数字通信技术论文

数字通信技术 课程论文（报告、案例分析）院 系 电子科学与信息工程系 专 业 通信工程 班 级 通信1111 学生姓名 方忠庆 学 号 11387113 任课老师 罗倩倩 2014 年 6月8日扩频通信技术的探讨专业:通信工程 学生：方忠庆 学号：11387113摘要:阐述了扩频通信的工作原理、特点和主要工作方式,包括干脆序列扩频系统(DS2SS)、跳频扩频系统(FH2SS)、跳时扩频系统(TH2SS)、脉冲线性扩频系统(Chirp2SS)等,并对直扩与跳频两种通用工作方式作了比较。关键词:扩频通信;原理;特点;工作方式;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。扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)与光纤通信、卫星通信一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。 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,复原成原始信息输出。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 2.1干脆序列扩频(DS-SS,Direct Sequence Spread Spectrum)干脆序列扩频(DS2SS)是干脆利用具有高码率的扩频码序列采纳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,其原理如图1所示。详细说,就是将信源与肯定的PN码(伪噪声码)进行模二加。例如在放射端将“1”“0”“1”,00110010110复原成“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10dB以上,有效地提高了整机信噪比。 2.2跳频扩频(FH-SS,Frequency Hopping Spread Spectrum)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动变更,而噪音和干扰信号的中心频率却不会变更。这样,只要收、发信机之间根据固定的数字算法产生相同的伪随机码,就可以达到同步,解除噪音和其他干扰信号。 2.3跳时扩频(TH-SS,Time Hopping Spread Spectrum)跳时是使放射信号在时间轴上跳变。先把时间轴分成很多时片。在一帧内哪个时片放射信号由扩频码序列进行限制。可把跳时理解为:用肯定码序列进行选择的多时片的时移键控。由于采纳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限制通断开关,经二相或四相调制后再经射频调制后放射。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限制通断开关,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,就能正确地复原原始数据。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安排肯定位置的时片,而是由扩频码序列限制的按肯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。由于简洁的跳时抗干扰性不强,很少单独运用。跳时通常都与其他方式结合运用,组成各种混合方式。 2.4脉冲线性扩频(Chirp-SS,Chirp Spread Spectrum)放射的射频脉冲信号,在一个周期内,其载频的频率作线性变更。因其频率在较宽的频带内变更,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100s,它代表了最基本的通信符号时间(UST)。这些chirps覆盖了100400kHz的频带,并总是以200400kHz的频率起先,继而以100200kHz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干扰解除在外。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确定了全部连接在网络上的设备,可以同时识别从网上随意设备发出的这种独特波形,并且不须要在发送和接收设备间进行同步。美国Intellon公司的PL系列产品就是利用上述的chirps(线性调频波)扫描频率进行载波来对信号进行扩频的。发送时,将该线性调频波作为载波来对待传送的基带信号(信息数据窄带信号)进行扩频调制,形成相当带宽的低功率谱密度信号,通过输出放大器和媒介耦合电路传输到媒介中。在接收时,电力线上频率为100400kHz的模拟信号通过耦合/滤波网络传输到输入滤波器上,接收端采纳同样的编码进行解调及相关处理,复原原始信息。其产品符合美国电工业协会(EIA)所制定的消费电子总线标准(CE1BUS),即EIA-600。我们选用Intellon公司的基于电力线通信部件和接口器件SSCP300/200,开发研制的基于电力线载波扩频的CEBUS通信收发器是智能小区网络架构中家庭局部网络的一种很好选择。 2.5混合扩频它是以上几种扩频的混合方式,如FH/DS、DS/TH等。 3直扩与跳频比较干脆序列扩频和跳频技术是在扩频通信中应用最广的两种技术,各有其特长与不足,现将直扩和跳频技术的性能作一比较。 3.1抗强的定频干扰的机理由直扩抗干扰的机理可知,直扩抗干扰是通过相关解扩取得处理增益来达到抗干扰的目的,但超过了干扰容限的定频干扰将会导致直扩系统的通信中断或性能急剧恶化。而跳帧系统是采纳躲避的方法抗干扰,强的定频干扰只能干扰跳频系统的一个或几个频率,若跳频系统的频道数很大,则对系统性能的影响是不严峻的。因此,在抗强的定频干扰上,跳频系统比直扩系统优越。 3.2抗衰落抗衰落,特殊是频率选择性衰落,是室内通信环境下必需解决的问题。由于直扩系统的射频带宽很宽,小部分频谱衰落不会使信号频谱产生严峻畸变,而对跳频系统而言,频率选择性衰落将导致若干个频率受影响,导致系统性能恶化。跳频系统要抗这种选择性衰落,可采纳快速跳频的方法,使每一个频率的驻留时间特别短,平均衰落就特别低。此外,还可以采纳1bit信息用M个频率编码传输,也能较好地解决频率选择性衰落问题,这些都以提高跳频速率为代价。 3.3抗多径干扰多径干扰是由于电波传播过程中遇到的各种反射体(如高山、建筑物、墙壁、天花板等)引起的反射或散射,这是在接收端的干脆传播路径和反射信号产生的群反射之间的随机干涉形成的。多径干扰信号的频率选择性衰落和路径差引起的传播时延,会使信号产生严峻的失真和波形展宽,导致码间串扰,不但会引起噪声增加和误码率上升,使通信质量降低,甚至使某些通信系统无法工作。由于直扩系统采纳伪随机码的相关解扩,只要多径时延大于一个伪随机码的切普宽度,这种多径就不能形成干扰,直扩系统甚至可以利用这些干扰能量来提高系统的性能。而跳频系统则不然,跳频系统要抗多径干扰,必须要求每一跳的驻留时间很短,即要求快跳频,使在多径信号没有到来之前接收机已起先接收下一跳信号。例如,多径时延为1s则跳。而对直扩系统而言,伪随机码速率大于1Mchip/s即可。而实现伪随机码速率大于1Mchip/s的直扩系统比实现跳频速率1Mhop/s的跳频系统要简洁得多。 3.4抗强的定频干扰的实际状况直扩抗干扰通过相关解扩取得处理增益到达抗干扰的目的,但超过干扰容限的定频干扰也会导致直扩系统的通信中断。一般的扩频产品有多个频道(Chan2nel),可以在214G到214835G的范围内选择,就能躲过这一干扰。跳频系统靠载波的随机跳变躲避干扰,将干扰排斥在接受通道以外,达到抗干扰的目的,若调频系统的可用频道很多,在某一个频点停留时间很短,才有好的效果。慢跳系统(一般跳的次数在1000跳以下)属于跳频产品中的低端产品,因此很大程度上丢失了很多跳频技术本身所具备的特性。慢跳频产品对窄带干扰特别敏感,例如,假设扩频段中有一个1MHz频宽的频点受到干扰,慢跳频产品每秒跳频100次,那么至少有一次会受到上述的窄带干扰,此时误码率为10-2,这么高的误码率对正常通信来说是不行用的。只有快跳频产品才能避开窄带干扰,但成本极高,目前商用通信中还没有快跳频产品。 3.5同步要求直扩系统除了一般通信系统所要求的同步以外,还必需完成伪随机码的同步,以便接收机用此同步后的伪随机码去对接收信号进行相关解扩。直扩系统随着伪随机码字的加长,要求的同步精度也就高,因而同步时间就长。跳频系统的调频速率远低于直扩系统的伪随机码速率,因而对同步的要求就相对降低,同步时间就短。跳频系统的同步时间短、入网就快。跳频系统的同步时间在ms级,直扩系统的在s级。 3.6信号处理直扩系统一般采纳相关解调解扩,多采纳BPSK、DPSK、QPSK、MPSK等调制方式。而跳频方式由于频率不断变更、频率的驻留时间内都要完成一次载波同步,随着跳频频率的增加,要求的同步时间就越短。因此跳频多采纳非相干解调,采纳的解调方式多为FSK或ASK。从性能上看,直扩系统利用了频率和相位的信息,性能优于跳频。但由于相干检测须要载波复原电路,直扩实现起来成本昂贵。另外慢速跳频系统对于同一地区的全部微波设备都产生干扰,因为跳频条纹是一种窄带产品,而商业跳频都是慢速跳频,其瞬时单位频谱功率很高,并且会跳到ISM规定的频段中全部频谱范围内,因此会干扰整个地区的全部同频段设备。同时,跳频在跳动中会产生严峻的杂散放射,甚至会干扰受频率许可爱护的其他无线电设备。事实上跳频设备同时也会被同地区的全部跳频系统干扰。正因为如此,事实上各个国家的无线电管理机构对于跳频的运用往往均加以各种方式的限制。 4扩频通信的特点 4.1抗干扰性强扩频通信系统扩展的频谱越宽,处理增益越高,抗干扰实力就越强。简洁地说,假如信号频谱展宽10倍,那么干扰方面须要在更宽的频带上去进行干扰,分散了干扰功率,从而在总功率不变的条件下,其干扰强度只有原来的1/10。另外,由于接收端采纳扩频码序列进行相关检测,空中即使有同类信号进行干扰,假如不能检测出有用信号的码序列,干扰也起不了太大作用,因此抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点。 4.2信息保密性好由于扩频信号在很宽的频带上被扩展了,单位频带内的功率就很小,即信号的功率谱密度很低,所以应用扩频码序列扩展频谱的干脆序列扩频系统,可在信道噪声和热噪声的背景下,在很低的信号功率谱密度上进行通信。信号被湮没在噪声里,很不简洁被发觉,想进一步检测出信号的参数就更加困难了。 4.3易于实现码分多址由于扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制,可充分利用各种不同码型扩频序列之间优良的自相关特性和相互关特性,在接收端利用相关检测技术进行解扩,则在安排给不同用户不同码型的状况下,系统可以区分不同用户的信号,这样在同一频带上很多用户可以同时通话而互不干扰。 4.4抗多径干扰在无线电通信的各个频段,短波、超短波、微波和光波中存在大量的多径干扰。一般方法是采纳分集接收技术,或设法把不同路径的不同延迟信号在接收端从时间上对齐相加,合并成较强的有用信号,这两种基本方法在扩频通信中都是很简洁实现的。参考文献1陈德荣,林家儒.数字移动通信系统M.北京:北京邮电高校出版社,1996.2赵荣黎.数字蜂房移动通信系统M.北京:电子工业出版社,1997.3宋文涛,罗汉文.移动通信M.上海:交通高校出版社,1997.4孙立新,邢宁霞.CDMA(码分多址)移动通信技术M.北京:人民邮电出版社,1996.5查光明,熊贤祚.扩频通信M1西安:西安电子科技高校出版社,1990.6沈允春.扩谱技术M.北京:国际工业出版社,1995.5