通信原理期末论文

1--1-山东理工大学光信息科学与技术系通信技术课程期末论文扩频通信姚彭彭(学号:0812102110)(山东理工大学光信息科学与技术系2008级01班山东淄博255049)spreadspectrumcommunicationPengpengYaoAbstract:Spreadspectrumcommunicationsysteminthenewmodernmeansofcommunication,ithasstronganti-jamming,anti-andanti-multipathfadingperformance,spectrumefficiency.Thisarticledescribestheworkingprincipleofspreadspectrumcommunications,features,anditsdevelopmentapplication.Keywords：Spreadspectrum，communication，principle，characteristic摘要:扩频通信是现代通信系统中新的通信方式，它具有较强的抗干扰、抗衰落和抗多径性能，频谱利用率高。本文介绍了扩频通信的工作原理、特点、及其发展应用。关键词：扩频，通信，原理，特点1引言1.1扩频通信系统概述扩频通信，即扩展频谱通信(SpreadSpectrumCommunication)，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码(扩频序列：SpreadSequence)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。扩频通信系统具备3个主要特征[1]：�载波是一种不可预测的，或称之为伪随机的宽带信号�载波的带宽比调制数据的带宽要宽得多�接收过程是通过将本地产生的宽带载波信号的复制信号与接收到的宽带信号相关来实现的。频谱扩展的方式主要有以下几种:直序扩频(DSSS)使用高速伪随机码对要传输的低速数据进行扩频调制；跳频系统则利用伪随机码控制载波频率在一个更宽的频带内变化；跳时则是数据的传输时隙是伪随机的；线性调频系统中的频率扩展则是一个线性变化的过程。几种方式组合的混合系统也经常得到应用。衡量扩频系统最重要的一个指标就是扩频增益，又称为处理增益。正是因为扩频系统本身具有的特征使其性能具有一系列的优势。2--2-山东理工大学光信息科学与技术系通信技术课程期末论文1.2研究扩频通信的目的和意义扩频通信是通信的一个重要分支和信道通信系统的发展方向。扩频技术具有抗干扰能力强、保密性好、易于实现多址通信等优点，因此该技术越来越受到人们的重视。近年来，随着超大规模集成电路技术、微处理器技术的飞速发展，以及一些新型元器件的应用，扩频通信在技术上已迈上了一个新的台阶，不仅在军事通信中占有重要地位，而且正迅速地渗透到了个人通信和计算机通信等民用领域，成为新世纪最有潜力的通信技术之一。因此研究扩频通信具有很深远的意义，本人通过毕业论文设计，进行深入地研究扩频通信技术及对它进行仿真应用，将所学的知识进行归纳与总结，从而巩固通信专业基础知识，为以后的个人学习和工作打下基础。2扩频通信的基本原理2.1扩频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：1）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?2）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，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。3）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，会带来一2--3-山东理工大学光信息科学与技术系通信技术课程期末论文系列好处。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信的安全可靠[2]。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/ΔF（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+P/N)(2)（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/NO)（3）（3）式中：Powj--差错概率E---信号能量N。---噪声功率谱密度信号功率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DF＝1/T则式(3)可化为：Powj≈f(TW.P/N)=f(P/N.W/ΔF)（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。3--4-山东理工大学光信息科学与技术系通信技术课程期末论文总之，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1）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(SpreadingGain)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：PG=W/ΔF（5）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。2）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：joutM=G-[(S/N)+Ls]（6）其中：Mj---抗干扰容G---处理增益out(S/N)---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2.4扩频通信系统的工作原理数字扩频通信的一般工作原理如图1所示。图1数字扩频通信系统基本框图图1所示为一个数字扩频通信系统的基本框图。其中信道编码器、信道解码器、调制器和解调器是传统数字通信系统的基本构成单元。在扩频通信系统中除去了这些单元外，应该用了相同的伪随机序列发生器，分别作用在发送前端的调制器与接收前端的解调器。这两个序列发生器产生伪随机噪声（PN）二值序列，在调制端将传送信号在频域进行扩展，在解调端解扩该扩频发送信号。3--5-山东理工大学光信息科学与技术系通信技术课程期末论文3扩频通信系统的特点扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号,其带宽远大于欲传输数据(信息)带宽,同时,接收机中必须有与宽带载波同步的副本[3]。由于扩频信号的上述特点,扩频系统具有以下特点:3.1抗干扰性强由于扩频信号的不可预测性,扩频系统具有很高的抗干扰能力。因为干扰者难以通过观察改善其干扰性能,而只能采用发射同被干扰信号不匹配的干扰技术,因此,干扰起不了太大作用;由于扩频通信系统在传输过程中扩展了信号带宽,所以即使信噪比很低,甚至是有用信号功率低于干扰信号功率的情况下仍能够高质量地不受干扰地进行通信,扩展的频谱越宽,其抗干扰性越强。3.2低截获性扩频信号的功率相当于均匀地被分布在很宽的频带上,以至于被传输信号的功率密度很低,使侦察接收机难以监测到。因此,扩频通信系统具有低截获概率性。3.3抗多路径干扰性能好多路径干扰是由于在电波传播过程中,遇到各种非期望反射体(如电离层、高山、建筑物等)引起反射或散射。这些反射或散射信号同直达路径信号在接收端相互干涉造成干扰。多路径干扰在雷达和通信中都有严重影响。由于在扩频通信系统中增加了扩频调制与解扩过程,这样可以利用扩频码序列间的相关特性,在接收端解扩时用相关技术从多径信号中分离出最强的有用信号,或将多径信号中的相同码序列信号叠加,这样就可以有效地消除无线通信中多径干涉造成的信号衰落现象,因而扩频通信系统具有良好的抗多径衰落特性。3.4保密性好在一定的发射功率下,由于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极低,这样信号可以在强噪声背景下,甚至是有用信号被噪声淹没的情况下进行可靠通信,使外界很难截获传送的信息,想进一步检测出信号的特征参数就更难了。所以,扩频系统可实现隐蔽通信;同时,对不同用户使用不同的码,旁人无法窃听他们的通信,因而扩频系统具有高的保密性。参考文献[1]朱近康.CDMA通信技术[M].北京:人民邮电出版社,2001.36～128.[2]朱近康.扩展频谱通信及应用[M].合肥:中国科技大学出版社,1993年[3]谭楚梁.通信系统的计算机仿真[M].北京:北京邮电学院出版社,1989年