扩频通信技术特点及应用

扩频通信技术特点及应用摘要扩频通信技术(简称扩频通信)是一种新兴的高科技通信技术，具有大容量、抗干扰、低截获功率等特点以及可实现码分多址(CDMA)等优点，在军事和民用通信系统中都得到了广泛的应用，并成为下一代移动通信的技术基础。对扩频通信技术的抗干扰性能、抗多径干扰、多址能力等特点作了说明，并对扩频CDMA数字蜂窝系统的关键技术和容量优势做了阐述。关键词扩频通信，CDMA，多径干扰，多址，容量一、序论人类社会进入到了信息社会，通信现代化是人类社会进入信息时代的重要标志。怎样在恶劣的环境条件下保证通信有效地、准确地、迅速地进行，是当今通信工作者所面临的一大课题。扩展频谱通信是现代通信系统中的一种新兴的通信方式，其较强的抗干扰、抗衰落和抗多径性能以及频谱利用率高、多址通信等诸多优点越来越多的为人们所认识，并被广泛的应用于军事通信和民用通信的各个领域，从而推动了通信事业的迅速发展。扩频通信，即(SpreadSpectrumCommunication)扩展频谱通信，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。扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码(扩频序列：SpreadSequence)调制，实现频谱扩展后再传输；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：首先，信息在频谱扩展后形成宽带传输；其次，相关处理后恢复成窄带信息数据。在扩展频谱系统中，伪随机序列起着很重要的作用。在直扩系统中，用伪随机序列将传输信息扩展，在接收时又用它将信号压缩，并使干扰信号功率扩散，提高了系统的抗干扰能力；伪随机序列性能的好坏直接关系到整个系统性能的好坏，是一个至关重要的问题。扩频信号的接收一般分为两步进行，即解扩与解调，这是关系到系统性能优劣的关键。解扩是在伪随机码同步的情况下，通过对接收信号的相关处理从而获得处理增益，提高解跳器输入端的信噪比，使系统的误码性能得以改善。解扩与解调的顺序一般是不能颠倒的，通常是先进行解扩后再进行解调，这是因为在未解扩之前的信噪比是很低的，一般的解调方法很难实现。正是由于这些技术的应用，使扩频通信有如下的优点：具有较强的抗干扰能力。这种能力的大小与处理增益成正比。具有很强的隐蔽性和抗窃听的能力。扩频信号的谱密度很低，可使信号淹没在噪声之中。具有选址能力，可实现码分多址。扩频系统本来就是一种码分多址通信系统。抗衰落，特别是抗频率选择性好。直序信号的频谱很宽，一小部分衰落对整个信号的影响不大。抗多径干扰。利用伪随机码的相关特性，只要多径时延超过伪随机码的一个切谱，通过相关处理后可消除这种干扰影响。高精度测量等。利用直扩系统伪随机码的相关特性，可完成精度很高的测距和定位。正是由于扩频通信技术具有上述优点，自50年代中期美国军方便开始研究，一直为军事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。直到80年代初才被应用于民用通信领域。为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。二、扩频通信系统（一）扩展频谱通信的定义所谓扩展频谱通信，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”。这一定义包含了以下三方面的意思：⑴信号的频谱被展宽了。⑵采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。⑶在接收端用相关解调来解扩。扩频通信的理论基础长期以来，人们总是想法使信号所占领谱尽量的窄，以充分利用十分宝贵的频谱资源。为什么要用这样宽频带的信号来传送信息呢？简单的回答就是主要为了通信的安全可靠。扩频通信的基本特点，是传输信号所占用的频带宽度(W)远大于原始信息本身实际所需的最小(有效)带宽(AF)，其比值称为处理增益Gp。众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，如话音为1.7—3.1kHz，电视图像则宽到数兆赫。为了充分利用有限的频率资源，增加通路数目，人们广泛选择不同调制方式，采用宽频信道(同轴电缆、微波和光纤等)，和压缩频带等措施，同时力求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽。因现今使用的电话、广播系统中，无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式，Gp值一般都在十多倍范围内，统称为“窄带通信”。而扩频通信的Gp值，高达数百、上千，称为“宽带通信”。扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。信息论中关于信息容量的香农(Shannon)公式为：C=WLog2(1+P/N)(1-1)式中：c---信道容量(用传输速率度量)W---信号频带宽度P---信号功率N---白噪声功率式(1-1)说明，在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比P/N是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比P/N(S/N)情况下，传输信息。扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。总之，我们用信息带宽的100倍，甚至1000倍以上的宽带信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。扩频通信的主要性能指标处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。处理增益G也称扩频增益(SpreadingGain)它定义为频谱扩展前的信息带宽AF与频带扩展后的信号带宽W之比：G=W/AF(1-2)在扩频通信系统中，接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽为AF的信息，而排除掉宽频带W中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。因此，处理增益G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。抗干扰容限是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为：M=G-[(S/N)+L]dB(1-3)其中：Mj―-抗干扰容限Gp―-处理增益(S/N)°―-信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比L,---接收系统的工作损耗由此可见，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。扩频通信的主要特点抗干扰能力强由于扩频通信利用扩展频谱技术，在接收端对干扰信号频谱能量加以扩散，对有用信号频谱能量压缩集中，因此在输出端就得到了信噪比的增益。扩频通信系统扩展的频谱越宽，处理增益越高，抗干扰性能越强。例如：处理增益为30dB，除去系统损耗2dB外，接收机还能在干扰信号比有用信号强18dB的条件下，仍有不小于10dB的工作信噪比，即有10dB的余量用于信号解调，进行正常通信。此外，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。简单地说，如果信号频带扩展10倍，干扰方面需要在更宽的频带上去进行干扰，分散了干扰功率。在总功率不变的条件下，其十扰强度只有原来的1/10。而要保持原有的干扰强度，则必需加大10倍的功率，这在实际战场条件下，有时是难以实现的。另外，由于在接收端采用了扩频码序列进行相关检测，即使采用同类型信号进行干扰，如果不能检测出有用信号的码序列，由于不同码序列之间不同的相关性，干扰也起不了太大作用。抗干扰性能强是扩频通信最突出的优点。抗多径干扰多径干扰同上述与发射信号独立的加性噪声和干扰不一样，它是发射信号在传播过程中，遇到各种反射体(如电离层、对流层、高山、高大建筑物或建筑群等)引起反射或折射，形成对直接到达接收机的发射信号的干扰。这是所有无线通信，如卫星通信、微波通信、移动通信、短波通信等所面临的十分突出的问题。由于反射或折射是多方向、多途径、与直接到达接收机的发射信号完全相关的，会使接收机的接收信号产生严重的失真、波形展宽、波形重叠和畸变，造成通信系统解调器输出出现大量差错，以至不能正常通信。因此，长期以来，抗多径十扰问题始终是一个难以解决的问题。一般的方法是排除干扰或变害为利。前者是设法把最强的有用信号分离出来，而排除其它路径来的干扰信号，这就是采用分集技术的基本思想。后者是设法把来自不同路径的不同延迟的信号在接收端从时间上对齐相加，合并成较强的有用信号，这就是采用梳状滤波器的基本思想。这两种基本方法在扩频通信中都是容易实现的。我们可以利用扩频码序列之间的相关特性，在接收端用相关技术从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或把来自多个路径的同一码序列的波形相加合成。可见常规通信技术难以解决的多径干扰问题，采用扩频技术却能得到圆满的解决。另外，在跳频通信系统中，由于用多个频率的信号传送同一信息，实际上还起到了频率分集的作用。因此，在目前民用数字蜂窝移动通信及部分军用通信设备中，经常采用简单的跳频技术作为抗多径干扰的一种手段。可实现码分多址(CDMA)可以进行选址通信是扩频通信能得到迅速发展的另一个主要原因。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频带，则可大大提高频带利用率。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。这样，在一宽频带上许多对用户可以同时通话。它与利用频带分割或时间分割的方法实现多址通信的概念类似，即利用不同的码型进行分割，所以称为扩频CDMA。这种扩频CDMA方式，虽然要占用较宽的频带，但按平均到每个用户占用的频带来计算，其频带利用率是很高的。除此之外，采用扩频CDMA，还有利于组网、进行选呼、增加保密性和解决新用户随机入网等问题。信息保密性好，对各种窄带通信系统的干扰很小扩频通信系统具有低截获概率性。扩频信号的功率相当均匀地被分布在很宽的频率范围，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。而且，扩频信号是进行相关接收的，想要接收扩频信号就必须知道其伪随机码(或跳频图)，所以当扩频系统的用户在进行通信，旁人无法窃听其通信，因而具有极高的保密性。此外，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。（5）能精确地定时和测距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。（6）扩频系统需要满足以下几个条件⑴信号占用的带宽远远超出发送信息所需的最小带宽。⑵扩频是由扩频信号（spreadingsingnal）实现的，扩频信号通常称为编码信号（codesignal），与数据无关。⑶接收端解扩（恢复原始信号）是将接收机的扩频信号与扩频信号的同步副本通过相关完成。标准的调制方式，如频率调制，脉冲编码调制也扩展了原始信号的频谱，但它们并不满足上述条件，因此不能称为扩频系统。（7）扩频通信特征⑴是一种数字传输方式。⑵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。⑶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。三扩频CDMA数字蜂窝系统（一）扩频CDMA数字蜂窝系统的关键技术CDMA给每一用户分配一个唯一的码序列（扩频码），并用它对承载信息的信号进行编码。知道该码序列用户的接收机对收到的信号进行解码，并恢复出原始数据，这是因为该用户码序列与其它用户冯序列的互相关是很小的。由于码序列的带宽远大于所承载信息的信号的带宽，编码过程扩展了信号的频谱，所以也称为扩频调制，其所产生的信号也称为扩频信号。CDMA通常也用扩频多址(SSMA)来表征。CDMA移动通信系统的关键技术如下。功率控制(Powercontrol)技术功率控制技术是CDMA系统的核心技术。CDMA系统是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，“远近效用”问题特别突出。CDMA功率控制的目的就是克服“远近效用”，使系统既能维护高质量通信，又不对其他用户产生十扰。功率控制分为前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又可分为仅由移动台参与的开环功率控制和移动台、基站同时参与的闭环功率控制。反向开环功率控制。它是移动台根据在小区中接受功率的变化，调节移动台发射功率以达到所有移动台发出的信号在基站时都有相同的功率。它主要是为了补偿阴影、拐弯等效应，所以它有一个很大的动态范围，根据IS一95标准，它至少应该达到正负32dB的动态范围。反向闭环功率控制。闭环功率控制的设计目标是使基站对移动台的开环功率估计迅速做出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率。前向功率控制。在前向功率控制中，基站根据测量结果调整每个移动台的发射功率，其目的是对路径衰落小的移动台分派较小的前向链路功率，而对那些远离基站的和误码率高的移动台分派较大的前向链路功率。PN码技术PN码的选择直接影响到CDMA系统的容量、抗干扰能力、接人和切换速度等性能。CDMA信道的区分是靠PN码来进行的，因而要求PN码自相关性要好，互相关性要弱，实现和编码方案简单等。目前的CDMA系统就是采用一种基本的PN序列一一m序列作为地址码，利用它的不同相位来区分不同用户。RAKE接收技术移动通信信道是一种多径衰落信道，RAKE接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调，然后叠加输出达到增强接收效果的目的，这里多径信号不仅不是一个不利因素，而且在CDMA系统变成一个可供利用的有利因素。软切换(SoftHandoff)技术先连接，再断开称之为软切换。CDMA系统工作在相同的频率和带宽上，因而软切换技术实现起来比TDMA系统要方便容易得多。话音编码(PCM)技术目前CDMA系统的话音编码主要有两种，即码激励线性预测编码(CELP)8kbi/s和13bit/s。8kbit/s的话音编码达到GSM系统的13kbit/S的话音水平甚至更好。13kbit/s的话音编码已达到有线长途话音水平。CELP采用与脉冲激励线性预测编码相同的原理，只是将脉冲位置和幅度用一个矢量码表代替。(二)扩频CDMA数字蜂窝系统的容量与FDMA和TDMA系统相比，CDMA系统具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载十比(C/I)小于l，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使CDMA比其它系统有非常重要的优势目前，各国模拟蜂窝移动通信已有很大发展，但仍满足不了需求。解决移动通信的容量问题成为当务之急。采用扩频CDMA技术是一种十分有效的途径。现有的模拟蜂窝移动通信，都采用FDMA(频分多址)，工作在80MHz频段，只有12.5MHz带宽。为了减少频率重用中的干扰，通常分成7个频率小区。每一小区占用带宽为1.8MHz。如果每个用户信道为30kHz，则每小区可容纳的用户数为60。除去信令等信道外，每小区实际可容纳的用户数只有55个。采用数字式的TDMA(时分多址)，容量可以大为改善。为了保证一定的语声质量，目前可用4800bit/s的语声编码及QPSK数字调制，则30kHz信道可容纳6个用户，即容量可扩大6倍。这是一个很可观的数字。如果降低对语声质量的要求，进一步降低编码率，采用24bit/s，则可扩大容量12倍。这是目前各国大力发展数字移动通信的根本原因。采用扩频CDMA技术，还会使通信容量有更大幅度的增加。由于每个用户被分配一个伪码，因而相邻小区可共用一个频带，不需要频率重用。扣除相邻小区的干扰，大约可增加容量两倍多。如果数字化以后应用语声插空技术(DSI)，又可增加容量3倍。另外，在一个小区中采用3个120的定向天线，还可增加容量3倍。总计可增加容量近20倍。这是一个很惊人的数字。可见，应用扩频CDMA有巨大的增加容量的潜力。这正是许多知名学者倡导采用扩频CDMA的主要原因。扩频CDMA应用于数字蜂