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2.6 扩频

多路复用是指把来自某些源端的信号组合在一个信道中进行传输,目的是提高信道利用率。扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication,SSC)简称扩频通信,其特点是传输信息所用的带宽远大于信息本身的带宽。扩频通信技术在发送端以扩频编码进行扩频调制,在接收端以相关解调技术接收信息。扩频通信技术是一种信息传输方式,其信号所占用的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽;频带的扩展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,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。

由于扩频通信要用扩频编码进行扩频调制发送,而信号接收需要用相同的扩频编码之间的相关解扩才能得到,这就给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性,分配给不同用户不同的扩频编码,可以区别不同用户的信号,并且不受其他用户的干扰,实现频率复用。

常用的扩频技术主要有两种,即跳频扩频和直接序列扩频。下面分别简单介绍这两种扩频技术。

2.6.1 跳频扩频

跳频是最常用的扩频方式之一,是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式,也就是说,通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。从通信技术的实现方式来说,“跳频”是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式,也是一种码控载频跳变的通信系统。

跳频是载波频率在一定范围内不断跳变意义上的扩频,不是对被传送信息进行扩谱,不会得到直序扩频的处理增益。跳频的优点是抗干扰,定频干扰只会干扰部分频点,通常用于语音信息的传输,当定频干扰只占一小部分时不会对语音通信造成很大的影响。

跳频的高低直接反映跳频系统的性能,跳频越高,抗干扰的性能越好,军用的跳频系统可以达到每秒上万跳。实际上GSM系统也是跳频系统,其规定的跳频为217跳/秒。出于成本的考虑,商用跳频系统跳速都较慢,一般在50跳/秒以下。由于慢跳跳频系统实现简单,因此低速无线局域网产品常常采用这种技术。

跳频扩频(Frequency Hopping Spread Spectrum,FHSS)是用源信号调制 M 个不同频率的载波信号。在某个时刻用源信号调制一种频率的载波,在下一个时刻调制另一种频率的载波。

假定我们决定采用8个频率,此时, M 是8,用 k =3位二进制描述这8个频率。假设这8个载波的频率与 k 位模式的对应关系如表2-6所示。

表2-6 k 位模式与频率对应关系

假设发送站点的模式是101、111、001、000、010、110、011、100,这就是说:在时刻(跳周期)1,模式是101,所选的载波频率是600kHz,源信号调制这个频率的载波;在时刻2,模式是111,所选的载波频率是800kHz;依次类推,直到一个周期结束,即8次跳频后,模式重复,再从101开始。

值得注意的是,模式是随机的(伪随机),因此如果入侵者企图窃听传输信号,由于不知道扩频序列,因此他不能很快知道下一跳的频率,可见跳频扩频能够起到保密通信的作用。另外,恶意的发送端可能会在某个时刻发送噪声干扰信号,同样的道理,由于不知道扩频序列,因此干扰者也无法干扰整个发送周期。

如果跳频数是 M ,那么可以将 M 个信道多路复用为使用同一带宽 B ss 的一个信道。由于一个站点在每跳周期内只使用一个频率,其他 M -1个站点可使用另外 M -1个频率。换言之,如果使用了适当的调制技术, M 个不同站点可使用同一带宽 B ss 。FHSS与FDM相似,只是在FDM中,每个站点占用了带宽 B ss 的1/ M ,但是每个站点的带宽是固定分配的,而在FHSS中,每个站点也占用了带宽 B ss 的1/ M ,但是每个站点的带宽是随机分配的。

从时域上来看,跳频信号是一个多频率的频移键控信号;从频域上来看,跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的。其中:跳频控制器为核心部件,具有跳频图案产生、同步、自适应控制等功能;频合器在跳频控制器的控制下合成所需频率;数据终端对数据进行差错控制。

与定频通信相比,跳频通信比较隐蔽,也难以被截获。只要对方不清楚载频跳变的规律,就很难截获我方的通信内容。同时,跳频通信也具有良好的抗干扰能力,即使有部分频点被干扰,仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信。跳频通信系统是瞬时窄带系统,它易于与其他的窄带通信系统兼容,也就是说,跳频电台可以与常规的窄带电台互通,有利于设备的更新。

2.6.2 直接序列扩频

直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱,而在收端,用相同的扩频码序去进行解码,把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。它是一种数字调制方法,具体来说,就是将信源与一定的PN码(伪噪声码)进行模二加。例如,在发射端将“1”用11000100110代替,将“0”用00110010110代替,这个过程就实现了扩频,而在接收端把收到的序列11000100110恢复成“1”,把收到的序列00110010110恢复成“0”,这就是解扩。图2-55给出了直接序列扩频通信模型。

图2-55 直接序列扩频通信模型

直接序列扩频系统有很强的保密性能。对于直接序列扩频系统而言,射频带宽很宽,谱密度很低,甚至淹没在噪声中,很难检查到信号的存在。由于直接序列扩频信号的频谱密度很低,因此直接序列扩频系统对其他系统的影响就很小。

直接序列扩频系统一般采用相干解调解扩,其调制方式多采用BPSK、DPSK、QPSK、MPSK等。而跳频方式由于频率不断变化,在频率的驻留时间内都要完成一次载波同步,随着跳频频率的增加,要求的同步时间就越来越短。因此跳频多采用非相干解调,采用的解调方式多为FSK或ASK。从性能上看,直接序列扩频系统利用了频率和相位的信息,性能优于跳频。

抗干扰是扩频通信的主要特性之一,比如信号扩频宽度为100倍,窄带干扰基本上不起作用,而宽带干扰的强度降低了100倍,如果要保持原干扰强度,则需加大100倍总功率,这实际上是难以实现的。因为信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到,所以即使以同类型信号进行干扰,在不知道信号的扩频码的情况下,由于不同扩频编码之间不同的相关性,干扰也不起作用。

因为信号在很宽的频带上被扩展,单位带宽上的功率很小,即信号功率谱密度很低,信号淹没在白噪声之中,别人难以发现信号的存在,加上不知道扩频编码,因此很难拾取有用信号,而极低的功率谱密度,也很少对于其他电信设备构成干扰。

由于直接序列扩频通信要用扩频编码进行扩频调制发送,而信号接收需要用相同的扩频编码做相关解扩才能完成,这就给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性,分配给不同用户不同的扩频编码,就可以区别不同用户的信号,众多用户只要配对使用自己的扩频编码,就可以互不干扰的同时使用同一频率通信,从而实现频率复用,使拥挤的频谱得到充分利用。发送者可用不同的扩频编码分别向不同的接收者发送数据;同样,接收者使用不同的扩频编码,就可以收到不同的发送者送来的数据,实现了多址通信。

无线通信中抗多径干扰一直是难以解决的问题,利用扩频编码之间的相关特性,在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号,也可把从多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强,从而达到有效的抗多径干扰。 IPCQvTrkyjiX7wCw9hTJL6wcqbTbefYlslQiQ5N/CXqnLIKtBXxiqE2fyUS1Jwug

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