直序擴頻概述

文章出處：http://www.xujuanpiju.com 作者：佚名   人氣： 發表時間：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，不用公式推導一些復雜的概念那些簡單的解釋是不容易被接收的。有些文章專門詳細地論述了幾個方面的技術但又忽略其他的(例如：這直接擴頻的重點在PN碼的產生上)。

接下來本文將盡可能全面的論述擴頻技術所包括的所有方面。

短暫的歷史

有關擴頻通信技術的觀點是在1941年由好萊塢女演員Hedy Lamarr 和鋼琴家George Antheil提出的。基于對魚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，當時該技術并沒有引起美國軍方的重視，直到十九世紀八十年代才引起關注，將它用于敵對環境中的無線通信系統。

解決了短距離數據收發信機、如：衛星定位系統(GPS)、3G移動通信系統、WLAN (IEEE802.11a, IEEE802.11b, IEE802.11g)和藍牙技術等應用的關鍵問題。擴頻技術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)下所允許的最大數據速率；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表示周圍的環境或者物理特性(障礙物、干擾發射臺、沖突等)。

用于惡劣環境(噪聲和干擾導致極低的信噪比)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基底可得：

C/B = (1/Ln2) * Ln(1+S/N) = 1.443 * Ln(1+S/N)
應用MacLaurin級數：

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 - ...)

在擴頻技術應用中，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遠小于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射信息，我們僅僅需要提高發射的帶寬。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)的同時還需要相應的解擴處理，具體實現起來將非常復雜。

定義

擴頻技術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。術語“擴頻”指將信號帶寬擴展幾個數量級，在信道中加入索引即可實現擴頻。

擴頻技術更加精確的定義是：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的射頻通信系統，即發射信號的能量被擴展到一個更寬的頻帶內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，在天線之前發射鏈路的某處簡單的引入相應的擴頻碼，這個過程稱為擴頻處理，結果將信息擴散到一個更寬的頻帶內。在接收鏈路中數據恢復之前移去擴頻碼，稱為解擴。解擴是在信號的原始帶寬上重新構建信息。顯然，在信息傳輸通路的兩端需要預先知道擴頻碼。(在一些情況下，它應該僅僅被兩個當事人知道。)



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.

擴頻調制作用于通用調制器(如BPSK)的前端或直接轉換，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

與規則的窄帶技術相比，擴頻過程是一種寬帶技術。例如，W-CDMA和UMTS屬于需要更寬頻帶(相對于這窄帶無線電設備)的寬帶技術。

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、所希望的信號出現在接收器內。



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，反之并不成立，也就是說：寬帶技術并非都是擴頻技術。

交叉抑制

交叉抑制是通過擴頻獲得的第二個優勢。因為沒有授權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)。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，從發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)的反射產生的。



圖7.

反射路徑(R)對直接路徑(D)產生干擾被稱為衰落現象。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。

擴頻技術在CDMA中的應用

值得注意的是：擴頻不是一種調制方式，不應該同其他類型的調制相混淆。例如，我們能夠利用擴頻技術發射一個經過FSK或BPSK調制的信號。從編碼基本理論來看，擴頻也能作為實現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，用戶數受頻譜的頻段數限制。FDMA的頻帶利用率最低，典型應用包括：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。典型應用包括：IS-95 (DS)、IS-98、藍牙技術和WLAN。



圖10.

實際應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撲區域(蜂窩, cells)，并在每一個蜂窩內設置時隙。

擴頻和編解碼“密鑰”

我們知道，擴頻的主要特點就是發射機和接收機必須預先知道一個預置的擴頻碼或密鑰，擴頻碼必須足夠長，盡量接近類似于噪聲的隨機數字序列。但是，在任何情況下，他們必須保持可恢復性。否則，接收機將不能提取發射信息。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生偽隨機序列：



圖11.

關于偽隨機序列(PRN)的產生及其特性可以在許多書籍中查找到，有關這方面的探討超出了本文的范疇。只是簡單了解其架構或適當地選擇序列(或一組序列)還遠遠不夠，為保證有效的擴頻通信，PRN序列必須遵循一定的規則，如：序列長度、自動校準、互相關、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。選用的序列越復雜，所構建的SS鏈接就越穩固，當然，所付出的代價也就越大(研發時間和所付出的努力)，對于擴頻通信更是如此。純粹的數字擴頻解擴芯片可能包含數百萬個等效的2輸入NAND門電路，開關頻率在及時兆赫茲。

擴頻技術的不同調制方式

根據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.

如果在數據上直接加入偽隨機序列碼，則可得到直序擴頻(DSSS)，在實際應用中，偽隨機序列與通信信號相乘，產生完全被偽隨機碼“打亂”了的數據。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，FHSS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射信號的開或關，則可得到時間跳變的擴頻技術(THSS)。也可以綜合上述技術形成混合擴頻技術。比如象DSSS + FHSS。DSSS和FHSS是現在最常用的兩種技術。

直序擴頻(DSSS)

在這種技術中，偽隨機碼直接加入載波調制器的數據上。調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。用這樣一個碼序列調制射頻載波的結果是產生一個中心在載波頻率、頻譜為((sin x)/x)2的直序調制擴展頻譜。

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




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(FHSS)

顧名思義，FHSS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據速率決定，我們能夠識別出快速跳頻(FFHSS)和慢速跳頻(LFHSS)。后者(最通用)允許幾個連續的數據位調制同一頻率。另一方面，FFHSS是在每個數字位內多次跳頻。

跳頻信號的發射頻譜同直序擴頻有很大差別，包絡的波形不是((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(THSS)


圖15.

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

結論

構成一個完整的擴頻通信鏈路需要運用各種先進的技術和工藝：射頻天線，大功率、高效率的功放，低噪聲、高線性的LNA，高集成度收發信機，高分辨率的ADC和DAC，高速、低功耗數字信號處理器(DSP)等。設計者和制造商之間即相互競爭、又精誠合作，最終使擴頻系統得以實現。

最難以實現的電路是接收通道，特別是對DSSS的解擴，因為接收端必須能夠重新恢復原始信息，并且做到實時同步。碼的識別也稱為相關運算，它是以數字域實現的，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，接收機設計中最復雜的問題是同步問題。與擴頻通信的其它技術相比，發展同步技術花費了更多的時間、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，大多數方案需要大量的分立元件。DSP與ASIC的出現為其帶來了重大突破。DSP提供高速的數學運算能力，在對擴頻信號劃分后進行分析、同步和去相關運算。借助于超大規模集成電路技術，ASIC降低了系統成本，并通過創建基本模塊架構使其適合于多種應用。

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