擴(kuò)展頻譜通信的基本概念

2019-11-05 02:52:18

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　　 2.1 擴(kuò)展頻譜通信的定義
　　
　　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(guò)一個(gè)獨(dú)立的碼序列來(lái)完成，用編碼及調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)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)”。
　　
　　這一定義包含了以下三方面的意思：
　　
　　一、信號(hào)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(chēng)為信息帶寬。
　　
　　例如人類(lèi)的語(yǔ)音的信息帶寬為300Hz --- 3400Hz，電視圖像信息帶寬為數(shù)MHz。為了充分利用頻率資源，通常都是盡量采用大體相當(dāng)?shù)膸挼男盘?hào)來(lái)傳輸信息。在無(wú)線(xiàn)電通信中射頻信號(hào)的帶寬與所傳信息的帶寬是相比擬的。如用調(diào)幅信號(hào)來(lái)傳送語(yǔ)音信息，其帶寬為語(yǔ)音信息帶寬的兩倍；電視廣播射頻信號(hào)帶寬也只是其視頻信號(hào)帶寬的一倍多。這些都屬于窄帶通信。
　　
　　一般的調(diào)頻信號(hào)，或脈沖編碼調(diào)制信號(hào)，它們的帶寬與信息帶寬之比也只有幾到十幾。擴(kuò)展頻譜通信信號(hào)帶寬與信息帶寬之比則高達(dá)100 --- 1000，屬于寬帶通信。
　　
　　為什么要用這樣寬的頻帶的信號(hào)來(lái)傳輸信息呢? 這樣豈不太浪費(fèi)寶貴的頻率資源了嗎?
　　
　　二、采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制的方式來(lái)展寬信號(hào)頻譜。
　　
　　我們知道，在時(shí)間上有限的信號(hào)，其頻譜是無(wú)限的。例如很窄的脈沖信號(hào)，其頻譜則很寬。信號(hào)的頻帶寬度與其持續(xù)時(shí)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(diào)制，則可產(chǎn)生很寬頻帶的信號(hào)。
　　
　　如下面介紹的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)就是采用這種方法獲得擴(kuò)頻信號(hào)。這種很窄的脈沖碼序列，其碼速率是很高的，稱(chēng)為擴(kuò)頻碼序列。這里需要說(shuō)明的一點(diǎn)是所采用的擴(kuò)頻碼序列與所傳信息數(shù)據(jù)是無(wú)關(guān)的，也就是說(shuō)它與一般的正弦載波信號(hào)一樣，絲毫不影響信息傳輸?shù)耐该餍?。擴(kuò)頻碼序列僅僅起擴(kuò)展信號(hào)頻譜的作用。
　　
　　三、在接收端用相關(guān)解調(diào)來(lái)解擴(kuò)
　　
　　正如在一般的窄帶通信中，已調(diào)信號(hào)在接收端都要進(jìn)行解調(diào)來(lái)恢復(fù)所傳的信息。在擴(kuò)頻通信中接收端則用與發(fā)送端相同的擴(kuò)頻碼序列與收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，恢復(fù)所傳的信息。換句話(huà)說(shuō)，這種相關(guān)解調(diào)起到解擴(kuò)的作用。即把擴(kuò)展以后的信號(hào)又恢復(fù)成原來(lái)所傳的信息。這種在發(fā)端把窄帶信息擴(kuò)展成寬帶信號(hào)，而在收端又將其解擴(kuò)成窄帶信息的處理過(guò)程，會(huì)帶來(lái)一系列好處。弄清楚擴(kuò)頻和解擴(kuò)處理過(guò)程的機(jī)制，是理解擴(kuò)頻通信本質(zhì)的要害所在。
　　
　　 2.2 擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)
　　
　　長(zhǎng)期以來(lái)，人們總是想法使信號(hào)所占領(lǐng)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(hào)來(lái)傳送信息呢? 簡(jiǎn)單的回答就是主要為了通信的安全可靠。
　　
　　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(有效)帶寬(DF)，其比值稱(chēng)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(huà)音為1.7 --- 3.1kHz，電視圖像則寬到數(shù)兆赫。為了充分利用有限的頻率資源，增加通路數(shù)目，人們廣泛選擇不同調(diào)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(shí)力求使傳輸?shù)拿浇橹袀鬏數(shù)男盘?hào)占用盡量窄的帶寬。因現(xiàn)今使用的電話(huà)、廣播系統(tǒng)中，無(wú)論是采用調(diào)幅、調(diào)頻或脈沖編碼調(diào)制制式，Gp值一般都在十多倍范圍內(nèi)，統(tǒng)稱(chēng)為“窄帶通信”。而擴(kuò)頻通信的Gp值，高達(dá)數(shù)百、上千，稱(chēng)為 “寬帶通信”。
　　
　　擴(kuò)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(lái)的。
　　
　　信息論中關(guān)于信息容量的仙農(nóng)(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(hào)頻帶寬度
　　
　　P --- 信號(hào)功率
　　
　　N --- 白噪聲功率
　　
　　式(2)說(shuō)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(guò)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(kuò)展頻譜換取信噪比要求的降低，正是擴(kuò)頻通信的重要特點(diǎn)，并由此為擴(kuò)頻通信的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　
　　擴(kuò)頻通信可行性的另一理論基礎(chǔ)，為柯捷爾尼可夫關(guān)于信息傳輸差錯(cuò)概率的公式：
　　
　　 Powj » f(E/N。) ...... (3)
　　
　　式中：
　　
　　Powj --- 差錯(cuò)概率
　　
　　E --- 信號(hào)能量
　　
　　N。--- 噪聲功率譜密度
　　
　　因?yàn)椋?br />　　
　　信號(hào)功率 P＝E／T (T為信息持續(xù)時(shí)間)
　　
　　噪聲功率 N＝WN。 (W為信號(hào)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(shuō)明，對(duì)于一定帶寬 DF的信息而言，用Gp值較大的寬帶信號(hào)來(lái)傳輸，可以提高通信抗干擾能力，保證強(qiáng)干擾條件下，通信的安全可靠。亦即式(4)與式(2)一樣，說(shuō)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(hào)來(lái)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)。
　　
　　2.3 擴(kuò)頻通信的主要性能指標(biāo)
　　
　　處理增益和抗干擾容限是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的兩個(gè)重要性能指標(biāo)。
　　
　　處理增益G也稱(chēng)擴(kuò)頻增益(SPReading Gain)
　　
　　它定義為頻譜擴(kuò)展前的信息帶寬DF與頻帶擴(kuò)展后的信號(hào)帶寬W之比：
　　
　　 G＝W／DF
　　
　　在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中．接收機(jī)作擴(kuò)頻解調(diào)后，只提取偽隨機(jī)編碼相關(guān)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(hù)的通信影響。因此，處理增益G反映了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)信噪比改善的程度。
　　
　　抗干擾容限
　　
　　是指擴(kuò)頻通信系統(tǒng)能在多大干擾環(huán)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(shù)據(jù)被正確解調(diào)而要求的最小輸出信噪比
　　
　　Ls --- 接收系統(tǒng)的工作損耗
　　
　　
　　例如, 一個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益為35dB．要求誤碼率小于l0－5的信息數(shù)據(jù)解調(diào)的最小的輸出信噪比(S/N)out ＜10 dB，系統(tǒng)損耗Ls＝3dB，則干擾容限Mj ＝35 － (10 +3) ＝ 22dB
　　
　　這說(shuō)明，該系統(tǒng)能在干擾輸入功率電平比擴(kuò)頻信號(hào)功率電平高22dB的范圍內(nèi)正常工作，也就是該系統(tǒng)能夠在接收輸入信噪比大于或等于－22dB的環(huán)境下正常工作。

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