扩频通信技术的应用

扩频通信技术的应用【摘要】扩频通信，即扩展频谱通信(SpreadSpectrumCommunication)，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。扩频技术最大的特点是利用宽频带来传输信号。由于扩频系统具有许多优点，如抗干扰能力强、截获概率低和保密性强以及良好的码分多址通信能力，所以扩频技术已被广泛应用。CDMA就是利用扩频技术发展起来的一种扩频通信方式，它具有容量大，通信质量好，节约发射功率等优点。文章试就一些扩频通信的原理及中CDMA采用的扩频技术作些讨论，此外也简单介绍了一些扩频通信在其他方面的应用。SpreadSpectrumCommunication,namelytheSpreadSpectrumCommunication(Communication),itSpreadwithsuchopticalfiberCommunication,satellitecommunicationswiththeinformationeraisknownasintothreehightechnologytransmissionmode.Spreadspectrumtechnologysbiggestcharacteristicsistousebroadbandbringtransmissionsignal.Becauseofspreadspectrumsystemhasmanyadvantages,suchasstronganti-jammingcapability,interceptprobabilityandlowconfidentialitystrongandgoodcommunicationability,sothecodedivisionmultipleaccess(cdma)hasbeenwidelyspreadspectrumtechnologyapplication.CDMAisusingthespreadspectrumtechnologydevelopedakindofspreadspectrumcommunicationmode,ithasalargecapacity,goodqualityandsavingcommunicationtransmissionpower,etc.ThisarticletriestosomespreadspectrumcommunicationprincipleandCDMAadoptedinthespreadspectrumtechnologymakesomediscussionInadditionalsointroducedsimplysomespreadspectrumcommunicationinotherapplications关键词 扩频通信码分多址（CDMA）本地接入网电力系统一、扩频通信的理论基础扩频通信，是扩展频谱通信的简称。它是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式，利用比原始信号（信源产生的信号）本身频带宽得多的射频信号的通信，扩展频谱通信在扩频通信系统中，发信端用一种特定的调制方法将原始信号的带宽加以扩展，得到扩频信号。收信端再对接收到的扩频信号加以处理，把它恢复为原来带宽的所要信号。扩频信号带宽与原始信号带宽的比值，称为扩频通信系统的处理增益GP，它是扩频通信系统的重要参数。多数扩频通信系统的GP值远大于10。根据仙农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出的信道容量公式，即仙农公式：C=WLog2(1+S/N)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S/N。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S/N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。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。系统的抗干扰容限MJ定义如下：式中：（S/N）。=输出端的信噪比，LS=系统损耗由此可见，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。其中，扩频包括以下几种类型：（1）直接序列扩频简称直扩（DS）。所传送的信息符号经伪随机序列（或称伪噪声码）编码后对载波进行调制。伪随机序列的速率远大于要传送信息的速率，因而调制后的信号频谱宽度将远大于所传送信息的频谱宽度。（2）载波频率跳变扩频简称跳频（FH）。载荷信息的载波信号频率受伪随机序列的控制，快速地在给定的频段中跳变，此跳变的频带宽度远大于所传送信息的频谱宽度。（3）跳时（TH）将时间轴分成周期性的时帧，每帧内分成许多时片。在一帧内哪个时片发送信号由伪码控制，由于时片宽度远小于信号持续时间从而实现信号频谱的扩展。（4）脉冲调频发信端发出射频脉冲信号，在每一脉冲周期中频率按某种方式变化。在收信端用色散滤波器解调信号，使进入滤波器的宽脉冲前后经过不同时延而同时到达输出端，这样就把每个脉冲信号压缩为瞬时功率高、但脉宽窄得多的脉冲，因而提高了信扰比。这种调制主要用于雷达，但在通信中也有应用。（5）混合扩频几种不同的扩频方式混合应用，例如：直扩和跳频的结合（DS/FH），跳频和跳时的结合（FH/TH），以及直扩、跳频与跳时的结合（DS/FH/TH）等。扩频通信占用的信道频带要比其他通信方式宽得多。采用扩频通信是因为它具有以下特点：河南理工大学课程论文抑制干扰能力很强，经过接收机对信号的处理，可把信道中加进的并与扩频信号频带重叠的各种干扰信号强度减弱到原有的1/GP左右,因而使信扰比值提高了近GP倍。扩频通信并不能抑制自噪声的干扰，但能够有效地减弱各种窄带信号的干扰；信号的功率谱密度很低；信号便于隐蔽和保密；可用以实现具有随意选址能力的码分多址通信（见多址通信）；用扩频信号通信的同时可进行高分辨率的测距。二、扩频通信在CDMA中的应用鉴于扩频通信技术具有以上的特点和优点，而其中的直接序列扩频系统有具有抗截获性，潜在抗多径干扰能力，可用于测距定时系统等优点，被广泛应用在了IS95中来实现CDMA通信。CDMA是一种以直接序列扩频技术为基础的多址接入通信方式，这种方式是通过给每个用户分配一个具有良好自相关性和弱互相关性的唯一扩频码片（也叫伪随机序列PN码），并用它对承载信息的信号进行编码而实现的。在接收端，接收机使用相同扩频码片对收到的信号进行解码，并将其转换成原始带宽信号，而其他用户的宽带信号却保持不变。这是因为该用户为随机码序列与其它用户伪随机码序列的互相关性很小。为了直观说明直接序列扩频通信，假设每个信息比特采用3比特的扩频码片，在直接序列扩频通信中每个信息比特与扩频码片进行异或操作（模2加），然后传送出去。表1给出了采用扩频码片010传送信息比特101的例子，注意使用3比特的扩频码片，三个信息比特就变成了9个连续的比特。表1：信息比特101扩频码片（伪随机码）010传送比特（异或操作后）也就是说，第一个信息比特“1”与每个扩频码片“010”进行异或，从而产生比特序列“101”，然后代表信息比特“1”传送出去。接着信息比特“0”与每个扩频码片“010”进行异或，得到“010”，然后代表信息比特“0”发送出去。最后第三个信息比特“1”与扩频码片进行异或，得到三个比特“101”，然后代表信息比特“1”发送出去。由于扩频码片给要传送的信息比特增加了冗余位，这使得接收机能够在一个或多个原始数据遭到破坏后仍能恢复数据。当然数据恢复能力取决于扩频码片长度与被破坏的数据长度。如果能够恢复数据，就可以避免重传。如果接收机不知道扩频码片，那么它就不能正确接受信息，接受信号表现为低功率的宽带噪声，所以直接序列扩频适用于可靠安全的军事通信。正是由于CDMA使用了这种基于直接序列扩频技术为基础的多址接入方式使得CDMA天生具备了很多扩频技术天生的优点。主要有：（1）由于使用扩频信号，系统具有很强的抗多种干扰的能力，特别是具有抗多径干扰的能力。（2）扩频信号的功率谱密度很低，即在单位带宽中的功率很小，对于一般非扩频通信系统几乎不构成干扰因此可以与其共用同一频段从而提高频带利用率。（3）保密性好。这是因为传输的信号只能由知道此信号扩频码片的接收机才能恢复原始信号。（4）低拦截概率。因为它的功率谱密度低，扩频信号很难被恶意接收者检测和拦截。而提到CDMA就不得不提到如今最热门的3G移动通信技术，也就是第三代移动通信技术。第一代移动通信系统通常指提供模拟业务的一些无线系统，如美国的AMPS、英国的TACS。紧接着是几种不同类型的移动通信系统，主要采用不同的接入方式来提高系统的容量，并提供更好的质量以及其他特点。基于TDMA的D-AMPS1900(北美)、GSM（欧洲）和CDMA都代表着第二代移动通信技术。第二代系统的一个关键问题是它们仅限于语音、传真和低比特速率的数据传输。因为当前的时代需要Internet、MP3和多媒体，所以第二代系统已经不能满足现代应用了现在世界各国都在研究能够提供更高传输速率的宽带CDMA，能提供各种多媒体和网络业务的移动通信方式，也就是第三代（3G）移动通信，并已经取得一定成果。为了提供比其他接入方式更高的容量和优点，IMT-2000（由国际电信联盟ITU启动的通用移动电信系统/国际移动电信2000计划）在接受了各国对于第三代移动通信方式的提案后，采用CDMA技术，列出了三个标准。即美国的CDMA2000，欧洲的WCDMA和中国的TD-SCDMA。到时使用手机高速上网，进行可视电话将不再是梦想。这也正是CDMA网络相比GSM网络及其下的GPRS技术所无法取代的优势所在。而随着CDMA和3G-CDMA技术的不断发展，在其中占据着重要地位的关键技术，直接序列扩频技术（DS）更是会取得长足的进步和发展，逐渐遍布到我们身边的方方面面。三、扩频通信在其他方面的应用1、扩频通信在电力系统中的应用（1）点对点电力调度系统在这种方式中，一对扩频电台起通道作用，在两个远离的地点之间构成一个无线链路。扩频电台实际上起modem的作用，它负责将要发送的数据进行扩频调制，并经天线发送出去，或将接收信号经相关解调恢复出原始数据码。在变电站，复用器将话音信号数字化后与远动机的数据信号进行时分复用，通过扩频电台传给调度所；相反方向，调度所通过扩频电台将遥控遥调等数据信号传给变电站。前置机和远动机一般传输异步数据且速率较低，通常采用RS232C接口，因此扩频电台采用64kb/s的速率即可，扩频电台、复用器均可使用最普遍的RS232C接口。扩频电台的传输距离一般为50km，但实际通信距离与所使用的天线增益、高度以及地理环境有关。如果要延长通信距离，扩频电台也可组成中继方式。（2）一点多址变电站无人值守系统在一点多址方式下，中心站的一个扩频电台和远端的多个扩频电台通信，所有的扩频电台工作在同一频率，远端的扩频电台不启动通信而靠中心的设备依次轮询远端的扩频电台，而远端的扩频电台只有在收到与之相连的设备的数据后才进行传输。中心站一般安装全向天线，远端变电站应安装定向天线对准中心站。图像传输分为静态图像传输和动态图像传输两种，选择哪种方式主要取决于传输图像的信道带宽和实际的图像监控需要。由于变电站的图像变化极其缓慢，采用静态图像传输方式就能够满足变电站远方监视的需要。若采用64kb/s的扩频电台进行组网，可以提供两路话音和两路速率为19.2kb/s的异步数据（RS232C接口）。两路数据通道，一路用来传送远动信息，一路用来传输静态图像信号，实现对变电站的远方监视。如果要求图像画面运动时连续性好、质量优良，则需要采用传输速率不低于384kb/s的扩频设备和图象编、解码器。传输速率384kb/s时，图像15帧；传输速率2Mb/s时，图像25帧。扩频设备、图像编、解码器和复用器之间采用V35或G703接口。（3）无线自动抄表系统目前，居民用电抄表仍是挨门挨户的人工抄表，实现自动抄表，不但可大大减少抄表的工作量，而且可及时反映用户的用电情况，对用电进行监督管理，防止窃电。自动抄表系统由电表、采集器、集中器和扩频电台等设备组成。光电传感器输出电脉冲，供采集器采集，采集器可采集1-16个用户的用电量。集中器一般安装在变压器（副边220V输出）附近，它通过电力线集中抄录台区内所有采集器的数据进行预处理，然后通过扩频专线送至供电局中央计算机进行集中处理。采集器和集中器均含有电力线调制解调单元，亦可在各开闭站建立低功耗小型无线扩频站点，利用装有无线扩频采集设备的车辆沿路跑一遍，即可将集中器中的用户用电数据收集起来。2、扩频通信在本地接入网中的应用接入网是由传统的用户线、用户环路和用户接入系统，逐步发展、演变和升级而形成的。现代电信网络分为3大部分：传输网、交换网和接入网。由于接入网发展较晚，往往成为电信发展规律的“瓶颈”，各国都很重视接入网的发展，各类接入技术和系统应运而生。例如，有线接入系统，包括铜线接入、光纤接入和光纤同轴混合接入等；无线接入分为移动接入和固定接入系统。其他的接入技术，如电力线、有线电视同轴缆、3G等。由于它们的协议规范还未得到认可，目前还都是在试用阶段，还未大量投入商用，所以光纤接入技术无可替代地担当了当今接入技术的主要角色。由于ISM（Industry/Scientific/Medical）频段的开放，经营者和用户不需申请授权就可自由地使用这些频段，而无线扩频技术所使用的频段（2.4002.48385GHz）正是全世界通用的ISM频段，包括IEEE802.11协议架构的无线局域网也大部分选用此频段。在无线接入系统中，扩频微波与常规微波相比有着3个显著的优点：抗干扰性强；频点问题容易处理；价格比较便宜。而且，扩频微波接入技术相比较有线接入技术来说，以