擴展頻譜通信的基本概念

2019-11-05 02:52:18

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　　 2.1 擴展頻譜通信的定義
　　
　　所謂擴展頻譜通信，可簡單表述如下：“擴頻通信技術是一種信息傳輸方
　　式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調制的方法來實現的，與所傳信息數據無關；在接收端則用同樣的碼進行相關同步接收、解擴及恢復所傳信息數據”。
　　
　　這一定義包含了以下三方面的意思：
　　
　　一、信號的頻譜被展寬了。
　　
　　我們知道，傳輸任何信息都需要一定的帶寬，稱為信息帶寬。
　　
　　例如人類的語音的信息帶寬為300Hz --- 3400Hz，電視圖像信息帶寬為數MHz。為了充分利用頻率資源，通常都是盡量采用大體相當的帶寬的信號來傳輸信息。在無線電通信中射頻信號的帶寬與所傳信息的帶寬是相比擬的。如用調幅信號來傳送語音信息，其帶寬為語音信息帶寬的兩倍；電視廣播射頻信號帶寬也只是其視頻信號帶寬的一倍多。這些都屬于窄帶通信。
　　
　　一般的調頻信號，或脈沖編碼調制信號，它們的帶寬與信息帶寬之比也只有幾到十幾。擴展頻譜通信信號帶寬與信息帶寬之比則高達100 --- 1000，屬于寬帶通信。
　　
　　為什么要用這樣寬的頻帶的信號來傳輸信息呢? 這樣豈不太浪費寶貴的頻率資源了嗎?
　　
　　二、采用擴頻碼序列調制的方式來展寬信號頻譜。
　　
　　我們知道，在時間上有限的信號，其頻譜是無限的。例如很窄的脈沖信號，其頻譜則很寬。信號的頻帶寬度與其持續時間近似成反比。1微秒的脈沖的帶寬約為1MHz。因此，假如用限窄的脈沖序列被所傳信息調制，則可產生很寬頻帶的信號。
　　
　　如下面介紹的直接序列擴頻系統就是采用這種方法獲得擴頻信號。這種很窄的脈沖碼序列，其碼速率是很高的，稱為擴頻碼序列。這里需要說明的一點是所采用的擴頻碼序列與所傳信息數據是無關的，也就是說它與一般的正弦載波信號一樣，絲毫不影響信息傳輸的透明性。擴頻碼序列僅僅起擴展信號頻譜的作用。
　　
　　三、在接收端用相關解調來解擴
　　
　　正如在一般的窄帶通信中，已調信號在接收端都要進行解調來恢復所傳的信息。在擴頻通信中接收端則用與發送端相同的擴頻碼序列與收到的擴頻信號進行相關解調，恢復所傳的信息。換句話說，這種相關解調起到解擴的作用。即把擴展以后的信號又恢復成原來所傳的信息。這種在發端把窄帶信息擴展成寬帶信號，而在收端又將其解擴成窄帶信息的處理過程，會帶來一系列好處。弄清楚擴頻和解擴處理過程的機制，是理解擴頻通信本質的要害所在。
　　
　　 2.2 擴頻通信的理論基礎
　　
　　長期以來，人們總是想法使信號所占領譜盡量的窄，以充分利用十分寶貴的頻譜資源。為什么要用這樣寬頻帶的信號來傳送信息呢? 簡單的回答就是主要為了通信的安全可靠。
　　
　　擴頻通信的基本特點，是傳輸信號所占用的頻帶寬度(W)遠大于原始信息本身實際所需的最小(有效)帶寬(DF)，其比值稱為處理增益Gp:
　　
　　 Gp = W/DF ...... (1)
　　
　　眾所周知，任何信息的有效傳輸都需要一定的頻率寬度，如話音為1.7 --- 3.1kHz，電視圖像則寬到數兆赫。為了充分利用有限的頻率資源，增加通路數目，人們廣泛選擇不同調制方式，采用寬頻信道(同軸電纜、微波和光纖等)，和壓縮頻帶等措施，同時力求使傳輸的媒介中傳輸的信號占用盡量窄的帶寬。因現今使用的電話、廣播系統中，無論是采用調幅、調頻或脈沖編碼調制制式，Gp值一般都在十多倍范圍內，統稱為“窄帶通信”。而擴頻通信的Gp值，高達數百、上千，稱為 “寬帶通信”。
　　
　　擴頻通信的可行性，是從信息論和抗干擾理論的基本公式中引伸而來的。
　　
　　信息論中關于信息容量的仙農(Shannon)公式為：
　　
　　 C ＝ WLog2(1十P/N) ...... (2)
　　
　　式中：
　　
　　C --- 信道容量(用傳輸速率度量)
　　
　　W --- 信號頻帶寬度
　　
　　P --- 信號功率
　　
　　N --- 白噪聲功率
　　
　　式(2)說明，在給定的傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比P／N是可以互換的。即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比P／N(S／N)情況下，傳輸信息。
　　
　　擴展頻譜換取信噪比要求的降低，正是擴頻通信的重要特點，并由此為擴頻通信的應用奠定了基礎。
　　
　　擴頻通信可行性的另一理論基礎，為柯捷爾尼可夫關于信息傳輸差錯概率的公式：
　　
　　 Powj » f(E/N。) ...... (3)
　　
　　式中：
　　
　　Powj --- 差錯概率
　　
　　E --- 信號能量
　　
　　N。--- 噪聲功率譜密度
　　
　　因為，
　　
　　信號功率 P＝E／T (T為信息持續時間)
　　
　　噪聲功率 N＝WN。 (W為信號頻帶寬度)
　　
　　信息帶寬 D F＝l／T
　　
　　則式(3)可化為：
　　
　　 Powj » f(TW.P/N) = f(P/N.W/D F ) ...... (4)
　　
　　
　　式(4)說明，對于一定帶寬 DF的信息而言，用Gp值較大的寬帶信號來傳輸，可以提高通信抗干擾能力，保證強干擾條件下，通信的安全可靠。亦即式(4)與式(2)一樣，說明信噪比和帶寬是可以互換的。
　　
　　總之，我們用信息帶寬的100倍，甚至1000倍以上的寬帶信號來傳輸信息，就是為了提高通信的抗干擾能力，即在強干擾條件下保證可靠安全地通信。這就是擴展頻譜通信的基本思想和理論依據。
　　
　　2.3 擴頻通信的主要性能指標
　　
　　處理增益和抗干擾容限是擴頻通信系統的兩個重要性能指標。
　　
　　處理增益G也稱擴頻增益(SPReading Gain)
　　
　　它定義為頻譜擴展前的信息帶寬DF與頻帶擴展后的信號帶寬W之比：
　　
　　 G＝W／DF
　　
　　在擴頻通信系統中．接收機作擴頻解調后，只提取偽隨機編碼相關處理后的帶寬為DF 的信息，而排除掉寬頻帶W中的外部干擾、噪音和其地用戶的通信影響。因此，處理增益G反映了擴頻通信系統信噪比改善的程度。
　　
　　抗干擾容限
　　
　　是指擴頻通信系統能在多大干擾環境下正常工作的能力，定義為：
　　
　　Mj = G － [(S/N)out + Ls]
　　
　　其中：
　　
　　Mj --- 抗干擾容
　　
　　G --- 處理增益
　　
　　(S／N)out --- 信息數據被正確解調而要求的最小輸出信噪比
　　
　　Ls --- 接收系統的工作損耗
　　
　　
　　例如, 一個擴頻系統的處理增益為35dB．要求誤碼率小于l0－5的信息數據解調的最小的輸出信噪比(S/N)out ＜10 dB，系統損耗Ls＝3dB，則干擾容限Mj ＝35 － (10 +3) ＝ 22dB
　　
　　這說明，該系統能在干擾輸入功率電平比擴頻信號功率電平高22dB的范圍內正常工作，也就是該系統能夠在接收輸入信噪比大于或等于－22dB的環境下正常工作。

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