外文翻译 外文文献 英文文献 扩频通信系统的介绍

摘要：本应用笔记概述了扩频技术的原理，讨论了涵盖直接序列和快速跳频的方法关理论方程的性能估算及讨论直接序列扩跳FHSS）这两种扩频方式。简介扩频技术越来越受欢迎就连这一领域以外的电器工程师都渴望能够深入理解这一技术很多书和网站上都有关于这方面的书但是很多都很难理解或描述的不够详尽例如，直接序列扩频技术广泛关注的是伪随机码的产生下面讨论扩频技术（双关语意简史一名女演员和一名音乐家首次以书面形式描述了扩频通信技术1941年好莱坞女星Lamarr和钢琴家Antheil述一个安全的无线链路来控制鱼雷他们获得了美国专利#2.292.387但这一技术被遗忘了没有在当时受到美军的重视直到20世纪80年代它才开始活跃起来从那时起这一技术在有关恶劣环境中的收音机链接方面越来越受欢迎。最典型的扩频技术应用是数据收发器包括卫星定位系GPS移动通信、无限局域网(符合IEEE®802.11a,IEEE802.11b,IEEE802.11g标准)还有蓝牙技术也帮助了那些通讯落后和无线电通信条件有限的地方因此它是一种昂贵的资源。扩频通信的原理扩频是香农定理的典型：C=B×log2(1+S/N)式（1）

公在公式中C为信道容限单位是比特秒(bps),意指单位时间内信道中无差错传输的最大信息量B为信号频带宽度单位是HzS/N为信噪比也就是说，C为信道允许通过的信息量，也代表了扩频的性能。带(B)是代价，因为频率是一个有限的资源。信噪比体现了环境条件或物理特性（如障碍、干扰器、干扰等上式说明的情况下在无差错传输的信息速率不变时如果信噪比很低，则可以用足够宽的带宽来传输信号，即使信号功率密度低于噪音水平公式可用改变公式（1）中对数的底数，改为e，则为In=loge。因此，C/B=(1/ln2)×ln(1+S/N)=1.443×ln(1+S/N)（2）根据MacLaurin扩展公式ln(1+x)=x-x2/2+x3/3-„+(1)k+1xk/k+„C/B=1.443×(S/N-1/2×(S/N)2+1/3×(S/N)3-„)（3）

公式公式在扩频应用中，通常很低如刚才提到的，信号功率密度甚至低于噪音水平假定噪音水平即S/N<<1，香农公式可简单表示为：C/B≈1.443×S/N（4）简化为：C/N≈S/N（5）或者：N/S≈B/C（6）

公式公式公式向固定了信噪比的信道发送错误的信息，只要执行基本扩频信号的传播操作：增加传输带宽。尽管这一原则看起来很简单明确，但实现她却很复杂，主要是因为展宽基带的电子设备必须同时存在展宽和解扩的操作过程。定义不同的扩频技术都有一个共同之处：密钥（也称为代码或序列）依附于传输信道。以插入代码的形式准确地定义扩频技术，术语“频谱扩展”是指扩频信号的几个数量级的带宽在有密钥的传输信道中的扩展。以传统的方式定义扩频更为精确：在射频通信系统中，将基带信号扩展为比原有信号的带宽宽得多的高频信号（如图1此过程中，传输宽带信号产生的损耗表现为噪声扩频信号带宽与信息带宽之比称为处理增益扩频过程的处理增益大都在10dB到60dB之间。要应用扩频技术，只需在天线（接收器）之前加入相应的扩频码。相反，你可以删除一个点的扩频（称为解扩操作接收发射链路数据恢复解扩过程是重新恢复原始带宽的过程很明显同样的代码必须在事先知道在传输通道两端的信息在某些情况下，在调制和解调的过程中代码应该是知道的射频输出

射频输入数据输入

输电链

射频连接

接收链

数据输出扩频代码相同的配置序列图1.频通信系统传播工作带宽的影响图2明了信号带宽的通信链路评估

扩频代码能量

能量扩频调制输入的扩频码数据输入

频率数据输入宽度

载

数据的处理增益图2.扩操作遍及一个更宽的率带宽的信息能量扩频调制是一种适用于如或直接转换统的调制可以证明所有其他信号接收不到扩频代码将保持它们原有的信息，极没有被扩展。解扩过程中带宽的影响同样，解扩过程如图能量

能量载

解扩调制输入的扩频码频率数据的处理增益

数据输入数据输入宽度图3,在解扩过程中恢复的原有号在这里，解扩调制已经取得了正常解调操作，也表明了干扰或干扰信号在解扩传输过程中被扩展！由于带宽的浪费抵消了传播的多用户扩频结果直接在一个更宽的频带使用，完全对应之前的理增”因此扩频并没有节约有限的频率资源过度的使用虽然得到了补偿但是可能有很多用户共享这一扩大频率波段（如图4用户用户2+户„户N数据输入获得的扩频增益图4.相同的频带多个用户共享扩频技术。扩频是宽带技术相对于常规窄带技术频过程是一种宽带技术如-CDMAUMTS都是宽带技术，与窄带广播相比，它需要一个比较大的频率带宽。扩频的优点抗干扰性能和抗干扰的影响扩频技术有很多优点抗干扰性是最重要的一个优点有意或无意的干扰和干扰信号都是不希望存在的因为它们不包含扩频密钥。只有期望信号才有密钥，在解扩过程中才会被接收器接收，如图5。射频输出

射频输入数据输入扩频代码

输电链

射频连接干扰

接收链

数据输出扩频代码数据

数据扩展

数据扩展和干扰

数据扩展和干扰扩展图5.频通信系统。注意，解扩链路中数据信被传输的同时干扰能源也被传输。无论在窄带或宽带中，如果它不涉及解扩过程，你几乎可以忽略干扰。这种抑制反应也适用于其他没有正确密钥的扩频信号此不同的扩频通信系统可以工作在同一频段，例如。值得注意的是，扩频是宽带技术，但反之则不然：宽带技术不涉及扩频技术。抗截获抗截获是扩频通信技术的第二个优势由于非法的听众没有密钥用于原始信号传播这些听众无法解码没有合适的钥匙扩频信号会出现噪音或干扰描方法可以打破的这些密钥，但是密钥是短暂的甚至更好，信号电平可以低于噪声水平，因为扩频传输降低了频谱密度，如图6能量是相同的，但它是广泛存在于频率的此信息是无形的，这一影响在直接序列扩频（DSSS）技术上有充分的体现下文的DSSS更详细说明他接收机无“看到”这种传输，它们只能出现在整体噪音水平略有增加的情况下！噪声基准

数据传播之前

噪声基准扩展后的数据图6.在被噪音水平之下扩频频谱信号。在有正确的扩频传输密钥的情况下，接收器不能看到传输过程。抗衰落（多径效应）无线信道通常具有多径传播，即有一个以上的信号从发射机传到接收器（如图7种多路径可以通过空气的反射或折射以及从地面反射或物体如这些路径建筑物引起。TxD

RxR图7.号是如何通过多个路径到达接收器的。这种反射路径（R可干扰直接路径D的现象称为解扩过程的同步衰落。因为解扩过程使信号D与信号的同步被拒绝，即使它们包含了相同的密钥。将反射路径的信号应用于解扩是个有用的方法。扩频技术在CDMA的应用请注意，扩展频谱不是一个扩频调制方案，不应与其他调制方式相混淆。例如我们可以使用扩频技术发射一个由PSK或的已调信号感谢调制的信号的编码基础使扩频频谱也可用于其他类型的多址实（即可以同时进行多个通讯联系和实际或表面上相同的物理介质共存到目前为止，有三个主要的方法可用。FDMA-频分多址FDMA分配一个特定的载波频率给通信信道不同用户使用频谱的切片数是受到限制的（如图已有的三种多路存取方法中，FDMA在频带利用方面是效率最低的。FDMA的方法包括包括无线电广播，电视，高级移动电话系统AMPS等。用户1用用户

用户NFc2Fc3FcN

频率图8.FDMA系中不同的用户的载波频率分配。TDMA-分多址TDMA不同用户彼此间发言和听取信息时是根据定义的时隙分配来处理的（如图同的通信信道可以建立一个唯一的载波频率。的例子有全球移动通信系统GSMDECT，TETRA和-136。用户用2用用用户1用用3用时间段

时间段

时间(ms,us)图在TDMA统中不同用户的时隙分配。CDMA-码分多址CDMA的传播是由密钥或代码决定的（如10这个意义上说，扩频就是一种CDMA。在发射器和接收器密钥必须提前被定义和确定。它的例子有IS-95(DS)，IS-98，蓝牙和无线局域网。用户

用户用户用户

用户图10.CDMA系中相同带有独特的钥匙或代码。当然，人们可以结合上述存取方法，例如，全球移动通信系统GSM结合了TDMAFDMA。GSM定义了不同的载波频率（细胞）的拓扑领域，并设定时段内每一个细胞。扩频和（的）编码密钥在这一点上值得重申的是扩频的主要特点是一个代码或密钥必须在发射器和接收器之前就是已知的代通讯的代码是数字序列必须长期存在和随机出现的，尽可能地显示为噪音像。在任何情况下，代码必须确保是可再生的。或者接收器不能提取已发出去的消息。因此，该序列是几乎是随机的。这样的代码被称为伪随机数PRN）或序列。最常用的方法来产生伪随机是基于反馈移位寄存器的。许多书籍都在介绍伪随机码的发展与特征，但是，实际的发展已超出了这些教材所叙述的。注意的是，建立或选择适当的序列或序列集并不是微不足道的。为了保证有效的扩频通信伪随机序列必须尊重一定的规律如长度自相关互相关、正交。比较受欢迎伪随机序列有Barker码，M序列码，Gold码，Walsh码等考虑到存在更复杂的序列集给它提供了一个更强大的扩展频谱链路但是这产生了成本问题扩频和解扩都需要在速度和性能都更复杂的电子产品数字扩频解扩芯片包含几百万个等效的2入与非门在几十兆赫间切换。AnIntroductionSpread-Spectrumnoteisoverviewofspread-spectrumprinciples.The

fast-hoppinggiventoallowestimates.Relation

spread-spectrum(DSSS)spread-spectrum(FHSS)methods.Introductionspread-spectrumbecomepopular,electricalengineersoutsidefieldareeagerforexplanationsofbooksandthesubject,butmanytounderstandsomeaspectswhileothers(e.g.,thetechniquewithfocusThefollowingcoversthefullintended).AHistorypread-spectrumcommunicationstechnologyfirstonpaperanactressamusician!InHollywoodLamarrpianistGeorgeAntheilasecureradiolinktorpedos.TheyreceivedU.S.PatenttechnologywasnotseriouslyatthatbytheU.S.Armywasforgottenuntilthe1980s,whenitthentechnologybecomepopularforapplicationthatinvolvelinksinypicalapplicationsforresultingtransceiverssatellite-positioning

，

telecommunications,W-LAN(IEEE®802.11a,IEEE

802.11g),andtechniquesaidintheendlessracebetweencommunicationneedsradio-frequencywherethespectrumislimitedandis,therefore,anTheoreticalJustificationforSpectrumSpread-spectrumisapparentinShannonchannel-capacityB×log(1+S/N)2

Inthisequation,Cischannelcapacityinbitsistherateforatheoreticalbit-errorrate(BER).BtherequiredchannelbandwidthinHz,andS/Npowerexplicit,oneassumesthatC,whichtheamountofinformationbythecommunicationthe(B)isthetoisalimitedS/Nratioexpressestheenvironmentalthephysicalcharacteristics,presenceofisanofthisequation,applicablefordifficultenvironments,forexample,whenlowS/NratioisbyapproachsaysthatcanmaintainorevencommunicationperformanceC)byallowingorinjectingbandwidth(highwhenbelowthenoisefloor.(Theequationdoesthatcondition!)1bylogfromenumber)notingthatIn=loge.Therefore:C/B=(1/ln2)×ln(1+S/N)=1.443×ln(1+S/N)Applyingforln(1+x)=x-x2/2+x3/3-x4/4+…+(1)k+1xk/k+

S/Nislowforspread-spectrumjustmentioned,thesignalpowerdensitycanbebelowthenoiseathatS/N<<1,Shannon's≈1.443×S/NVeryroughly:C/N≈Or:N/S

senderror-freeinformationforgivenintheneedperformfundamentalspread-spectrumsignal-spreadingtransmittedbandwidth.Thatprincipleseemssimplespreadingthebaseband(byafactorthatcanseveralordersofmagnitude)forcestheelectronicsreactspreadingnecessary.Differentspread-spectrumtechniquesallhavein(alsocalledthecodetothecommunicationchannel.Themannerofinsertingcodepreciselythespread-spectrumtechnique.Thetermspectrum"toexpansionofsignalseveralofinsomecases,whichoccursakeyistothecommunicationchannel.Theformaldefinitionspectrumiscommunicationssysteminwhichtheintentionallyoverabandwidthinjectingahigher1).Asausedintransmittingawiderbandwidth,andappears(indB)betweenthespreadtheoriginalsignaliscalledprocessinggain.Typicalspread-spectrumprocessinggainsfrom10dBto60dB.spread-spectrumtechnique,simplyspread-spectrumcodeintransmittingchainbeforeantenna(receiver).Conversely,youremovethecodeatinreceiveinformationintoitsbandwidth.Obviously,thesamecodebeknowninadvancebothendsofthechannel.(Insomecircumstances,thebeby1.Spread-spectrumBandwidthofOperation2theofsignalina2.Spreadingthesignaloverbandwidth.Spread-spectrummodulationisontopofaconventionalmodulationasBPSKordirectconversion.Onedemonstrateallothersignalsthespread-spectrumwilladare,thatis,unspread.BandwidthofDespreadingOperationcanbein3.3.Thedespreadingrecoverstheoriginalsignal.Herespread-spectrumdemodulationhasmadeonofnormaldemodulationoperations.Onecandemonstratethatasaninterfererorjammeraddedduringwillbespreadduringtheoperation!BandwidthtoSpreadingMultipleresultsdirectlyinuseofwiderfrequencybandbyaexactlyto"processingspreadingdoessparethelimitedresource.Thatoverusewellcompensated,however,bythepossibilitythatwillsharetheband4.Thebandcanbesharedwithspread-spectrumSpreadSpectrumIsaTechnologyIntechnology,thespread-spectrumprocesstechnology.W-CDMAandforexample,arewidebandthatrelativelyofSpreadSpectrumResistanceAntijammingarespread-spectrumtothemostimportantadvantage.Intentionaljammingrejectednotspread-spectrumkey.Onlysignal,whichwillthewhentheoperationisFigure5.Aspread-spectrumsystem.Notethattheenergywhilethedatadespreadthechain.Youignoretheinterference,narrowbandorwideband,ifitdoesnottheusedindispreadingrejectiontootherspread-spectrumthatdohavedifferentcommunicationscanbeactiveintheasCDMA.Notethatspread-spectrumawidebandreverseistechniquesneednotinvolvetechnology.ResistanceResistanceinterceptionthesecondadvantageprovidedbyspread-spectrumnonauthorizedhavekeyusedspreadoriginalcannotit.Withoutkey,thespread-spectrumsignalappearsorancanthecode,however,ifthekeyisbetter,signalcanthenoisefloor,becausetheoperationreducesthespectralFigure6.(Totalisthesame,butitiswidelyspreadinTheinvisible,aneffectthatisparticularlystrongwiththedirect-sequencespread-spectrumisindetailOther“see”thetransmission;theyonlyregisterintheoverallnoiselevel!6.Spread-spectrumisburiednoiselevel.The“”thespread-spectrumResistance(MultipathEffects)Wirelessoftenincludeinwhichhaspathfromtransmitterto(Figuremultipathsbecausedreflectionrefraction,andbyfromgroundorfromsuchas7.Illustrationofhowsignalcantheovermultiplepaths.The(R)canwithdirectpath(D)infading.BecausetosignalRisrejectedeventhoughitsameMethodsaretobydispreadingthemaddingresultstotheone.SpreadSpectrumAllowsCDMANotethatspreadspectrumisnotscheme,andnotbeconfusedwithtypesofexample,usespread-spectrumtobyorBPSK.ThankstothespectrumcanalsobeusedmethodforimplementingmultipleaccessrealapparentofmultiplesimultaneouscommunicationlinkssamemainFDMA-FrequencyDivisionMultipleFDMAspecificcarrieracommunicationchannel.Theofuserslimitedtheof”inthespectrum(Figure8).Offorenablingaccess,FDMAefficientinofusage.MethodsofFDMAaccessincluderadiobroadcasting,TV,AMPS,andTETRAPOLE.differentinFDMAsystem.TDMA-TimeDivisionMultipleWithTDMAdifferentuserseachoftime(Figure9).Differentchannelsbeestablishedforafrequency.ExamplesofTDMAGSM