直序擴頻概述

文章出處：http://bookmouse.cn 作者：佚名   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月30日

概述

盡管許多的文獻和書籍對這一專題進行了論述，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問題。實際上，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)地論述了幾個方面的技術(shù)但又忽略其他的(例如：這直接擴頻的重點在PN碼的產(chǎn)生上)。

接下來本文將盡可能全面的論述擴頻技術(shù)所包括的所有方面。

短暫的歷史

有關(guān)擴頻通信技術(shù)的觀點是在1941年由好萊塢女演員Hedy Lamarr 和鋼琴家George Antheil提出的?；趯︳~雷控制的安全無線通信的思路，他們申請了美國專利#2.292.387。不幸的是，當(dāng)時該技術(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、如：衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、3G移動通信系統(tǒng)、WLAN (IEEE802.11a, IEEE802.11b, IEE802.11g)和藍牙技術(shù)等應(yīng)用的關(guān)鍵問題。擴頻技術(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，因為頻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、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，從上式可以看出：需要提高信號帶寬(B)來維持或提高通信的性能,甚至于信號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 - ...)

在擴頻技術(shù)應(yīng)用中，信噪比較低(正如以上所提到的，信號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

可進一步簡化為：

C/B ≈ S/N

或: N/S ≈ B/C


在信道中對于給定的信噪比要無差錯發(fā)射信息，我們僅僅需要提高發(fā)射的帶寬。這個原理似乎簡單、明了，但是由于對基帶擴頻(擴展到一個非常大的量級)的同時還需要相應(yīng)的解擴處理，具體實現(xiàn)起來將非常復(fù)雜。

定義

擴頻技術(shù)在具體實施時由多種方案，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頻技術(shù)。術(shù)語“擴頻”指將信號帶寬擴展幾個數(shù)量級，在信道中加入索引即可實現(xiàn)擴頻。

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

采用擴頻技術(shù)，在天線之前發(fā)射鏈路的某處簡單的引入相應(yīng)的擴頻碼，這個過程稱為擴頻處理，結(jié)果將信息擴散到一個更寬的頻帶內(nèi)。在接收鏈路中數(shù)據(jù)恢復(fù)之前移去擴頻碼，稱為解擴。解擴是在信號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)先知道擴頻碼。(在一些情況下，它應(yīng)該僅僅被兩個當(dāng)事人知道。)



圖1.

擴頻處理的帶寬效果

下圖對通信鏈路中信號帶寬進行了估計：



圖2.

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

解擴處理的帶寬效果

同樣的，解擴過程如下圖所示：



圖3.

解擴通常在解調(diào)之前進行，在傳輸過程中加入的信號(例如干擾或阻塞)將在解擴處理中被擴頻。

由于擴頻所造成的帶寬浪費通過多用戶所彌補

由于擴頻占用更寬的頻帶，浪費了有限的頻率資源。然而，所占用的頻帶可以通過多用戶共享同一擴大了的頻帶得到補償。



圖4.

擴頻是寬帶技術(shù)

與規(guī)則的窄帶技術(shù)相比，擴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

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



圖5.

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

交叉抑制

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



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)對直接路徑(D)產(chǎn)生干擾被稱為衰落現(xiàn)象。因為解擴過程與信號D同步，所以，即使信號R包含有相同的擴頻因子，也同樣會被抑制掉。可以對反射路徑的信號進行解擴、并將其均方根值疊加到主信號上。

擴頻技術(shù)在CDMA中的應(yīng)用

值得注意的是：擴頻不是一種調(diào)制方式，不應(yīng)該同其他類型的調(diào)制相混淆。例如，我們能夠利用擴頻技術(shù)發(fā)射一個經(jīng)過FSK或BPSK調(diào)制的信號。從編碼基本理論來看，擴頻也能作為實現(xiàn)多址通信的一種方法(實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)給每個通信信道分配一個特定的載波頻率，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: 時分多址
TDMA中，不同用戶之間的通信基于被分配的時隙。這樣，在一個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頻因子或碼。從某種角度上講，擴頻是CDMA的一種方式。典型應(yīng)用包括：IS-95 (DS)、IS-98、藍牙技術(shù)和WLAN。



圖10.

實際應(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)，并在每一個蜂窩內(nèi)設(shè)置時隙。

擴頻和編解碼“密鑰”

我們知道，擴頻的主要特點就是發(fā)射機和接收機必須預(yù)先知道一個預(yù)置的擴頻碼或密鑰，擴頻碼必須足夠長，盡量接近類似于噪聲的隨機數(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，接收機將不能提取發(fā)射信息。因此，這序列是近似隨機的，擴頻碼通常稱為偽隨機碼(PRN)或偽隨機序列。通常采用反饋型移位寄存器產(chǎn)生偽隨機序列：



圖11.

關(guān)于偽隨機序列(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，為保證有效的擴頻通信，PRN序列必須遵循一定的規(guī)則，如：序列長度、自動校準(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，所付出的代價也就越大(研發(fā)時間和所付出的努力)，對于擴頻通信更是如此。純粹的數(shù)字?jǐn)U頻解擴芯片可能包含數(shù)百萬個等效的2輸入NAND門電路，開關(guān)頻率在及時兆赫茲。

擴頻技術(shù)的不同調(diào)制方式

根據(jù)偽隨機碼插入通信信道的位置不同可以得到以下幾種擴頻調(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)上直接加入偽隨機序列碼，則可得到直序擴頻(DSSS)，在實際應(yīng)用中，偽隨機序列與通信信號相乘，產(chǎn)生完全被偽隨機碼“打亂”了的數(shù)據(jù)。如果偽隨機碼作用在載波頻率上，我們得到跳頻擴頻(FHSS)。如果偽隨機碼作用于本振端，F(xiàn)HSS偽隨機碼迫使載波按照偽隨機序列改變或跳變。如果用偽隨機序列控制發(fā)射信號的開或關(guān)，則可得到時間跳變的擴頻技術(shù)(THSS)。也可以綜合上述技術(shù)形成混合擴頻技術(shù)。比如象DSSS + FHSS。DSSS和FHSS是現(xiàn)在最常用的兩種技術(shù)。

直序擴頻(DSSS)

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

頻譜主瓣(零點至零點)的帶寬是調(diào)制碼時鐘速率的兩倍，旁瓣帶寬等于調(diào)制碼時鐘速率。下圖是直序擴頻信號的典型范例。直序擴頻頻譜形狀上發(fā)生一些改變，與實際采用的載波和數(shù)字調(diào)制方法有關(guān)。下面是一個二相移鍵控信號，是直序擴頻系統(tǒng)中常用的調(diào)制類型。




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

跳頻擴頻技術(shù)(FHSS)

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

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



圖14 、跳頻(FH)擴頻信號的頻譜圖

時跳變擴頻技術(shù)(THSS)


圖15.

時跳變擴頻技術(shù)利用偽隨機序列控制PA的通/斷，該項技術(shù)到目前為止沒有大的突破。

結(jié)論

構(gòu)成一個完整的擴頻通信鏈路需要運用各種先進的技術(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，高分辨率的ADC和DAC，高速、低功耗數(shù)字信號處理器(DSP)等。設(shè)計者和制造商之間即相互競爭、又精誠合作，最終使擴頻系統(tǒng)得以實現(xiàn)。

最難以實現(xiàn)的電路是接收通道，特別是對DSSS的解擴，因為接收端必須能夠重新恢復(fù)原始信息，并且做到實時同步。碼的識別也稱為相關(guān)運算，它是以數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的，需要進行快速的、大量的二進制加法和乘法運算。到目前為止，接收機設(shè)計中最復(fù)雜的問題是同步問題。與擴頻通信的其它技術(shù)相比，發(fā)展同步技術(shù)花費了更多的時間、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)運算能力，在對擴頻信號劃分后進行分析、同步和去相關(guān)運算。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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