扩频通信技术（通用10篇）
扩频通信技术 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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扩频通信技术 篇2
长江两岸通信如何链接，怎样实现收费数据和监控管理图像的共享和统一监管?采用传统的布线方式是不现实的。因为要跨越几公里宽的长江江面进行布线、对长江两岸实现局域网络的联接和数据信号的传输几乎是不可能的;若采用租用专线，时间长、带宽窄、没有所属权，需永久支付费用;而监控图像的传输，所需的是高速带宽(1Mbps以上)线路，这样的线路月租费用非常高，使用者难以承受。若通过无线+有线的方案，便可以轻松地实现两岸的组网。无线部分主要是通过微波扩频技术实现两岸通信链路的联通，只要通过扩频设备的安装及无线天线的架设，便可实现两岸局域网络的联接和数据信号的传输。
3.2 在
运河监控及管理上的运用
运河上如何实现适时监控图像的多点共享和统一控制，通过组网对多事故发生地带进行监控、预警和报警?京杭大运河两岸城市诸多如苏州、无锡等这样的古城历史文化悠久，古建筑非常丰富，且很多地段贯城而过，无法采用传统的布线方式，也不宜用长期租用专线的方法。但若用微波扩频的无线组网，监控图像及数据的传输、共享便可轻松实现。即使链接中存在不能直通，同样可采用微波扩频通信的中继来实现通信线路的链接。所需做的也不过是微波扩频设备的选用、安装，调试，这可大大地节省时间和经费。
3.3 在不停车电子收费系统中的运用
不停车电子收费系统(ETC)，应该说是将来高速公路收费系统的主要收费方式。不停车电子收费系统(ETC)是指车辆通过收费站时无须特别的减速或停车，这将有效提高收费站的通行能力，解决因人工收费造成的收费站交通堵塞、车辆延误、工时损失、能源消耗和环境污染等问题;另一方面可以减少过往司机携带现金量和财务报帐手续，方便了车辆的出行，同时堵住了路桥收费中可能出现的漏洞，防止了舞弊现象。而这些功能的实现，采用传统布线形成的网络方式是无法做到的，目前唯有通过无线方案来实现，经过多个阶段的发展，应用微波扩频技术的电子不停车收费系统已成为欧美等发达国家普遍采用的收费方式：将无线微波扩频技术运用到应答器与收发器上，遵循TCP/IP协议，实现了网络的联通，从而达到数据共享。车辆与收费车道的数据通信通过两个装置来完成微波扩频读写，一个是安装在汽车挡风玻璃等处的应答器，另一个是安装在收费岛头等处的天线。特别要指出的是，不停车收费系统不仅适用于高速公路收费，还可以应用于停车场、加油站、公路规费的征收、车辆的年审检测等交通管理的综合一体化服务。
3.4 其他方面的问题
微波扩频技术在交通系统中的运用，不仅只限于上述几个方面，还能运用交通系统的其他方面，诸如客运公司无线移动售票、交通运输执法部门的现场办公、执法(通过无线联网终端共享数据)、50公里内的临时通信等等。当然在使用微波扩频技术时，必须考虑到相连单位距离不能太远，并且两点直线范围内不能有阻挡物。若存在阻挡物或更远距离，则要通过微波扩频技术传输中的中继转换来实现。同时，在无线通信方案的组织、设备的选型上都必须根据具体的情况作出相应的决策。
4 结束语
扩频通信技术 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
扩频通信技术 篇5
DS/FH混合扩频通信系统中，需要数据不变频器、相关累加器及码发生器等完成下变频、相关解扩等运算。通常采用专用芯片来完成这些功能，导致系统体积增大，不便于小型化。现代的EDA(电子设计自动化)工具已突破了早期仅期进行PCB版图设计或电路功能模拟、纯软件范围的局限，以最终实现可靠的硬件系统为目标，配置了系统自动设计的全部工具，如各种常用的硬件描述语言平台VHDL、Verilog HDL、AHDL等;配置了多种能兼容和混合使用的逻辑描述输入工具，如硬件描述语言文本输入法(其中包括布尔方程描述方式、原理图描述方式、状态图描述方式等)以及原理图输入法、波形输入法等;同时还配置了高性能的逻辑综合、优化和仿真模拟工具。FPGA是在PAL、GAL等逻辑器件的基本上发展起来的。与PAL、GAL等相比较，FPGA的规模大，更适合于时序、组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用IC芯片。FPGA具有可编程性和设计方案容易改动等特点，芯片内部硬件连接关系的描述可以存放在下载芯片中，因而在可编程门阵列芯片及外围电路保持不动的情况下，更换下载芯片，就能实现新的功能。FPGA芯片及其开发系统问世不久，就受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。本文主要讨论一种基于编码扩频的DS/FH混合扩频接收机解扩及同步过程的实现结构，采用ALTERA公司的APEX20K200RC240-1器件及其开发平台Quartus II实现混合扩频接收机的核心――解扩及同步模块。
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民用通信中扩频技术的应用探究 篇6
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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一种扩频通信系统的实现 篇7
扩频通信, 即扩展频谱通信, 它与光纤通信、卫星通信一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信系统具备3个主要特征:载波是一种不可预测的, 或称之为伪随机的宽带信号, 载波的带宽比调制数据的带宽要宽得多, 接收过程是通过将本地产生的宽带载波信号的复制信号与接收到的宽带信号相关来实现的。
扩频通信是通信的一个重要分支和信道通信系统的发展方向, 具有抗干扰能力强、保密性好、易于实现多址通信等优点, 因此该技术越来越受到人们的重视。近年来, 随着超大规模集成电路技术、微处理器技术的飞速发展, 以及一些新型元器件的应用, 扩频通信在技术上已迈上了一个新的台阶, 不仅在军事通信中占有重要地位, 而且正迅速地渗透到 了个人通信和计算机通信等民用领域, 成为新世纪最有潜力的通信技术之一。本文结合相关工程实践, 简要说明了一种直接序列扩频信系统的实现。
1 实现模式
系统采用直接序列扩频方式实现, 仿真阶段采用扩频码速率2.5 Mbps (可根据需求进行相应改动) , 扩频码采用M序列, 长度为64, QPSK调制方式, 采用帧结构实现, 可用于遥控指令的数据通信等对抗干扰有一定要求的领域。
系统的硬件架构采用单片机+FPGA的实现架构。单片机完成系统指令的生成与控制、接收端指令的提取等工作, FPGA完成物理层传输的发送与接收。FPGA内部采用零中频的实现方式, 以降低对资源的使用。本文主要介绍FPGA内部的物理层传输体制的实现。
2 功能模块
2.1 发射部分
发射部分完成数据的串并转换、相位映射、成帧、扩频调制、数据内插等部分。原理框图如图1所示。
FPGA接收单片机发送的以字节为单位的数据, 以帧为单位进行存储。当完整接收一帧数据后, 将其进行由字节到并行符号数据的转换。转换后数据进行成帧模块, 按系统的帧结构进行组帧处理。最后经扩频调制及数据内插处理后, 经DAC发送至中频单元。
2.1.1 接口
通过此接口完成单片机向FPGA发送数据。数据以帧为单位发送。两者之间通过个信号完成一次帧数据的传递:
① 允许发送信号:由单片机查询FPGA状态寄存器, 当FPGA准备好接收数据时, 单片机开始一帧数据的发送;
② 帧起始信号:单片机告知FPGA一帧数据马上发送;
③ 帧数据:单片机发送至FPGA的帧数据;
④ 帧结束信号:单片机告知FPGA一帧数据发送完毕。
2.1.2 数据暂存
完成待发送数据的临时存储。以FIFO方式存储, 当完整一帧数据存储完成后, 将其读出, 送至字节/符号转换模块。
2.1.3 节/符号转换
将输入的数据拆分成比特数据流, 并将其分别映射至同相支路 (I路) 和正交支路 (Q路) , 即实现QPSK波形的星座映射。
2.1.4 成帧
系统采用帧结构方式, 由帧头 (CR码) 、独特码及数据组成。帧头用于进行信号检测, 并进行系统频偏的纠正, 独特码用于标识数据的起始。格式如图2所示。
系统中, 帧头由100全1序列组成;独特码由64M序列组成, I/Q路采用不同数据;数据部分采用固定长度的形式, 数据长度暂定为1 000, 即8 000 bit。
2.1.5 扩频调制
本系统采用64M序列作为扩频序列, 通过序列与数据的运算, 完成信号的频谱扩展。为方便系统设计, 帧头与数据扩频码采用相同序列, 如下:
1111110101011001101110110100100111000101111001010001100001000000。
2.1.6 数据内插
系统采用8倍复制内插的方式, 以提高数据速率。
2.2 接收部分
采用的接收端数据流程框图如图3所示。
2.2.1 信号检测模块
信号的检测采用匹配滤波器的方式实现。由于发送端采用8倍数据内插的方式实现, 因此, 在接收端采用了8路滤波器, 相邻的8个数据分别进入不同的滤波器, 即匹配滤波器0对编号为0、8、16的数据进行滤波, 滤波器1对点好为1、9、17的数据进行滤波, 以此类推。同时, 将滤波后的数据进行相加, 得到相邻八个数据的相关和。当接收数据与本地伪码完全对齐时, 相关值输出最大值, 表明信号捕获成功。数据流的匹配滤波方式如图4所示。
为了增加相关性, 帧头相关采用2个M序列连续相关的方式实现。仿真结果表明, 此种方式在没有明显增加计算量的情况下, 较大地提高了系统捕获准确性。
为了降低系统误捕获的概率, 系统设计时采用了门限与捕获间隔相结合的方式实现。由于PN码周期为64, 且系统采用8倍内插方式实现, 因此, 理想情况下, 相关峰值之间的间隔为512个数据。
2.2.2 频偏纠正
在完成信号的捕获后, 采用如下算法完成频偏的计算。
在CR段, I、Q 2路的信号不变, 即发送端信号的相位不变, 设为φ0。设波形在传输过程中引入的频偏为Δf, 相偏为Δφ, 则接收到的信号可以表示为:
Rx (t) =ejφ0*ej (2πΔft+Δφ) +N=
ej* (2πΔft+Δφ+φ0) +N=
cos (2πΔft+Δφ+φ0) +j*sin (j2πΔft+Δφ+φ0) +N, (1)
式中, N表示为传输过程中引入的噪声。
式中, Ts为符号率。
因此, 得到频偏结果表示为:
将此结果补偿到本地NCO中, 以消除频偏对系统的影响。为了提高频偏的计算精度, 减少噪声的影响, 程序设计实现采用了连续32个符号的频偏计算取平均值。
2.2.3同步跟踪及解扩
在完成对信号的精确频率估计后, 进入码片的同步跟踪及解扩阶段。利用超前、滞后跟踪环路对信号进行跟踪, 从而完成频偏的精确纠正, 同时可以完成PN码的初步跟踪。超前、滞后环路结果如图5所示。
同步跟踪部分包含本地载波的相位跟踪。残余的相差中含有时变分量 , 可以通过载波跟踪将其合并到残余相差一起消除, 并将其补偿到本地NCO中, 从而跟踪发送端与接收端之间存在的相位差。
2.2.4 帧头检测
系统的帧头采用64 bit PN序列, 帧头的检测利用PN码的良好自相关及互相关特性, 采用滑动相关的方式进行。相关值的计算采用两路分别计算然后将相关值相加的方式实现, 此种方式可以方便的判断每路信号是否有相位翻转的现象, 以便于在后续处理中纠正。
2.2.5 数据解调输出
在对解调出的数据进行相位映射后可以得到正确的解调数据, 对解调数据按照相应的格式处理后得到完整的数据, 从而可以对数据进行误码率统计等操作。
3 性能仿真
仿真得到的系统性能曲线 (无编译码) 如图6所示。
由图6中可以看出, 系统的浮点性能较理论值有0.3 dB左右的差距, 定点化处理后, 由于定点差损及部分基于硬件实现方便考虑的实现损失, 定点性能较浮点性能有0.5 dB左右的损失。基于FPGA实现的仿真性能与定点性能相当, 无明显损失。
4 结束语
FPGA实现扩频系统是一个完全的硬件构架, 比传统的DSP实现方式, 处理速度快1.5～2倍, 且所有模块都集成在一个芯片中, 提高了系统的稳定性和可靠性。通过对直接序列扩频通信系统进行分析、建模及性能仿真, 可以看出直扩系统在相同信噪比下的抗干扰能力较强、误码率较小, 系统效能较高。
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扩频通信技术 篇8
煤矿安全问题一直困扰着我们, 一旦发生大型事故, 将造成重大人员伤亡和经济损失。传统的煤矿安全监控系统数据传输多采用RS232、RS485等传输方式。RS232应用最为广泛, 但是通信距离短、速率低, 仅适合本地设备之间的通信。RS485作为一种多点差分数据传输的电气规范被应用在许多领域, 在煤矿安全监控系统中应用也较多, 但是RS485总线效率低, 系统实时性差, 单总线可挂接的节点少, 应用不灵活。为此, 本文提出一种基于电力线扩频通信技术的煤矿安全监测系统, 其传输方式在材料成本、施工周期、维护难度等方面都大大优于传统的监控传输方式。
1 扩频通信原理
香农编码理论说明, 在高斯信道中, 设发送信号的平均功率为S、信道干扰功率为N、信道频带宽度为W, 则总可以找到一种足够复杂的编码系统能以传输速率C (即信道容量, bit/s) 来控制:
undefined
由香农定理可以看出:当C不变时, 增加带宽, 则在信号的信噪比较低的情况下, 也可以相同的速率可靠传输信息。
2 系统构成
由电力线扩频通信方案构成的煤矿安全监测系统主要由数据采集终端、井下监控分站和数据集中器3个部分组成。
(1) 数据采集终端
数据采集终端主要由温度、压力、瓦斯、一氧化碳高低浓传感器等构成, 数据采集终端通过RS485总线与井下监控分站实现通信。
(2) 井下监控分站
井下监控分站主要完成矿区现场数据的接收与显示, 温度、压力、瓦斯、一氧化碳高低浓等参数的实时监控, 数据的存储、查询、备份, 井下监控分站与集中器采用电力线进行数据通信。
(3) 数据集中器
数据集中器通过电力线呼叫井下分站, 与分站之间采用总线方式下发控制信息到井下各分站。
本文所设计的煤矿安全监测系统硬件结构如图1所示, 系统的终端部分由传感器和各类开关设备组成, 系统的核心部分是井下监控分站, 地面部分由智能数据集中器、计算机控制构成。该系统的基本功能:煤矿各工作面瓦斯浓度的实时采集记录并显示;瓦斯浓度超标报警;井下风速采集记录;负压 (压力) 记录;一氧化碳浓度采集记录;温度采集记录;开关量采集及设备控制;载波数据传输;参数设置;数据存储及系统自检等功能。分站与终端的传感器等设备采用RS485总线的方式通信, 而分站与集中器部分的通信主要采用电力线扩频载波通信方式, 以井下已布好的电力线作为通信介质。
3 系统分站硬件设计
分站是用来采集、监测、控制井下设备状态并将数据记录、上传给集中器的装置。本分站的设计是基于电力线扩频通信的新型智能分站, 它先将所要传送的信息进行频谱扩展后再耦合到电力线上, 通过现有的电力线与集中器进行数据交换, 可同时采集16路模拟量, 为各类传感器提供工作电源, 接收来自传感器的数据信号, 处理、存储并显示, 同时带有声光报警功能。
3.1 分站的总体结构
分站的总体结构如图2所示, 主要由PL3105控制器、RS232/485通信系统、智能数据采集模块、驱动电路、液晶显示等组成。PL3105内嵌一个8位8051指令兼容单片机, 除了具有数据存储器、程序存储器等单片机的基本功能外, 内部还集成了RS485和38 K红外发射接收电路、A/D转换、载波扩频等模块, PL3105外加功率放大电路、滤波电路和耦合电路组成基本的扩频通信系统。此外, 系统还包括了 16路A/D转换模块、485数据通信模块、人机接口模块、D/A转换模块。
3.2 扩频载波电路设计
选择电力线扩频通信单芯片上系统PL3105为扩频载波通信的核心, 其内部集成了电力线载波通信模块, 该通信模块是专为电力线通信网络设计的半双工异步调制解调器。PL3105 将该通信模块内嵌后, 使得载波通信的抗干扰能力有了巨大的提高, 而且操作更加方便。PL3105最小芯片电路如图3所示。
由于扩频调制解调电路已经集成在芯片内部, 所以大大地降低了扩频载波通信的设计复杂度。对于PL3105来说, 如要输出扩频信号, 只需设置一些简单的寄存器, 就可以从PSK-OUT脚输出扩频信号, 解扩过程也在芯片内部完成。所以要设计基于PL3105的电力线扩频载波电路, 只需在PL3105芯片加上外围的功率放大及整形电路、耦合电路、接收电路及其接收后的处理电路即可。
3.3 分站软件设计
分站软件主要完成以下几个功能: (1) 通过RS485接收瓦斯、风速、一氧化碳及压力等各类传感器数据; (2) 数据与集中器间以电力线为介质通过扩频载波通信进行数据交换; (3) 数据计算及存储、报警判断; (4) 设备的开停、风门、馈电等开关量的采集及对风、电、瓦斯等设备的闭锁控制。分站的软件程序流程如图4所示。
4 结语
将电力线扩频载波通信应用在煤矿安全监测系统中, 在实现对煤矿井下参数准确监控和提高系统稳定性的同时, 系统的材料成本、施工周期、维护难度都大大地优于传统的监控传输方式。目前, 该系统已在抚顺某煤矿应用, 效果良好。
参考文献
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[2]SHWEHDI M H, KHAN A Z.A Power Line DataCommunication Interface Using Spread SpectrumTechnology in Home Automation[J].IEEE Transaction on Power Dilivery, 1996, 11 (3) .
扩频通信技术 篇9
1.1扩频通信技术的概念
扩频通信技术即SSC, 是英文Spread Spectrum Communication的简写形式, 其具体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。举个简单例子说明一下, 某二进制的数据流, 其传输速率为64kb/s, 也就是说该数据流的基础带宽仅为64kHz, 而借助扩频技术进行传输时, 它的带宽则可被扩展为4MHz、26MHz, 最大时甚至可以扩展至120MHz或更多。SSC的基本特征如下:利用比发送信息数据的速率高出多倍的伪随机码将载有信息数据的基础带宽信号的频谱进行相应地扩展, 使其形成宽带的低功率频谱密度的信号来发射, 其信道容量的公式为C=Wlog2 (1+P/N) , 该公式指出当信息传输速率C不变时, 带宽W与信噪比P/N是能够互相转换的, 即通过增加带宽可以在较低的信噪比前提下以相同的信息传输速率进行可靠的信息传输, 还有可能在信号被彻底淹没的条件下借助增强信号带宽来实现可靠通信, 这就是SSC的基本理论依据。
1.2扩频通信的特点
扩频信号本身属于一种不可预测的伪随机带宽信号, 它的带宽要比欲传输数据信息的带宽大很多, 并且接收机中必须带有与该带宽载波同步的副本, 正因如此, 使得扩频通信技术具有了以下特点:其一, 超强的抗干扰性。因为扩频信号本身具有的不可预见性, 从而使得干扰者很难利用观察来进行有效地干扰, 通常只能够使用发射与被干扰信号不匹配的干扰技术, 而这种做法所能起到的干扰效果并不大。由于扩频通信在传输信号的过程中对信号本身的带宽进行了扩展, 故此, 在信噪比很低的前提条件下, 仍可以保证高质量的通信, 这使其具备了较强的抗干扰能力;其二, 良好的保密性。在发射功率一定的前提下, 因扩频信号分布在很宽的频带内, 无线信道当中有用的信号功率谱密度非常低, 这样一来信号便可以在极强的噪声背景下进行可靠通信, 想要截获这样的信息非常困难, 为此, 其能够实现隐蔽通信, 具有良好的保密性;其三, 可实现码分多址。在通信系统当中, 可借助扩频调制中使用的扩频码序列间较好的相关性进行解扩, 这样系统便能够区分出不同用户的信号, 多用户同时通话便不会发生互相干扰的情况。
二、扩频通信技术的具体应用研究
在上个世纪80年代, 扩频通信技术便被广泛应用于军事领域当中, 随着近些年来科学技术水平的不断提高, 该技术也日趋完善, 并在诸多领域当中获得了推广应用, 其应用范围还在进一步扩大, 下面简要介绍一下扩频通信技术在各个领域中的具体应用。
2.1扩频通信技术在军事通信中的应用
军事是一个国家国力的象征, 在军事领域当中有着大量需要保密的信息, 正因如此, 使得扩频通信技术成为军事通信反对抗当中最为重要技术手段, 该技术现已被广泛应用于各种通信信息系统、武器系统以及系统当中。在海、陆、空战术的通信当中, 常采用扩频通信技术来增强通信电台的抗干扰能力, 提高战术电台的抗干扰性和数字化程度将是其未来一段时期的主流发展趋势。在1991年的海湾战争中, 以美国为首的联军大量使用了带有扩频技术的GPS定位导航系统、定位报告系统、联合战术信息分布系统以及单信道机载系统等等。经过实践应用表明, 扩频通信技术在军事通信领域当中有着非常重要的作用。
2.2扩频通信技术在移动通信中的应用
移动通信属于民用通信领域的范畴, 它与人们日常生活息息相关。目前, 新一代的数字蜂房移动通信系统中广泛应用了扩频通信技术, 这使得频谱利用率获得显著提高, 同时共信道干扰的影响也大幅度减小。通过扩频通信技术的码分多址系统, 可以给每个移动台都分配一个特有的随机码序列, 并且各个台之间均不相关, 这样便能够非常方便地区分开各个移动台的不同信号, 从而使得在一个信道当中可以同时容纳更多的用户, 频谱利用效率较传统的频分多址增强了将近20倍左右。以往的移动通信中多径效应产生出来的衰落相对比较严重, 而通过扩频技术能够有效地克服多径效应对移动通信质量的影响。
2.3扩频通信技术在民用卫星通信中的应用
目前, 扩频通信技术已经在军事卫星通信领域中获得了非常广泛的应用, 因扩频码分多址系统具有组网灵活性高、承受过载能力强等特点, 从而使其在民用卫星通信中也获得了一定的应用, 并取得了显著的效果。在民用卫星通信当中采用扩频码分多址技术以及伪随机序列扩展频谱的方法, 能有效地实现能量扩散, 进而达到减少卫星系统干扰的目的。
2.4扩频通信技术在测距定位中的应用
GPS属于多星共用两个载波频率发送定位信号的卫星定位系统, 因而它需要采用扩频码分多址的方式来对各个卫星的地址进行区分。每一颗卫星都可以分配到一个特定的伪随机序列码型, 码片的宽度越窄测距的精确程度就越高。此外, 借助直接序列扩频还能增强测距过程的抗干扰能力, 加之其采用的是无源定位的方式, 故此系统所能够容纳的用户数量没有上限。现阶段, 我国军事领域以及民用部门都将GPS作为接收设备在使用, 很多定位工作也都是通过GPS来予以实现的。
三、扩频通信系统的工作原理
通常情况下, 研究扩频通信系统的工作原理都是就直接序列扩频而言的, 所谓的直接序列扩频通信系统是以直接扩频的方式构成的一种通信系统, 简称为DS系统, 这是最为典型的扩频通信系统, 它的发射机机与接收机结构如图1所示。
从图1中可以看出, A为输入数据信息, 其经过信息调制后变成宽度为B1的调频信号, 然后再借助伪随机扩频序列调制成带宽为B2的信号后进行发射。当接收机接收到发射信号以后, 通过对伪随机扩频序列相位的准确捕捉, 便可以产生出与发送来的相位一直的PN码, 该码可作为解扩本地信号之用, 以便恢复成为窄带信号, 并对发送来的A数据信息进行估计, 这样整个接收过程便完成。该系统具有以下优点:容易产生编码信号、载波频率仅有一个、频率合成器简单、用户之间不需要同步、接收机能够实现相干解调等等。
四、结论
总而言之, 在科学技术水平不断提高的推动下, 扩频通信技术随之获得了相应的发展, 在未来一段时期内, 该技术的主流发展趋势为超宽带技术、多载波调制技术以及软件无线电技术等等, 这些技术的实现将会使扩频通信技术的应用领域更加广阔。
摘要：近年来, 随着科学技术的不断进步和完善, 推动了与之相关各个领域的发展, 通信技术的出现使人与人之间的交流与沟通不再受到时间和空间的限制, 信息的交互变得更加方便、快捷。扩频通信技术作为一种新的信息传输方式, 其以自身抗干扰能力强、保密性好、可实现码分多址等优点, 被广泛应用于各个通信领域当中。基于此点, 本文就扩频通信技术的应用与系统工作原理进行浅谈。
扩频通信技术 篇10
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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