直序擴(kuò)頻概述

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：佚名   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月30日

概述

盡管許多的文獻(xiàn)和書籍對(duì)這一專題進(jìn)行了論述，在許多網(wǎng)頁上也能找到解釋但是仍舊有許多電子工程師問及這個(gè)問題。實(shí)際上，不用公式推導(dǎo)一些復(fù)雜的概念那些簡單的解釋是不容易被接收的。有些文章專門詳細(xì)地論述了幾個(gè)方面的技術(shù)但又忽略其他的(例如：這直接擴(kuò)頻的重點(diǎn)在PN碼的產(chǎn)生上)。

接下來本文將盡可能全面的論述擴(kuò)頻技術(shù)所包括的所有方面。

短暫的歷史

有關(guān)擴(kuò)頻通信技術(shù)的觀點(diǎn)是在1941年由好萊塢女演員Hedy Lamarr 和鋼琴家George Antheil提出的?；趯?duì)魚雷控制的安全無線通信的思路，他們申請(qǐng)了美國專利#2.292.387。不幸的是，當(dāng)時(shí)該技術(shù)并沒有引起美國軍方的重視，直到十九世紀(jì)八十年代才引起關(guān)注，將它用于敵對(duì)環(huán)境中的無線通信系統(tǒng)。

解決了短距離數(shù)據(jù)收發(fā)信機(jī)、如：衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、3G移動(dòng)通信系統(tǒng)、WLAN (IEEE802.11a, IEEE802.11b, IEE802.11g)和藍(lán)牙技術(shù)等應(yīng)用的關(guān)鍵問題。擴(kuò)頻技術(shù)也為提高無線電頻率的利用率(無線電頻譜是有限的因此也是一種昂貴的資源)提供幫助。

擴(kuò)頻技術(shù)理論證明

在Shannon和Hartley信道容量定理中可以明顯看出頻譜擴(kuò)展的作用：

C = B Log2 (1+ S/N)

式中：C是信道容量、單位為比特每秒(bps)，它是在理論上可接受的誤碼率(BER)下所允許的最大數(shù)據(jù)速率；B是要求的信道帶寬，單位是Hz；S/N是信噪比。C表示通信信道所允許的信息量，也表示了所希望得到的性能，帶寬(B)則是付出的代價(jià)，因?yàn)轭l率是一種有限的資源，S/N表示周圍的環(huán)境或者物理特性(障礙物、干擾發(fā)射臺(tái)、沖突等)。

用于惡劣環(huán)境(噪聲和干擾導(dǎo)致極低的信噪比)時(shí)，從上式可以看出：需要提高信號(hào)帶寬(B)來維持或提高通信的性能,甚至于信號(hào)的功率可以低于噪聲基底。(公式中并沒有禁止這種條件！)。


修改上述公式的對(duì)數(shù)基底可得：

C/B = (1/Ln2) * Ln(1+S/N) = 1.443 * Ln(1+S/N)
應(yīng)用MacLaurin級(jí)數(shù)：

Ln(1+x) = x – x²/2 + x³/3 – x⁴/4 + ...+ (-1)^k+1x^k/k +...:

C/B = 1.443 * (S/N – (S/N)²/2 + (S/N)³/3 - ...)

在擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用中，信噪比較低(正如以上所提到的，信號(hào)功率甚至可以低于噪聲基底)。假定較大的噪聲使信噪比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1(S/N <<1)，則Shannon表示式近似為：

C/B ≈ 1.433 * S/N

可進(jìn)一步簡化為：

C/B ≈ S/N

或: N/S ≈ B/C


在信道中對(duì)于給定的信噪比要無差錯(cuò)發(fā)射信息，我們僅僅需要提高發(fā)射的帶寬。這個(gè)原理似乎簡單、明了，但是由于對(duì)基帶擴(kuò)頻(擴(kuò)展到一個(gè)非常大的量級(jí))的同時(shí)還需要相應(yīng)的解擴(kuò)處理，具體實(shí)現(xiàn)起來將非常復(fù)雜。

定義

擴(kuò)頻技術(shù)在具體實(shí)施時(shí)由多種方案，但思路相同：把索引(也稱為碼或序列)加入到通信信道，插入碼的方式正好定義了所討論的擴(kuò)頻技術(shù)。術(shù)語“擴(kuò)頻”指將信號(hào)帶寬擴(kuò)展幾個(gè)數(shù)量級(jí)，在信道中加入索引即可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。

擴(kuò)頻技術(shù)更加精確的定義是：擴(kuò)頻是通過注入一個(gè)更高頻率的信號(hào)將基帶信號(hào)擴(kuò)展到一個(gè)更寬的頻帶內(nèi)的射頻通信系統(tǒng)，即發(fā)射信號(hào)的能量被擴(kuò)展到一個(gè)更寬的頻帶內(nèi)使其看起來如同噪聲一樣。擴(kuò)展帶寬與初始信號(hào)之比稱為處理增益(dB)，典型的擴(kuò)頻處理增益可以從10dB到60dB。

采用擴(kuò)頻技術(shù)，在天線之前發(fā)射鏈路的某處簡單的引入相應(yīng)的擴(kuò)頻碼，這個(gè)過程稱為擴(kuò)頻處理，結(jié)果將信息擴(kuò)散到一個(gè)更寬的頻帶內(nèi)。在接收鏈路中數(shù)據(jù)恢復(fù)之前移去擴(kuò)頻碼，稱為解擴(kuò)。解擴(kuò)是在信號(hào)的原始帶寬上重新構(gòu)建信息。顯然，在信息傳輸通路的兩端需要預(yù)先知道擴(kuò)頻碼。(在一些情況下，它應(yīng)該僅僅被兩個(gè)當(dāng)事人知道。)



圖1.

擴(kuò)頻處理的帶寬效果

下圖對(duì)通信鏈路中信號(hào)帶寬進(jìn)行了估計(jì)：



圖2.

擴(kuò)頻調(diào)制作用于通用調(diào)制器(如BPSK)的前端或直接轉(zhuǎn)換，沒有接受擴(kuò)頻的代碼保持不變，沒有擴(kuò)頻。

解擴(kuò)處理的帶寬效果

同樣的，解擴(kuò)過程如下圖所示：



圖3.

解擴(kuò)通常在解調(diào)之前進(jìn)行，在傳輸過程中加入的信號(hào)(例如干擾或阻塞)將在解擴(kuò)處理中被擴(kuò)頻。

由于擴(kuò)頻所造成的帶寬浪費(fèi)通過多用戶所彌補(bǔ)

由于擴(kuò)頻占用更寬的頻帶，浪費(fèi)了有限的頻率資源。然而，所占用的頻帶可以通過多用戶共享同一擴(kuò)大了的頻帶得到補(bǔ)償。



圖4.

擴(kuò)頻是寬帶技術(shù)

與規(guī)則的窄帶技術(shù)相比，擴(kuò)頻過程是一種寬帶技術(shù)。例如，W-CDMA和UMTS屬于需要更寬頻帶(相對(duì)于這窄帶無線電設(shè)備)的寬帶技術(shù)。

抗干擾和抗阻塞性能

通過擴(kuò)頻可以獲得較高的抗干擾和抗阻塞特性，這也正是擴(kuò)頻的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)楦蓴_和阻塞信號(hào)不帶有擴(kuò)頻因子，所以被抑制掉。解擴(kuò)處理后只有包含括頻因子的、所希望的信號(hào)出現(xiàn)在接收器內(nèi)。



圖5.

干擾信號(hào)可能是窄帶的、也可能是寬帶的；如果干擾信號(hào)不包括擴(kuò)頻因子，解擴(kuò)后可忽略其影響。這種抑制能力同樣也作用于其它不具有正確擴(kuò)頻因子的擴(kuò)頻信號(hào)，正是由于這一點(diǎn)，擴(kuò)頻通信允許不同用戶共享同一頻帶(比如CDMA)。注意：擴(kuò)頻通信是寬帶技術(shù)，反之并不成立，也就是說：寬帶技術(shù)并非都是擴(kuò)頻技術(shù)。

交叉抑制

交叉抑制是通過擴(kuò)頻獲得的第二個(gè)優(yōu)勢(shì)。因?yàn)闆]有授權(quán)的用戶不知道擴(kuò)展原始信號(hào)的擴(kuò)頻因子，所以他們無法解碼。當(dāng)然，如果擴(kuò)頻因子很短，則可利用掃描方法破解。更加可喜的是，擴(kuò)頻通信允許信號(hào)低于噪聲基底，因?yàn)閿U(kuò)頻處理降低了頻譜密度(總能量相同，但被展寬到整個(gè)頻域內(nèi))。這樣，可以將信息隱藏起來，這一效果是直序擴(kuò)頻的顯著特點(diǎn)。其它接收器無法“看到”傳送信息，它們只是檢測(cè)到噪聲電平有一點(diǎn)提高！



圖6.

衰落抑制(多徑影響)

無線信道通常具有多徑傳播效應(yīng)，從發(fā)射端到接收端存在不止一條路徑。這些路徑是由于空氣的反射或折射以及從地面或物體(如建筑物等)的反射產(chǎn)生的。



圖7.

反射路徑(R)對(duì)直接路徑(D)產(chǎn)生干擾被稱為衰落現(xiàn)象。因?yàn)榻鈹U(kuò)過程與信號(hào)D同步，所以，即使信號(hào)R包含有相同的擴(kuò)頻因子，也同樣會(huì)被抑制掉?？梢詫?duì)反射路徑的信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)、并將其均方根值疊加到主信號(hào)上。

擴(kuò)頻技術(shù)在CDMA中的應(yīng)用

值得注意的是：擴(kuò)頻不是一種調(diào)制方式，不應(yīng)該同其他類型的調(diào)制相混淆。例如，我們能夠利用擴(kuò)頻技術(shù)發(fā)射一個(gè)經(jīng)過FSK或BPSK調(diào)制的信號(hào)。從編碼基本理論來看，擴(kuò)頻也能作為實(shí)現(xiàn)多址通信的一種方法(實(shí)際上或從外觀上存在多址，鏈接到同一物理層通信)。至今為止，主要有三種方式：

FDMA: 頻分多址
頻分多址(FDMA)給每個(gè)通信信道分配一個(gè)特定的載波頻率，用戶數(shù)受頻譜的頻段數(shù)限制。FDMA的頻帶利用率最低，典型應(yīng)用包括：無線廣播、TV、AMPS和TETRAPLOE。



圖8.

TDMA: 時(shí)分多址
TDMA中，不同用戶之間的通信基于被分配的時(shí)隙。這樣，在一個(gè)載波頻率上可以建立不同的通信信道。TDMA被應(yīng)用于GSM、DECT、TETRA和IS-136。



圖9.

CDMA: 碼分多址
CDMA的空間接入取決于擴(kuò)頻因子或碼。從某種角度上講，擴(kuò)頻是CDMA的一種方式。典型應(yīng)用包括：IS-95 (DS)、IS-98、藍(lán)牙技術(shù)和WLAN。



圖10.

實(shí)際應(yīng)用中可以綜合利用上述多址方式，例如：GSM組合了TDMA和FDMA，利用不同的載波頻率定義了拓?fù)鋮^(qū)域(蜂窩, cells)，并在每一個(gè)蜂窩內(nèi)設(shè)置時(shí)隙。

擴(kuò)頻和編解碼“密鑰”

我們知道，擴(kuò)頻的主要特點(diǎn)就是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)必須預(yù)先知道一個(gè)預(yù)置的擴(kuò)頻碼或密鑰，擴(kuò)頻碼必須足夠長，盡量接近類似于噪聲的隨機(jī)數(shù)字序列。但是，在任何情況下，他們必須保持可恢復(fù)性。否則，接收機(jī)將不能提取發(fā)射信息。因此，這序列是近似隨機(jī)的，擴(kuò)頻碼通常稱為偽隨機(jī)碼(PRN)或偽隨機(jī)序列。通常采用反饋型移位寄存器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列：



圖11.

關(guān)于偽隨機(jī)序列(PRN)的產(chǎn)生及其特性可以在許多書籍中查找到，有關(guān)這方面的探討超出了本文的范疇。只是簡單了解其架構(gòu)或適當(dāng)?shù)剡x擇序列(或一組序列)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，為保證有效的擴(kuò)頻通信，PRN序列必須遵循一定的規(guī)則，如：序列長度、自動(dòng)校準(zhǔn)、互相關(guān)、正交性和位平衡等。最通用的PRN序列有：Barker碼、M序列、Gold碼、Hadamard-Walsh碼。選用的序列越復(fù)雜，所構(gòu)建的SS鏈接就越穩(wěn)固，當(dāng)然，所付出的代價(jià)也就越大(研發(fā)時(shí)間和所付出的努力)，對(duì)于擴(kuò)頻通信更是如此。純粹的數(shù)字?jǐn)U頻解擴(kuò)芯片可能包含數(shù)百萬個(gè)等效的2輸入NAND門電路，開關(guān)頻率在及時(shí)兆赫茲。

擴(kuò)頻技術(shù)的不同調(diào)制方式

根據(jù)偽隨機(jī)碼插入通信信道的位置不同可以得到以下幾種擴(kuò)頻調(diào)制方式，這里僅參考以下RF前端的原理圖作簡單介紹：



圖12.

如果在數(shù)據(jù)上直接加入偽隨機(jī)序列碼，則可得到直序擴(kuò)頻(DSSS)，在實(shí)際應(yīng)用中，偽隨機(jī)序列與通信信號(hào)相乘，產(chǎn)生完全被偽隨機(jī)碼“打亂”了的數(shù)據(jù)。如果偽隨機(jī)碼作用在載波頻率上，我們得到跳頻擴(kuò)頻(FHSS)。如果偽隨機(jī)碼作用于本振端，F(xiàn)HSS偽隨機(jī)碼迫使載波按照偽隨機(jī)序列改變或跳變。如果用偽隨機(jī)序列控制發(fā)射信號(hào)的開或關(guān)，則可得到時(shí)間跳變的擴(kuò)頻技術(shù)(THSS)。也可以綜合上述技術(shù)形成混合擴(kuò)頻技術(shù)。比如象DSSS + FHSS。DSSS和FHSS是現(xiàn)在最常用的兩種技術(shù)。

直序擴(kuò)頻(DSSS)

在這種技術(shù)中，偽隨機(jī)碼直接加入載波調(diào)制器的數(shù)據(jù)上。調(diào)制器似乎具有更大的比特率，由偽隨機(jī)序列的碼片速率有關(guān)。用這樣一個(gè)碼序列調(diào)制射頻載波的結(jié)果是產(chǎn)生一個(gè)中心在載波頻率、頻譜為((sin x)/x)2的直序調(diào)制擴(kuò)展頻譜。

頻譜主瓣(零點(diǎn)至零點(diǎn))的帶寬是調(diào)制碼時(shí)鐘速率的兩倍，旁瓣帶寬等于調(diào)制碼時(shí)鐘速率。下圖是直序擴(kuò)頻信號(hào)的典型范例。直序擴(kuò)頻頻譜形狀上發(fā)生一些改變，與實(shí)際采用的載波和數(shù)字調(diào)制方法有關(guān)。下面是一個(gè)二相移鍵控信號(hào)，是直序擴(kuò)頻系統(tǒng)中常用的調(diào)制類型。




圖13、直序擴(kuò)頻通信信號(hào)的頻譜分析圖，注意：原始信號(hào)(擴(kuò)頻前)的頻譜僅占主瓣的一半。

跳頻擴(kuò)頻技術(shù)(FHSS)

顧名思義，F(xiàn)HSS中載波在一個(gè)很寬的頻帶上按照偽隨機(jī)碼的定義從一個(gè)頻率跳變到另一個(gè)頻率。跳變速率由原始信息的數(shù)據(jù)速率決定，我們能夠識(shí)別出快速跳頻(FFHSS)和慢速跳頻(LFHSS)。后者(最通用)允許幾個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)位調(diào)制同一頻率。另一方面，F(xiàn)FHSS是在每個(gè)數(shù)字位內(nèi)多次跳頻。

跳頻信號(hào)的發(fā)射頻譜同直序擴(kuò)頻有很大差別，包絡(luò)的波形不是((sin x)/x)2，跳頻輸出在整個(gè)頻帶上是平坦的(如下圖)。跳頻信號(hào)的帶寬是頻率間隙的N倍，N是每個(gè)跳變信道的帶寬。



圖14 、跳頻(FH)擴(kuò)頻信號(hào)的頻譜圖

時(shí)跳變擴(kuò)頻技術(shù)(THSS)


圖15.

時(shí)跳變擴(kuò)頻技術(shù)利用偽隨機(jī)序列控制PA的通/斷，該項(xiàng)技術(shù)到目前為止沒有大的突破。

結(jié)論

構(gòu)成一個(gè)完整的擴(kuò)頻通信鏈路需要運(yùn)用各種先進(jìn)的技術(shù)和工藝：射頻天線，大功率、高效率的功放，低噪聲、高線性的LNA，高集成度收發(fā)信機(jī)，高分辨率的ADC和DAC，高速、低功耗數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等。設(shè)計(jì)者和制造商之間即相互競爭、又精誠合作，最終使擴(kuò)頻系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。

最難以實(shí)現(xiàn)的電路是接收通道，特別是對(duì)DSSS的解擴(kuò)，因?yàn)榻邮斩吮仨毮軌蛑匦禄謴?fù)原始信息，并且做到實(shí)時(shí)同步。碼的識(shí)別也稱為相關(guān)運(yùn)算，它是以數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的，需要進(jìn)行快速的、大量的二進(jìn)制加法和乘法運(yùn)算。到目前為止，接收機(jī)設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的問題是同步問題。與擴(kuò)頻通信的其它技術(shù)相比，發(fā)展同步技術(shù)花費(fèi)了更多的時(shí)間、金錢，也消耗了更多的人力、物力。

目前，能夠解決同步問題的方法有許多種，大多數(shù)方案需要大量的分立元件。DSP與ASIC的出現(xiàn)為其帶來了重大突破。DSP提供高速的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力，在對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)劃分后進(jìn)行分析、同步和去相關(guān)運(yùn)算。借助于超大規(guī)模集成電路技術(shù)，ASIC降低了系統(tǒng)成本，并通過創(chuàng)建基本模塊架構(gòu)使其適合于多種應(yīng)用。

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