扩频通信技术的应用
扩展频谱的通信方式与常规的窄带通信方式是有区别的：一是信息的频谱扩展后形成宽带传输；二是相关处理后恢复成窄带信息数据。正是由于这两大特点，使扩频通信有很多优点：抗干扰、抗噪音、抗多径衰落、具有保密性、功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率、可多址复用和任意选址、高精度测量等。
正是由于扩频通信技术具有上述优点，自50年代中期美国军方便开始研究，一直为军事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。直到80年代初才被应用于民用通信领域[6]。为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。
1.4 本论文的研究内容
本篇论文深刻理解扩频通信理论的基础上，设计了扩频对讲机的扩频模块。鉴于多平方面的原因，在此没有用扩频的专用芯片，而是用分立器件设计的。在第二章详细论述与扩频通信技术相关的概念与基本原理的基础上，第三章给出了硬件的实现电路，并且对硬件的输出结果进行了分析。最后，对扩频通信技术的抗干扰性能和扩频通信的应用进行了讨论。
扩频通信的相关技术
2.1 扩频通信的分类
扩频通信中主要有直接序列系统（DS-SS Direct Sequence Spread Spectrum）、跳频系统（FH-SS）、跳时系统（TH-SS）以及各种混合扩频调制系统如同时进行跳频和直接扩频的混合调制（FH/DS）、同时进行跳时和跳频的混合调制（TH/FH）、同时进行跳时和直接序列的混合调制（TH/DS）。
2.1.1 直接序列系统
直接序列扩展频谱系统，是目前应用最为广泛的一种扩展频谱系统。在国外已经获得成功的空间探测器“喷气推进实验室”测距技术就是一种直接序列调制，TATS-1军用卫星中的扩展频谱多址系统等都采用DS-SS.目前直接序列调制还用于各种测试系统和实验测试设备，预计它将会被其它领域所采用[7]。本次设计采用的就是直接序列扩频系统。
2.1.2 跳频系统
跳频用简略的术语表达就是“多频、码选、频移键控” ，即用伪码序列构成调频指令来控制频率合成器，并且在多个频率中进行选择的频移键控。二元频移键控2FSK只有两个频率 、 分别代表传号和空号。而跳频系统则要求提供几百个、甚至几千个上万个频率，由所传的信息与扩频码的组合去进行选择控制，不断跳变。
跳频系统中，发端信息码序列与扩频码序列组合以后按照不同的码字去控制频率合成器。由于频率的不同，扩频后的信息的频谱在一宽频带内随着某些频率随机地跳变。在收端，为了解调跳频信号，需要有与发端完全相同的本地扩频码发生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频出固定的中频信号，然后经中频带通滤波器及信息解调器输出恢复的信息。由此可见，跳频系统占用了比信息带宽要宽得多的频带。
2.1.3 跳时系统
跳时系统也是一种扩展频谱技术，主要用于时分多址（TDMA）通信。跳时即用伪码序列来启闭键控发射机，将一个信码的持续时间分成若干时隙，由伪随机编码序列控制在哪一个时隙发射一个信码。因此，信码是在短时隙中以高的峰值功率突发式传输的。也就是说，跳时是使发射信号在时间轴上跳变，首先把时间轴分成许多时片，在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。
一般情况下，跳时技术在扩频中不单独使用，而是与其它的扩频方式一起组合成混合的扩频系统。由于发送信号的码片很窄，因此信号的频谱也就展宽。
2.2 扩频通信的理论基础
通信技术的发展趋势就是使信号所占频带尽量的窄，以充分利用十分宝贵的频谱资源. 扩频通信的基本特点，是传输信号所占用的频带宽度( )远大于原始信息本身实际所需的最小(有效)带宽( )，其比值称为处理增益 ，
(2-1)
众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，如话音为1.7~3.4kHz，电视图像则宽到数兆赫。为了充分利用有限的频率资源，增加通路数目，人们广泛选择不同调制方式，采用宽频信道(同轴电缆、微波和光纤等)，和压缩频带等措施，同时力求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽。因现今使用的电话、广播系统中，无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式， 值一般都在十多倍范围内，统称为“窄带通信”。而扩频通信的 值，高达数百、上千，所以才称为为“宽带通信”。
扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。它的理论基础是信息论中关于信息容量的香农定理[4][8]：
(2-2)
式中： 为信道容量（比特/秒）； 为信道带宽(赫兹)； 为信号平均功率； 噪声功率。可见增加系统的信息传输速率，即增加信道容量，可以通过增加信道带宽（ ）和增加信噪比（ ）来实现。当信道容量( )为常数时，带宽 与信噪比( )之间可以互换，即通过增加带宽来降低对信噪比的要求，也可以通过增加信号功率来降低信号的带宽；当带宽增加到一定的程度之后，信道容量不能无限制的增加。因此，在无差错传输的信息速率不变时，如果信噪比很低，则可以用足够的带宽来传输信号。
扩频通信可行性的另一理论基础，为柯捷尔尼可夫关于信息传输差错概率的公式，
(2-3)
式中： 为差错概率； 为信号能量； 为噪声功率谱密度[9]。
因为，信号功率 ( 为信息持续时间)；噪声功率 ( 为信号频带宽度)；信息带宽 。则公式(2-3)可化为，
(2-4)
式(1-4)说明，对于一定带宽 的信息而言，用 值较大的宽带信号来传输，可以提高通信抗干扰能力，保证强干扰条件下，通信的安全可靠[7]。亦即式(1-4)与式(1-2)一样，说明信噪比和带宽是可以互换的。
总之，用信息带宽的100倍，甚至1000倍以上的宽带信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。
2.3 直接序列扩频系统
2.3.1 直接扩频系统的组成与原理
所谓直接序列扩频，就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2-1为直接序列扩频系统的原理图。
图2-1中虚线框里面的电路是这次设计的主要的部分，从中还可以看出直接序列扩频通信系统在发射端有扩频模块、信息调制模块。在接收端有信息解调模块、解扩模块。扩频模块中，还有时钟电路、PN码发生电路，把产生的PN码与数字化的语音信息进行模二和的运算，得到的就是扩频信息。在信息调制模块就是把扩频后的信息进行BPSK调制。信息解调模块首先要提取载波分量，然后经过解调得到扩频信息。在解扩模块中，先实现PN码的同步，然后进行解扩。解扩之后就获得了与发射端相同的数字化语音信息。
2.3.2 扩频信号的频谱分析
任何周期性的时间波形都可以看成是许多不同幅度、频率和相位的正弦波之和.这些不同的频率成分, 在频谱上占有一定的频带宽度。单一频率的正弦波，在频谱上只有一条谱线，而周期性的矩形脉冲序列，则有许多谱线。任何周期性的时间波形，可以用傅氏级数来表示。现在以矩形脉冲序列为例来说明其间的关系。
设有一周期的矩形波信号，它在一个周期的内的定义为： ，图2-2中（a）为该周期矩形波形，（b）为其频谱函数 波形。
在图2－2中， ， 。从图中可以知道，如果把频谱中得各个冲激的定点用虚线连接起来就是一条类似 的函数，如果考虑到方波信号的功率谱，就会发现，信号的能量主要集中在主瓣内，而在旁瓣内的能量很少。
图2-2 周期方波的时域和频域波形图
我们知道，数字化的语音信息通过与高速的PN码进行异或运算之后，它的码片宽度就和原来的M序列的宽度相同。在傅立叶变换中，矩形脉冲的傅氏变换的主瓣宽度和脉冲宽度成反比，在异或后的脉冲宽度变窄的情况下，其频谱的主瓣宽度就变宽了，这就是扩展频谱系统的来历[3][20]。
2.4 伪随机码
在扩频通信中,用来作为扩频码的是伪随机码。其实，从理论上来说,随机码是最理想的,但是随机码在接收端不能重复产生，就无法解调，因就不用随机码做扩频码，现在实际上用得最多的是伪随机码，或称为伪噪声(PN)码。伪随机码也有近似与随机码的性质，即尖锐的自相关性和良好的互相关性。这类码序列最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。因为噪声具有完全的随机性，也可以说具有近似于噪声的性能。但是，真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生的。我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，故称为伪随机码或PN码[10]。
许多理论研究表明，在信息传输中各种信号之间的差别性能越大越好。这样任意两个信号不容易混淆，也就是说，相互之间不易发生干扰，不会发生误判。理想的传输信息的信号形式应是类似噪声的随机信号，因为取任何时间上不同的两段噪声来比较都不会完全相似。用它们代表两种信号，其差别性就最大。在数学上是用自相关函数来表示信号与它自身相移以后的相似性的。随机信号的自相关函数的定义为下列积分：
(2-5)
式中， 为信号的时间函数， 为时间延迟。上式的物理意义是 与其相对延迟 的 来比较：如果二者不完全重叠，即 则乘积的积分为0，即自相关函数为0；如果二者完全重叠，即 ，则相乘后的积分为一常数C。因此， 可以用来表示 与自身延迟后 的相关性，故称为自相关函数[11]。
在数字通信系统中，表示伪随机码的相关性的函数也是自相关函数。离散函数的自相关函数的定义为：
(2-6)
它的物理意义和随机信号的相同。如果 是伪随机码序列，那么 表示的就是伪码序列与其自身延迟后的相关程度。
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