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扩频通信技术简介.ppt

扩频通信技术简介.ppt

上传者: 张殿宝 2010-12-18 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《扩频通信技术简介ppt》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含扩展频谱通信简介扩展频谱通信简介年月我们知道传输任何信息都需要一定的带宽称为信息带宽。例如语音信息的带宽大约为Hz~Hz、普通电视图像信息带宽大约为符等。

扩展频谱通信简介扩展频谱通信简介年月我们知道传输任何信息都需要一定的带宽称为信息带宽。例如语音信息的带宽大约为Hz~Hz、普通电视图像信息带宽大约为MHz。为了充分利用频率资源通常都是尽量压缩传输带宽。如电话是基带传输人们通常把带宽限制在Hz左右。如使用调幅信号传输因为调制过程中将产生上下两个边带信号带宽需要达到信息带宽的两倍而在实际传输中人们采用压缩限幅技术把广播语音的带宽限制在大约为Hz=KHz左右采用边带压缩技术把普通电视信号包括语音信号一起限制在MHz=MHz左右。即使在普通的调频通信上人们最大也只把信号带宽放宽到信息带宽的十几倍左右这些都是采用了窄带通信技术。扩频通信属于宽带通信技术通常的扩频信号带宽与信息带宽之比将高达几百甚至几千倍。有人要问为什么要这么做?这样是不是太浪费频率资源了?这些问题可以用信息论和抗干扰理论来解释。扩展频谱通信的定义扩展频谱通信的定义所谓扩展频谱通信(SpreadSpectrumCommunication)可简单表述如下:“扩频通信技术是一种信息传输方式其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成用编码及调制的方法来实现的与所传信息数据无关在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”。扩频通信的基本特点扩频通信的基本特点扩频通信即扩展频谱通信技术(SpreadSpectrumCommunication)它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。扩频通信的特征扩频通信的特征扩频通信具有如下特征:它是一种数字传输方式带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息进行调制实现的在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调还原出被传信息。扩频通信的理论基础扩频通信的理论基础根据仙农(CEShannon)在信息论研究中总结出的信道容量公式即仙农公式:  C=WLog(SN)  式中:C信息的传输速率、S有用信号、功率W频带宽度、N噪声功率扩频通信的理论基础扩频通信的理论基础由式中可以看出:为了提高信息的传输速率C可以从两种途径实现既加大带宽W或提高信噪比SN。换句话说当信号的传输速率C一定时信号带宽W和信噪比SN是可以互换的即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求当带宽增加到一定程度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。扩频通信的理论基础扩频通信的理论基础扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处这就是扩频通信的基本思想和理论依据。扩频增益和抗干扰容限扩频增益和抗干扰容限扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱在接收端解扩还原了信息这样的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。理论分析表明各种扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。扩频增益和抗干扰容限扩频增益和抗干扰容限一般把扩频信号带宽W与信息带宽F之比称为处理增益GP即:  它表明了扩频系统信噪比改善的程度。除此之外扩频系统的其他一些性能也大都与GP有关。因此处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。  扩频增益和抗干扰容限扩频增益和抗干扰容限  系统的抗干扰容限MJ定义如下:    式中:(SN)=输出端的信噪比LS=系统损耗   扩频增益和抗干扰容限扩频增益和抗干扰容限 由此可见抗干扰容限MJ与扩频处理增益GP成正比扩频处理增益提高后抗干扰容限大大提高甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。通常的扩频设备总是将用户信息(待传输信息)的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍以尽可能地提高处理增益。频谱的扩展的实现和直接序列扩频频谱的扩展的实现和直接序列扩频频谱的扩展是用数字化方式实现的。在一个二进制码位的时段内用一组新的多位长的码型予以置换新码型的码速率远远高出原码的码速率由傅立叶分析可知新码型的带宽远远高出原码的带宽从而将信号的带宽进行了扩展。这些新的码型也叫伪随机(PN)码码位越长系统性能越高。通常商用扩频系统PN码码长应不低于位一般取位军用系统可达千位。频谱的扩展的实现和直接序列扩频频谱的扩展的实现和直接序列扩频目前常见的码型有以下三种:()M序列即最长线性伪随机系列()GOLD序列()WALSH函数正交码。频谱的扩展的实现和直接序列扩频频谱的扩展的实现和直接序列扩频当选取上述任意一个序列后如M序列将其中可用的编码即正交码两两组合并划分为若干组各组分别代表不同用户组内两个码型分别表示原始信息""和""。系统对原始信息进行编码、传送接收端利用相关处理器对接收信号与本地码型相关进行相关运算解出基带信号(即原始信息)实现解扩从而区分出不同用户的不同信息。无线扩频通信原理图由图可见一般的无线扩频通信系统都要进行三次调制。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。接收端有相应的射频解调扩频解调和信息解调。根据扩展频谱的方式不同扩频通信系统可分为:直接序列扩频方式(DS)、跳变频率方式(FH)、跳变时间方式(TH)、宽带线性调频方式以及以上几种方式的组合。所谓直接序列扩频(DSDirectScquency),就是用高码率的扩频码序列在发端直接去扩展信号的频谱在收端直接使用相同的扩频码序列对扩展的信号频谱进行解调还原出原始的信息。图:信息的频谱扩展过程图:扩频信号的解扩过程在图上我们可以看出:在发端信息码经码率较高的PN码调制以后频谱被扩展了。在收端扩频信号经同样的PN码解调以后信息码被恢复信息码经调制、扩频传输、解调然后恢复的过程类似与PN码进行了二次"模二相加"的过程。扩频通信的主要特点扩频通信的主要特点图:扩频通信中频谱宽度与功率谱密度示意从图中我们还可以用能量面积图示概念看出:待传信息的频谱被扩展了以后能量被均匀地分布在较宽的频带上功率谱密度下降扩频信号解扩以后宽带信号恢复成窄带信息功率谱密度上升相对与信息信号脉冲干扰只经过了一次被模二相加的调制过程频谱被扩展功率谱密度下降从而使有用信息在噪声干扰中被提取出来。扩频通信具有许多窄带通信难以替代的优良性能使得它能迅速推广到各种公用和专用通信网络之中。扩频通信具有以下几项优点:抗干扰性强误码率低易于同频使用提高了无线频谱利用率隐蔽性好对各种窄带通信系统的干扰很小可以实现码分多址抗多径干扰能精确地定时和测距适合数字话音和数据传输以及开展多种通信业务安装简便易于维护     抗干扰性强误码率低抗干扰性强误码率低   扩频通信系统由于在发送端扩展信号频谱在接收端解扩还原信息产生了扩频增益从而大大地提高了抗干扰容限。根据扩频增益不同甚至在负的信噪比条件下也可以将信号从噪声的淹没中提取出来在目前商用的通信系统中扩频通信是唯一能够工作于负信噪比条件下的通信方式。 各种形式人为的干扰(如电子对抗中)或其他窄带或宽带(扩频)系统的干扰只要波形、时间和码元稍有差异解扩后仍然保持其宽带性而有用信号将被压缩。由于扩频系统这一优良性能其误码率很低正常条件下可达最差条件下也可达远高于普通的微波通信的效果。应该说抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点。易于同频使用提高了无线频谱利用率易于同频使用提高了无线频谱利用率 无线频谱十分宝贵虽然从长波到微波都已得到开发利用仍然满足不了社会的需求。为此世界各地都设计了频谱管理机构用户只能使用申请获得的频率依靠频道划分来防止信道之间发生干扰。   易于同频使用提高了无线频谱利用率易于同频使用提高了无线频谱利用率 由于扩频通信采用了相关接收这一高技术信号发送功率极低(<W一般为~mW)且可工作在信道噪声和热噪声背景中易于在同一地区重复使用同一频率也可以与现今各种窄带通信共享同一频率资源。隐蔽性好对各种窄带通信系统的干扰很小隐蔽性好对各种窄带通信系统的干扰很小由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了单位频带内的功率很小信号湮没在噪声里一般不容易被发现而想进一步检测信号的参数(如伪随机编码序列)就更加困难因此说其隐蔽性好。再者由于扩频信号具有很低的功率谱密度它对目前使用的各种窄带通信系统的干扰很小。可以实现码分多址可以实现码分多址扩频通信提高了抗干扰性能但付出了占用频带宽的代价。   如果让许多用户共用这一宽频带则可大为提高频带的利用率。由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性在接收端利用相关检测技术进行解扩则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号提取出有用信号。这样一来在一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。抗多径干扰抗多径干扰在无线通信中抗多径干扰问题一直是难以解决的问题利用扩频编码之间的相关特性在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强从而达到有效的抗多径干扰。 能精确地定时和测距能精确地定时和测距我们知道电磁波在空间的传播速度是固定不变的光速。人们自然会想到如果能够精确测量电磁波在两个物体之间传播的时间也就等于测量两个物体之间的距离。      在扩频通信中如果扩展频谱很宽则意味着所采用的扩频码速率很高每个码片占用的时间就很短。当发射出去的扩频信号在被测物体反射回来后在接收端解调出扩频码序列然后比较收发两个码序列相位之差就可以精确测出扩频信号往返的时间差从而算出二者之间的距离。测量的精度决定于码片的宽度也就是扩展频谱的宽度。码片越窄扩展的频谱越宽精度越高。扩频通信是数字通信特别适合数字话音和数据同时传输扩频通信自身具有加密功能保密性强便于开展各种通信业务。扩频通信容易采用码分多址、语音压缩等多项新技术更加适用于计算机网络以及数字化的话音、图像信息传输。扩频通信绝大部分是数字电路设备高度集成安装简便易于维护也十分小巧可靠便于安装便于扩展平均无故障率时间也很长。另外扩频设备一般采用积木式结构组网方式灵活方便统一规划分期实施利于扩容有效地保护前期投资。

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