扩频通信及其在接入网中的作用

. 扩频通信

 1.当代通信技术的重大突破

    扩频通信是当今国际上高新科技的热点之一。几十年来,通信技术不断发展和演变,从有线(电缆、光纤)到无线(短波、VHF/UHF、微波、卫星)基本上是媒质和信道的变化,而突破性的进展并不多。扩频通信系统的出现,是通信技术的一次重大突破。通常的超短波(VHF/UHF)通信,10W电台能通20-30km远:而伪码扩频设备,10mW能通30-50km。也就是说扩频系统能带来30dB以上的信噪比改善。熟悉通信的人都知道,几十年来人们为信噪比的改善付出了极大的努力,1个分贝,1个分贝的挖掘,2~3个分贝已是很大的贡献,可以写论文,可以做报告。突破性的时刻终于到来了, 30分贝甚至50多分贝(GPS)的信噪比改善已成为现实,这确实是一次巨大的飞跃,只就这一点,已经可以说扩频通信是当代通信技术的重大突破,何况扩频通信带来的突破还远远不止这一点。

2 .扩频通信及分类

扩展扩频通信(Spread Spectrum Communication)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。例如一个二进制数据流的速率为64kb/s,其基带带宽只有64kHz,但用扩频技术传输时,它的带宽可以被扩展到4MHz26MHz,甚至120MHz或更多。扩频通信系统按扩频方式的不同,分为以下几种类型。

直扩系统(DS)就是采用高码速率的直接序列(Direct Sequence)伪随机码在发端进行扩频,

在收端采用相同的伪码(PN)进行相关解扩。

跳频系统(FH)就是采用跳频(Frequency Hopping)方式进行扩频,形象地说是采用特定的伪码控制的多频率移频键控。

跳时系统(TH)就是采用跳时(Time Hopping)方式进行扩频,形象地说是采用特定的伪码控制的多时片的时移键控

混合系统就是直扩,跳频和跳时的相应组合即DS/FH/TH混合系统

一般说来,民用系统采用直扩系统(DS)的居多;后3种多为军用。

3.伪码扩频通信技术的诸多优点

(1)抗噪声能力极强(门限信噪比很低)

伪码扩频系统,通过扩频和相关解扩,带来巨大的系统(处理)增益,极大的改善了系统的输出信噪比。例如,一路数字话音经伪码扩频后,射频带宽展宽为原来的1000倍,则可获得30dB的处理增益,这是多么巨大的信噪比改善。同时这意味着,若基带系统的门限信噪比为10dB左右,则上面的扩频系统的门限信噪比为10dB-30 dB=-20 dB。可见此时的信号电平完全被淹没在噪声电平之中,噪声电平比信号电平强100倍,系统仍能正常工作,因此可以说只有扩频系统才能工作于负信噪比。

(2)抗干扰能力极强

对伪码扩频系统,因在收端对伪码进行相关扩解,只有伪码信号相关后才有很高的峰值输出,而其它任何无用信号,包括瞄准(同频)干扰、工业干扰、宽带干扰以及许多人为干扰,因与伪码不相关, 解扩后输出很低。因此,扩频系统具有极强的抗干扰能力。

(3)抗衰落能力强

扩频信号占据的频带很宽,但由于某种原因引起衰落时,只会使一小部分频谱衰落,不会使整个信号产生畸变。因此扩频系统具有抗频率选择性衰落的能力。

(4)抗多径干扰能力强

由于扩频系统中采用的伪码通常具有很好的自相关特性,不同路径传输来的信号很容易被分离开,并可在 时间和相位重新对齐,形成几路叠加,可以大幅度地改善系统的性能。从而扩频系统对多径干扰可以变害为利,这是任何其它系统不易做到的

(5)可以采用码分多址(CDMA)实现多址通信

伪码扩频系统,很容易载有码分多址方式实现多地址通信。码分多址比频分多址及时分多址能更有效地利用频率资源。同时有CDMA组网,不需要严格的网同步,用户可以随机入网,随时随地增减用户地址。

(6)易于多媒体通信组网

伪码扩频系统是宽带系统,是一个透明的高速数字信道,可以传送语音、传真、数据和图像等综和业务。

(7)具有良好的安全通信能力

伪码扩频系统在负门限信噪比的情况下工作,信号电平可以被淹没在噪声中,很难被发现,隐蔽性好。同时还可以进行数字加密,实现保密通信。

(8)不干扰同类的其他系统

伪码扩频系统不仅不会受到同类的其它系统的干扰,同时也不会干扰别人。因为扩频信号的功率谱密度很低,一般远远低于外界环境噪声,因此在美国和世界许多国家划出900MHz2.4GHz5.7GHz三个段频带为扩频通信用, 在这些频带内不需申请使用频率, 任何个人与单位可以无照使用

 综上所述,伪码扩频通信系统的优点是四抗,抗噪声、抗干扰、抗衰落、抗多径;二多,多地址通信CDMA)、多媒体组网(语音、传真、数字、图像、视频);一小,小功率;一无,无照经营(国外)。总之,伪码扩频通信系统具有一系列其它系统无法比拟的优点,它合理地解决了当代各种无线通信系统存在的干扰、泄密、选址和组网等四大问题,取得了多方面的重大突破,近年来一直受到世界各国的极大关注。

 4.从信息论角度看扩频通信

    在本世纪40年代,在信息论的研究中,山农(Shannon)地出计算到容量的重要公式,被公认为山农定理即C=Wlog 2(1+P/N)该公式指 :要保持信息传输速率C不变,信号带宽W和信噪比P/N是可以互换的,这意味着不管信噪比多低,只要将信号带宽扩展得足够大,仍能保持以相同的信息传输速率来可靠的传输信息。这就是扩频通信的理论基础。在过去的几十年中,由于技术的限制,无法有效得扩展频谱,所以人们一直在走增加信号功率,减少噪声,提高信噪比的路。即使到了70年代, 伪码技术已经出现,但作为相关器的“码环”的钟频只能做到几千赫兹也无助于事。近几年,由于大规模集成电路的发展,几十兆赫兹,甚至几百兆赫兹的伪码发生器及其相关部件都已成为现实,扩频通信获得极其迅速的发展。通信的发展史又到了一个转折点,由用信噪比换带宽的年代进入了用宽带换信噪比的年代。我们再从最佳通信系统的角度看扩频通信。最佳通信系统=最佳发射机+最佳接收机。几十年来,最佳接收理论已经很成熟,但最佳发射问题一直没有很好解决,伪码扩频是一种最佳的信号形式和调制制度,构成了最佳发射机。因此有最佳通信系统 --  伪码扩频+相关接收,有了这种认识,人们就不难预测扩频通信的未来前景。有人说,从90年代无线通信开始步入扩频通信和自适应通信的年代。扩频通信的热浪已经波及短波、超微波、微波通信和卫星通信,码分多址(CDMA)已开始广泛用于未来的峰窝通信、无绳和个人通信以及各种无线本地环路,它将发挥越来越大的作用。

5.国外伪码扩频通信发展状况

(1)扩频通信频段: L波段:902~928MHz(宽带26MHz);S波段:2400~2483.5 MHz(宽带83.5 MHz); C波段:5725~5850 MHz(带宽125 MHz)。我国目前S波段和C波段已正式许可扩频通信使用,这是扩频通信发展的需要。

(2)点对点扩频产品: 近几年,国外很多厂商,相继推出多种型号的扩频通信产品,在很多领域已有广泛的应用。按速率分为:中、低速率(bit/s),64kb/s128kb/s384 kb/s512 kb/s、其中64 kb/s1.2 kb/s2.4 kb/s4.8 kb/s9.6 kb/s19.2 kb/s5 6kb/s可调;高速率(bit/s),2Mb/sE1)、4Mb/s2E1)、8Mb/s4E1)。

(3)点对多点扩频通信产品: 点对多点扩频通信产品, 通常集中在19.2 kb/s64 kb/s128 kb/s三个速率上,采用轮询协议。

 

二、扩频通信在接入网中的作用

1.扩频通信为接入网增添光彩:接入网是个新的技术概念,它是由传统的用户线,用户环路和用户接入系统逐步发展、演变和升级而形成的。现代电信网络分为3大部分:传输网、交换网和接入网。由于接入网发展较晚,往往成为电信发展规律的“瓶颈”,各国都很重视,接入网一天天变“热“,各类接入技术和系统应运而生。例如,有线接入系统, 包括铜线接入、光纤接入和光纤同轴混合接入等;无线接入分为移动接入和固定接入系统。其中光纤接入和无线固定接入成为“热网”中的两个“热点”.扩频通信的出现,使得无线通信旧貌换新颜。扩频微波与常规微波相比有三个优点:抗干扰强;频点问题好处理;价格比较便宜。因此,扩频微波接入系统将成为无线接入的一支新军,为接入网增添光彩。

2.语音接入(点对点)现有的扩频微波,速率从64 kb/s~8Mb/s,可传1~120路(PCM)语音。特别是E12E14E1可取代常规的30路、60路和120路中小容量微波,抗干扰极强,误码率可低到1E-10 量级,准光纤水平。时分双工(TDDE1,距离近些;频分双工(FDDE1,距离还可远些,在视距通信范围,扩频微波可取代超短波(VHF/UHF),常规小微波,以及电缆和光纤(如没有,可不架设)。它可以单独或与各种复用设备结合,用于卫星通信最后“一公里”,局间中继,GMS系统基站到交换机间通信等很多场合。

3.数据接入:采用扩频Modem和复用器,可以实现点对点的数据通信,再逐级汇集,也可组成很大的专用数据网,例如银行的同城结算网;可应用于ISDN网和DDN网;

4.视频接入:采用N64kb/s2Mb/s的扩频Modem加上会议电视终端可传会议电视信息。若将多个点对点扩频信道和MCU相连,可以组成良好的多点扩频会议电视系统。采用每秒可输出22~25帧的图像编解码器(CODEC),利用扩频E1,就可传送实时动态电视图像。

5.多媒体接入:采用复用器,可在扩频信道上同时传送语音、数据和视频图像等多媒体信息。现在已有的扩频Modem与当前的多媒体通信发展水平相适应,设备轻巧,易安装,是较好的无线多媒体接入手段。

6.国际互联网(Internet)接入:利用64kb/s~8Mb/s的扩频Modem直接接入Internet网已有很多实例了,它是专线而不是租用线,费用会省些。

 

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