擴(kuò)頻通信原理

擴(kuò)頻通信原理技術(shù)背景：傳統(tǒng)的模擬無線通信一般采用調(diào)頻（FM）和調(diào)幅（AM）兩種方式，不能適應(yīng)高速數(shù)據(jù)通信的要求。進(jìn)入八十年代后，數(shù)字無線數(shù)據(jù)通信方式成為主流，其調(diào)制方式有振幅鍵控（ASK入移頻鍵控（FSK閑相移鍵控（PSK），其優(yōu)勢是便于采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，如均衡技術(shù)、編碼技術(shù)等等，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸?shù)目煽啃?。?shí)際的系統(tǒng)如GSM、IS-54等。但是這些系統(tǒng)也存在一些缺陷。一方面，由于無線通信信道的開放性，通信環(huán)境不可避免地存在各種各樣的突發(fā)干擾，使得信號(hào)傳輸?shù)目煽啃越档?，同時(shí)，信道的時(shí)域和頻域選擇性衰落，使得數(shù)據(jù)傳輸速率的提高受到限制；另一方面，隨著無線業(yè)務(wù)的快速增長，要求無線網(wǎng)絡(luò)具備相當(dāng)?shù)撵`活性，以適應(yīng)業(yè)務(wù)的發(fā)展變化。這些都是常規(guī)的無線數(shù)字通信難以解決的。這些因素促成了對采用新技術(shù)的需求，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率并進(jìn)一步提高傳輸?shù)目煽啃浴?擴(kuò)頻通信的基本原理和優(yōu)勢：擴(kuò)頻通信就其調(diào)制方式而言，與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信沒有什么差別，也包括ASK、FSK、PSK以及最近得到迅速發(fā)展的QAM，不同之處是在調(diào)制之前增加了一個(gè)擴(kuò)頻處理環(huán)節(jié)，把待傳送符號(hào)用特征碼進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展后的符號(hào)稱為碼片；在接收端同樣增加了一個(gè)解擴(kuò)處理的環(huán)節(jié)，將N個(gè)碼片恢復(fù)為一個(gè)符號(hào)。這即是擴(kuò)頻通信的基本原理。擴(kuò)頻通信的優(yōu)勢是由擴(kuò)頻操作所使用的特征碼-偽隨機(jī)序列（PNCODE）帶來的。偽隨機(jī)碼具有雙值自相關(guān)特性，它保證了同步相關(guān)操作獲得的輸出遠(yuǎn)大于非同步相關(guān)的輸出值。這樣就大大降低了當(dāng)兩條傳播路徑的時(shí)差在一個(gè)碼片以上時(shí)彼此之間的干擾。這即是通常所說的擴(kuò)頻抗多徑原理。同時(shí)，相關(guān)解擴(kuò)處理還能夠大大降低窄帶脈沖干擾，如一般的工業(yè)噪聲、環(huán)境噪聲等等。特別值得一提的是，由于解擴(kuò)處理是對N個(gè)碼片的能量進(jìn)行累加，因此,可以允許接收的信號(hào)電平在噪聲以下，只要保證累加獲得的能量滿足信號(hào)判決的要求即可。這一性能使得擴(kuò)頻通信技術(shù)首先在軍隊(duì)保密通信系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。擴(kuò)頻通信抗多徑的性能使得移動(dòng)通信信道的相關(guān)帶寬不再成為限制通信速率的障礙，因此在擴(kuò)頻通信方式下可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。傳輸速率的限制取決于信號(hào)處理的速度。可見，擴(kuò)頻技術(shù)在提高數(shù)據(jù)通信速率和改善數(shù)據(jù)通信的可靠性方面，大大優(yōu)于常規(guī)數(shù)字通信。同時(shí)，由于所有用戶可以共用同一頻帶，大大簡化了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的規(guī)劃，使得系統(tǒng)在適應(yīng)不斷增長變化的業(yè)務(wù)方面，具有很高的靈活性。擴(kuò)頻通信是傳輸信息使用的射頻帶寬是信息帶寬的10倍至100倍以上的通信體制。信息本身不再是決定傳輸帶寬的決定因素，傳輸帶寬主要由發(fā)信機(jī)和對應(yīng)收信機(jī)預(yù)先制定的擴(kuò)頻碼（又稱地址碼）序列確定。擴(kuò)頻通信的特點(diǎn)是具有常規(guī)通信體制所不具備的許多優(yōu)勢：(1)擴(kuò)頻通信具有消息隱蔽性、低截獲概率和抗干擾等能，對軍事通信有很大應(yīng)用潛力。國外軍事通信已經(jīng)裝備使用HF、VHF和UHF頻段的跳頻電臺(tái)，直接序列擴(kuò)頻電臺(tái)也開始進(jìn)入實(shí)用階段。(2)利用不同的預(yù)定擴(kuò)頻碼(地址碼)序列，可以在相同頻段實(shí)現(xiàn)碼分多址(CDMA)和選址通信，在衛(wèi)星通信和室內(nèi)有線、無線通信中得到使用。(3)直接序列擴(kuò)頻信號(hào)具有同距離無關(guān)的高分辨率測距能力，在全球定位系統(tǒng)(GPS)和深空探測中得到應(yīng)用。另，從即計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)角度的解釋參考：隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的普及和國民經(jīng)濟(jì)信息化的發(fā)展，客戶/服務(wù)器計(jì)算、分布式處理、國際互連網(wǎng)(Internet),內(nèi)部網(wǎng)(Intranet)等技術(shù)被廣泛接受和應(yīng)用，計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)需求迅速擴(kuò)大。在諸多計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，無線網(wǎng)(WirelessNetwork)以其無需布線、在一定區(qū)域漫游、運(yùn)行費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)，在許多應(yīng)用場合有其他聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不可替代的作用，而在無線通信技術(shù)中，基于擴(kuò)頻技術(shù)的計(jì)算機(jī)無線網(wǎng)具有抗干擾能力強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)碼分多址、安全保密、無須申請頻率資源等特點(diǎn)，近年來在計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛地應(yīng)用。 擴(kuò)頻通信具有其他方式不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，近年來在無線通信中得到越來越廣泛地應(yīng)用。擴(kuò)頻通信(SpreadSpectrumCommunications)開始出現(xiàn)在第二次世界大戰(zhàn)，作為美軍使用的無線保密通信技術(shù)?，F(xiàn)在擴(kuò)頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于包括計(jì)算機(jī)無線網(wǎng)等許多領(lǐng)域。擴(kuò)頻通信是一種信息傳遞方式，其信號(hào)所占用的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的展寬是通過編碼及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)的，與所傳的信息無關(guān)；在接收端采用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)來解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息。 擴(kuò)頻通信具有如下特點(diǎn)：1、抗干擾性強(qiáng)：抗干擾是擴(kuò)頻通信主要特性之一，比如信號(hào)擴(kuò)頻寬度為100倍，窄帶干擾基本上不起作用，而寬帶干擾的強(qiáng)度降低了100倍，如要保持原干擾強(qiáng)度，則需加大100倍總功率，這實(shí)質(zhì)上是難以實(shí)現(xiàn)的。因信號(hào)接收需要擴(kuò)頻編碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)處理才能得到，所以即使以同類型信號(hào)進(jìn)行干擾，在不知道信號(hào)的擴(kuò)頻碼的情況下，由于不同擴(kuò)頻編碼之間的不同的相關(guān)性，干擾也不起作用。正因?yàn)閿U(kuò)頻技術(shù)抗干擾性質(zhì)，美國軍方在海灣戰(zhàn)爭等處廣泛采用擴(kuò)頻無線網(wǎng)橋來連接分布在不同區(qū)域的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。 2、隱蔽性好：因?yàn)樾盘?hào)在很寬的頻帶上被擴(kuò)展，單位帶寬上的功率很小，即信號(hào)功率譜密度很低，信號(hào)淹沒在白噪聲之中，別人難以發(fā)現(xiàn)信號(hào)的存在，加之不知擴(kuò)頻編碼，很難拾取有用信號(hào)，而極低的功率譜密度，也很少對于其他電訊設(shè)備構(gòu)成干擾。3、易于實(shí)現(xiàn)碼分多址（CDMA）: 擴(kuò)頻通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能力，是否浪費(fèi)了頻段？其實(shí)正相反，擴(kuò)頻通信提高了頻帶的利用率。正是由于擴(kuò)頻通信要用擴(kuò)頻編碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制發(fā)送，而信號(hào)接收需要用相同的擴(kuò)頻編碼作相關(guān)解擴(kuò)才能得到，這就給頻率復(fù)用和多址通信提供了基礎(chǔ)。充分利用不同碼型的擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性，分配給不同用戶不同的擴(kuò)頻編碼，就可以區(qū)別不同的用戶的信號(hào)，眾多用戶，只要配對使用自己的擴(kuò)頻編碼，就可以互不干擾地同時(shí)使用同一頻率通信，從而實(shí)現(xiàn)了頻率復(fù)用，使擁擠的頻譜得到充分利用。發(fā)送者可用不同的擴(kuò)頻編碼，分別向不同的接收者發(fā)送數(shù)據(jù)；同樣，接收者用不同的擴(kuò)頻編碼，就可以收到不同的發(fā)送者送來的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了多址通信。美國國家航天管理局（NASA）的技術(shù)報(bào)告指出：采用擴(kuò)頻通信提高了頻譜利用率。另外，擴(kuò)頻碼分多址還易于解決隨時(shí)增加新用戶的問題。 4、抗多徑干擾：在無線通信中，抗多徑問題一直是難以解決的問題，利用擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性，在接收端可以用相關(guān)技術(shù)從多徑信號(hào)中提取分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，也可把多個(gè)路徑來的同一碼序列的波形相加使之得到加強(qiáng)，從而達(dá)到有效的抗多徑干擾。5、擴(kuò)頻通信的其他優(yōu)點(diǎn)： 擴(kuò)頻通信速率高（2M，8M，11Mbps）,無須申請頻率資源，建網(wǎng)簡單，網(wǎng)絡(luò)性能好。與X.25和DDN相比無線擴(kuò)頻網(wǎng)具有速率高（2Mbps，8Mbps,11Mbps），安裝簡單，運(yùn)行費(fèi)用低（無須租費(fèi)，僅投入少量維護(hù)費(fèi)用），無須申請頻率資源，容易擴(kuò)展投資少等優(yōu)點(diǎn)。另外，如使用X.25或DDN作為網(wǎng)間互連的鏈路，在鏈路兩端要使用路由器、多路復(fù)用器等設(shè)備，而無線擴(kuò)頻產(chǎn)品有網(wǎng)橋、路由器、調(diào)制解調(diào)器等多種選擇，節(jié)省設(shè)備和投資，因此無線擴(kuò)頻網(wǎng)比X.25和DDN在數(shù)百公里范圍內(nèi)聯(lián)網(wǎng)要有明顯的優(yōu)勢。 跳頻通信是擴(kuò)頻通信的一個(gè)分支，它的突出優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性強(qiáng)，因而很適用于軍事領(lǐng)域。當(dāng)70年代末第一部跳頻電臺(tái)問世以后，就預(yù)示著其發(fā)展勢頭銳不可擋。到了80年代，世界各國軍隊(duì)普遍裝備跳頻電臺(tái)。這十年是跳頻電臺(tái)發(fā)展速度最快的十年。廣泛使用跳頻電臺(tái)曾被譽(yù)為80年代VHF頻段無線電通信發(fā)展的主要特征。90年代，跳頻通信如虎添翼，在軍用跳頻通信領(lǐng)域已相當(dāng)成熟的同時(shí)，跳頻通信的應(yīng)用又拓寬到民用領(lǐng)域。業(yè)內(nèi)人士指出，跳頻通信是對抗無線電干擾的有效手段，稱其為無線電通信的“殺手銅"。跳頻通信是如此的神奇，以致于自其問世至今的短短30年間，倍受世界各國，特別是幾大軍事強(qiáng)國的青睞。2跳頻通信的基本概念2.1定義我們在用收音機(jī)收聽某電臺(tái)，當(dāng)電臺(tái)在中波和短波兩個(gè)波段上播放同一個(gè)節(jié)目時(shí)，有這樣的體會(huì)：若中波波段信號(hào)不好，則隨即換到短波波段收聽；當(dāng)短波波段信號(hào)不好，則又換回到中波波段收聽。這種以更換波段的手段來改善收聽效果的方法，就是跳頻的通俗含義。只不過這種跳頻僅在接收端發(fā)生，而且是由人工干預(yù)來實(shí)施跳頻的。我們假設(shè)，當(dāng)廣播電臺(tái)發(fā)送的頻段也能“緊跟“收音機(jī)用戶更換的話，那么，這種通信方式就是跳頻通信。因此，跳頻通信可這樣描述：通信收發(fā)雙方同步地改變頻率的通信方式稱為跳頻通信。無線電通信由于它的靈活性，常常被用作戰(zhàn)時(shí)通信。但是，傳統(tǒng)的無線電通信都是在某一固定頻率下工作的，很容易被敵方截獲或施加電子干擾，從而使這種通信方式失去“靈驗(yàn)”。“跳頻通信”就是針對上述傳統(tǒng)無線電通信的弊端，使原先固定不變的無線電發(fā)信頻率按一定的規(guī)律和速度來回跳變，而讓約定對方也按此規(guī)律同步跟蹤接收。由于敵方不了解我方無線電信號(hào)的跳變規(guī)律，很難將信息截獲。盡管它亦可以采用“跟蹤干擾”的方式來干擾我方電臺(tái)，但由于跳頻頻譜變化無常，往往是敵方剛搜索到某發(fā)送頻率，它立即又變了，很難做到緊跟不舍?？赡苡腥藭?huì)提出全面實(shí)行干擾（即“寬帶阻塞干擾”）的方法，但這樣做不僅會(huì)耗費(fèi)巨大功率，而且還可能因此而暴露自己和對己方通信造成嚴(yán)重干擾。跳頻通信不僅是抗御外來干擾的能手，而且對于抑制遠(yuǎn)距離無線電通信本身所造成的“多徑干擾”也十分有效。因?yàn)槎鄰礁蓴_是由于短波無線電信號(hào)在傳輸過程中所經(jīng)過的路徑不盡相同，有的是經(jīng)電離層一次反射到達(dá)對方的，有的則經(jīng)多次反射后到達(dá)對方，而且上述情況還很不穩(wěn)定，因而造成信號(hào)的時(shí)強(qiáng)時(shí)弱以致失真。采用跳頻通信后，由于在主波波束已被接收，而其它徑向波束尚未到達(dá)接收機(jī)時(shí)，發(fā)送和接收載頻早已跳到別的頻率點(diǎn)上去了，這樣就避免了“多徑效應(yīng)”對通信質(zhì)量的影響。 跳頻通信的原理說來也并不復(fù)雜。它是在普通無線電短波通信基礎(chǔ)上增加一個(gè)“碼控跳頻器”。它的主要作用是使跳頻通信發(fā)射的載波按一定規(guī)則的隨機(jī)跳變序列發(fā)生變化。實(shí)現(xiàn)跳頻通信的關(guān)鍵是，收發(fā)雙方受偽隨機(jī)碼控制的、用來改變載頻頻率的本