扩频通信也存在一定的缺点，如：易受其他设备干扰，并干扰其他设备，从而降低了整个通信系统效率。这就要求扩频通信数字信息扩频直接序列扩频码解调频率合成器跳频码带通滤波器解调带通滤波器解扩解调本地跳频码本地直接序列扩频码8必须综合多项抗干扰技术。6.扩频通信系统的国内外研究现状及其发展方向扩频通信系统是在20世纪50年代中期产生的，其抗干扰、抗窃听、低截获等方面的能力得到很大的发展，但都只是局部的发展。随着微处理器、超大规模集成电路、数字信号处理器件、扩频专用器件的问世，在20世纪60年代扩频技术获得了重大的突破和进展，在实际的应用中优越性更加明显，扩频通信成为通信的一种重要方式。其优良的抗干扰特性、低截获概率特性、多址接入能力和强保密性不仅在军事通信中发挥出了不可取代的优势，而且广泛地渗透到民用和商用通信各个领域，如卫星通信、移动通信、微波通信、无线定位系统、全球个人通信和无线局域网等等。总之，扩频通信系统的这些优点决定了它在国内第三代移动通信中将拥有广阔应用前景。为了使扩频通信系统更好地发挥其抗干扰能力，应继续在以下几方面进一步研究：（1）相关跳频增强扩频系统（CHESS）被广泛装备于国外部队，具有很强的抗干扰性能，对CHESS进行干扰研究是未来的发展方向之一。（2）跳频技术与多种高效调制技术应用于很多民用通信系统，但由于无需考虑跟踪式干扰或转发式干扰等敌对干扰，其跳速通常较慢。如何解决高速跳频技术与高效调制解调技术的有机结合还有待在今后的研究中不断探索。（3）因为混沌系统对初始值的敏感依赖性，可以提供数量众多、非相关、类随机而又确定、易于产生的信号，所以混沌序列特别适合作为扩频通信中的扩频码，混沌扩频通信是目前混沌应用研究最热门的方向之一。（4）进一步研究混合式扩展频谱系统（例如直扩与跳频，直扩与跳时，直扩、跳频与跳时的组合），优势互补，从而满足高性能指标的抗干扰要求，缓解某些技术难点，降低成本，进而达到更合理的性能价格比。9参考文献1.OlavBerg.SpreadSpectrunminMobileCommunications.IEE,19982.查光明，熊贤祚、扩频通信。西安:西安电子科技大学出版社，20043.田洪，扩频通信在数据传输中的应用。科技情报开发与经济，20084.梅文华，王淑波，邱永红，等，调频通信，北京：国防工业出版社，20055.曾兴雯，扩展频谱通信极其多址技术，西安：先按电子科技大学出版社，2004