扩频技术（精选10篇）
扩频技术 篇1
作为三大核心通信技术之一的扩频通信,最早出现在军事领域,即二战中美军运用扩频通信对本国军事通信机密进行加密。该通信技术在军事领域主要应用于军事计划通信,指挥通信以及一些军事情报的加密。其中最典型的例子当数海湾战争中所使用的电子战,借扩频通信技术对敌军通信实施干扰,使其电子通信瘫痪,进而命令无法传送至前线,导致战局的失利及人员的伤亡。电子战中扩频通信的合理运用对这场战争胜负起着重大的作用。现代战争中,扩频通信被更加广泛的应用于军事对抗中,体现了极大的价值。除军事领域的有效应用外,扩频通信更在雷达探测、远距离遥控、电子导航及电子测距等多方面有着较为广泛的应用,并逐渐成为通信传输方式向前发展的重要方向。随着时代的发展,计算机技术的不断成熟,对扩频通信的进一步发展提供技术支持,也为扩频通信的平民化奠定了坚实的基础。
回想自扩频通信出现以来,自有线通信到后来的无线通信直至现在的光纤通信,通信技术可谓日新月异。特别是随着近代科技的不断向前发展,大规模集成电路与通信技术的有效结合使得扩频通信技术有了更加实质的突破。
一、扩频通信的理论基础
扩展频谱通信技术,说到底还是一种通信技术,其本质还是用来进行信息的传输。其主要特点是通信所需最小宽带与信号占据宽带相比,应有十分大的差距。另外,频带的拓展不需要像其他通信方式一般,通过多个码序列相互配合完成,该通信方式仅需一个独立的码序列便可完成。该通信具有三大基本特征,首先,扩频通信传输方式须为数字传输;其次,接收端的扩频函数需与扩频信号一致,最后,无关扩频函数对频带的宽度进行调制,进而完成整个通信过程。扩频通信系统原理图如图1所示。
如图1所示,首先对输入信息进行调制,由扩频码发生器协助并经扩宽频道调制器对信息进行拓宽,然后由发射频道发生器参与且对相应频道进行调制。最终,有终端解调器对该信息进行还原,并恢复至原始信息进行传输。信息的另一种调制方式也如上所述。
二、扩频通信的工作方式
1、直扩方式(DS),即直接扩频方式。
在接收端和发送端有着相类似的解扩方式,也是通过高码率的扩频码序列对由前面传输过来的信号进行直接的解扩,进而将信号转变为原始信息的信号,从而完成整个通信过程。直接扩频方式在通信领域有着最为广泛和最为普遍的应用,因而这种方式也成为该行业探索的重点。
2、FH方式,即跳变频率的方式。
首先对调频要有一个较为深入的理解,调频意为使用一个确切的码序列对多项频率的周期性移动进行可多项选择的键位控制。信号的发送端既然是以一种跳动频率信号进行发射,那么接收端也需要有相同的频率跳变方式来完成对整个信号的接收过程。FH方式又被称为频率移动键位控制系统,频率合成器及码产生器是其关键组成部分。调频系统的机理简化图如下所示:
图2、图3整个FH系统简要原理框图
3、跳时方式,按其字面意思理解就是跳跃时间段的通信方式。
系统的跳时工作方式与调频工作方式有着异曲同工之妙,跳频是频率进行不断的变动,而跳时则是信号进行时间上的不断跳动。
4、宽带线性调频方式。
所谓线性调频,其字面意思便是对频率的调整变化规律为一定的线性变化规律。即在信号接收或者发送的一个周期内,观察其载频的变化特点,若其数据的变化呈现出线性变化,该方式便是宽带线性调频方式。频带宽度随着频谱所处带宽的不同而不同,表现出信号频带宽度的自适应性。一般情况下,这种工作方式主要在雷达中有着重要的应用,近年来该方式在通信中的应用也被逐渐开发出来。
三、扩频通信系统中数字调制方式及其仿真实现
本节对一些常见的数字通信方式的性能和这些通信方式的产生方法进行了简要的阐述。在现代化信息化的数字通信中,QPSK和QAM两种调制方式有极其重要的应用,我们对这两种方式的抗噪声能力进行研究和分析。在前人总结的基础上希望能够在加性高斯信道及理想信道中完成该类调制方法的仿真实现。
1、振幅调制
虽然有许多其他的调制方式,如频率、相位相互结合相互实现的方式来完成调制,受控调频以及最小频移键控等方式。具有许多其他调制方式不具备的优点,如该方式对频带有着极高的利用率,只需要简单的设备便可实现该调制方式。该调制方式也有自身难以克服的缺陷,如有着相对较差的抗噪声性能,并且该调制方式的最优判决条件与调制器自身接收机输入信号的振动幅度有着极大的关联,正是由于这些缺点的存在使得取样判决器很难处在一个最佳工作状态上,使得通信调制系统存在一定缺陷以及一些能够突破的地方。随着科技的进一步发展,电路、滤波以及均衡手法的进一步成熟和优化,为适应新时代条件下的高速率、大容量数据的传输,人们开始关注多电平调制技术,以期找到一种更加适应与现代通信的高效的调制手段。
2、频移调制
除了上述最早出现的振幅调制外,还有一种十分重要的调制方式——频移调制。所谓频移调制即为依据频道的不同而完成频道的调制过程。该调制方式的优势在于能够有效的抵抗外界干扰,进而出色的完成频道的调制任务,使通信变得更加畅通无阻;频移调控目前主要在低速或者中速的通信传输和数据传输中有着较为广泛的应用。
3、相移键控
而与之相对的相对相移则不存在这一问题,原因在于相对相移恢复数字信号主要是依靠前后两个接收序列的序列码来进行。
依据被调参数的变化情况,一般我们将其分为二进制和多进制。并且,一般来运用二进制对数字进行传输时出现的误差可能与四个关键因素有关,其一,频率调制方式的变化;其二,不同噪声具有不同的统计特性;其三,解调方式有着较大的不同;其四,译码的不同判决方式,导致结果的不同。总之,无论采取何种方式,只要输入的信号与外界噪声强度之比较大,则系统有较低误码率;否则,系统的误码率就会增加。
综上所述,我们可以得到下述两点结论:1、针对调制方式一致而检测方式不同的情况,不是相互干扰检测的测量性能要明显低于相互干扰的噪声检测。当然,不得不提的一点是伴随信号与噪声的比例的不断变化(尤其是增大的时候),相互干扰与非相互干扰之间出现错误代码之间的差别就会变得越发不显著,并且两条错误代码曲线之间呈现相互接近的趋势。相互干扰的检测系统唯一缺点便是设备成本要高于非相互干扰检测系统,其系统的复杂程度也要高于非相互干扰检测系统;2、与1中相反在相同检测方式之下,我们考虑不同调制方法的优劣。得出如下结果,(1)在相同条件下,若有相同的错误代码,对该数据进行相干检测时,信号与噪声的比例之间有一定的要求;处于非相互干扰的检测方式时,与上述有着相同的条件下,信号与噪声之间的比例与相干检测一致;(2)2ASK需进行严格控制,虽然对其最佳判决门限电平的控制是异常困难的,主要原因在于该门限有着十分差的抵抗振幅不断降低的能力,而该门限的控制与接收端输入信号的幅值有着较为密切的关系;(3)由相关数据表明,2FSK通常有着比0.9还要大的调制指数,若此时二者有着同样的传码率,从数据分析不难看出,频带中2FSK具有最低的带宽利用率。
四、结语
近年来扩频通信技术得到高度发展,该技术集数字通信技术、计算机高速处理技术、数字匹配与滤波、无线通信收发高度自适应性及高速率计算等众多技术于一体,其研究发展的空间可见一斑。经研究总结,我们发现该项目虽然有着巨大的潜力,但亟需解决的问题依然有很多,如我们是否应对原始数据进行适当的加密处理,以保证通信系统有较强的保密性和抵抗外界信息干扰的能力;如何实现有效的载波同步问题;芯片接收端的门限我们采用硬判决,该判决具有极差的抗干扰能力,为加强通信系统抵抗外界信息干扰的能力,应对系统进行何种调整都是亟待解决的问题。
参考文献
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扩频技术 篇2
作者：赵虎
随着计算机网络的迅速发展，网上教学、实时图像(音频)远程教学、可视电话会议、大汇考实时图像监控管理、校园网络资源共享等已成为教学的必然趋势。
而目前大部分学校又缺少自身的宽带网络。微波扩频技术的出现解决了这一难题。他因传输速率高、受外界干扰小、便于为计算机网络提供物理接口信道等特点而得到日益广泛的应用，并且在教学宽带无线网络建设中，成本低廉、建网灵活、学校可独立建网，多个学校可联网，区、地、市、省可建以太网。
1微波扩频技术
1.1扩频技术简介
扩频技术(SpreadSpectrumTechnology)是指用来传输信息的射频信号带宽远远大于信息本身带宽的一种通信方式。在微波扩频无线教学网络中使用最多的是DS(直接序列)和FH(跳频)方式。
(1)直接序列调制系统所谓直接序列(DS)调制扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端扩展信号的频谱。扩频信号采用相移键控调制后由天线发射出去。在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信号。早期按此技术的微波无线教学网络一般采用QPSK调制，以提供更大的增益，且对某些类型的干扰不敏感。现在采用的补充代码键控CCK调制，实质上也是单载波正交相移键控(QPSK)。
(2)跳频系统所谓跳频(FH)，就是用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变。在收端，用相同的本地扩频码发生器去控制本地频率合成器，使其输出的跳频信号能在混频器中与接收信号差额出固定的中频信号，然后经中频带通滤波器及信息解调器输出恢复的信息。按此技术的微波无线教学网络一般采用GFSK调制，以降低潜在的干扰。
1.2微波扩频的工作方式
以直扩为例。微波无线教学网络中的扩频多采用(N，k)扩频，即用2k条长度为N的PN码去表示k位信息。用得最多的是(N，1)，即用2条长度为N的PN码去对应1位信息的2种状态。例如说“1”用11100110，而“0”用00011001去代替，而在接收机处只要收到的序列是11100110就恢复“1”，收到的序列是00011001就恢复“0”。当然，为了能区分不同的用户，还有同步多址及抗干扰能力等其他设计因素，实际采用的可能是比较复杂的序列。这些码序列最重要的特性是他具有近似于随机噪声的性能，因为在信息传输中各种信号之间的差别越大越好。这样任意2个信号不容易混淆，相互间不易发生干扰。理想的传输信息的信号同的两段噪声来比较都不会完全相似。用他们来表示2种信号，其差别性就最大。
解扩的方式可分模拟解扩和数字解扩2类。数字解扩主要采用扩频专用集成电路(ASIC)等。ASIC电路是在基带对扩频信号进行数字处理，他对输入的基带扩频信号进行匹配滤波，一旦输入信号与数字匹配滤波器的参考码(PN码)相匹配时，就可以恢复出1位传输的数字信号。而模拟解扩大多采用声表面波(SAW)器件，是在中频对扩频信号进行模拟处理。主要是SAW抽头延迟线和SAW卷积器。
1.3微波扩频的技术特点
用2.4GHz微波作传输媒介，以先进的直序扩展频谱(DSSS)或跳频(FH)方式发射信号。室外利用全向天线可覆盖10km左右的半径范围，室内全向可覆盖最大半径为100m的范围。电波能穿透几层墙或2层楼的混凝土楼板。扩频微波与常规微波相比：他的频点问题好处理;价格比较便宜。另外还具有以下几个特点：传输速率高(可为2～22 Mb/s或更高)、发射功率小(一般≤100 mW)、带宽较高;抗噪声和干扰能力强，能与传统的调制方式共用频段;抗衰落能力和抗多径干扰能力强，信息传输可靠性高;可以采用码分复用实现多址通信。用户可以使用相同的通信频率，只要设置不同的标识码ID，就可以产生不同的伪随机码来控制扩频调制，即能做到同时通信时互不干扰。易于多媒体通信组网，可以传送语音、传真、数据和图像等综合业务。由此可见，微波扩频合理地解决了校园建网的干扰、宽带、选址和组网等问题，
因此非常适合学校及相关单位建网。
2组网方式
主要阐述微波直接序列扩频技术的802.11b无线局域网在组建教学网络中的应用模式。
2.1运行环境
该网络是采用载波侦听多路访问/冲突避免媒介访问协议，遵从IEEE802.3和802.11b协议标准。和目前的几种主流网络操作系统完全兼容，用户已有的网络软件可以无修改地在无线网上运行。可运行于MSDOS3.1以上的版本及Windows环境、TCP/IP协议。
2.2接入方式
微波扩频无线教学网络按接入方式分为点对点、点对多点、蜂窝3种。根据建网的不同要求，可选择不同的接入方式。点对点方式一般指连接的双方用无线网卡相连。采用点对点方式的微波扩频系统主要使用802.11b协议。一般通信速率为10Mb/s左右。其应用场合：为连接两点间提供专用可靠的通信信道，且要求通信速率较高。一般可以最多连接256台PC。点对多点方式是指微波扩频系统含一个中心站和若干分布接入点，若干分布接入点以竞争方式或固定分配方式分享中心站提供的总信道带宽。主要使用802.11b协议。系统各分布接入点所分享的带宽一般为1Mb/s左右(总带宽一般为11Mb/s或更高)。其应用场合为：需组建一微波扩频通信网络，包括一个信息中心站和若干个分支接入点，分支接入点通过一条速率要求不高的通信信道(<1 Mb/s访问中心站，并通过中心站访问到其他分支接入站。连接方法：插上无线网卡的PC需要有接入点(AP)与另一台PC连接，一般可以连接1 000台左右的PC。蜂窝方式采用无连接的健壮协议。频带一般为800～900 MHz，数据传输速率一般低于1 Mb/s。应用场合：为满足移动用户的需求，采用移动蜂窝网接入方式组建无线局域网，各站点之间的通信是通过基站接入、数据交换方式来实现互连的。各移动站不仅可以通过交换中心自行组网，还可以通过广域网与远地站点组建自己的工作网络。
3网络优势
采用微波扩频无线教学网络，可迅速建立小型或重型的校区网络，若是有已经建成的校园网络，可增加网络的覆盖面，以便在任何地点访问网络资源。其优势如下：
(1)校际之间的联网。微波扩频无线教学网络可免布线的烦恼，对于学校数量多的高校区，采用无线网络方案，可实现校际间的资源共享和信息交流，为广大师生提供一个高效率的教学和科研环境。
(2)互联网接入。微波扩频无线教学网络可以将多个学校的网络中心与中国教科网连接。这样可以为各学校提供价格合理的宽带互联网络接入，满足师生迫切需要上网来实时获取信息的需要，同时可以为学生提供远程学习的机会。
(3)为学生和员工提供移动网络服务。使用微波扩频无线教学网络后，学校的教职员工和学生只要将自己的便携式计算机配备上无线网卡，可随时随地地使用学校配备互联网接入、图书馆信息资料共享等服务设施，这给科研和教学提供了极大的方便。
(4)对于临时教学活动提供灵活方便的服务。对于经常需要交换信息的计算机，采用微波扩频无线网络后，将不必再复制粘贴拷贝或是交换机器，只要安装上无线网卡，就可以实现资源共享。这样，同一间教室，可以教学很多门学科，不必再像今天这样下课后学生人潮涌动了。
(5)在一些历史悠久的大学里都有值得珍惜和保护的历史建筑，而这些建筑一般都仍然在使用，是校园通信网需覆盖的地方。
(6)实现远程实时图像(音频)教学、可视电话会议，数据双向交换等。
4结语
无线网络(即可以混传语音、视频和数据的统一无线平台)将在今后的信息访问方面占主导地位，因此微波扩频无线教学网络有着很好的发展前景。尽管现在出现了新的无线局域网标准，如802.11a和802.11g，采用先进的OFDM技术，但由于他们的产品价格比较昂贵，技术也不像802.11b(以扩频技术为基础)那样成熟，在目前的情况下，还不可能大规模使用，因此采用DS(直接序列)技术的802.11b标准的无线网络产品依然处于主流地位。而且由于和802.11g工作在同一频段，也易于未来向802.11g网络的升级。
扩频技术 篇3
关键词：跳频；扩频；m序列；跳频图案
中图分类号：TN914.42
文献标识码：A
DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.09.025
0 引言
跳频扩频是无线通信最常用的扩频方式之一。跳频通信系统的收发设备传输无线信号的载波频率按照预定规律或者算法进行离散变化，也就是无线通信中选用的载波频率随伪随机码的控制而随机跳变。“跳频技术”是一种用伪随机码序列进行多频频移键控的一种通信方式，是码控载波频率跳变的一种通信系统。其中跳频频率控制器是核心部件，它具有产生跳频图案、同步和自适应控制等功能，频率合成器在跳频控制器的控制下合成所需要的载波频率，数据终端还需要对接收数据进行差错控制。
跳频通信系统的特点是载波频率在伪随机码的控制下不断地随机跳变，它可以看作是载波频率按一定规律变化的多频频移键控（MFSK）。跳频系统的伪码是用来选择信道，并不直接传输。与一般通信系统相比，跳频通信系统的信道随伪码作随机变化，跟踪其频点十分困难，跳频通信是通信抗干扰领域应用最广的一种通信方式。在军事上，主要用于干扰和抗干扰的斗争，其频谱非常宽，跳频通信比较隐蔽也难以被截获，对方不清楚载频跳变的规律，所以敌人很难追踪信号实施干扰。即使有部分频点被干扰，仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信。在民用上，跳频技术在移动电话、蓝牙设备、婴儿监视器等方面也有广泛应用。
本文结合QPSK调制和跳频技术，首先研究了跳频调制的原理，然后借助MATLAB/siInulink平台设计了跳频扩频调制器，观察并分析仿真结果。
1 跳频调制原理
跳频通信是一种数字化通信，是扩频通信的一种。在这种通信方式中，信号传输所使用的射频带宽是原基带信号带宽的几十倍、几百倍甚至几千倍。但仅就某一个瞬间来说，它只工作在某一个频率上。跳频扩频就是用扩频的伪随机码序列对近代信号进行移频键控（FSK）调制，使载波的频率高速地跳变。根据跳变的快慢还分为快跳频和慢跳频两类。跳频系统的跳变频率有很多，多达几十个甚至上千个。待传送的信息和这些扩频码的组合实现选择控制，在传送过程中不断跳变。在接收端，由同步系统控制本地发生器产生与发送端完全相同的扩频码进行解扩，然后进行解调正确地恢复原有的信息。
跳频系统占用了比基带信息带宽要宽得多的频带。目前，跳频通信系统由于其保密性好抗干扰性强等优点主要应用在军事领域，跳频系统的组成原理框图如图1所示。
图l中，首先，信源信息经过基带调制得到一个中频信号。由一个伪随机码序列去控制产生频率随机变化的跳频信号，然后用该跳频信号对中频信号进行频率调制，得到频率随机变化的射频信号，发送到信道中。接收端要经过跳频同步系统产生本地跳频信号，本地跳频信号的变化与接收到的跳频信号变化一致，用本地跳频信号进行混频恢复出中频信号。
跳频系统频率的变化规律称为跳频图案，跳频图案在不同时刻有不同的频率选择，它表明什么时间用什么频率进行通信。跳频图案的好坏直接影响跳频通信系统的性能，包括跳频带宽、信道间隔、跳频频率的频点数、跳频速率、跳频周期等。
2 扩频跳频调制器的实现
根据上一节介绍的跳频原理，结合扩频原理，在MATLAB/simulink上搭建跳频扩频调制的仿真模型。跳频和扩频所用到的伪随机序列都采用m序列，采用先扩频后跳频，仿真模型分为扩频部分和跳频部分，下面分别进行介绍。
2.1 扩频模块模型
扩频模块部分采用QPSK扩频，内部结构如图2所示。
图2中，信源信号由随机整数产生器RandomInteger Generatorl产生，经过Unipolar to Bipolarl模块进行单双极性变换转换成双极性信号，然后转换成相互正交的两路信号，再分别与随机码序列相称进行扩频，扩频码由随机码序列产生器PN Se-quence Generator模块产生，然后与相互正交的两路载波信号相乘再相加完成扩频与基带调制，得到一个中频QPSK信号。
2.2 跳频模块模型
跳频模块模型如图3所示。
跳频模块部分重点是跳频图案的产生，图3中用PN码产生器生成的m序列控制压控振荡器来产生跳频图案。仿真中，用来产生跳频图案的m序列长度为15，采样时间为O.Ols，每4位伪随机码转换成十进制数作为VCO的输入，控制VCO产生不断变化的跳频频率，VCO的静态频率设为3000Hz，输入灵敏度设为IOOOHz/V。图2的输出作为图3的输入就得到的跳频扩频调制的结果。
3 仿真结果分析
运行仿真模块，可以得到15位的m序列码为：011110001001101，经过分析可以得到频点数为15个，顺序依次为10K、11K、12K、13K、18K、4K、6K、8K、17K、5K、9K、14K、15K、7K、16K0
运行仿真模块，观察控制VCO的输入电压信号，得到控制信号数值依次为7、8、9、10、15、l、3、5、l4、2、6、ll、l2、4、l3、7、8、9、10……，结合设置的VCO的静态频率为3000Hz，输入灵敏度为IOOOHz/V，计算VCO的输出频率依次为1OK、11K、12K、13K、18K、4K、6K、8K、17K、5K、9K、14K、15K、7K、16K……与分析结果一致。
跳频扩频调制后的信号频谱如图所示4所示。
跳频扩频调制后，信号的中心频率在以上分析得到的15个频率点随机跳变，图4中只截取了四个频率点的频谱图。由于扩频的作用，从频谱图上可以看出，信号的带宽被展宽了，展宽的倍数取决于扩频码的长度。
4 结束语
文中研究了跳频扩频调制的原理，给出了扩频跳频调制器的仿真模型，及模块的参数选取。经过分析，跳频扩频调制器在展宽了信号频谱的同时，使已调信号中心频率随机变化，中心频率跳变规律取决于调频图案的设计，仿真模型是能够正常工作的，产生的频点数与跳频速率与预期一致，。在实际应用中选择合适的PN码长度以及合适的采样时间，就可以得到符合要求的跳频图案。增加PN码长度得到足够多的跳频频点，缩小采样时间得到足够高的跳频速率。
简述扩频通信技术 篇4
1.1 扩频技术的定义
扩频技术的定义:扩频是通过注入一个更高频率的信号, 将基带信号扩展到一个更宽的频带内的射频通信系统的技术。即将发射信号的能量扩展到一个更宽的频带内, 使其看起来如同噪声一样, 起到扩展带宽的效果。扩频技术在具体应用时可以有多种实施方案, 但其基本思路相同, 即把索引 (码或序列) 加入到通信信道之中。
扩频处理:利用扩频技术, 在天线发射信号前, 在链路某处简单的引入相应的扩频码的过程, 称为扩频处理。
解扩:通过扩频将信息扩散到一个更宽的频带内后, 在接收链路中数据, 使其恢复前, 移去扩频码的过程, 称为解扩。也就是在信号的原始带宽基础上, 重新构建信息, 使其符合接收端带宽的过程。
在扩频和解扩的过程中, 在信息传输通路的两端需要预先知道扩频码。当这个扩频码仅仅被两个当事人知道时, 即形成了线路加密。
1.2 扩频中应当注意的问题
⑴频带共享补偿:由于采用了扩频技术, 即在发身过程中, 将会占用比不用扩频技术更多的带宽。这会使有限的频率资源遭到浪费。但是, 采用多用户共享相同的扩大后的频带, 可使这种频率浪费得以补偿。这种技术与规则的窄带技术相比, 使用的频带更为宽泛, 是一种宽带技术。通常使用的W-CDMA和UMTS就是对这种宽带技术的应用。
⑵提高抗干扰、阻塞性能:在整个扩频过程中, 由于干扰和阻塞信号不带有扩频码, 因此在解扩的过程中, 通过只处理包含括频码的信号, 可以将干扰和阻塞抑制掉。具有较高的抗干扰和抗阻塞特性的优势。
2 扩频系统的研究
2.1 扩频系统
我们常见的扩频系统有很多, 这些技术在我们的生活中均有着广泛的应用:⑴FHSS跳频技术。单纯的FHSS跳频技术是指:同步、同时接受两端以特定型式的窄频载波来传送讯号。其工作原理是收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式, 即通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。⑵DSSS直接扩频技术。直接扩频系统, 简称直扩DSSS, 是经过伪随机序列或称伪噪声码, 将信息进行扩频后再对射频载波进行调制的技术。其伪随机序列的码元速率要高于信号的码元速率, 使得其信号频谱宽度可大于原始信息的频谱宽度, 因而也广泛地应用在如GPS的通信系统中。⑶THSS跳时技术。THSS跳时技术与跳频相似, 它是使发射的信号在时间轴上跳变。由于这各技术采用了与跳频相比窄很多的时片去发送信号, 故其频谱也就更宽了。在其收发过程中, 只要收发两端在时间上可确保严格同步, 其原始数据就能正确地恢复。由于THSS为简单的跳时, 其抗干扰性较弱, 所以很少单独使用。常与其他方式结合, 组成各种混合方式。
2.2 混合扩频系统
⑴跳频/扩频 (FH/DS) 系统。该系统是将传统的窄带调制信号的载波频率, 经过伪随机序列控制, 进行离散跳变以实现频谱扩展的扩频通信方式。FH/DS技术具有优良的抗干扰性能和多址组网性能。因而在军事无线电抗干扰通信、民用移动通信、现代雷达和声呐的电子系统中应用广泛。
⑵时跳/扩频 (TH/DS) 系统。TH和DS系统, 均属于多址接入方式。对其进行比较, TH的远近效应敏感程度低, 可降低对功率的控制要求。对这种系统的研究, 将对改善超宽带系统在低信噪比下的性能有重大意义, 也具有很高的实用价值。目前正在研究过程中。
3 扩频技术的改进
3.1 多电平直扩技术的改进
多电平直扩, 就是以比需要高得多的速率产生原始的二元扩展码。以便获得一定的处理增益, 然后通过低截获频率的低通滤波器输出, 产生多电平幅值的扩频码。
分析表明:所提出的扩频码。能消除易使常规DS信号泄漏的有害谱线, 同时也易于产生码周期很长, 且有良好自相关和互相关特性的多种不同的码序列。
3.2 混沌序列作为扩频序列的改进
扩频技术 篇5
讨论了跟踪及数字中继卫星系统(TDRSS)一种新的扩频调制方案,即并行MSK扩频.根据不同的TDRSS业务在I路和Q路根据数据率的.高低选择扩频或不扩频.给出了QPSK扩频调制和并行MSK扩频调制的信号表达式和实现模型,并建立了MATLAB仿真模型.理论分析和仿真结果都证实并行MSK扩频调制的频谱特性优于QPSK扩频调制.
作 者：刘春平安鹤男 作者单位：深圳大学科技研究院,深圳,518060 刊 名：深圳大学学报(理工版) ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY (SCIENCE AND ENGINEERING) 年，卷(期)： 19(1) 分类号：V556.1 关键词：TDRSS QPSK 并行MSK 扩频
扩频技术 篇6
随着近年来移动通信的快速发展, 移动电话的应用已经渗透到人们生活的方方面面, 人们一刻也离不开手机, 因此通过定位手机终端位置来查找人员已成为某些部门的一种重要手段。
当前对GSM手机测向定位所采用的原理是比幅测向法, 该方式测向误差大, 定位时间长, 容易被机主发现。
对于CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-
SCDMA等制式的手机信号, 采用“驱赶”到GSM在目标手机锁定模式下, 是无法测向定位的, 存在缺陷。另一种方法是直接比幅测向, 但是上述手机信号均采用扩频信号体制。一旦遇到多用户信号重叠在同一段频谱中的情况时, 比幅测向法是无法测得目标手机方位的。这就是目前市面上该类测向定位系统表现欠佳的最主要原因。
二、扩频手机信号特点
CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等手机信号都是基于码分多址扩频信号体制, 具有信号频谱宽的特点, 其中TD-SCDMA信号还具有时分多址的特点。
基于CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等信号的特点, 以及目前多数对手机测向定位系统存在的性能缺陷, 考虑采用基于高速相关干涉仪测向体制, 结合扩频信号截获/分离/解扩技术, 设计一种手机信号测向定位系统。该系统可对各类手机信号, 尤其是扩频手机信号进行近实时测向, 达到测向快速, 定位准确的系统性能。
三、主要研究内容
3.1对扩频信号截获技术研究
各扩频制式信号工作频段从800MHz~2200MHz均有分布 (详见表1) 。测向设备必须具备扫描速度快, 处理频段宽的信号探测能力。
CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA通信信号中, 最大信号载波带宽为W=20MHz (以此为瞬时处理带宽) , 假设搜索分辨率为25k Hz, 最短信号持续时间为Td=0.5ms, 为使系统具备Pint=100%信号截获能力, 需满足扫描速率指标为:
3.2对扩频信号解扩技术研究
CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等信号均基于码分多址扩频信号体制, 存在多用户同频通信的情况。需先将目标信号从扩频信号中提取出来, 目标信号扰码、扩频码可通过移动通信数据采集分析协议层及其他途径获取。
解扩算法利用相关器在多个CDMA信号中选出使用预定PN码的信号, 把目标信号展开的能量从宽带上回收还原成原来的窄带信号, 而其他使用不同PN码的信号不能被解调[1]仍维持宽带, 经窄带滤波后, 将其从多个CDMA信号中提取出来。
当接收机的本地PN码与接收到的PN码在结构、频率和相位上完全一致, 才能成功解扩, 否则无法准确可靠地获取所发送的信息数据, PN码同步过程分为PN码捕获 (精同步) 和PN码跟踪 (细同步) 两部分。
由于不同制式的解扩技术是不同的, 因此需要对多种制式手机信号的解扩技术进行深入研究。
3.3相关干涉仪测向算法研究
当扩频信号被解扩处理后, 目标信号便还原成为窄带信号, 此时可利用相关干涉仪体制对信号进行来波方位的计算。
干涉式测向利用无线电波在接收天线阵的不同阵元上形成的相位差来确定源信号的方向, 建立入射波方向与相位差之间的映射样本集, 将测量相位差与事先已存储的样本进行相关运算, 求出相关数最大的样本所映射的方向即为入射波方向[3,4]。
考虑到对天线外观隐蔽性的要求, 假设天线阵采用口径为0.45m的5单元圆阵, 采用长短基线法。假设测向天线及信道间的固有相位均方根误差为20°, 来波方位为90°, 图3为800~900MHz频段内的测向精度的理论分析结果。假设相位误差为20°, 频率分别为850MHz和2025MHz, 图4为来波方位对测向精度的影响分析。
由理论分析结果可知, 该圆阵对扩频手机信号测向精度可控制在1.5°以下, 且精度随着频率增加而提高。
由理论分析结果可知, 该圆阵对扩频手机信号的不同来波方位测向精度呈共轭分布, 整频段测向精度可控制在3°以下。
3.5扩频信号解扩算法和相关干涉仪测向体制融合技术研究
在对CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等扩频信号进行测向时, 需要将扩频信号解扩与相关干涉仪测向两者的软件算法进行优化、改进、融合, 同时对硬件进行整合, 从而在系统的整体处理速度、集成度上有一定的提升。 (图5)
将解扩算法以模块形式嵌入在相关干涉仪测向系统相关硬件中。在DDC处理、数字滤波后, 根据不同网络制式进行数据重采样适配该信号码速率, 然后解扩处理将同步的五通道扩频信号还原成为五路同步窄带信号, 在实现解扩的同时, 应考虑保持五通道信号相位一致性, 满足后续相关干涉仪测向对相位同步的要求。
四、仿真验证
图6, 图7分别为800~900MHz、1880~2170MHz频段内的测向精度的模型仿真结果。假设固有相位误差仍为20°, 入射角为0-360°全方位, 仿真结果以等高线绘制。
五、结论
本文针对市面上常用比幅式移动通信测向产品的应用弊端, 提出了基于相关干涉仪扩频信号测向的方法, 理论上基于该方法的宽带测向机可以高测向灵敏度、高测向精度、快速的对CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等制式的手机上行信号进行测向定位, 为解决手机终端技术定位难的问题提供了一套解决方案。
参考文献
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民用通信中扩频技术的应用探究 篇7
一、扩频的定义
扩频是一项能够改善传输性能的技术, 它能对信息进行处理, 达到改善传输性能的目的, 这种技术适用于信息传输之前, 扩频这项技术可以用于提高频带的复用率。
二、扩频技术的特点
1、抗干扰能力较强。接收端扩展干扰信号的频谱能量, 压缩集中其中的有用的信号频谱能量, 增加了输出端的信噪比等方面都要涉及到扩展频谱技术的利用。扩展频谱越宽, 处理增益越高, 通信的抗干扰能力就越强, 工作信噪比就越高。另外, 扩频系统对于减少单频多频新高的干扰程度, 减弱其他随调制信号而来的信号干扰, 减弱脉冲正弦信号, 提高信噪比等方面都会产生理想的效果, 能够最大可能上避免外界信号的干扰。尤为突出的是, 在接收端进行干扰检测时采用了扩频码序列的方法, 即使对方在进行通话干扰时采用的信号与我们相同, 只要不能检测出有用洗好的码序列, 干扰人们的通话质量的活动就不会产生效果。可见, 抗干扰性能强, 能够最大程度上保证原有信号是扩频通信重要的优点。
2、抗多径干扰。多径干扰是指发射信号在传播过程中, 遇到的像电离层、对流层、高山、高大建筑物等反射体所引起的反射或折射, 形成信号的干扰。这是对于卫星通信等除扩展频谱技术之外其他无线通信所面临非常难以规避的问题。由于反射或折射具有不规律性, 这也就会使接收机信号发生严重的误差, 造成通信系统解调器输出出现大量错误, 甚至不能正常通信。抗多径干扰一直是长期以来难以解决的问题。扩频通信采用梳状滤波器或分集技术对此干扰进行合并规避或者排除变害为利, 其利用扩频码序列之间的彼此相关的特性, 利用这两种技术在接收端对信号进行重加强组合, 分离出最强的信号并加以组合, 使之信号最大程度上保持原样。可见扩频技术能圆满解决多径干扰这一问题。
3、促进码多分址实现。扩频技术之所以能得到迅速发展的另一个重要原因是该技术可以进行选址通信。扩频技术为了弥补占用频带宽的弊端, 通常让许多用户共用此频带, 大大提升频带利用率。在此宽带频率上提取出有用信号, 实现许多用户同时通话, 从而实现码多分址, 此技术称之为扩频CDMA。这宗方式, 虽然要占用交款的频带, 但是如果分摊到每个用户身上, 那么频带利用率也是相当高的。
4、扩频技术的保密性, 对窄宽通信系统的干扰程度小。随着经济的发展、科技的进步发生扩频信号机器的发射功率越来越大, 并且扩频信号均匀地分布在相对较宽的频率范围中, 相对而言, 单位频带内扩频技信号的功率系数较小, 信号和噪声的区分度不大, 很难被发现, 想检测出下一步骤的信号参数更是难上加难, 扩频信号能够进行相关接受工作, 并且只有知道伪随机码财政接收到扩频信号, 基于上述原因如果用户的通讯系统是扩频系统的话, 当用户在进行通信时, 旁人窃听其通话的难度巨大, 通信的保密性极高。
5、达到定时、测距的目的, 能够控制测量精确性。在扩频通信中, 高速的扩频码速率具有较高的扩展频谱, 扩展码的扩展频谱越高那么编码占用时间就越短暂。扩频技术能够进行测距的物理原理是依据扩频信号在传播过程的时间差来确定传递距离, 扩频信号发出后, 信号沿着传递路径进行传递, 在遇到被测物体后, 信号会发生反射, 再次到达信号发出的区域, 精确测量这段时间, 并根据公式精确地算出信号的传递距离, 从而达成精确测距、定时的目的。
三、扩频技术之于民用通信的使用情况
1、CDMA。CDMA是码分多址的英文简称, 它是一种逐渐成熟的通信技术, 它是以扩频技术为基本原理来进行开发的, 现在已经被广泛地应用于移动通讯产业之中, 并在当今逐渐流行的4G生活中得到展现
2、微波扩频通信技术。现代通信三大支柱之一是微波通信, 并且对通信产生重要影响, 最近几年科技迅速发展,
通信技术水平飞速提高, 在当今的各种民用通信技术中都能够应用微波扩频通信技术。异步传输模式和无线异步传输模式两种模式保证了微波扩频通信技术的传输质量。
四、结语
扩频技术干扰能力强、较难截获、通话保密性较高的特点奠定了它在现代民用通信中的重要地位, 利用扩频技术能够将通讯网络覆盖到全国各个地方, 将极大地减少网络覆盖的地域性。
参考文献
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扩频技术 篇8
扩频通信技术是将原始信号扩展为宽带信号来传输的,然后在接收端再解扩恢复为窄带信号,从而使整个系统能够较好地克服信道中的噪声,因此扩频通信实际是以牺牲带宽来对抗噪声的,但是带宽资源是有限的,随着人为干扰的不断增强,带宽却不能无限地扩展下去。扩频技术在一定程度上可以降低发射功率,但是面临越来越多的他台干扰,无线信道中总的发射功率依然呈增加趋势,所以要想从根本上解决人为噪声问题,就不能简单地使用扩展带宽的方法。
通过多年来的研究和实践,已经证实了反相对称技术(Phase-Inversion Symmetric Method,PISM)在对抗人为噪声方面有着很强的优势。鉴于此,本文将PISM[1]与扩频通信[2](Spread Spectrum Communication,SSC)技术相结合,联合二者的优势,建立了一种新的通信技术——反相对称扩频通信技术,从而使扩频通信系统更加有效地对抗人为噪声,达到节约带宽资源的目的。
1扩频系统的原理
直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DS)是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱,而在收端用相同的扩频码序列去进行解扩,把展宽的扩频信号还原成原始的信息。图1为DS系统的组成与原理框图。
在图1(a)中,假定发送的是一个频带限于fm以内的窄带信息,将该信息在信息调制器中先对某一副载频f0进行调制,得到一中心频率为f0而带宽为2fin的信号。一般的窄带通信系统直接将此信号在发射机中对射频进行调制之后由天线辐射出去,但在扩展频谱通信中还需要增加一个扩展频谱的处理过程。常用的一种扩展频谱的方法就是用一高码率fc的伪随机码序列对窄带信号进行二相相移键控调制,见图1(b)中发端波形。二相相移键控相当于载波抑制的调幅双边带信号。
选择fc≫f0>fin,这样就得到了带宽为2fc的载波抑制的宽带信号。这一扩展了频谱的信号再送到发射机中去对射频方进行调制,然后由天线辐射出去。信号在射频信道传输过程中必然受到各种外来信号的干扰。
从图1(b)中接收端波形可以看出,再一次的相移键控正好把扩频信号恢复成相移键控前的信号。从频谱上可看到,宽带信号解扩后频谱被压缩,还原成窄带信号。这一窄带信号经中频窄带滤波后送到信息解调器再恢复成原始信息。但是对于进入接收机的窄带干扰信号,在收端调制器中同样也受到伪随机码的双相相移键控调制,变成了宽带干扰信号,其功率分布在宽频带上。由于中频窄带滤波器只允许通带内的干扰通过,因此经过窄带滤波之后,干扰功率大为减少。由此可见,接收机输入端的信号与噪声经过解扩处理,使信号功率集中起来通过滤波器,同时使干扰功率扩散后被滤波器大量滤除,大大提高了输出信噪比。
2时域反相对称技术
时域反相对称是将反相对称法的思想应用于时域。根据对噪声相关性的分析,在时域上相邻两个时隙之间,噪声存在某种程度的相关性[3],那么,可以将相邻两个时隙,也就是相邻两个码元做反相处理,这样在接收端可以将后一码元与前一码元相减,使信号幅度增大到二倍,而噪声却受到了抑制。下面介绍时域反相对称法的基本原理:
如图2所示,将输入信号a(t)与周期为T的时钟脉冲p(t)相乘得到s(t),即:s(t)=a(t)×p(t)。其中:s(t)每两个码元为1组,每组2个码元互相反相。实际上,这就是将信号进行了曼彻斯特编码,也就是s(t)的波形与曼彻斯特码[4]完全一致。因此,时域PISM的编码方式与曼彻斯特码具有内在的一致性;然而在接收端解码时,曼彻斯特码没有应用反相对称法的原理。
又如图2所示,s(t)还可以被分解为s1(t)和s2(t),即:
式中:s2(t)=-s1(t-τ0);τ0=T/2。
对于时域反相对称法的解调方法如图3(a)所示,在接收端,信号首先经过一个低通滤波器,然后分成两路,第一路将信号延迟τ0后再积分,第二路反相后再积分,两个积分器的积分区间都是[kT-τ0,kT],其中k=1,2,…。然后将两路相加,输出y(kT)。这样的解码方法从理论上比较直观,容易理解,但在实际工程中,可以不用延迟器,使用其他器件取代以降低系统的复杂度,而且加法器和积分器交换顺序后可以省掉一个积分器,如图3(b)所示。
3反相对称法的抗噪原理
通过PISM原理框图(见图4)发现,PISM系统在发送端是将两路互反的信号s1(t)=si(t)和s2(t)=-si(t)分别送入两个相邻的子信道CH1和CH2中。
为简便,设这两个子信道的增益为1,且分别具有零均值的加性噪声,记为n1(t)和n2(t),再设两路噪声功率相等,即:N1=N2。在接收端将这两路信号相减,得:
即s0(t)=2si(t),n0=n1(t)-n2(t),从而求得总的输出信号功率So和噪声功率No分别为:
设N1和N2分别为CH1和CH2的输出噪声功率,ρ为两路噪声的相关系数,则有:
将N1和N2代入式(4),且设N=N1=N2,则:
从而得到PISM的信噪比增益为:
式中:SNRi=Si/Ni和SNRo=So/No分别为输入和输出信噪比。
为了简化分析,经典通信理论假定信道噪声为AWGN,其相关系数ρ(τ)=δ(τ),即当τ≠0时,ρ(τ)=0,噪声不相关。由式(7)可得No=2N,GPISM=2,噪声没有被抑制。然而实际系统的带宽是有限的。带限AWGN的相关系数ρ(τ)=Sa(πBτ),当τ<1/B时,ρ(τ)>0,此时噪声是正相关的。由式(7)可得No<2N,噪声可以被抑制。由式(8)可以看出,信噪比增益GPISM仅与ρ有关,而与原来的信噪比无关,当ρ足够大时,就可以获得较大的输出信噪比,这就为PISM从强噪声中提取弱信号提供了可能[5,6]。
4反相对称扩频通信技术的实现
信号的每一个码元用一个伪随机列代替,以此来达到扩频的结果。因此相邻的时隙就是每个伪随机序列中码片与码片之间的间隔[7]。又由于每个码片的持续时间非常短,也就是说相邻时隙的时间间隔非常短,那么当通过带通滤波器以后,两个相邻时隙之间噪声的相关性是很强的,而且时隙越小,相关性就越强[8]。
一般的扩频通信,使用144位的码序列作为扩频码,那么可以尝试使用72位的码序列,然后将每个码片分为两个时隙,第一个时隙传送原码,第二个时隙传送反码,这样仍然是144位的码序列,这正是时域PISM,这与曼彻斯特编码没有什么区别[9]。关键是在接收端采用PISM,可以利用解码相邻时隙之间噪声的相关性来抑制噪声。不妨称此为反相对称扩频通信技术。宏观上看,它和一般的扩频码具有相同的码速率,带宽也和普通扩频系统一样。但是反相对称扩频通信系统利用了相邻时隙的噪声相关性来抑制噪声。图5即是该系统的原理图。
从图5中可以看出,反相对称法与扩频技术相结合,在发射端,当把信号做了扩频调制之后增加了一个PISM编码的过程,然后再进行射频调制并发射,这个编码方式本质上是一个曼彻斯特编码的过程,即把每个码元按照时间分为前后时间相等的两部分,然后将第二个部分反相。
为了研究新方法的特点,验证其优越性,用System view对反相对称扩频通信系统进行多次测试,为了对比直扩系统与反相对称扩频通信系统之间的性能特点,本文以相同参数构建了直扩系统的仿真模型,并在相同实验条件下进行仿真试验。在相同条件下两种信噪比测量数据对比如图6所示。其中,曲线①为直扩系统误码率曲线;曲线②为PISM-SSC误码率曲线。
为了保证两种系统仿真结果的可比性,直扩系统的仿真模型使用扩频码序列长度为100,即100倍扩频,反相对称扩频通信系统中使用的扩频码序列长度为50,而每一码片又分为正反两个时隙,因此扩频比也是100。在信噪较低的情况下,直接扩频系统的误码率比反相对称扩频通信系统的误码率低,相反,在信噪比比较高的情况下,也就是在噪声影响大的情况下,反相对称扩频通信的误码率比直接扩频系统的误码率要低,这恰恰符合之前的理论分析,也就是说,反相对称扩频通信在对抗噪声上面有明显的优势,噪声越强,优势越明显。具体如图7所示,图中曲线右边的部分是使用PISM方法优于一般方法的适用范围。
从图中可以看出,噪声的相关系数ρ越大,PISM的使用范围就越宽,相关系数ρ越小的时候适用范围就越窄(仅适用于低信噪比的条件下)。本文仿真中,两条折线的交叉点恰好在图中“■”所示位置,经计算S/N<0.94时, 反相对称扩频技术优于普通的直扩技术。这个仿真噪声是高斯白噪声,而现实环境中,更多的是人为噪声,相关系数ρ较大,反相对称扩频技术的应用范围将会增大。
5结论
本文首先研究了基本的扩频原理以及反向对称法抗噪性能,然后对反向对称扩频理论进行推导以及软件仿真。由结果可以看出,反向对称扩频技术在相同信号功率和相同信号带宽的条件下,比一般的SSC技术具有更高的输出信噪比。凡是采用扩频技术的地方都可以采用反向对称法,而且反向对称法能够显著提高信噪比,大大降低发送功率,节约能耗,从根本上解决电磁污染问题,因此该技术可以在移动通信中推广应用。
摘要：根据噪声在时域上的相关性以及反相对称法的抗噪原理,将反相对称法与扩频通信相结合,提出了一种新的扩频通信方法。通过仿真和实验验证表明,时域反相对称扩频技术能使系统获得较高的输出信噪比,且在相同的传输条件下,反相对称扩频技术的性能优于一般的扩频技术。
关键词：时域反相对称法,扩频通信,输出信噪比,抗噪原理
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数字音频水印技术在扩频域的实现 篇9
作为保护多媒体信息版权而发展起来的一项新兴技术,数字水印技术最早出现在1994年,早期主要应用于数字图像,后来,研究人员将数字水印的概念扩展到音频领域。与图像水印相比,音频在每个时间间隔内的采样点数要少得多,也就意味着音频信号中可嵌入的信息量要比可视媒体小得多。另外人耳比较灵敏,听觉上的不可感知性实现起来要比视觉的不可感知更为困难。虽然如此,数字音频水印仍有着重要的实用价值,例如军事领域语音通讯隐秘性,数字音频制品版权保护的问题等[1]。
就目前而言,数字音频水印技术总体上还处在一个技术评估阶段,研究者的主要任务是设计更多、更有效的数字音频水印算法,为本学科发展尽可能多的积累有关技术经验,尽可能多的接受多媒体产业日新月异发展需求的各种考验,不断完善数字水印理论框架体系,并大力发展实用的数字水印技术,促使数字水印技术向质变发展[2]。
2、基于人类听觉系统的音频水印算法实现
2.1 数字水印的基本原理
数字水印技术是嵌入某些标识数据到宿主信号中作为水印,使得水印在宿主信号中不可感知和足够安全。从信号处理的角度分析,就是把嵌入到宿主信号中的水印信号视为在强背景下叠加一个弱信号,只要叠加的水印信号强度低于人类听觉系统的感知门限阈值,人们就无法感知到水印信号的存在。由于人类感觉系统受时间和频率特性的影响,因此通过对宿主信号作一定的调整,就有可能在不引起人类感觉器官感知的情况下嵌入一些信息,从而达到水印嵌入目的。
2.2 数字音频水印的基本模型
研究表明,人耳存在掩蔽效应,即一个较弱的但可以听到的声音,由于另外一个较强的声音出现而变得无法听到的现象。掩蔽的效果依赖于掩蔽音和被掩蔽音的时域和频域特性;人耳对声音信号的绝对相位不敏感,而只对其相对相位敏感;人耳对不同频段声音的敏感程度不同,通常人耳可以听见20~18的信号。但对300~3400范围内的信号最为敏感,幅度很低的信号也能听见,而在低频区和高频区,能被人耳听见的掩蔽信号的幅度要高得多。依据这些特性,在数字水印系统设计时,研究听觉系统对声音的感知特性的目的与数字音频压缩相似,即寻找音频信号中与听觉感知不相关的部分。在感知压缩中,使用此信息可以确定量化噪声的上限;在音频水印中,使用此信息可以确定水印嵌入的最大强度,在此嵌入强度下,嵌入的水印信号不被听觉系统感知。同时,可利用HAS的掩蔽特性,控制水印的嵌入,以达到自适应的目的。
2.3 算法设计
数字音频水印算法有多种,目前公认的有最不重要位法,回声隐藏法,相位编码法,扩展频谱法[3]。其中,扩展频谱法利用同欲传输数据无关的扩谱码对被传输的信号扩展频谱,使之远远超过被传输信息所必需的带宽,将隐藏的数据流扩展到尽可能宽的频谱或者是指定的频段上,达到隐藏数据的目的,具有较高的健壮性和安全性。
本文基于人耳听觉系统,采用DCT变换和扩频技术,实现了32×32和64×64的二值灰度图像水印在数字音频信号中的嵌入与提取,具体算法如下:
1).对音频信号进行分段处理;
2).将二值水印图像由二维转换成一维;
3).在数字音频信号中嵌入水印:
a.对用于水印嵌入的音频数据部分做分段离散余弦变换;
b.在离散余弦变换域内确定数字音频信号的中频系数;
c.修改中频系数,嵌入序列元素;
d.对嵌入序列元素的水印离散余弦反变换,得到数字音频信号中含有水印信息的部分;
e.将含有水印信息部分代替原始信息中的相应部分,得到含水印的数字音频信号。
4).从含水印的音频信号中提取水印,具体步骤如下:
a.对原始的数字音频信号和待检测的数字音频信号做相应处理;
b.对原始数字音频信号中的用于水印嵌入部分和待检测的数字音频信号中的含水印部分分别做离散余弦变换;
c.在离散余弦变换域内抽取水印序列信息,得到抽取水印的一维序列;
d.对一维序列做升维处理,最终得到抽取的水印。
3、实验结果与分析
3.1 实验参数
采用如图所示的二值图像作为水印信号,像素大小为32×32和64×64;扩频因子为2,扩频后长度为4096×2;音频信号为单声道、长度为10s、44.1kHz采样率、16bit量化;将音频信号平均划分,每段取幅度最大的前8个数据,然后分段余弦变换。
3.2 实验结果
由实验结果来看,得到如图含有数字水印的音频信号,和原始音频信号几乎没有差别。两次实验所得到的峰值信噪比(PSNR)分别为41.5697d B和37.8711d B,水印相似度(NC)分别为0.9817和0.9953,由实验结果来看,用扩频实现数字音频水印有着良好的透明性。
4、结论
本文在对数字音频水印技术的各种算法进行了论述,并基于人耳听觉系统,采用DCT变换和扩频技术,实现了32×32和64×64的二值灰度图像水印在数字音频信号中的嵌入与提取。由实验结果来看,该算法对于数字音频水印的出入与提取都有着较好的效果。
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扩频技术 篇10
MSK信号具有包络恒定、相位连续,且能量主要集中于主瓣等特性。MSK扩频调制与基于数字相关器解调相结合的传输体制［1］,在突发扩频系统中得到了成功应用。
和常规的相位调制方式( 如BPSK) 而言,MSK信号的功率谱更为紧凑,其主旁瓣的功率谱密度的对比可达20 d B以上,且99% 的信号能量分布在1.17 / Tc的带宽范围之内。
然而,在实际应用中,为了进一步消减相邻信道中的带外辐射( 通常要求带外辐射比带内辐射低40 ~ 80 d B) ,仍需要对扩频调制信号进行进一步带限滤波处理,将信号频谱限制在设定的频带内。与此同时,需要减小带限处理导致的传输信号码间串扰( ISI) 。
文中针对多种带限滤波设计技术［2－4］进行了研究。通过理论模型和仿真验证论述了各滤波器的设计原理以及关键参数对滤波器的影响。从带外抑制效果、占用资源和处理时延以及系统传输误码性能等方面对处理效果进行了对比。分析结果对于工程设计时选择合理的带限滤波技术,具有指导意义。
1 MSK扩频调制信号模型
MSK调制信号是相位连续FSK调制的一种特例,信号频率的偏移满足在一个码元期间内相位偏移量恰好为±π/2。其调制原理可简述为具有正/余弦函数加权的同相和正交支路信号合成的结果,如图1 所示。
图1 中,Tc代表扩频码片的时间周期。假定载波为fc,则调制输出的信号可表示为:
式中,Ik和Qk( 分别取值 ± 1) 为相互正交的2 个调制支路上的码片。为方便分析,通常假设各码片统计独立且具有相等的产生概率0.5,则信号的功率谱谱密度PMSK( f) 可表示为［5］:
其功率谱的旁瓣拖尾以近似1 /f4的规律滚降。
2 带限滤波器设计方法及原理
简而言之,升余弦滚降滤波是最经典的带限滤波方法。而高斯滤波可产生效率特别高的高斯脉冲波形,代价是性能有所下降。等波纹奈奎斯特滤波则可以更少的资源达到与升余弦滤波类似的性能。
2.1 升余弦滚降滤波器
当矩形脉冲通过带限信道时,脉冲会在时间上扩展,每个符号的脉冲将扩展到相邻符号的码元内,从而形成ISI。奈奎斯特指出,只要把通信系统( 包括发射机、信道和接收机) 的整个响应设计成在接收机端每个抽样时刻只对当前的符号有响应,而对其他符号的响应全等于零,则码间串扰的影响就能完全被抵消［6，7］。
无线通信中最常用的带限滤波器是升余弦滤波器,能满足奈奎斯特准则,即抽样时刻ISI为0。滤波器的传递函数为:
时域冲击响应表示为:
式中,滚降因子 α 对滤波器设计具有重要影响。α 增加则占用带宽增加,冲击响应在相邻符号间隔内时间旁瓣减小,这意味着可以减小对定时抖动的敏感度。
应用于数字通信系统时,升余弦滤波器通常利用窗函数法对式( 4) 所示的理想冲击响应进行截短,以FIR的形式实现。
2.2 等波纹奈奎斯特滤波器
奈奎斯特滤波器又称为1 /L带滤波器,其幅频响应的截止频率等于 π/L,而冲击响应每隔L个抽样取值为0。等波纹奈奎斯特滤波器在很多场合可以代替升余弦滤波器,且需要资源更少。
典型的滤波器设计不仅应考虑通带、阻带及理想增益等参数,还应包括与期望传递函数之间的偏差( 即纹波)［8－10］。等纹波FIR滤波器非常有效地符合这些设计要求,且其设计协议最小化了与理想传递函数之间的最大偏差( 纹波误差) 。
利用等波纹最佳逼近法设计FIR奈奎斯特滤波器,其数学模型的建立和算法的推导是比较复杂的。篇幅所限,本文只对基本原则进行简略描述。假定设计滤波器的幅频特性为Hd( w) ,实际得到的滤波器的幅频特性为H( w) ,等波纹最佳逼近法是根据设计要求,导出一组条件,使H ( w) 最好地迫近Hd( w) ,即使整个迫近频率区域上的迫近误差绝对值
取最小。
等纹波算法通常都采用Parks-Mcclellan迭代方法来实现。可以利用该方法生成一符合设计公差方案的Chebyshev多项式,且该多项式有最小的长度。对于低通而言,多项式的长度,也就是滤波器的长度可以根据下面的公式来计算:
式中,εp为通频带纹波; εs为抑止频带纹波。
利用等波纹法设计滤波器可以明确地指定阻带和通带边缘参数,其过渡带宽可借助升余弦滚降系数 α 的概念计算得出
式中,Nupsm为过采样倍数。
由于滤波器在通带和阻带的误差是均匀分布( 等波纹性) 的,只需要更少的滤波器阶数,便可获得与常用窗函数法相同的滤波指标。
换而言之,当滤波器阶数相同时,等波纹滤波器则可使通带更平坦,阻带最小衰减更大。对数字滤波器的设计而言,阶数的降低意味着硬件资源的节省和处理时延的减小,适合于要求低滤波时延的应用系统。
2.3 高斯滤波器
在实际通信系统中,并不是所有的带限滤波都遵循奈奎斯特准则。高斯带限滤波便不满足奈奎斯特准则要求在相邻符号的峰值为零,并有截短的传递函数。其传递函数平滑且没有零点,函数形状强烈依赖于3 d B带宽Bt与码长Ts之积［11，12］。
高斯滤波器的连续时间冲击响应可表示为:
式函中数,表参示数为a: 定义为。传递
可以看出,滤波器时域冲击响应和传递函数均依赖于参数a,a增加则高斯滤波器占用的带宽减少,冲击响应脉冲展宽,相邻符号间的串扰ISI增加。
对式( 8) 所示的理想冲击响应进行抽样并截短,便可通过数字FIR结构实现滤波器,这种处理产生的近似误差主要包括截短误差和混叠误差2 种。前者源自以有限时长的冲击响应来近似无限时长的冲击响应。混叠误差则来源于数字采样速率有限,然而式( 9) 中描述的频率响应实际上并不局限于某个带宽内。
3 滤波器仿真及性能分析
假定对传输系统发射的MSK信号进行带限滤波,要求带限滤波器的阻带衰减达到60 d B,分别选择升余弦滚降滤波器、等波纹奈奎斯特滤波器和高斯滤波器3 种方式,采用低通型FIR数字滤波器进行实现。
带限滤波数字处理的过采样率选为8,基带信号成形的滤波器滚降因子选为 α = 0.75。则升余弦滚降滤波器阶数需要88 阶; 等波纹奈奎斯特滤波器阶数需要40 阶,其过渡频带宽为0.187 5; 高斯滤波器的阶数需要24 阶,其关键参数“带宽—码宽积”( 即参数a) 选为移动通信系统中常用的BtTs= 0.3。各种滤波器冲击响应的仿真结果如图2 所示。
滤波器的频率响应决定了滤波处理输出信号的功率谱密度形状,经各种滤波器处理后的信号的功率谱密度如图3 所示,并且与不进行任何带限滤波处理的MSK信号功率谱密度进行的对比。
滤波器阶数的多少决定了运算资源的需求量,处理每个输入样本值所需要的乘法器和加法器数量如表1 所示。可见,等波纹滤波器需要的资源不足升余弦滤波器的一半,高斯滤波器需要的资源则更少,不足升余弦滤波器的1 /3。
一般而言,带限滤波的特性应具有2 个要素: 一是阻带衰减应足够高; 二是滤波处理造成的符号间串扰应尽可能小。
仿真结果表明,升余弦滤波和等波纹滤波能够满足上面的2 点要求,高斯滤波则只满足其中的第一点要求。
由图3 可知,升余弦滤波和等波纹奈奎斯特滤波相比,达到相同的带外抑制指标时,后者所需的资源不到前者的一半。但等波纹滤波的阻带部分起伏较大,而升余弦滤波进入阻带后依然较稳定的持续下降。
高斯滤波可以最少占用资源实现带外抑制要求,但由于高斯滤波器不满足消除ISI的奈奎斯特准则,会导致传输系统的误码性能相对较差,这个问题接下来将进行讨论。
此外,如果需要加快高斯滤波器的带外抑制下降速度,可以减小滤波器的带宽—码宽积。例如,带宽—码宽积由0.3 变为0.195 时,滤波器带外抑制的阻带边缘位置与升余弦滤波和等波纹滤波相近。但代价是,一方面滤波器的阶数会由24 阶增至40 阶左右( 与等波纹滤波器相近) ; 另一方面传输系统的误码性能会进一步损伤。
不同的带限滤波器不仅在运算资源和处理时延方向有差异,并且系统传输误码性能也不相同。采用不同的带限滤波器时,系统传输的误码性能,如图4所示。假定接收端采用非相干解调方式。
由图4 可以看出,采用升余弦滤波和等波纹滤波的系统传输误码性能基本一致,而高斯滤波的性能相对较差。如上所述,通过降低高斯滤波器的带宽—码宽积可以加快滤波器带外抑制的下降速度。图4 中还给出了高斯滤波器的时延—带宽积由0.3变为0.195 时,系统传输的误码性能。可见时延—带宽积0.195 时误码性能进一步下降,原因在于减小占用频谱会造成ISI增加,误码性能进一步恶化。
需要指出,应用中为实现对信号的最佳接收,常用一对匹配的根升余弦滤波器,分别置于发射和接收端。与此类似,等波纹奈奎斯特滤波器也可以用一对匹配的收发滤波器来等效,发端为最小相位滤波器,而收端为最大相位滤波器。
不过,对于相同的滤波阻带衰减指标要求( 如60 d B) 而言,采用匹配滤波器会导致滤波器阶数的急剧增加。篇幅所限,文中不再对此进行详细讨论。
4 结束语
对于无线信号传输而言,为了充分利用频带资源,在有限的频带范围内容纳更多的传输信道,需要尽量消减传输信号在相邻信道中的形成的带外辐射。经典的升余弦滤波器和等波纹奈奎斯特滤波器均可满足奈奎斯特准则要求,但等波纹滤波器可以更少占用资源和处理时延达到相同的指标要求。高斯滤波器不满足消除ISI的奈奎斯特准则,需要在占用带宽和ISI之间进行折衷,但它适于使用非线性RF放大器以及不能精确地保持传输脉冲波形不变的调制技术。
摘要：针对MSK扩频调制信号的带限滤波问题,对升余弦滚降滤波、等波纹奈奎斯特滤波和高斯滤波技术进行研究。采用了理论模型结合仿真验证的方式,对各种带限处理的带外抑制效果、占用资源和处理时延以及系统传输误码率等多方面的性能进行了分析。仿真表明,和升余弦滚降滤波相比,高斯滤波的运算资源很少但误码率性能差,而等波纹奈奎斯特滤波则可以相对较少地运算资源,实现与升余弦滚降滤波相接近的传输性能。因此,工程应用中应在传输性能和实现代价之间权衡取舍,以获得合适的处理效果。
关键词：MSK扩频调制,带限滤波,等波纹奈奎斯特滤波器,高斯滤波器
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