扩频通信的基本概念

扩频通信的基本概念通信理论和通信技术的争论，是围围着通信系统的有效性和牢靠性这两个基本问题绽开的，所以有效性和牢靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的凹凸这个问题是争论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性明显，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的通信系统的牢靠性，是指通信系统牢靠地传输信息由于信息在传输过程中受到干扰，收到的信息与发出的信息并不完全相同牢靠性就是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度因此，牢靠性打算于系统反抗干扰的性能，也就是说通信系统的牢靠性打算于通信系统的抗干扰性能在模拟通信系统中，传输的牢靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的在数字通信系统中，传输的牢靠性是用信息传输的差错率来描述的扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰力量，首先在军用通信系统中得到了应用近年来，扩展频谱通信技术的理论和应用进展特别快速，在民用通信系统中也得到了广泛的应用扩频通信是扩展频谱通信的简称我们知道，频谱是电信号的频域描述承载各种信息如语音、图象、数据等的信号一般都是以时域来表示的，即信息信号可表示为一个时间的函数/⑺信号的时域表示式/⑺可以用傅立叶变换得到其频域表示式//频域和时域的关系由式1-1确定ft=TFfej2^df1-1J-00函数/⑺的傅立叶变换存在的充分条件是一⑺满意狄里赫莱Dirichlet条件，或在区间G8+8内肯定可积，即匚⑺也必需为有限值扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数与待传输的信息信号/⑺无关扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再采用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而到达传输信息目的的通信系统也就是说在传输同样信息信号时所需要的射频带宽，远远超过被传输信息信号所必需的最小的带宽扩展频谱后射频信号的带宽至少是信息信号带宽的几百倍、几千倍甚至几万倍信息已不再是打算射频信号带宽的一个重要因素，射频信号的带宽主要由扩频函数来打算由此可见，扩频通信系统有以下两个特点1传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽；2传输信号的带宽主要由扩频函数打算，此扩频函数通常是伪随机伪噪声编码信号以上两个特点有时也称为推断扩频通信系统的准则扩频通信系统最大的特点是其具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的力量这里我们先定性地说明一下扩频通信系统具有抗干扰力量的理论依据扩频通信的基本理论依据是信息理论中香农C•E-Shannon的信道容量公sC=Blog21+-lN式中C——信道容量，b/s；B——信道带宽，Hz；S——信号功率，W；N——噪声功率，Wo香农公式表明白一个信道无差错地传输信息的力量同存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系令是盼望具有的信道容量，即要求的信息速率，对1-2式进行变换

1.441nl+£|1-3对于干扰环境中的典型状况，当得1时，用塞级数绽开1-3式，并略去高次项得cs—=

1.44—1-4BN或NB=

0.7Cyl-5由式1-4和1-5可看出，对于任意给定的噪声信号功率比N/S只要增加用于传输信息的带宽就可以增加在信道中无差错地传输信息的速率C或者说在信道中当传输系统的信号噪声功率比S/N下降时，可以用增加系统传输带宽B的方法来保持信道容量C不变或者说对于任意给定的信号噪声功率比S/N可以用增大系统的传输带宽来获得较低的信息差错率若N/S=10020dBC=3kb/s贝I」当3=

0.7xl00x3=210kHz时，就可以正常的传送信息，进行牢靠的通信了这就说明白增加信道带宽以可以在低的信噪比的状况下，信道仍可在相同的容量下传送信息甚至在信号被噪声沉没的状况下，只要相应的增加信号带宽也能保持牢靠的通信如系统工作在干扰噪声比信号大100倍的信道上，信息速率R=C=3kb/s则信息必需在B=210kHz带宽下传输，才能保证牢靠的通信扩频通信系统正是采用这一原理，用高速率的扩频码来扩展待传输信息信号带宽的手段，来达到提高系统抗干扰力量的目的扩频通信系统的带宽比常规通信系统的带宽大几百倍乃至几万倍，所以在相同信息传输速率和相同信号功率的条件下，具有较强的抗干扰的力量香农在其文章中指出，在高斯噪声的干扰状况下，在受限平均功率的信道上实现有效和牢靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号这是由于高斯白噪声信号具有抱负的自相关特性，其功率谱密度函数为S/=B-6对应的自相关函数为R工=「S//叫产工1-7J—8V其中「为时延，定义为白噪声的自相关函数具有函数的特点，说明它具有尖锐的自相关特性但是对于白噪声信号的产生、加工和复制，迄今为止仍存在着很多技术问题和困难然而人们已经找到了一些易于产生又便于加工和掌握的伪噪声码序列，它们的统计特性近似于或靠近于高斯白噪声的统计特性伪噪声序列的理论在本书以后的章节中要特地叙述，这里仅简略引用其统计特性，借以说明扩频通信系统的实质通常伪噪声序列是一周期序列假设某种伪噪声序列的周期长度为M且码元％都是二元域｛-II｝上的元素一个周期或称长度为N码元为a的伪噪声二元序列上｝的归一化自相关函是一周期为N的周期函数，可以表示为00R«=凡*工/工—kN1-9其中RR为伪噪声二元序列匕｝一个周期内的表示式1N4工=石£中心IT=0IMg5式中了=0123-No当伪噪声序列周期长度N取足够长或N—8时，式1-10可简化为1T=0%⑺二一二001N比较式1-7和式看出它们比较接近，当序列周期长度足够长时，式1-11就靠近式1-7式1-10是自相关函数归一化的形式，乘周期N后就是一般表达式，在一般表达式中H0=N所以伪噪声序列具有和白噪声相类似的统计特性，也就是说它很接近于高斯信道要求的最佳信号形式因此用伪噪声码扩展待传输信息信号频谱的扩频通信系统，优于常规通信系统哈尔凯维奇A・A・XapKeBH4早在上世纪50年月，就已从理论上证明要克服多径衰落干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式应当是具有白噪声统计特性的信号形式采纳伪噪声码的扩频函数很接近白噪声的统计特性，因而扩频通信系统又具有抗多径干扰的力量下面我们以直接序列扩频通信系统为例，来争论扩频通信系统的基本原理图1-1给出了直接序列扩频通信系统的简化原理方框图由信源产生的信息流｝通过编码器变换为二进制数字信号d⑺二进制数字信号中所包含的两个符号的先验概率相同，均为1/2且两个符号相互独立，其波形图如图l-2a所示，二进制数字信号d⑺与一个高速率的二进制伪噪声码c⑺的波形如图l-2b所示，伪噪声码作为系统的扩频码序列相乘，得到如图1-2c所示的复合信号d/c/这就扩展了传输信号的带宽一般伪噪声码的速率

6.=1/7；是Mb/s的量级，有的甚至达到几百Mb/s而待传输的信息流｛〃〃｝经编码器编码后的二进制数字信号的码速率（=1/〃较低，如数字话音信号一般为16kb/s-32kb/s这就扩展了传输信号的带宽窄的带宽内，能无失真的通过中频滤波器滤波器的带宽为线=2K其他信号和本地参考扩频码无关，频带没有被压缩反而被展宽了，进入中频滤波器的能量很少，大部分能量落在中频滤波器的通频带之外，被中频滤波器滤除了我们可以定性的看出，解扩前后的信噪比发生了显著的转变图1-4解扩前后信号功率谱密度亓a解扩前；b解扩后有用信号多址信号、多径信号L三噪力F-2凡—■4R—b。