19021110368 余昆
根据香农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出来的信道容量公式，即香农公式：C=Blog2(1+S/N)。式中C为信道容量，它是信道可能传输的最大信息速率，W为信道带宽，S为有用信号的平均功率，N为白噪声的平均功率，S/N就是信噪比。由该公式可以看出：为了提高信道容量C，可以从两种途径实现，即加大信道带宽W或提高信噪比S/N。换句话说，当信道容量C一定时，信号的带宽W和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求。由此可以理解，当带宽增加到一定程度时，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术换取信噪比降低来实现可靠性传输的，这就是扩频通信的基本思想。
1 扩频通信的工作原理
在发端输入的信息先调制形成数字信号, 然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱, 展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信号, 变频至中频, 然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩, 再经信息解调, 恢复成原始信息输出。可见, 一般的扩频通信系统都要进行3 次调制和相应的解调。一次调制为信息调制, 二次调制为扩频调制, 三次调制为射频调制, 以及相应的信息解调、解扩和射频解调。与一般通信系统比较, 多了扩频调制和解扩部分。
扩频通信应具备如下特征: ( 1) 数字传输方式;(2) 传输信号的带宽远大于被传信息带宽; ( 3) 带宽的展宽, 是利用与被传信息无关的函数( 扩频函数) 对被传信息的信元重新进行调制实现的; ( 4) 接收端用相同的扩频函数进行相关解调( 解扩) , 求解出被传信息的数据。用扩频函数( 也称伪随机码) 调制和对信号相关处理是扩频通信有别于其他通信的两大特点。
2 扩频通信的几种工作方式
( 1) 直接序列扩频( DS-SS, Direct Sequence SpreadSpect rum)
直接序列扩频( DS-SS) 是直接利用具有高码率的扩频码序列采用各种调制方式在发端扩展信号的频谱, 而在收端用相同的扩频码序列去进行解码, 把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。它是一种数字调制方法。具体说, 就是将信源与一定的PN 码( 伪噪声码) 进行模二加。例如在发射端将”1”用11000100110, 而将“0”用00110010110 去代替,就实现了扩频, 而在接收机处把收到的11000100110恢复成1 00110010110 恢复成/0, 这就是解扩。这样信源速率被提高了11 倍, 同时也使处理增益达到10 dB 以上, 有效地提高了整机信噪比。
( 2) 跳频扩频( FH-SS, Frequency Hopping SpreadSpect rum)
跳频扩频技术是通过伪随机码的调制, 使载波工作的中心频率不断跳跃改变, 而噪音和干扰信号的中心频率却不会改变。这样, 只要收、发信机之间按照固定的数字算法产生相同的伪随机码, 就可以达到同步,排除噪音和其他干扰信号。
( 3 ) 跳时扩频( TH-SS, Time Hopping SpreadSpect rum)
跳时是使发射信号在时间轴上跳变。先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列进行控制。可把跳时理解为: 用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。由于采用窄得很多的时片去发送信号, 相对说来, 信号的频谱也就展宽了。在发端, 输入的数据先存储起来, 由扩频码发生器的扩频码序列去控制通) 断开关, 经二相或四相调制后再经射频调制后发射。在收端, 由射频接收机输出的中频信号经本地产生的与发端相同的扩频码序列控制通-断开关, 再经二相或四相解调器, 送到数据存储器和再定时后输出数据。只要收、发两端在时间上严格同步进行, 就能正确地恢复原始数据。
跳时也可看成是一种时分系统, 所不同的地方在于它不是在一帧中固定分配一定位置的时片, 而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的时片。跳时系统的处理增益等于一帧中所分的时片数。由于简单的跳时抗干扰性不强, 很少单独使用。跳时通常都与其他方式结合使用, 组成各种混合方式。
( 4) 脉冲线性扩频( Chirp-SS, Chirp Spread Spectrum, 简称切普扩频)
发射的射频脉冲信号, 在一个周期内, 其载频的频率作线性变化。因其频率在较宽的频带内变化, 信号的带宽也被展宽了。由于这种线性调频信号占用的频带宽度远大于信息带宽, 所以也是一种扩频调制技术。它利用一系列短促的、可同步的扫描频率chirps( 线性调频波) 作为载体, 每个线性调频波一般持续100 Ls,它代表了最基本的通信符号时间( U ST ) 。这些chirps覆盖了100 ~ 400 kHz 的频带, 并总是以200 ~ 400kHz 的频率开始, 继而以100~ 200 kHz 的频率结束。由于chirps 信号的线性扫描带宽比信号带宽要大得多, 其线性加速度是较高的, 而等幅振荡波干扰( Continuous-Wave Jamming) 的频率加速度一般是稳定的,所以将滤波器设计成只能通过具有特定角加速度的信号, 就可以将CW 干扰排除在外。另外, 这种线性调频波波形还具有很强的自相关特性, 这种模糊逻辑的相关性决定了所有连接在网络上的设备, 可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形, 并且不需要在发送和接收设备间进行同步。
( 5) 混合扩频
是以上几种扩频的混合方式, 如FH/ DS、DS/ TH 等。