扩频通信技术,即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication),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。
1、扩频通信的理论基础
扩频通信的基本思想和理论依据是香农(Shannon)公式。
香农在信息论的研究中得出了信道容量的公式:C=W×Log2(1+S/N)
C:信道容量,单位bit/s;B:信号频带宽度,单位Hz;S:信号平均功率,单位W;N:噪声平均功率,单位W。
这个公式指出:如果信道容量C不变,则信号带宽B和信噪比S/N是可以互换的。只要增加信号带宽,就可以在较低的信噪比的情况下,以相同的信息速率来可靠地传输信息。甚至在信号被噪声淹没的情况下,只要相应地增加信号带宽,仍然能保持可靠的通信。也就是说,可以用扩频方法以宽带传输信息来换取信噪比上的好处。
2、 扩频与解扩频过程
扩频通信技术是一种信息传输方式:在发送端采用扩频码调制,使信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的带宽;在接收端采用相同的扩频码进行相干解调来恢复所传信息数据。
下图表明了整个扩频与解扩频过程。
1.信息数据经过常规的数据调制,变成窄带信号(假定带宽为B1)。
2.窄带信号经扩频编码发生器产生的伪随机编码(PN码:Pseudo Noise Code)扩频调制,形成功率谱密度极低的宽带扩频信号(假定带宽为B2,B2远大于B1)。窄带信号以PN码所规定的规律分散到宽带上后,被发射出去。
3.在信号传输过程中会产生一些干扰噪声(窄带噪声、宽带噪声)。
4.在接收端,宽带信号经与发射时相同的伪随机编码扩频解调,恢复成常规的窄带信号。即依照PN码的规律从宽带中提取与发射对应的成份积分起来,形成普通的窄带信号。再用常规的通信处理方式将窄带信号解调成信息数据。干扰噪声则被解扩成跟信号不相关的宽带信号。
3、处理增益与抗干扰容限
扩频通信系统有两个重要的概念:处理增益、抗干扰容限。
处理增益表明扩频通信系统信噪比改善的程度,是系统抗干扰的一个性能指标。
一般把扩频信号带宽W与信息带宽之比称为处理增益 ,即:
理论分析表明,各种扩频通信系统的抗干扰性能与信息频谱扩展前后的扩频信号带宽比例有关。
仅仅知道了扩频通信系统的处理增益,还不能充分说明系统在干扰环境下的工作性能。因为系统的正常工作还需要:在扣除系统其他一些损耗之后,保证输出端有一定的信噪比。所以我们引入抗干扰容限,其定义如下:
Mj=Gp-[(S/N)out+Ls] 式中(S/N)out 为输出信噪比;Ls 为系统插入损耗。它与扩频处理的增益 Gp 成正比。
4、 扩频通信技术特点
扩频通信技术具有以下特点:
1.抗干扰能力强
在扩频通信技术中,在发送端信号被扩展到很宽的频带上发送,在接收端扩频信号带宽被压缩,恢复成窄带信号。干扰信号与扩频伪随机码不相关,被扩展到很宽的频带上后,进入与有用信号同频带内的干扰功率大大降低,从而增加了输出信号/干扰比,因此具有很强的抗干扰能力。抗干扰能力与频带的扩展倍数成正比,频谱扩展得越宽,抗干扰的能力越强。
2.可进行多址通信
CDMA扩频通信系统虽然占用了很宽的频带,但由于各网在同一时刻共用同一频段,其频谱利用率高,因此可支持多址通信。
3.保密性好
扩频通信系统将传送的信息扩展到很宽的频带上去,其功率密度随频谱的展宽而降低,甚至可以将信号淹没在噪声中,因此,其保密性很强。要截获、窃听或侦察这样的信号是非常困难的。除非采用与发送端所用的扩频码且与之同步后进行相关检测,否则对扩频信号的截获、窃听或侦察无能为力。
4.抗多径干扰
在移动通信、室内通信等通信环境下,多径干扰非常严重。系统必须具有很强的抗干扰能力,才能保证通信的畅通。扩频通信技术利用扩频所用的扩频码的相关特性来达到抗多径干扰,甚至可利用多径能量来提高系统的性能。
当然,扩频通信还有很多其他优点。例如:精确地定时和测距、抗噪音、功率谱密度低、可任意选址等。
5、扩频因子
扩频因子:扩频后chip速率和扩频前信号速率的比值,直接反映了扩频增益。每个符号被转化成的码片数目叫做扩频因子。对于一种确定的制式,码片速率是不变的,所以扩频因子大的信道对应着低的速率,扩频因子小的码道对应着高的速率。
扩频时数据每一位都和扩频因子相乘。例如有一个1 bit需要传送,假如扩频因子有8位 10101010, 这样乘出来每一位都由一个8位的数据来表示,也就是说总的数据量增大了8倍。 不同的用户采用相互正交的扩频因子,得到的数据用各自的扩频因子进行还原来提取自己的数据。