摘要:本文阐述了扩频通信的基本原理并介绍了扩频通信的几种常用的工作方式,最后对几种扩频方式的优缺点进行了比较。

关键词:扩频通信  工作方式  比较

扩展频谱通信简称“扩频通信”,最早出现在第二次世界大战期间,作为美军使用的无线保密通信技术。扩频通信技术是一种信息传输方式,采用该方式,传输通信信号所需频带与传输其中的有用信息占用频带相比要宽得多,它具有抗干扰性强、抗多径衰落性好等一系列优点。

1 扩频通信的理论基础[1]

扩展频谱通信(Spread Spectrum Communcation,简称扩频通信),是基于信息论和抗干扰理论的信息传输方式,它与光纤通信、卫星通信一同被誉为信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信的可行性,可由信息论中的相关公式中引申而来的。信息论中关于信息容量的香农(Shannon)公式为:

式中,C为信道容量;B为信号频带宽度;S为信号功率;N为白噪声功率。由Shannon公式可以看出: 要增加系统的信息传输速率,则要求增加信道容量。 信道容量C为常数时,带宽B与信噪比S／N可以互换,即可以通过增加带宽B来降低系统对信噪比S／N的要求;也可以通过增加信号功率,降低信号的带宽,这就为那些要求小的信号带宽的系统或对信号功率要求严格的系统找到了一个减小带宽或降低功率的有效途径。当B增加到一定程度后,信道容量C不可能无限地增加。

2 扩频技术的几种基本工作方式

随着通信技术的发展,扩频通信的方式也在不断更新,按照扩展频谱的方式不同,可以将其归结为直接序列扩频(DS)、跳频(FH)、跳时(TH)、脉冲调频(chirp调制)及混合扩频等。

2.1 直接序列扩频

该系统中所用的编码序列通常是伪随机序列或叫伪噪声(PN)码。要传送的信息经数字化后变成二元数字序列,它和伪随机序列模2相加后成复合码去调制载波。在直接序列系统中通常对载波进行相移键控调制。为了节省发射功率和提高发射机工作效率,扩频系统中采用平衡调制器,抑制载波的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力也有利。[5]扩频信号采用相移键控调制后由天线发射出去。在接收机中也要有一个和发射机中的伪随机码同步的本地码,对接收信号进行解扩,解扩后的信号送到解调器取出传送的信息。

2.2 跳频扩频

用信源产生的信息流去调制频率合成器产生的载频,得到射频信号。频率合成器产生的载频受伪随机码的控制,按一定规律跳变。频率跳变系统的发射机在一个预定的频率集中由码序列控制频率合成器使发射频率随机地由一个跳到另一个。接收机中的频率合成器也按相同的顺序跳变,产生一个和发射频率只差一个中频的本振频率,经混频后得到一个频率固定的中频信号。这一中频信号经放大后送到解调器取出传送的信息。[2]

2.3 跳时扩频

跳时系统是用伪随机码去控制信号发送时刻及发送时间的长短。它和跳频的差别在于一个控制的是频率,而另一个控制的是时间。在时间跳变中,将一个信号分为若干个时隙,由伪随机码控制在哪个时隙发送信码。[3]时隙选择、持续时间的长短也是由伪随机码控制的。

2.4 脉冲调频

脉冲调频又称为Chirp系统,其发射脉冲信号的载频在信息脉冲持续时间T内作线性变化,其瞬时频率随时间线性变化线性调频信号的频率在信息脉冲持续时间T内随时间线性变化,由此可得其瞬时频率与时间的关系为,式中为载波频率,为一常数。

2.5 混合扩频系统

(1)FH/DS系统

跳频和直扩系统都具有很强的抗干扰能力是用得最多的两种扩频技术。由前面的分析可知,这两种方式都有自己的独到之处,但也存在着各自的不足,将两者有机地结合起来,可以大大改善系统性能,提高抗干扰能力。FH/DS和FH、DS一样,是用得最多的扩频方式之一。干扰机要有效地干扰FH／DS混合扩频系统,需要同时满足两个条件:a.干扰频率要跟上跳变频率的变化;b.干扰电平必须超过直扩系统的干扰容限。否则,就不能对系统构成威胁。这样,就加大了干扰机的干扰难度,从而达到更有效地抗干扰的目的。[4]

(2)TH／DS系统

这种系统是时分复用加上直接序列扩频,可以增加多址通信的地址数。由于直扩系统中收发两端之间已有准确的时间同步(码元同步),即已经有很好的定时,足以保证时分复用正常工作, 这就为增加跳时技术带来了方便。 

(3)TH/FH系统

这种系统是解决“远-近”问题的几种富有生命力的方法之一。对于在同一条射频链路上距离和发射功率有很大变化的双工、无线电话交换网,如果以随机选呼离散地址作为基本的通信方式,则比较适合采用TH/FH系统。

3 各种扩频方式的比较

3.1 特性分析

下面就直扩、跳频和跳时的特性进行比较,结果如表1。 

3.2 处理增益

各种扩频的处理增益均可表示为

表2给出了各种扩频的处理增益。其中Ra为信息码元速率,Rc为伪随机码速率,N为跳频的可用频道数,D为占空比,T为信息脉冲持续时间,B为扩频信号带宽。

3.3 综合比较

对直扩、慢跳频、快跳频、脉冲调频进行综合比较。比较的方法采用打分排名次的方法,在某一指标下,对这几种进行排队打分,分值越低性能越好,然后将所有指标下的分值相加,排定名次,以总分少者为优,详细比较见表3。 

4 结语

几十年来,扩频通信的基本理论和技术已达到了成熟阶段。例如,在海湾战争中,美军使用扩频技术对敌方实施的电子战,更是发挥了扩频通信电子反对抗、抗强干扰、反窃听的技术威力,成了克敌制胜的最有力的武器。现在扩频通信已成为电子战中通信反对抗的一种必不可少的、十分重要的手段。除军事通信外,扩频通信技术也广泛应用于跟踪、导航、测距、雷达、遥控等各个领域,特别是在民用通信中也获得了巨大的发展,如应用于无线通信、移动通信、卫星通信、微波通信等,并迅速成为引领通信发展的新潮流。

参考文献

[1]    李仲令等.现代无线与移动通信技术[M].北京:科学出版社,2006.

[2]    李树广.数字通信与网络技术[M].北京:电子工业出版社,2009,2.

[3]    吴彦文.移动通信技术及应用[M].北京:清华大学出版社,2009,4.

[4]    查光明等.扩频通信[M].西安:西安电子科技大学出版社,1990.

[5]    张殿富等.移动通信基础[M].北京:中国水利水电出版社,2004.

[6]    吴淼,惠晓威,李超群.基于软件无线电的扩频通信系统同步性的研究[J].科技创新导报,2007,35:2.

[7]    周洋.多用户线性调频扩频信号特性分析[J].科技创新导报,2010,11:77.下载本文