擴頻與擴頻因子


擴頻通信技術,即擴展頻譜通信(Spread Spectrum Communication),它與光纖通信、衛星通信,一同被譽為進入信息時代的三大高技術通信傳輸方式。

1、擴頻通信的理論基礎

擴頻通信的基本思想和理論依據是香農(Shannon)公式。

香農在信息論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,單位bit/s;B:信號頻帶寬度,單位Hz;S:信號平均功率,單位W;N:噪聲平均功率,單位W。

這個公式指出:如果信道容量C不變,則信號帶寬B和信噪比S/N是可以互換的。只要增加信號帶寬,就可以在較低的信噪比的情況下,以相同的信息速率來可靠地傳輸信息。甚至在信號被噪聲淹沒的情況下,只要相應地增加信號帶寬,仍然能保持可靠的通信。也就是說,可以用擴頻方法以寬帶傳輸信息來換取信噪比上的好處。

2、 擴頻與解擴頻過程

擴頻通信技術是一種信息傳輸方式:在發送端采用擴頻碼調制,使信號所占的頻帶寬度遠大於所傳信息必需的帶寬;在接收端采用相同的擴頻碼進行相干解調來恢復所傳信息數據。

下圖表明了整個擴頻與解擴頻過程。

 

 擴頻通信技術

圖2.2‑1  擴頻與解擴頻過程

1.信息數據經過常規的數據調制,變成窄帶信號(假定帶寬為B1)。

2.窄帶信號經擴頻編碼發生器產生的偽隨機編碼(PN碼:Pseudo Noise Code)擴頻調制,形成功率譜密度極低的寬帶擴頻信號(假定帶寬為B2,B2遠大於B1)。窄帶信號以PN碼所規定的規律分散到寬帶上后,被發射出去。

3.在信號傳輸過程中會產生一些干擾噪聲(窄帶噪聲、寬帶噪聲)。

4.在接收端,寬帶信號經與發射時相同的偽隨機編碼擴頻解調,恢復成常規的窄帶信號。即依照PN碼的規律從寬帶中提取與發射對應的成份積分起來,形成普通的窄帶信號。再用常規的通信處理方式將窄帶信號解調成信息數據。干擾噪聲則被解擴成跟信號不相關的寬帶信號。

3、處理增益與抗干擾容限

擴頻通信系統有兩個重要的概念:處理增益、抗干擾容限。

處理增益表明擴頻通信系統信噪比改善的程度,是系統抗干擾的一個性能指標。

一般把擴頻信號帶寬W與信息帶寬之比稱為處理增益 ,即:

 

理論分析表明,各種擴頻通信系統的抗干擾性能與信息頻譜擴展前后的擴頻信號帶寬比例有關。

僅僅知道了擴頻通信系統的處理增益,還不能充分說明系統在干擾環境下的工作性能。因為系統的正常工作還需要:在扣除系統其他一些損耗之后,保證輸出端有一定的信噪比。所以我們引入抗干擾容限,其定義如下:

 Mj=Gp-[(S/N)out+Ls] 式中(S/N)out 為輸出信噪比;Ls 為系統插入損耗。它與擴頻處理的增益 Gp 成正比。

4、 擴頻通信技術特點

擴頻通信技術具有以下特點:

1.抗干擾能力強

在擴頻通信技術中,在發送端信號被擴展到很寬的頻帶上發送,在接收端擴頻信號帶寬被壓縮,恢復成窄帶信號。干擾信號與擴頻偽隨機碼不相關,被擴展到很寬的頻帶上后,進入與有用信號同頻帶內的干擾功率大大降低,從而增加了輸出信號/干擾比,因此具有很強的抗干擾能力。抗干擾能力與頻帶的擴展倍數成正比,頻譜擴展得越寬,抗干擾的能力越強。

2.可進行多址通信

CDMA擴頻通信系統雖然占用了很寬的頻帶,但由於各網在同一時刻共用同一頻段,其頻譜利用率高,因此可支持多址通信。

3.保密性好

擴頻通信系統將傳送的信息擴展到很寬的頻帶上去,其功率密度隨頻譜的展寬而降低,甚至可以將信號淹沒在噪聲中,因此,其保密性很強。要截獲、竊聽或偵察這樣的信號是非常困難的。除非采用與發送端所用的擴頻碼且與之同步后進行相關檢測,否則對擴頻信號的截獲、竊聽或偵察無能為力。

4.抗多徑干擾

在移動通信、室內通信等通信環境下,多徑干擾非常嚴重。系統必須具有很強的抗干擾能力,才能保證通信的暢通。擴頻通信技術利用擴頻所用的擴頻碼的相關特性來達到抗多徑干擾,甚至可利用多徑能量來提高系統的性能。

當然,擴頻通信還有很多其他優點。例如:精確地定時和測距、抗噪音、功率譜密度低、可任意選址等。

 

5、擴頻因子

擴頻因子:擴頻后chip速率和擴頻前信號速率的比值,直接反映了擴頻增益。每個符號被轉化成的碼片數目叫做擴頻因子。對於一種確定的制式,碼片速率是不變的,所以擴頻因子大的信道對應着低的速率,擴頻因子小的碼道對應着高的速率。

擴頻時數據每一位都和擴頻因子相乘。例如有一個1 bit需要傳送,假如擴頻因子有8位 10101010, 這樣乘出來每一位都由一個8位的數據來表示,也就是說總的數據量增大了8倍。 不同的用戶采用相互正交的擴頻因子,得到的數據用各自的擴頻因子進行還原來提取自己的數據。

 


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