（信息与通信工程专业论文）基于扩频技术的非视距无线图象传输系统.pdf

摘要 x8 7 6 8 2 9 近年来，随着无线通信的飞速发展，对视频传输的需求越来越迫切。传统的 微波传输，都要求严格的视距条件，即收发终端之间不能有阻挡物体。但在城市和 野外环境下，各种建筑和地形阻挡非常严重。此课题的目的和意义在于要解决非 视距( n l o s ) 情况下图像的传输，具有很大的实用价值。 本论文主要介绍了一种基于扩频技术的非视距无线图像传输系统的设计方 案以及部分硬件设计。首先进行可行性分析，简要定性分析了非视距环境下无线 信道的状况和两种市场上适用于在非视距环境中传输图像数据的备选技术方案， 然后再参考成本预算、开发周期、实际需求等因素选择了直接序列扩频技术作为 目标系统的技术方案。接着对系统进行了顶层设计并逐步细化，最终完成了基带 电路板的制作与调试。 论文第一章讲述了目标系统的基本要求以及可行性分析；第二章介绍了系统 实现的理论基础，主要介绍了直接序列扩频的基本理论；第三章介绍了系统的结 构设计及细化；第四章介绍系统部分硬件电路的设计与实现；第五章介绍了通信 电路配置要点；最后，第六章进行总结。 关键字：非视距；扩频通信：直接序列扩频 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o 咖u n i c a t i o n s ，r e c e n t l y ，t h e d e m a n do fv i d e ot r a n s m i s s i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r eu r g e n t t r a d i t i o n a l m i c r o w a v et r a n s m i s s i o nr e q u i r e sr i g i d1 i n e o f s i g h( l o s )c o n d i t i o n ， w h i c hm e a n st h a tt h er d a db e t w e e nt h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rc a nn o t b eb l o c k e db yo t h e ri t e m s h o w e v e r ， i nc i t ya n ds u b u r bs c e n a r i o s ，t h e b l o c k a g ec a u s e db yv a r i o u sk i n d so fb u il d i n g sa n dl a n d f o r sa r ee x t r e m e l y s e v e r e t h ea i mo ft h i sw o r ki st ot a c k l et h ed r o b l e mo fv i d e ot r a n s m i s s i o n a tn o n li n e o f sig h( n l o s )e n v i r o n m e n t ，w h i c hi so fg r e a tv a l u ef o r p r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h ep a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h ei m p l e m e n t a t i o no fan l o sw i r e l e s s v jd e ot r a n s m i s s i o ne q u i p m e n tb a s e do ns p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g y i nt h e p h a s eo ff e a s i b l ea n a l y s i s ， w i r e l e s sc h a n n e li nn l o se n v i r o n m e n ti s a n a l y z e da tf i r s ta n ds e v e r a lk i n d so ft e c h n o l o g y ，w h i c hc a nh a n d l et h e c h a l l e n g i n gt a s ko fw i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o ni nn l o se n v i r o n m e n t a r e p r o p o s e df o rd i s c u s s i o na n ds e l e c t i o n a f t e rt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s a n dc o m p a r i s o no ft e c h n 0 1 0 9 yf e a t u r e s ， c o s tb u d g e t ， d e v e l o p m e n tp e r i o d a n dp r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s ， s p r e a ds p e c t r u mt e c h n 0 1 0 9 yi sc h 。s e nt o i m p l e m e n tt h et a r g e ts y s t e m i nt h ed e s i g np h a s e ， aw h o l et o p d o w n a n a l y s i sa n dm o d l n ed e s i g nw a sd o n e ，a n df i n a l l yt h ec i r c u i to ft h e b a s e b a n dm o d u l ew a sr e a l i z e da n dt e s t e d t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h eb a s i cr e q u i r e m e n t so fa i md r o d u c t a n dt h ef e a s i b i l i t ya n a l y s i s ：s e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r v o fd s s st e c h n o l o g yw h i c hi st h eb a s i so ft h et a r g e tp r o d u c t ：t h i r dc h a 口t e r i n t r o d u c e st h et o p d o w nd e s i g no ft h ew h 0 1 es y s t e m ：i nt h ef o l l o w i n gt w o c h a p t e r s ， t h er e a l i z a t i o no fb a s e b a n dm o d u l ec i r c u i ti si n t r o d u c e di n d e t a i l ：f i n a l l y ， s i x t hc h a p t e rg i v e st h ec o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o n k e yw o r d s ：n l o s ， d s s s ，s p r e a ds p e c t r u m 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和目的 近年来，随着无线通信的飞速发展，对视频的传输的需求越来越迫切。传统 的微波传输，都要求严格的视距条件，即收发之间不能有阻挡物体但在城市和野 外环境下，各种建筑和地形阻挡非常严重，尤其对于车载的移动或半移动图像传 输，条件更为复杂。此项目研发的系统可以用于非视距情况下图像的传输，具有 很大的实用价值。 1 1 1 课题背景及意义 在目前广大的无线产品市场中，非视距无线图像传输设备是许多厂商争相开 发的热点。视频信号的压缩技术和无线通信的扩频，微波等技术的发展使非视距 的图像传输能够实现。利用无线通信方式传输图像，可以监控异地影像和声音， 特别适用于布局复杂，遮挡严重的地形、楼群。对紧急的防汛、救灾及公安、军 事行动等都有重大的意义1 7 【8 】吼 1 1 2 项目的主要内容和目标 本项目的研究目标是解决非视距情况下的图像传输问题。 主要研究内容： l 、完成系统硬件设计和调试； 2 、开发视频压缩处理模块； 3 、开发通信控制模块； 4 、开发对抗非视距条件下各类干扰的算法 浙江大学硕士学位论文 1 2非视距( n l 0 s ) 条件下的无线传输 1 2 1 无线信号的传播方式 移动无线信道具有三个主要特点： 1 、传播的开放性，一切无线信道都是基于电磁波在空间传播来实现信息传 输的； 2 、接收点地理环境的复杂性与多样性，一般可将地理环境划分为三类典型 区域，即高楼林立的城市中心繁华区、以一般性建筑物为主的近郊小城镇区和以 山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区。本系统针对的是有严重遮挡情况下的地 形。 3 、通信用户的随机移动性，包括：慢速步行时的通信；高速车载时的不间 断通信。 这三大特点形成了电磁波传播主要方式： 1 、直射波：它是指在视距覆盖区内无遮挡的传播，直射波传播的信号最强。 2 、反射波：指从不同建筑物或其他物体反射后到达接收点的传播信号，其 信号强度次之。 3 、绕射波：从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其强度 与反射波相当。 4 、散射波：当信号遇到一个或多个较小的障碍物时，出现散射现象，即信 号分成了许多个随机方向的信号。散射在城市移动通信中为最重要的一种传播方 式。信号经散射后很难预测，因此理论模型往往建立在统计分析的基础上。 1 2 2 无线传播特性 移动无线信道的具有上述四种传输方式，而且由于信道本身的随机性，各机 制在传输中的地位也是随机的，这就是无线信道传输环境恶劣的主要原因。出于 上述原因，无线信道呈现很强的随机时变性。是一种时变信道。无线信道的这种 随机性和时变性大致可以划分为三类： 4 浙江大学硕士学位论文 1 、自由空间的传播损耗与弥散 在以公里计的较大范围内，接收信号长区间中值的变化特性表征了自由空间 的传播损耗与弥散。它是由两方面因素造成的：电波在均匀无损耗的理想空间传 播时，由于发射功率在空间中均匀辐射所引起的球面波扩散损耗；另一方面，实 际空间环境中充满着各种物体，有一部分对电磁波有吸收作用而造成的传播损 耗。对于这类损耗，主要靠增大发射功率以提高接收信号的场强来解决。 2 、阴影衰落 在数百波长的区间内，接收信号的短区间中值随着移动台运动而出现波动， 其变化速率较为缓慢。电波在传播路径上遇到障碍物阻挡而产生电磁场的阴影， 当移动台在运动中通过不同的阴影区时，会引起场强中值的缓慢变化，因此慢衰 落又称为阴影衰落。引起阴影衰落的障碍物包括起伏地形和建筑物等等。阴影衰 落使所预测的路径损耗会产生相当大的变化。由于阴影变化是由基站和移动台之 间大的地形特征所产生，所以阴影的影响在几十个波长内基本上保持不变。阴影 衰落可以用对数正态分布来描述。对于这种衰落，通常可以利用宏分集和功率控 制加以克服。 3 、小尺度衰落 由于移动通信大多采用v h f 、u h f 频段( 3 0 0 删z 3 0 g h z ) ，在这些频段内的 最大波长只有1 0 m ，与传播路径上的建筑物、树林、山丘等物体的线度相比要小 得多，故电波主要咀直射、反射、散射、绕射等方式传播，因此传播方式通常呈 现多径现象。但沿不同路径传播的电波大体上是相互独立的。如图卜1 ，在通信 终端周围有许多反射体，如建筑物、山丘、车辆等，这些引起反射、绕射的物体 通称为散射体。通信终端之间的通信可以通过许多路径发生，每条路径都可能经 历一次或几次反射或绕射，接收机接收到的信号来自所有路径信号的总和。对于 这种类型的散射环境，一般遵从瑞利( r a y l e i 曲) 分布或莱斯( r i c i a n ) 分布。 实测表明：这三种效应表现在不同的距离范围。从移动通信系统工程的角度， 前两种效应属于大尺度效应( l a r g e s c a l ee f f e c t s ) ，主要影响无线通信的距离 或者无线区的覆盖范围，可以通过相关措施消除其不利影响；而后一种效应属于 小尺度效应( s m a l l 一s c a l ee f f e c t s ) ，在数十个波长范围或极短时间内呈现快速 剧烈的随机性起伏，从而严重影响传输质量，并且不能通过前述的简单手段消除。 浙江大学硕士学位论文 1 2 3 非视距环境下的信道状况 如图卜l ，视距( l o s ：l i n eo fs i 曲t ) 环境下，在收发两点之间存在着无 遮挡的直接通路，即存在一条直射波的通路。信道以大尺度衰落为主，信道状况 较好，可以通过简单的比如功率控制来对抗信道的恶化。 非视距( n l o s ：n o nl i n eo fs i g h t ) 环境下，在收发两点之间不存在赢射 波的通路，信号只能通过反射，绕射以及散射在空间中传播。信道以小尺度衰落 为主，信道呈现明显的时变特性。其中多径效应是我们所要对抗解决的主要问题。 图卜1 视距与非视距条件下的信号传输 浙江大学硕士学位论文 1 3 课题技术调研与方案选择 对市场上同类产品进行调研，通过对十几种产品的调查，充分分析其技术特 点，产品成本等方面。使我对将要研发的系统有了整体的理解。并且根据调研结 果确定了该系统的技术方案。 市场上成熟的技术方案主要有两种： o f d m 技术+ m p e g 2 扩频技术+ m p e g 4 由于视频压缩技术不在我的涉及范围之内，在此我主要分析无线传输技术。 下文在充分考虑非视距情况下无线信号传输的状况，以及其对系统提出的性能要 求前提下，详细对比介绍了两种被选方案，最后作出方案选择。 1 3 1 技术方案一：正交频分复用( 0 f d m ) 技术 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 即正交频分复用技 术。在传统的并行传输系统中，整个带宽经分割后被送到予信道中，并且频带没 有重叠，但是其最大的缺点是频谱利用率很低，造成频谱浪费。所阱，人们提出 了频谱可以重叠的多载波系统。在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交，于 是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高 了频谱利用率。 o f d m 是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率向应曲线大多是 非平坦的，而o f d m 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交予信 道，在每个子信道上使用一个予载波进行调制，并且各予载波并行传输，这样， 尽管总的信道是非平坦的，也就是具有频率选择陡，但是每个子信道是相对平坦 的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因 此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于o f d m 系统中各个子载波是相互正交 的，所以频带利用率相对来说是较高的。 0 f d m 的基本原理实现方法是：信号经过串并交换，分成多条文路，也就是将 原始信号分别送到多条子信道上，然后由各支路的信号分别对各支路的载波进行 7 浙江大学硕士学位论文 调制。各支路相加后经射频变换再发送。它可以利用离散傅立叶反变换离散傅 立叶变换( i d f t d f r ) 代替多载波调制和解调。 o f d m 技术的优点： 可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高 速数据传输。 通过各子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。 o f d m 技术抗窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子 信道。 0 f d m + 瓶p e g 2 解决方案：带宽通常为6 8 删z ，图像质量满足广播电视编 辑制作要求，支持移动，通信速率较高，但由于载波的频率通常较高，绕射能 力差，一般车载对楼顶( 有阻挡) 可传输3 5 k m 。同时价格昂贵。 1 3 2 技术方案二：扩频技术( d s s s 和f h s s ) 扩频通信，即扩展频谱通信( s p r e a ds p e c t r u mc o 锄u n i c a t i o n ) ，它与光纤 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。扩频通 信是传输信息使用的射频带宽是信息带宽的1 0 倍至1 0 0 倍以上的通信体制。信 息本身不再是决定传输带宽的决定因素，传输带宽主要由发信机和对应收信机预 先制定的扩频码( 又称地址码) 序列确定。 扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码( 扩频序列：s p r e a ds e q u e n c e ) 调制，实现频谱扩展后弭传输；接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理， 恢复原始信息数据。 这种通信方式与常规的窄道通信方式是有区别的： 一是信息的频学扩展后形成宽带传输； 二是相关处理后恢复成窄带信息数据。 j e 是由于这两大持点，使扩频通信有如下的优点：抗干扰，抗噪音，抗多 径衰落，具有保密性，功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率，可多址复用 和任意选址，高精度测量。 直接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。扩频技术的 最大优点在于较强的抗干扰能力，以及保密、多址、组网、抗多径等，但由于各 种扩频方式的抗干扰等机理不同，因而各有其长处与不足。 浙江大学硕士学位论文 直扩和跳频技术的抗干扰机理刁；同，直扩系统靠伪随机码的相关处理，降低 进入解调器的干扰功率来达到抗干扰的目的；而跳频系统是靠载频的随机跳变， 躲避干扰，将干扰排斥在接收通道以外来达到抗干扰的目的。 抗强的定频干扰 直扩抗干扰是通过相关解扩取得处理增益来达到抗干扰目的的，但超过了 _ f 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。而跳频系统 是采用躲避的方法抗干扰，强的定频干扰只能于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重的。因此，在抗强的定 频干扰上，跳频系统比直扩系统优越。 抗衰落 抗衰落，特别是频率选择性衰落，这是室内通信环境下必须解决的问题。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重的畸变， 而对跳频系统而言，频率选择性衰落将导致若干个频率受到影响，导致系统性能 的恶化。跳频系统要抗这种选择性衰落，可采用快速跳频的方法，使每一个频率 的驻留时间非常短，平均衰落就非常低。此外，还可以采用l 比特信息用m 个频 率编码传输，也可较好地解决频率选择性衰落问题，这些郁是以提高跳频速率为 代价的。 抗多径干扰 多径问题是在移动通信、室内通信等系统中必须考虑的问题。如前面所述， 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。在接收端的直接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，会使信号产生严重的失真和波形展宽，导致码间串扰，不但能引起噪声增加 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 采用伪随机码的相关解扩，只要多径时延大于一个伪随机码的频谱宽度，这种多 径就不能对直扩系统形成干扰，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，则要求每一跳的驻留时间 很短，即要求快跳频，在多径信号没有到来之前接收机已开始接收下一跳信号。 综合评析两个应用扩频技术的方案 浙江大学硕士学位论文 直接序列扩频技术结合m p e g 4 视频压缩技术( d s s s 册e g 4 ) 带宽可达2 m 1 z ，帧速可达2 5 帧秒，但绕射穿透能力较差。 跳频技术结合m p e g 4 视频压缩技术( f h s s + m p e g 4 ) 具有较强的绕射穿透能力，但速率较低。 1 3 3 方案选择 综合考虑技术复杂度，成本控制等因素。本课题采用了d s s s ( 传输部分) 的方案来解决非视距图像传输的问题，在发射端，摄像机把采集的图像通过视频 编码器编码成一定形式的码流，这些码流经过扩频通信( d s s s ) 系统扩频后从天 线上发射出去。在接受端，天线接受到信号后经过解扩解调，再由视频解码器进 行解码，把解码后的视频在图象显示终端上显示出来。系统将采用3 4 0 m i z 的频 段，期望其具有很好的绕射能力，能够实现在教严重阻挡环境下的非视距传输。 1 4 本人承担的设计任务 l 、分析项目具体需求，制定课题的研究方向： 2 、研究各方向情况，并进行分析和对比； 3 、设计系统整体方案，并进行应用细化； 4 、芯片和硬件电路的功能筛选； 5 、搭建基带处理模块和接口部分的硬件电路； 6 、结合研发情况提出系统的阶段性改进意见： 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章无线扩频通信技术 2 1 扩频通信技术的介绍 2 1 。l 扩频通信的一般概念 所谓扩频通信，是指用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身带宽的一种 通信方式。扩频系统具有如下两大特点叫： l 、系统占有的频带宽度远远大于要传输的原始信号带宽( 或信息比特速率) 。 且系统占有带宽与原始信号带宽( 或比特速率) 无关。 2 、解调过程是由接收信号和一个与发送端扩频码同步的信号进行相关处理 来完成的。 扩频通信技术是一种信息传输方式，在发端采用扩频码调制，使信号所占的 频带宽度远大于所传信息必须的带宽，在收端采用相同的扩频码进行相关解调来 解扩以恢复所传信息数据。 有许多调制技术所用的传输带宽大于传输信息所需要的最小带宽，但它们并 不属于扩频通信，例如宽带调频、低速率编码调制等。 设皿代表系统占有带宽( 信号带宽) ，吃代表原始信号带宽( 信息带宽) ， 则通常认为 f l 一2为窄带通信 。2 嚣缝舅雾嘉嚣 显然，扩频通信属于宽带通信，其系统带宽一般为信息带宽的1 0 0 一1 0 0 0 倍。 2 1 2 扩频通信技术的理论依据 扩频技术的理论依据可由信息论和抗干扰理论两个角度来加以分析。 浙江大学硕士学位论文 2 1 2 1 由信息论角度分析 c 圳0 9 2 ( 1 + 熹) 协， 啦，帆( t + 南 。， 0 为白噪声功率谱密度。 一s c 肚1 4 4 南 ( 2 _ 3 ) 。 n b z 一3 浙江大学硕士学位论文 提高了通信的抗干扰能力，使之在强干扰情况下( 甚至在信号被噪声淹没得情况 下) ，仍然可以保持可靠的传输。 香农公式是在一定条件下得到的，条件就是噪声和信号都是高斯分布的。许 多通信信道可以很精确的用平稳加性高斯白噪声信道来模拟。在这种环境下，一 般的宽带通信系统可以十分有效的工作。但是，有一些重要的通信信道不符合这 个模型。例如军事通信系统需要在电子对抗环境下工作。在现代战争中，电子战 是不可分割的组成部分，电子干扰不仅是战役战斗的保障手段，也是一种重要的 作战手段。电子战干扰不可能用平稳高斯白噪声信道来模拟。另一类干扰，即收 发信机之间存在多径传播时，信号自身的多径干扰不符合平稳加性高斯白噪声模 型。在这种环境下，一般的宽带调制系统不能很好的解决抗干扰问题。而扩频调 制则是解决上述类型干扰有害影响的最有效的措施之一。 2 1 2 2 由抗干扰理论角度分析 柯捷尔尼可夫在其潜在抗干扰性理论中得到如下关于信息传输差错概率的 公式： e 叫昙睾 协t ， 瓢 b 、 该公式指出，差错概率p 是输入信号与噪声功率之比( s ) 和信号带宽与 信息带宽之比( b b ，) 二者乘积的函数，信噪比与带宽是可以互换的。它同样指 出了用增加带宽的方法可以换取信噪比的好处这一客观规律。 2 1 3 扩频通信技术的优点 扩频通信技术是一种具有优异抗干扰性能的技术，其主要优点是： 1 、抗干扰能力强 扩频通信系统扩展的频谱越宽，处理增益越高，抗干扰能力就越强。对于 单频及多频载波信号的干扰、其它伪随机调制信号的干扰，以及脉冲正弦信号 的干扰等，扩频系统都有抑制干扰、提高输出信噪比的作用。特别是对抗敌方 人为干扰方面，效果很突出。简单举例来说，如果信号频带展宽了1 0 0 0 倍， 浙江大学硕士学位论文 则干扰方需要在更宽的频带上去进行干扰，从而分散了干扰功率，在总功率不 变的条件下，其干扰强度只有原来的l 1 0 0 0 。而要保持原有的干扰强度，则 必须使功率增加为原来的1 0 0 0 倍，这在设计情况下是难以实现的。另外，由 于在收端采用了扩频序列相关检测，即使有同类信号进行干扰，也起不到太大 的作用。 2 、隐蔽性、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 号的功率谱密度就很低。所以，应用扩频码序列扩展频谱的直接序列扩频系统， 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 既然被淹没在噪声中，敌方就很难发现有信号存在，而想进一步检测出信号的 参数就更困难了。因此，扩频信号具有很低的被截获概率，具有很好的隐蔽性、 保密性。 3 、可实现码分多址通信 由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用正交或准正交的 扩频码序列之间的相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配 给不同用户以不同码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。 因此，可在同一宽频带上许多用户同时通信而互不造成严重干扰。这种码分多 址方式，虽然要占用较宽的频带，但平均到每个用户占用频带来计算，其频带 利用率是较高的。 4 、抗衰路、抗多径干扰 众所周知，移动信道属随参信道，信道条件最为恶劣。由于移动台不断移 动，受地形地物的影响产生慢衰落现象。更为严重的是，由于多径效应产生快 衰落现象。在频域上来看，多径效应会产生频率选择性衰落。扩频系统具有潜 在的抗频率选择性衰路的能力。这是因为扩频通信系统所传送的信号频谱己扩 展很宽，频谱密度分低，如在传输中小部分频谱衰落时，不会使信号造成严重 的畸变。而且在码分多址中，还可阻采取把多个路径来的同一码序列的波形相 加合成，从而能有效的克服多径效应。 1 4 浙江大学硕士学位论文 5 、能精确的定时和测距 电磁波在空间传播的速度为光速，若知道在两个物体之间传播的时间，就等 于测量出两个物体之间的距离。在扩频通信中，因频谱很宽，扩频码速率也就很 高，所以每个码片所占用的时间就很短。当发射出去的扩频信号被所测物体反射 回来后，接收解调出扩频码序列。比较收、发两个码序列相位之差，就可测出往 返时间差，从而算出两者之间的距离，测量的精度决定于码片的宽度，码片越 窄，精度越高。全球定位系统就采用了这种技术。 2 1 4 扩频通信方式分类 扩频通信技术按其工作方式可以分为以下几种： 1 、直接序列扩频( d s s s ：d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 。它是用待 传信息信号与高速率的伪随机码波形相乘后，去直接控制射频信号的某个参量。 2 、跳频扩频( f h s s ：f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 。数字信息与 二进制伪码序列模2 相加后，去离散的控制射频载波振荡器的输出频率，使发射 信号的频率随伪码的变化而跳变。 3 、跳时扩频( t h s s ：t i m eh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 。用伪码序列来启 闭信号的发射时刻和持续时间。发射信号的“有”、“无”同伪码序列一样是伪 随机的。跳时一般和跳频结合起来使用，两者一起构成一种“时频跳变”方式。 4 、线性调频( c h i r pm o d u l a t i o n ) 。射频脉冲信号在一个周期内，其载频 的频率作线性变化。 此外，还有这些扩频方式的组合方式，如f h d s 、t h d s 、f h t h 等。一般采 用混合方式在技术上要复杂一些，实现起来也要困难一些，但它们比单一的d s ， t h ，f h 方式具有更优良的性能。 直接序列扩频( d s ) 和跳频技术( f h ) 是在扩频通信中应用最广的两种技术。 两者的比较参见1 3 2 小节。 2 1 5 扩频通信技术的国内外研究状况 扩频通信方式在二十世纪四十年代就提出来了，但真正的研究是在五十年代 浙江大学硕士学位论文 中期在美国开始的。五十年代美国麻省理工学院研究成功n 啡a c 系统( n 0 i s e m o d u l a t i o na n dc o r r e l a t i o ns y s t e m ) ，成为扩频通信研究发展的开端。从此在 军事通信、空间探测、卫星侦察等方面进行了广泛应用研究。六十年代以来，随 着信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的发展以及军事产品向民用转 化，推动了扩频通信理论、方法、技术等各方面的研究发展和应用普及。 扩频技术中的跳频技术发展很快，到八十年代初期己开始商品化，在地面区 域性战斗网的电台中采用跳频系统。目前跳频系统的跳速可做到每秒上万次，试 验样机可做到每秒几十万跳。 由于高速直接序列扩频通信系统的实现有很大的难度，随着数字化扩频接收 机的出现，直接系列扩频通信系统的产品迅速开发出来。到了九十年代，出现了 速度高达5 0 m c h i p s s 的直接序列扩频通信的军事电台。而且直接序列扩频通信 系统产品在民用方面也得到了很大的发展，它主要应用在c d m a 移动通信和无线 局域网中。在c d m a 移动通信方面，美国首先研制出了窄带c d m a 系统，目前各国 都在加紧研制第三代移动通信系统。 直接序列扩频是一种最古老的扩频技术。它被许多现存的和未来的蜂窝 c d m a 通信系统采用并广泛应用在军事通信网络系统中。直接序列扩频之所以能 够一直受到人们的关注和普及使用，主要的一个原因是因为它在不断改进和发 展，适应诸如频率资源限制、各种干扰抵抗、数字集成化、设计智能化等等日益 繁多的要求。本文的主旨在于创造性的应用直接序列扩频技术来实现在非视距环 境下的图像传输。 浙江大学硕士学位论文 2 2 直接序列扩频技术( d s s s ) 2 2 1 直接序列扩频通信的基本原理 图3 1 所示的方框图表示扩频通信系统模型的基本组成原理，其发送端的输 入和接收端的输出均为二进制信息序列。伪随机序列发生器产生的伪随机二进制 序列在调制器中旅加到发送信号上，在解调器中从接收信号中去掉。 图2 1 扩频通信系统基本组成原理 为了解调接收信号，要求接收机产生的伪随机码序列与接收信号中所含的伪 随机码序列同步。当通信的两端建立时间同步后，信息传输便可开始。 下面我们假设直接序列扩频信号的数据调制采用b a s k 调制，信号定义可以 写为： s ( f ) = 彳口( f ) d ( f ) c o s ( q f + 目) ( 2 5 ) 其中爿是信号的幅度，口( r ) 是周期为t 的矩形脉冲序列，d ( f ) 使周期为r 的矩形 脉冲序列，代表数字符号。在大多数应用中，丁= i ，口( ，) 的脉冲传递与d ( f ) 的 同步进行。信号口( r ) 被称为扩展信号，它的基本脉冲通常被称为码片，而这个基 本脉冲的形状就是码片波形。码片速率疋= 1 乏，数据速率= 1 乃。载波频率 正= q 2 石。我们假定( f ) 的带宽远小于载频，即疋五。 矩形脉冲的周期五定义为：在o s f 五时，以( r ) = l ：其他t 时，n o ) = o a d ( f ) 的脉冲幅度可由扩展序列( 矗) 一，t 。，_ ，x ：，得到，对矩形码片波形来 ，7 i 圃凋 卿鬻 浙江大学硕士学位论文 讲： 一1 口( f ) = 既( f 一胛z ) ， o f 丁 ( 2 6 ) 式中相应的数据信号为d ( f ) = 威胁( f ) ，其中成表示数据符号a 对包含几个数据 符号的消息或数据包来说，口( ，) 的总数和时间间隔会受到消息的长度的限制。序 列( 靠) 可以是周期的，这样在消息期间此序列可能会有重复。最好是使序列不重 复或者说使其周期超过消息长度。在许多应用中，扩展序列( h ) 的每个元素取值 为+ 1 或一l 。这样的二进制序列通常由逻辑设备产生o 和1 的序列后，在按0 专+ l 1 斗一1 的规律变换。因为( 矗) 通常具有某些随机特性，所以又被叫作伪随机序列a 通常，我们使用伪随机序列来泛指那些具有利于扩频系统使用的特定性能的序 列。 下面直观的观察直接序列扩频信号扩频前后的频谱，见图2 2 ，明显的看到 频谱展宽的效果。 笔三蚤荟兔。兰丑f h 。岳三孚虱。芒f 吁习弭t + k 扣一 图2 2 直接序列扩频信号扩频前后的频谱 2 2 2 直接序列扩频通信的性能分析 下面介绍衡量扩频系统优劣的两个主耍指标：处理增益和干扰容限。 1 、处理增益 通常在衡量扩频通信系统抗干扰能力优劣时，引入处理增益q 的概念来描 述，其定义为接收机输出信噪功率比与接收机的输入信噪功率比之比，即 1 8 浙、江大学硕士学位论文 g ：笙坐堡坚堕圭竖：垃：生 ，。一，、 l7忡斗 r ) 一7 、 输入信噪功率比岛兄 “ 其中，曰。为扩频后的带宽，玩为基带数据带宽，r 。为扩频后的伪随机码速率， r 为基带数据速率。 然而，并不是说当干扰信号的功率电平和有用信号的功率电平之比等于系统 的处理增益时，相关处理后还能实现通信功能。例如，设系统处理增益为5 0 d b ， 输入到接收机的干扰功率电平为信号电平的1 0 5 倍，即信噪比为一5 0 d b 时，显然 此时系统就不能正常工作了。因此引入“干扰容限”的概念，用它来表示扩频系 统在干扰环境中的工作能力。 2 、干扰容限 所谓干扰容限，是指在保证系统正常工作的条件下，接收机能够承受的干扰 功率比信号功率高出的倍数。干扰容限考虑了一个可用系统输出信噪比的要求， 而且顾及了系统内部信噪比损耗( 包括滤波器的损耗、放大器的损耗和相关处理 器的损耗) 。干扰容限定义为： 够啼b 韫 s ， 其中m ，为干扰容限，g ，是扩频系统的处理增益，三，是系统的执行损耗， ( 昙 。是基带数据解调要求的信噪比。 干扰容限直接反映了扩频系统可容许的极限干扰强度，即只有当干扰功率超 过干扰容限后，才能对扩频系统形成干扰。因而干扰容限往往比处理增益更确切 的反映了系统的抗干扰能力。例如，某系统扩频处理增益g 。= 3 0 d b ，系统损耗 上。= 2 d b ，为了保证信息解调器工作时误码率低于l o 一要求解调器的输入( 即 解扩器的输出) 的信噪比为1 0 d b ，由此可得干扰容限为 m = 3 0 一( 2 + l o ) = 1 8d b 也就是说，只要接收机前端的干扰功率不超过信号功率1 8 d b ，系统就能正常工 作。 浙江大学硕士学位论文 在设计工程应用中，扩频接收机的相关解扩器和基带数据解调器往往达不到 理想的线性要求，其非线性和码元跟踪误差等将会导致信噪比损失，且在输入信 噪比很低时存在门限效应。因此扩频接收机实际上允许输入的信噪比比干扰容限 还要低。实际允许的输入干扰电平称为“干扰门限”。设输入干扰功率为，输 入信号功率为s ，则在扩频接收机的研制中，要精心设计扩频的解扩系统和码元 跟踪系统，使干扰门限满足下式： p 讣( 玑艏一叫l 值一。， 式中左边的第二项可用频谱仪在接收机基带滤波器输出端测得。 2 2 3 直接序列扩频通信系统的优缺点分析 直接序列扩频系统会遇到各种干扰，除去多径干扰外，常见的有宽带干扰( 通 常为白噪声，如雷电、大气噪声、工业设备点火装置等) 、单频干扰( 如其它常 规通信设备信号) 、多频干扰( 多址信号干扰) 等。因为直接序列扩频系统具有 很高的处理增益，能对有用信号进行相关接收，对干扰信号进行频谱扩展，干扰 的大部分功率都能被接收机中频带通滤波器滤除，所以系统的抗干扰能力很强。 接收机把所需频谱解扩到原始信息带宽，而把其他干扰扩展到扩频调制带 宽。干扰信号的功率谱密度被处理增益降低了。接下来的低通滤波器的频带满足 信息带宽，所以只有l n 的干扰信号功率从低通滤波器输出。也就是说，处理增 益越大，抵抗干扰的能力越强。 我们知道，扩频处理过程占用n 倍的带宽，所以功率谱密度降到1 n 。如果 功率谱密度足够低，扩频信号就可以和其他窄带系统共同传输，而不会对他们造 成很大的干扰。同时信号功率谱完全淹没在背景噪声下，再加上扩频码的伪随机 性，扩频信号具有很强的隐蔽性。 综合起来，直接序列扩频系统具有很多优点： 1 、信号功率谱密度低，功率污染小。 2 、伪随机序列的伪随机性使信息具有保密性，系统本身具有加密的能力。 3 、具有抗宽带干扰、抗多频干扰及单频干扰的能力。 4 、利用相关接收，使系统具有抗多径效应的能力。 2 0 浙江大学硕士学位论文 当然与其他的通信系统相比，直接序列扩频通信系统也存在着固有的不足： 1 、直接序列扩频通信系统的接收机存在明显的远近效应。 对于直扩多址通信系统，由于各地址信号所用的扩频码并非完全正交，即使 完全正交，各用户地址码也可能不同步或存在同步误差，那么对于网中的一个直 扩信号来说，多址通信的各i 临台信号都是宽带干扰。所以这种系统对多址信号的 抑制能力并非无穷大，在进行多址通信时就存在着大功率信号( 近处电台) 抑制 小功率信号( 远处电台) 的现象，即远近效应。、 远近效应将极大地限制直扩系统的容量，从而影响到通信的质量。对此，需 要在系统中采用自动功率控制以保证远端和近端电台到达接收机的有用信号是 同等功率的。这一点，增加了直接序列扩频系统在移动通信环境中应用的复杂性。 2 、直接序列扩频通信系统窄带性能不好。 抗窄带干扰是由处理增益实现的。这种干扰可能来自于人为干扰或已经存在 的窄带系统。由于部分频带干扰能量相对集中，对直扩系统的危害要比全频带干 扰大。同样，直扩系统对频率与其中心频率相等的瞄准式单频或窄带干扰的抑制 能力比对宽带干扰的抑制能力也要低。 直接序列扩频系统的处理增益受限于码片速率和信源的比特率，即码片速率 的提高和信源比特率的下降都存在困难。处理增益受限，意味着抗干扰能力受损， 多址能力受损。 直接序列扩频通信系统是宽带系统，虽然可与窄带系统电磁兼容，但不能与 其建立通信。另外，对模拟信源( 如语音) 需作预先处理( 如语音编码) 后，才 能接入直扩系统。 目前直接序列扩频通信技术仍不断向着新的方向发展，以便更好的应用于移 动通信、个人通信、军事通信、卫星通信及导航定位系统中。例如，多用户检测 技术、自适应信号处理应用技术、混沌序列作扩频地址码技术等。这些技术分别 从接收信号的检测、接收信号的分离以及扩频码字的相关特性方面考虑，解决了 抗多径、抗远近效应、抗窄带干扰、在相同发射频率下提高接收灵敏度等一系列 问题，并且系统的复杂度与性能也有很好的折衷。 浙江大学硕士学位论文 第三章系统结构设计与细化 3 1 系统整体结构设计 系统整体设计可以分为三个部分如图2 1 ： ( 1 ) 图像数据压缩部分； ( 2 ) 接口部分：连接数据压缩与数据传输两个部分 ( 3 ) 无线通信部分； 乎 料 捌 妲 图3 1 系统整体结构框图 在发射端，摄像机把采集的图像通过图像编码器编码成一定形式的码流，这 些码流经过扩频通信( d s s s ) 系统扩频后从天线上发射出去。在接受端，天线接 受到信号后经过解扩解调，再由视频解码器进行解码，把解码后的视频在图像显 示终端上显示出来。 繇帐v州镫嚣聪鞲|v 浙江大学硕士学位论文 3 2 无线通信部分的总体设计 在设计无线通信部分时将其分为基带处理部分与射频收发部分，如图2 - 2 。 基带处理部分主要完成数据的搬运，协调，控制，通信协议和算法的实现等。 在此主要完成基带扩频工作。 射频收发部分主要完成信号的调制，频谱搬移，滤波，放大以及发射和接收。 先将基带信号变换到中频完成摸拟调制，然后再变换到射频进行收发。射频收发 模块部分是单纯的电路设计，不需要对其进行编成驱动。 基带处理部分是全数字处理，而射频收发部分是模拟电路。为了避免干扰， 方便开发，在实际的硬件实现上将该无线通信部分分为三个子部分完成。每一个 子部分对应一块独立的电路板，通过信号线将它们连接起来。如图2 2 。 基带处理模块中频调制解调模块射频收发模块 完成基带扩频解扩完成中频模拟调制 完成无线收发 图3 2 无线通信部分总体结构框图 卜1繇 浙江大学硕士学位论文 3 3 无线通信部分的细化设计 本小节首先介绍系统终端细化设计时所要考虑的约束因素，然后结合该系统 的应用需求以及成本预算选取合适的参数，最后根据所选取的参数细化设计整个 无线通信部分。 3 3 1 直接序列扩频通信系统设计时的参数约束分析与选择 一般在进行直接序列扩频通信系统设计前，都要考虑到目标系统的各种参数 约束。本项目中的直接序列扩频通信系统主要指直接序列扩频通信终端，实现点 对点的传输，不包括组网所需设备。通常目标系统参数约束主要有如下几个方面： 信息数据的传输速率、调制方式、带宽、频率、扩频码类型以及同步性能等。分 别叙述如下。 3 3 1 1 信息数据的传输速率 在一个数据传输通信系统中，信息数据的传输速率是与数据终端的应用有关 的。例如要传输语音信号，若采用p c m 编码，则需比特传输速率至少为6 4 k b p s 。 本系统的传输任务是传送图像数据，所以要求数据率比较高。但是系统资源有限， 对非视距下恶劣信道的良好的对抗性与高的数据率是一对矛盾，需要在两者之间 作折中考虑。目前认为2 5 6 k b p s 的数据率能够满足最基本的图像传输需求，节省 的系统资源全部用来对抗各种干扰。 3 3 1 2 调制方式以及带宽的选择 由于频带日益紧张，因此提高频带利用率是现代通信系统的一个很重要的要 求。系统带宽