無線擴頻通信技術(shù)與干擾問題簡述

　　一、 擴頻技術(shù)簡介

　　擴展頻譜通信Ｓｐｒｅａｄ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ簡稱擴頻通信，其特點是傳輸信息所用的帶寬遠大于信息本身帶寬。擴頻通信研究始于二次世界大戰(zhàn)末，鑒于技術(shù)復(fù)雜，價格昂貴、相關(guān)學(xué)科綜合要求很高等原因，直到８０年代末期，才逐漸進入實用階段。

　　擴譜技術(shù)的基本理論根據(jù)是信息論中的香農(nóng)（Ｓｈａｎｎｏｎ）公式，它可以表示為：

　　Ｃ＝Ｗｌｏｇ２１＋Ｓ／Ｎ�牐ǎ保�

　　式中，Ｃ是信道容量（ｂｉｔ／ｓ），Ｗ是信道帶寬，Ｓ是信號功率，Ｎ是噪聲功率。

　　考慮到通信環(huán)境中Ｓ／Ｎ＜＜１的典型情況，再通過對（１）式進行若干數(shù)學(xué)變換，可得近似表達式（２）。

　　Ｗ＝ＣＮ／Ｓ２

　　由２式可以看出，對任意給定的噪聲信號比，只要增加用于傳輸信息的帶寬，理論上就可以增加在信道中無誤差地傳輸?shù)男畔⒙�。對一個給定的信道容量而言，既可以用增大信道帶寬同時相應(yīng)降低信噪比的辦法達到，又可以用減小信道帶寬同時相應(yīng)增大信噪比的辦法實現(xiàn)。如果信道容量Ｃ不變，則帶寬Ｗ和信噪比Ｓ／Ｎ是可以互換的，就是說增加帶寬就可以在較低的信噪比的情況下以相同的信息率來可靠的傳輸信息，甚至在信號被噪聲淹沒的情況下，只要相應(yīng)的增加信號帶寬，仍然保持可靠的通信，也就是可以用擴頻方法以寬帶傳輸信息來換取信噪比上的好處。這就是擴頻通信的基本思想和理論依據(jù)。

　　擴頻通信與一般的無線電通信系統(tǒng)相比，主要是在發(fā)射端增加了擴頻調(diào)制，而在接收端增加了擴頻解調(diào)的過程。在發(fā)射端利用一組速率遠高于信號速率的偽隨機噪聲碼（Ｐｓｅｕｄｏ Ｎｏｉｓｅ Ｃｏｄｅ簡稱ＰＮ碼）對原信號碼進行擴頻調(diào)制，一般是將信號擴展至幾兆寬的頻帶上，然后將擴頻后的信息調(diào)制到空間傳輸?shù)妮d頻上進行發(fā)送，通常發(fā)射的載頻是千兆的數(shù)量級，在接收端經(jīng)解調(diào)后，利用相同的ＰＮ碼進行解擴，把鋪開的信號能量從寬帶上收攏回來，凡與ＰＮ碼相關(guān)的寬帶信號經(jīng)解調(diào)還原為原來的窄帶信號，而其它與ＰＮ碼不相關(guān)的寬帶噪聲仍維持寬帶，解調(diào)后的窄帶信號再經(jīng)窄帶濾波后，分離出有用信號，而大部分噪聲信號則被濾掉，這樣使信噪比得以極大的提高，誤碼率大大降低。

　　擴頻通信系統(tǒng)按其工作方式可分為下列幾種：

　�。保犞苯有蛄袛U頻系統(tǒng)Ｄｉｒｅｃｔ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ Ｓｐｒｅａｄ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ簡稱ＤＳ－ＳＳ。它是由于待傳信息信號與高速率的偽隨機碼波形相乘后，去直接控制射頻信號的某個參量，擴展了傳輸帶寬而得名的。

　　２�犔�頻擴頻系統(tǒng)Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｈｏｐｐｉｎｇ簡稱ＦＨ－ＳＳ��。數(shù)字信息與二進制偽碼序列模二相加后，去離散地控制射頻載波振蕩器的輸出頻率，使發(fā)射信號的頻率隨偽碼的變化而跳變。

　　３�犔鴷r擴頻系統(tǒng)Ｔｉｍｅ Ｈｏｐｐｉｎｇ簡稱ＴＨ－ＳＳ��。跳時是用偽碼序列來啟閉信號的發(fā)射時刻和持續(xù)時間。發(fā)射信號的“有”、“無”同偽碼序列一樣是偽隨機的。跳時一般和跳頻結(jié)合起來使用。兩者一起構(gòu)成一種“時頻跳變”系統(tǒng)。

　�。矗牼�性調(diào)頻Ｃｈｉｒｐ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ。射頻脈沖信號在一個周期內(nèi)，其載頻的頻率作線性變化。

　　此外，還有這些擴頻方式的組合方式，如ＦＨ／ＤＳ、ＴＨ／ＤＳ、ＦＨ／ＴＨ等。一般采用混合方式看起來在技術(shù)上要求復(fù)雜一些，實現(xiàn)起來也要困難一些，但它們比單一的直擴、跳頻、跳時體制具有更優(yōu)良的性能。

　　直接序列擴頻（ＤＳ）和跳頻技術(shù)（ＦＨ）是在擴頻通信中應(yīng)用最廣的兩種技術(shù)。

　　二、擴頻通信的主要特點

　　擴頻通信技術(shù)在發(fā)端以擴頻編碼進行擴頻調(diào)制，在收端以相關(guān)解調(diào)技術(shù)收信，這一過程使其具有諸多優(yōu)良特性：

　�。保�抗干擾性能好

　　它具有極強的抗人為寬帶干擾、窄帶瞄準式干擾、中繼轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的能力，有利于電子反對抗。如果再采用自適應(yīng)對消、自適應(yīng)天線、自適應(yīng)濾波，可以使多徑干擾消除，這對軍用和民用移動通信是很有利的。

　�。玻�隱蔽性強 干擾小

　　因信號在很寬的頻帶上被擴展，則單位帶寬上的功率很小，即信號功率譜密度很低。信號淹沒在白噪聲之中，別人難于發(fā)現(xiàn)信號的存在，再加之不知擴頻編碼，就更難拾取有用信號。而極低的功率譜密度，也很少對其他電訊設(shè)備構(gòu)成干擾。擴頻通信技術(shù)把被傳送的信號帶寬展寬，從而降低了系統(tǒng)在單位頻寬內(nèi)的電波“通量密度”，這對空間通信大有好處。國際無線電咨詢委員會及國際電信聯(lián)盟規(guī)定了空間通信系統(tǒng)在地面上產(chǎn)生“通量密度”的國際標準，以防止對地面通信的干擾。例如規(guī)定在Ｓ波段內(nèi)每４ｋＨｚ頻帶內(nèi)“通量密度”為—１５４ｄＢ／ｍ２。

　　３．易于實現(xiàn)碼分多址

　　擴頻通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能力，是否浪費了頻譜資源呢其實正相反，是提高了頻帶的利用率。正是由于擴頻通信要用擴頻編碼進行擴頻調(diào)制發(fā)送，而信號接收需要用相同的擴頻編碼之間的相關(guān)解擴才能得到，這就給頻率復(fù)用和多址通信提供了基礎(chǔ)。充分利用不同碼型的擴頻編碼之間的相關(guān)特性，分配給不同用戶不同的擴頻編碼，就可以區(qū)別不同的用戶的信號，眾多用戶，只要配對使用自己的擴頻編碼，就可以互不干擾地同時使用同一頻率通信，從而實現(xiàn)了頻率復(fù)用，使擁擠的頻譜得到充分利用。

　　常規(guī)的無線通信是在頻率上分配稱為頻分�牷驈臅r間上分配?稱為時分�牻o通信用戶，使之在頻段上或時間上互不相同，以使彼此互不干擾共用頻譜資源。擴頻通信是以各用戶使用不同的擴頻編碼來共用同一頻率。美國國家航空和航天管理局ＮＡＳＡ�牭募夹g(shù)報告指出：采用擴頻通信多址方式的頻譜利用率高于采用頻分多址方式的頻譜利用率。而且擴頻碼分多址還易于解決增加新用戶的問題。

　　三、干擾問題

　　通常在衡量擴展頻譜系統(tǒng)抗干擾能力優(yōu)劣時我們引入“處理增益”（ＧＰ， Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｇａｉｎ）的概念來描述，其定義為接收機解擴（跳）器輸出信噪功率比與接收機的輸入信噪比之比。即

　�。牵剑常�

　　它表示經(jīng)擴頻接收系統(tǒng)處理后，使信號增強的同時抑制輸入接收機的干擾信號能力的大小。越大，則抗干擾能力愈強。因此討論擴頻系統(tǒng)抗干擾能力，就要分析它的處理增益。換句話說，處理增益的物理意義表明采用擴展頻譜技術(shù)后，該系統(tǒng)接收信號的信噪比在相關(guān)處理后與相關(guān)處理前的數(shù)值差異。根據(jù)香農(nóng)定理，在保持信息容量不變時，可以把系統(tǒng)輸入與輸出信號噪聲功率之比，轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)擴頻帶寬（ＢＲＦ）與信息帶寬（Ｂｂ）之比，或換為偽碼速率（Ｒｃ）與信息速率（Ｒｂ）之比。用數(shù)學(xué)表示式表示為：

　　Ｇ＝＝４��

　　工程上可按下面式子計算對于ＤＳ（直擴）系統(tǒng)

　�。牵穑洌拢牐剑保埃欤纾拢遥疲�Ｒ�牐洌拢�

　　Ｒ為信號數(shù)據(jù)的速率；ＢＲＦ為信號的射頻帶寬，Ｈｚ。

　　對ＢＰＳＫ，ＱＰＳＫ，ＯＱＰＳＫ，ＰＡＭ調(diào)制，ＢＲＦ＝０．８８ＲＣＲＣ為偽碼速率，ｃｈｉｐ ｒａｔｅ；或稱ＰＮ碼時鐘速率，ｃｏｄｅ ｃｌｏｃｋ ｒａｔｅ）；對典型的ＭＳＫ調(diào)制，ＢＲＦ＝０．６６Ｒｃ。

　　若沒有以上參數(shù)，可按ＧｐｄＢ�牐剑保埃欤纾校未a長來估算。

　　對于ＦＨ（跳頻）系統(tǒng)，ＧｐｄＢ�牐剑保埃欤纾危洌拢ú豢紤]相鄰跳躍頻率交叉干擾的情況下），Ｎ為跳躍頻率的總數(shù)。

　　擴展頻譜系統(tǒng)的處理增益的大小，決定了系統(tǒng)抗干擾能力的強弱。目前國外在工程上能實現(xiàn)的處理增益對ＤＳ—ＳＳ 可以達到７０ｄＢ。對ＦＨ—ＳＳ在工程應(yīng)用上限制在４０～５０ｄＢ以內(nèi)（相當于系統(tǒng)能提供１００００到１０００００個可使用的跳頻頻率）。

　　并不是說當干擾信號的功率電平與有用信號的功率電平之比，等于系統(tǒng)的處理增益時，相關(guān)處理后還能實現(xiàn)通信功能。例如，設(shè)系統(tǒng)處理增益為５０ｄＢ時，而輸入到接收機的干擾功率電平為信號電平的１０倍，即信噪比為—５０ｄＢ時，顯然此時系統(tǒng)就不能正常工作了。因此這里引入一個“干擾容限”的概念，用它來表示擴展頻譜系統(tǒng)在干擾環(huán)境中的工作能力。

　　干擾容限（Ｊａｍｍｉｎｇ Ｍａｒｇｉｎ）考慮了一個可用系統(tǒng)輸出信噪比的要求，而且顧及了系統(tǒng)內(nèi)部信噪比損耗（包括：射頻濾波器的損耗，相關(guān)處理器的混頻損耗，放大器的信噪比損耗等）。因此干擾容限定義為?在滿足所需要的輸出信噪比或誤碼率不考慮系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲的條件下，接收機允許輸入干擾信號超過有用電平的值。

　�。停辏剑牵穑�Ｌｓｙｓ＋Ｓ／Ｎ�牐铮酰簸� ｄＢ（６）

　　式中：Ｍｊ為干擾容限；Ｇｐ為系統(tǒng)的處理增益；Ｌｓｙｓ為擴頻系統(tǒng)的內(nèi)部損耗（解擴非線性造成的）；Ｓ／Ｎ�牐铮酰魹橄嚓P(guān)解擴輸出端（即基帶濾波器輸出）要求的信噪比。

　　例如，一個擴頻系統(tǒng)的處理增益為３５ｄＢ，要求進入基帶解調(diào)器的最小輸出信噪比Ｓ／Ｎ�牐铮酰簦剑保埃洌�，系統(tǒng)損耗Ｌｓｙｓ＝３ｄＢ，其干擾容限為

　　Ｍ＝Ｇ－

　�。剑常担�３＋１０�牐剑玻玻洌拢罚�

　　這就是說擴頻系統(tǒng)的輸入干擾功率電平，最多只能比信號高２２ｄＢ條件下，系統(tǒng)才能正常工作。亦即具有３５ｄＢ處理增益的擴頻系統(tǒng)，在考慮保證基帶數(shù)字解調(diào)器要求有１０ｄＢ信噪比以及系統(tǒng)損耗為３ｄＢ的條件下，系統(tǒng)要正常工作的輸入信噪比應(yīng)為－２２ｄＢ。

　　在實際工程應(yīng)用中，擴頻接收機的相關(guān)解擴和解調(diào)器中的乘法器，達不到理想的線性要求，其非線性及碼元跟蹤誤差導(dǎo)致信噪比損失，且在輸入信噪比很低時存在門限效應(yīng)。因此擴頻接收機實際上容許輸入的干擾與信號功率比，較干擾容限還要低。當實際的輸出Ｓ／Ｎ值比理論值下降１ｄＢ時，所對應(yīng)的干擾信號與有用信號比值稱為干擾門限。應(yīng)用上述判斷條件應(yīng)注意接收機的干擾門限問題，當干擾信號與有用信號比值超過一定值時，實際的輸出Ｓ／Ｎ值急劇下降，與理論計算得出的值相比存在較大的差距。

　　若Ｐｉ－Ｐｓ＞Ｍｊ，則擴頻接收機將受到不可接受的干擾。