【導(dǎo)讀】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。基于對(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)。
短距離數(shù)據(jù)收發(fā)信機(jī)中的典型應(yīng)用是衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、3G移動(dòng)通信、WLAN (IEEE® 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g)和Bluetooth® (藍(lán)牙)技術(shù)。擴(kuò)頻技術(shù)也為提高無線電頻率的利用率提供幫助(無線電頻譜是有限的，因此也是一種昂貴的資源)。
擴(kuò)頻理論的基礎(chǔ)
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) (公式1)
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是信號(hào)噪聲功率比。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(例如障礙、阻塞和干擾等)。
用于惡劣環(huán)境(例如噪聲和干擾導(dǎo)致極低的信噪比)時(shí)，從上式可以看出，通過提高信號(hào)帶寬(B)可以維持或提高通信的性能(C)，甚至信號(hào)的功率可以低于噪底。(公式中沒有對(duì)這一條件進(jìn)行限制!)
將公式1中的對(duì)數(shù)底從2修改為e (自然數(shù))，用ln = loge表示，側(cè)：
C/B = (1/ln2) × ln(1 + S/N) = 1.443 × ln(1 + S/N) (公式2)
由MacLaurin級(jí)數(shù)展開得：
ln(1 + x) = x – x²/2 + x³/3 – x4/4 + … + (-1)k+1xk/k + …:
C/B = 1.443 × (S/N – 1/2 × (S/N)² + 1/3 × (S/N)³ – …) (公式3)
在擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用中，信噪比S/N通常比較低。(如上面所提到的，信號(hào)功率密度甚至可以低于噪底。)假定較大的噪聲使S/N << 1，則Shannon表示式近似為：
C/B ≈ 1.433 × S/N (公式4)
可進(jìn)一步簡化為：
C/B ≈ S/N (公式5)
或：
N/S ≈ B/C (公式6)
在信道中對(duì)于給定的信噪比要無差錯(cuò)發(fā)射信息，我們只需要執(zhí)行基本的信號(hào)擴(kuò)頻操作：提高發(fā)射帶寬。這個(gè)原理似乎簡單、明了，但是具體實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜。因?yàn)榛鶐U(kuò)頻(可能擴(kuò)展幾個(gè)數(shù)量級(jí))會(huì)導(dǎo)致電子器件相互作用，從而產(chǎn)生擴(kuò)頻和解擴(kuò)操作。
定義
擴(kuò)頻技術(shù)在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)有多種方案，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：通過注入一個(gè)更高頻信號(hào)將基帶信號(hào)擴(kuò)展到更寬的頻帶內(nèi)的射頻通信系統(tǒng)(圖1)，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)，即在天線之前發(fā)射鏈路的某處簡單引入相應(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)。相反地，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(在某些情況下，它應(yīng)該只被傳輸信息的雙方知道)。
擴(kuò)頻處理的帶寬
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)頻碼的信號(hào)保持不變，不擴(kuò)頻。
解擴(kuò)處理的帶寬
同樣，解擴(kuò)過程如圖3所示：
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)處理中擴(kuò)頻。
由于擴(kuò)頻浪費(fèi)的帶寬通過多用戶彌補(bǔ)
擴(kuò)頻的直接結(jié)果是占用更寬的頻帶(擴(kuò)頻因子與前面提到的“處理增益”有關(guān))，因此浪費(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)展頻帶得到補(bǔ)償(圖4)。
擴(kuò)頻是寬帶技術(shù)
與窄帶技術(shù)相比，擴(kuò)頻過程是一種寬帶技術(shù)。例如，W-CDMA和UMTS屬于需要較寬頻帶(相對(duì)于窄帶無線電)的寬帶技術(shù)。
擴(kuò)頻的益處
抗干擾和抗阻塞性能
擴(kuò)頻技術(shù)會(huì)帶來諸多益處，抗干擾特性是其中最為重要的優(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，只有包含擴(kuò)頻因子的所希望的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在接收器內(nèi)。如圖5所示。
如果干擾信號(hào)(窄帶或?qū)拵?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)頻是寬帶技術(shù)，但寬帶技術(shù)不是擴(kuò)頻，寬帶技術(shù)不必包括擴(kuò)頻技術(shù)。
防止信號(hào)攔截
防信號(hào)攔截是通過擴(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。沒有正確的擴(kuò)頻因子，擴(kuò)頻信號(hào)就相當(dāng)于噪聲或者干擾(當(dāng)然，如果擴(kuò)頻因子很短，則可利用掃描方法進(jìn)行破解)。值得慶幸的是，擴(kuò)頻通信允許信號(hào)功率低于噪底，因?yàn)閿U(kuò)頻處理降低了頻譜密度，參見圖6 (總能量相同但展寬到整個(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(DSSS)的顯著特點(diǎn)(直序擴(kuò)頻將在后面詳細(xì)介紹)。其它的接收機(jī)無法解析這次發(fā)射，對(duì)它們的影響只是總的噪聲功率略有增加！
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(圖7)。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。
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。可以對(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(多個(gè)通信鏈路同時(shí)共存于同一個(gè)物理媒介)。迄今為止，主要有三種方式。
FDMA—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(圖8)。在三種多址實(shí)現(xiàn)方法中，F(xiàn)DMA的頻帶利用率最低。典型應(yīng)用包括無線廣播、TV、AMPS和TETRAPOLE。
TDMA—時(shí)分多址
TDMA中，不同用戶之間的通信基于分配的時(shí)隙(圖9)。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。
CDMA—碼分多址
CDMA的空間接入取決于擴(kuò)頻因子或碼(圖10)。從某種角度上講，擴(kuò)頻是CDMA的一種方式。發(fā)射端和接收端需要預(yù)先知道定義好的擴(kuò)頻碼。典型應(yīng)用包括IS-95 (DS)、IS-98、藍(lán)牙技術(shù)和WLAN。
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)，并在每一個(gè)蜂窩設(shè)置時(shí)隙。
擴(kuò)頻和編解碼因子
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)頻碼或擴(kuò)頻因子。在現(xiàn)代通信中，擴(kuò)頻碼必須足夠長，盡量接近類似于噪聲的隨機(jī)數(shù)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)碼。
圖11給出了一個(gè)偽隨機(jī)碼的示例。移位寄存器包含8個(gè)數(shù)據(jù)觸發(fā)器(FF)，移位寄存器中的內(nèi)容在時(shí)鐘上升沿逐位左移。移入FF1的數(shù)據(jù)取決于FF8和FF7的反饋信息。偽隨機(jī)碼PRN從FF8讀出。觸發(fā)器的內(nèi)容在每個(gè)序列的開始處被復(fù)位。
許多書籍都講到了PRN的生成和特性，但這些基本指導(dǎo)已經(jīng)趕不上其發(fā)展的步伐。合適的序列(或序列集)的生成或選擇都不是簡單地直接完成的。為保證有效的擴(kuò)頻通信，PRN序列必須考慮幾條準(zhǔn)則，如長度、自相關(guān)、互相關(guān)、正交性和比特均衡。比較常用的PRN序列是：Barker、M-Sequence、Gold和Hadamard–Walsh等。擴(kuò)頻通信鏈路使用的序列集越復(fù)雜其可靠性越高。但是，付出的代價(jià)是解擴(kuò)操作所需的電子設(shè)備也會(huì)更復(fù)雜(包括速度和性能)。數(shù)字解擴(kuò)芯片可以包含幾百萬個(gè)等效的2輸入與非門，開關(guān)頻率為幾十兆赫茲。
擴(kuò)頻技術(shù)的不同調(diào)制方式
根據(jù)偽隨機(jī)碼(PRN)插入通信信道的位置不同可以得到不同的擴(kuò)頻調(diào)制方式。圖12是基本的RF前端原理說明。
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)。這也是一種線性調(diào)頻脈沖技術(shù)，即在一個(gè)周期內(nèi)線性掃描載頻。也可以綜合上述技術(shù)形成混合擴(kuò)頻技術(shù)，比如DSSS + FHSS。DSSS和FHSS是現(xiàn)在最常用的兩種技術(shù)。
直序擴(kuò)頻(DSSS)
直序擴(kuò)頻技術(shù)中，偽隨機(jī)碼直接加入載波調(diào)制器的數(shù)據(jù)上。因此，調(diào)制器似乎具有更高碼率，與偽隨機(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。圖13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)據(jù)調(diào)制方法有關(guān)。下面是一個(gè)二相相移鍵控(BPSK)信號(hào)，是直序擴(kuò)頻系統(tǒng)中常用的調(diào)制類型。
跳頻擴(kuò)頻(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，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。跳頻輸出在整個(gè)頻帶上是平坦的(如圖14所示)，而不再是((sin x)/x)²包絡(luò)。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。
時(shí)間跳變擴(kuò)頻(THSS)
圖15所示為時(shí)間跳變擴(kuò)頻技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)到目前為止沒有大的突破，利用偽隨機(jī)序列控制PA的通/斷。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和結(jié)論
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)者和制造商之間既相互競(jìng)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與特定用途集成電路(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(VLSI)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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