擴(kuò)頻通信的基本原理

　　所謂擴(kuò)展頻譜通信，可簡(jiǎn)單表述如下：“擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過一個(gè)獨(dú)立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端則用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)”。



　　擴(kuò)頻通信的基本特點(diǎn)，是傳輸信號(hào)所占用的頻帶寬度（W）遠(yuǎn)大于原始信息本身實(shí)際所需的最小帶寬（B），其比值稱為處理增益（Gp）：



　　總之，我們用擴(kuò)展頻譜的寬帶信號(hào)來傳輸信息，就是為了提高通信的抗干擾能力，即在強(qiáng)干擾條件下保證可靠安全地通信。這就是擴(kuò)展頻譜通信的基本思想和理論依據(jù)。



一、擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)



　　●易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率



　　●抗干擾性強(qiáng)，誤碼率低。擴(kuò)頻通信在空間傳輸時(shí)所占有的帶寬相對(duì)較寬，而接收端又采用相關(guān)檢測(cè)的辦法來解擴(kuò)，使有用寬帶信息信號(hào)恢復(fù)成窄帶信號(hào)，而把非所需信號(hào)擴(kuò)展成寬帶信號(hào)，然后通過窄帶濾波技術(shù)提取有用的信號(hào)。這祥，對(duì)于各種干擾信號(hào)，因其在收端的非相關(guān)性，解擴(kuò)后窄帶信號(hào)中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干擾性強(qiáng)。



　　●保密性好，對(duì)各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小。由于擴(kuò)頻信號(hào)在相對(duì)較寬的頻帶上被擴(kuò)展了，單位頻帶內(nèi)的功率很小，信號(hào)湮沒在噪聲里，一般不容易被發(fā)現(xiàn)，而想進(jìn)一步檢測(cè)信號(hào)的參數(shù)(如偽隨機(jī)編碼序列)就更加困難，因此說其保密性好。



　　●可以實(shí)現(xiàn)碼分多址。擴(kuò)頻通信提高了抗干擾性能，代價(jià)是占用頻帶寬。但是如果許多用戶共用這一寬頻帶，則可提高頻帶的利用率。由于在擴(kuò)頻通信中存在擴(kuò)頻碼序列的擴(kuò)頻調(diào)制，充分利用各種不同碼型的擴(kuò)頻碼序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，在接收端利用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò)，則在分配給不同用戶碼型的情況下可以區(qū)分不同用戶的信號(hào)，提取出有用信號(hào)。這樣在這一頻帶上許多對(duì)用戶可以同時(shí)通話而互不干擾。



　　●抗多徑干擾。在無線通信中，長(zhǎng)期以來，多徑干擾始終是一個(gè)難以解決的問題之一。在擴(kuò)頻通信中利用擴(kuò)頻碼的自相關(guān)特性，在接收端從多徑信號(hào)中提取和分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，或把多個(gè)路徑來的同一碼序列的波形相加合成，都可以起到抗多徑干擾的作用。



按照擴(kuò)展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可以分為以下幾種：



　　●直接序列擴(kuò)頻。直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum)工作方式，簡(jiǎn)稱直擴(kuò)(DSSS)方式。所謂直接序列擴(kuò)頻，就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜。而在接收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息。



　　●跳頻(Frequency Hopping)。另外一種擴(kuò)展信號(hào)頻譜的方式稱為跳頻(FH－Frequency Hopping)。所謂跳頻，比較確切的意思是：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變，所以稱為跳頻。



　　●跳時(shí)(Time Hopping)。與跳頻相似，跳時(shí)(TH－Time Hopping)是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變。首先把時(shí)間軸分成許多時(shí)片。在一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)片發(fā)射信號(hào)由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制。可以把跳時(shí)理解為：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多時(shí)片的時(shí)移鍵控。由于采用了窄得很多的時(shí)片去發(fā)送信號(hào)，相對(duì)說來，信號(hào)的頻譜也就展寬了。



　　●寬帶線性調(diào)頻(Chirp Modulation)。寬帶線性調(diào)頻工作方式，簡(jiǎn)稱Chirp方式。如果發(fā)射的射頻脈沖信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)，其載頻的頻率作線性變化，則稱為線性調(diào)頻。



二、直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)



　　與一般模擬或數(shù)字通信系統(tǒng)比較，直接序列擴(kuò)頻在信息識(shí)別與解調(diào)、射頻的上變頻和下變頻情況基本相同。直擴(kuò)通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于直擴(kuò)信號(hào)的產(chǎn)生，即擴(kuò)頻調(diào)制和直擴(kuò)信號(hào)的接收，即相關(guān)解擴(kuò)。



　　擴(kuò)頻調(diào)制是用高碼率的PN碼脈沖序列來進(jìn)行調(diào)制從而擴(kuò)展信號(hào)的頻譜的。通常采用的調(diào)制方式為BPSK，輸入信號(hào)與PN碼在平衡調(diào)制器調(diào)制而輸出展寬的擴(kuò)頻信號(hào)。



　　直擴(kuò)系統(tǒng)在發(fā)端用PN碼進(jìn)行調(diào)制以擴(kuò)展信號(hào)頻譜。在收端一般采用相關(guān)檢測(cè)或匹配濾波的方法來解擴(kuò)。所謂相關(guān)檢測(cè)，一個(gè)簡(jiǎn)單的譬喻就是用像片去對(duì)照找人。如果想在一群人中去尋找某個(gè)不相識(shí)的人，最簡(jiǎn)單有效的方法就是手里有一張某人的照片，然后用照片一個(gè)一個(gè)的對(duì)比，這樣下去，自然能夠找到某人。同理，當(dāng)你想檢測(cè)出所需要的有用信號(hào)，有效的方法是在本地產(chǎn)生一個(gè)相同的信號(hào)，然后用它與接收到的信號(hào)對(duì)比，求其相似性。換句話說，就是用本地產(chǎn)生的相同的信號(hào)與接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，其中相關(guān)函數(shù)最大的就最可能是所要的有用信號(hào)。



　　相關(guān)解擴(kuò)在性能上固然很好，但是需要在接收端產(chǎn)生本地PN碼。這一點(diǎn)有時(shí)帶來許多不方便。例如，解決本地信號(hào)與接收信號(hào)的同步問題就很麻煩，還不能做到實(shí)時(shí)把有用信號(hào)檢測(cè)出來。因?yàn)槠ヅ錇V波和相關(guān)檢測(cè)的作用在本質(zhì)上是一樣的，我們可以用匹配濾波器來解擴(kuò)直擴(kuò)信號(hào)。



　　所謂匹配濾波器，就是與信號(hào)相匹配的濾波器，它能在多種信號(hào)或干擾中把與之匹配的信號(hào)檢測(cè)出來。這同樣是一種“用相片找人”的方法。對(duì)于視頻矩形脈沖序列來說，無源匹配濾波器就是抽頭延遲線上加上加法累加器。



三、跳頻系統(tǒng)



　　我們通常接觸到的無線通信系統(tǒng)都是載波頻率固定的通信系統(tǒng)，如移動(dòng)電話等，所以也稱作定頻通信。這種定頻通信系統(tǒng)，一旦受到干擾就將使通信質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)甚至使通信中斷。



　　另外在敵我雙方的通信對(duì)抗中，敵方企圖發(fā)現(xiàn)我方的通信頻率，以便于截獲所傳送的信息內(nèi)容，或者發(fā)現(xiàn)我方通信機(jī)所在的方位。定頻通信系統(tǒng)容易暴露目標(biāo)且易于被截獲，這時(shí)，采用跳頻通信就比較隱蔽也難以被截獲。



　　因此，跳頻通信具有抗干擾、抗截獲的能力，并能作到頻譜資源共享。所以在當(dāng)前現(xiàn)代化的電子戰(zhàn)中跳頻通信已顯示出巨大的優(yōu)越性。另外，跳頻通信也應(yīng)用到民用通信中以抗衰落、抗多徑、抗網(wǎng)間干擾和提高頻譜利用率。



　　為了不讓敵方知道我們通信使用的頻率，需要經(jīng)常改變載波頻率，即對(duì)載波頻率進(jìn)行跳變，跳頻通信中載波頻率改變的規(guī)律，叫跳頻圖案。



　　定頻信號(hào)的接收設(shè)備中，一般都采用超外差式的接收方法，即接收機(jī)本地振蕩器的頻率比所接收的外來信號(hào)的載波頻率相差一個(gè)中頻，經(jīng)過混頻后產(chǎn)生一個(gè)固定的中頻信號(hào)和混頻產(chǎn)生的組合波頻率成分。經(jīng)過中頻帶通濾波器的濾波作用，濾除組合波頻率成分，而使中頻信號(hào)進(jìn)入解調(diào)器。解調(diào)器的輸出就是所要傳送給收端的信息。



　　跳頻信號(hào)的接收，其過程與定頻相似。為了保證混頻后獲得中頻信號(hào)，要求頻率合成器的輸出頻率要比外來信號(hào)高出一個(gè)中頻。因?yàn)橥鈦淼男盘?hào)載波頻率是跳變的，則要求本地頻率合成器輸出的頻率也隨著外來信號(hào)的跳變規(guī)律而跳變，這樣才能通過混頻獲得一個(gè)固定的中頗信號(hào)。



　　跳頻器是跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，而跳頻同步則是跳頻系統(tǒng)的核心技術(shù)。跳頻系統(tǒng)的同步包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：



　　●收端和發(fā)端產(chǎn)生的跳頻圖案相同，即有相同的跳頻規(guī)律。



　　●收、發(fā)端的跳變頻率應(yīng)保證在接收端產(chǎn)生固定的中頻信號(hào)，即跳變的載波頻率與收端產(chǎn)生的本地跳變頻率相差一個(gè)中頻。



　　●頻率跳變的起止時(shí)刻在時(shí)間上同步，即同步跳變，或相位一致。



　　●在傳送數(shù)字信息時(shí)，還應(yīng)做到幀同步和位同步。
　　



四、PN碼



　　PN碼也稱偽隨機(jī)序列。它具有近似隨機(jī)序列(噪聲)的性質(zhì)，而又能按一定規(guī)律(周期)產(chǎn)生和復(fù)制的序列。因?yàn)殡S機(jī)序列是只能產(chǎn)生而不能復(fù)制的，所以稱其是“偽”的隨機(jī)序列。常用的偽隨機(jī)序列有m序列、M序列和R－S序列。



　　m序列發(fā)生器由帶反饋的m級(jí)移位寄存器構(gòu)成，其中由若干級(jí)經(jīng)過模二加反饋到第一級(jí)。它產(chǎn)生的序列最大長(zhǎng)度(周期)是2n－1位，共有2m種不同的狀態(tài)，其中一種是全“0”狀態(tài)。只有當(dāng)反饋邏輯滿足某種條件時(shí)，移位寄存器輸出的序列長(zhǎng)度才是2n－1位，達(dá)到最大的長(zhǎng)度。否則產(chǎn)生的序列就達(dá)不到2n－1位那樣長(zhǎng)。所以也把m序列叫作最大長(zhǎng)度線性移位寄存器序列。又稱為最大移位寄存器序列。



　　如果反饋邏輯中的運(yùn)算含有乘法運(yùn)算或其他邏輯運(yùn)算，則稱作非線性反饋邏輯。由非線性反饋邏輯和移位寄存器構(gòu)成的序列發(fā)生器所能產(chǎn)生最大長(zhǎng)度序列，就叫作最大長(zhǎng)度非線性移位寄存器序列，或叫作M序列，M序列的最大長(zhǎng)度是2n。


文章來源：賽迪網(wǎng)