无线扩频技术的比较研究

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无线扩频技术的比较研究
肖尚辉 徐继麟
（电子科技大学电子工程学院，四川 成都610054）
摘 要：本文通过对无线扩频技术的比较研究，指出了直接扩频技术和跳频技术各自的长处和不足，为在无线通信系统、第三代移动通信宽带CDMA系统或无线局域网等系统中正确的选择和应用扩频技术提供一些参考
关键词：扩频技术 直接扩频技术 跳频技术


扩展频谱通信最早始于军事通信，直到80年代末，美国FCC规划出了ISM频段，并且可以由采用扩频通信机制的商用通信使用。由于扩频通信在提高信号接收质量，抗干扰，保密性，增加系统容量方面都有突出的优点。扩频通信迅速地在民用、商用通信领域中普及开来。它不仅在军事通信中发挥出了不可取代的优势，而且广泛地渗透到了民用通信的各个方面，如卫星通信、移动通信、微波通信、无线定位系统、无线局域网、全球个人通信等等。
一． 引言

常规无线通信，其载波频谱宽度集中在其载频附近的窄带带宽内。而扩频通信采用专门的数字调制技术，将调制后的信息扩展到很宽的频带上去。扩频技术包括以下几种方式：直接序列扩展频谱，简称直扩（DS），跳频（FH），跳时（TH），线性调频（Chirp）。此外，还有这些扩频方式的组合方式，如FH/DS、TH/DS、FH/TH等。在通信中应用较多的主要是DS、FH和FH/DS。扩频技术的最大优点在于较强的抗干扰能力，以及保密、多址、组网、抗多径等，但由于各种扩频方式的抗干扰等机理不同，因而各有其长处与不足，很难笼统断言某一种扩频方式比其它的扩频方式更优。对扩频方式的比较只能是在一定条件下对各种扩频方式综合考虑，从而得出某种结论，以便人们在扩频方式的选择上作一参考。直接序列扩频和跳频技术是在扩频通信中应用最广的两种技术，而且以前者较为常用。在实际应用中，采用何种扩频方式，是系统设计者首先要考虑的问题。因此，用户可以根据实际应用需要，选用不同的扩频技术，更好的达到应用目标。
二．直扩系统
1．直扩技术
直扩技术使用伪随机码（PN CODE）对信息比特进行模2加得到扩频序列，然后将扩频序列调制载波发射到空中，此时系统占用功率谱密度也降低。PN码由伪随机序列发生器产生，其码速比原始信息码速高得多，每一PN码的长度（即切普CHIP宽度）很小。　
直扩系统的接收一般采用相关接收，分为两步，即解扩和解调。在接收端，接收信号经过放大混频后，用于发射端相同且同步的伪随机码对中频信号进行相关解扩，把扩频信号恢复成窄带信号，然后再解调，恢复原始信息序列。对于干扰和噪音，由于与伪随机码不相关，接收机的相关解扩相当于一次扩频，将干扰和噪音进行频谱扩展，降低了进入频带内的干扰功率，同时使得解调器的输入信噪比和载干比提高，提高了系统的抗干扰能力。另外，采用不同PN码即不相关的接收机很难发现和解出扩频序列中的信息，由于不同构造的PN码之间相关性很低，码分多址CDMA就是采用同样原理区别不同的用户。
对于直扩系统最好是先解扩再解调，因为无线信号在空间传输中会有很大的信号衰减。未解扩前的信噪比很低，甚至信号淹没在噪声中。一般解调器很难在很低的信噪比下正常解调，导致高误码。 但在室内通信条件下，由于信号有较高的强度，可以先解调后解扩。当信号达到一定电平时，简单的解调器已经能够正常的工作，可以先将信号解调为一个数据流（未解扩），然后用普通的集成电路进行数字相关信号解扩。采用直扩的无线局域网卡一般采用这种方法，射频单元的处理大为简化，体积可以缩小很多，并且成本明显下降。
在性能上，先解扩再解调明显优于先解调后解扩。先解扩可以通过解扩过程获得扩频增益（扩展的频谱带宽与原始信息的带宽之比），提高接收信号信噪比。室外远程（2~3公里以上的）扩频通信必须采用这种方式，以保证通信质量和可靠性。
2．直扩系统的同步
直扩系统采用先解扩时，首先只有在完成伪随机码（PN码）的同步后才可能用同一码序列对扩频信号进行相关解扩。接收机本地PN码的速率和相位要与接收到的高速扩频序列保持一致。即使发射和接收端的相位差大于一个CHIP码片时，它们的相关性就不存在。解扩的第一步就是要在接收信号中捕获到一个与本地PN码一致的相位状态。
扩频序列中的相位捕获一般采用匹配滤波器或相位搜索电路实现，接收机在搜索同步过程中，通过改变本地PN码的时钟速率，使接收信号中的PN码相位和本地PN码相位在相关器内相对滑动。滑动过程中，当相关峰值超过捕获门限，标志完成同步捕获，此时收发双方的PN码的相位误差已经小于一个切普码宽（Tc）。捕获进入跟踪状态，相位差进一步缩小，相关性增大，获得高的解扩信号信噪比，满足以后的解调门限的要求。
直扩技术中还有一种更高级的接收技术，叫RAKE接收技术。RAKE接收技术可以实现多径分集。由于大气状况，地理位置等各种组合因素影响，信号在空间的传输与只有直射波有很大不同，信号经过多条路经（直射、反射、折射、大气波导）经过不同时延到达接收端，各个信号到达的时间不同，相位不一致，造成最终信号的幅度相互抵消，引起信号大幅度衰落。
先解扩后解调的直扩系统具备了抗多径的能力，在时间上将主通道（最大峰值）上的相关峰分离出来。从而降低多径干扰。而RAKE接收技术实现多径分集技术，可以将接收的各个多径信号组合起来，获得加权增益，转化为合成的信号，达到更高的抗衰落性能。但由于RAKE技术的接收加权合并实现复杂而且昂贵，目前只有美国少数几家企业在其扩频系统中实现了这一技术。
3．直扩中的“假扩频”
假扩频”即软扩频，对于无线局域网，要在室内近距离范围内达到速率每秒数兆比特时，若采用一般的直序扩频技术，则系统扩展的频谱带宽甚至会超过开放ISM频段规定的频率范围。与“真扩频”方法不同，软扩频实际是采用编码的方法完成频率的扩展。软扩频是一种（N，K）编码，K为信息码由N位长的伪随机序列来表示。用几位信息元对应一条伪随机码，扩展的倍数不大，而且不一定是整数。而对比“真扩频”，每一位信息码都与多个整数位的PN码相模2加。在室内距离通信的条件下，软扩频既满足开放频段的系统要求，也能达到很高的速率，成本也低。
三．跳频技术
跳频技术与直序扩频技术完全不同，是另一种意义上的扩频。跳频的载频受一个伪随机码的控制，在其工作带宽范围内，其频率合成器按PN码的随机规律不断改变频率。在接收端，接收机频率合成器受伪随机码控制，并保持与发射端变化规律相同。　
跳频是载波频率在一定范围内不断跳变意义上扩频，而不是对被传送信息进行扩谱，不会得到直序扩频的处理增益。跳频相当于瞬时的窄带通信系统，基本等同于常规通信系统，由于不能抗多径，同时发射效率低，同样发射功率的跳频系统在有效传输距离上小于直扩系统。跳频的优点是抗干扰，定频干扰只会干扰部分频点。用于语音信息的传输，当定频干扰只占一部分时不会对语音通信造成很大的影响。
跳速的高低直接反映跳频系统的性能，跳速越高抗干扰的性能越好，军事上的跳频系统可以达到每秒上万跳。实际上移动通信GSM系统也是跳频系统，其规定的跳速为每秒217跳。出于成本的考虑，商用跳频系统跳速都很慢，一般在50跳/秒以下。由于慢跳跳频系统可以简单的实现，因此低速无线局域网产品常常采用这种技术。　
四．不同扩频系统性能比较
直扩和跳频技术的抗干扰机理不同，直扩系统靠伪随机码的相关处理，降低进入解调器的干扰功率来达到抗干扰的目的；而跳频系统是靠载频的随机跳变，躲避干扰，将干扰排斥在接收通道以外来达到抗干扰的目的。因此，这两者都具有很强的抗干扰的能力，也各有自己的特点，也存在自身的不足，现将直扩和跳频技术的性能作一比较。
1. 抗强的定频干扰
由直扩抗干扰的机理可知，直扩抗干扰是通过相关解扩取得处理增益来达到抗干扰目的的，但超过了干扰容限的定频干扰将会导致直扩系统的通信中断或性能急剧恶化。而跳频系统是采用躲避的方法抗干扰，强的定频干扰只能干扰跳频系统的一个或几个频率，若跳频系统的频道数很大，则对系统性能的影响是不严重的。因此，在抗强的定频干扰上，跳频系统比直扩系统优越。
2. 抗衰落
抗衰落，特别是频率选择性衰落，这是室内通信环境下必须解决的问题。由于直扩系统的射频带宽很宽，小部分频谱衰落不会使信号频谱产生严重的畸变，而对跳频系统而言，频率选择性衰落将导致若干个频率受到影响，导致系统性能的恶化。跳频系统要抗这种选择性衰落，可采用快速跳频的方法，使每一个频率的驻留时间非常短，平均衰落就非常低。此外，还可以采用一比特信息用M个频率编码传输，也可较好地解决频率选择性衰落问题，这些都是以提高跳频速率为代价。
3. 抗多径干扰
多径问题是在移动通信、室内通信等系统中必须考虑的问题。多径干扰是由于电波传播过程中遇到的各种反射体（如高山、建筑物、墙壁、天花板等）引起的反射或散射。在接收端的直接传播路径和反射信号产生的群反射之间的随机干涉形成的。多径干扰信号的频率选择性衰落和路径差引起的传播时延τ，会使信号产生严重的失真和波形展宽，导致码间串扰，不但能引起噪声增加和误码率上升，使通信质量降低，甚至使某些通信系统无法工作。由于直扩系统采用伪随机码的相关解扩，只要多径时延大于一个伪随机码的切普宽度，这种多径就不能对直扩系统形成干扰，直扩系统甚至可以利用这些干扰能量来提高系统的性能。而跳频系统则不然，跳频系统要抗多径干扰，则要求每一跳的驻留时间很短，即要求快跳频，在多径信号没有到来之前接收机已开始接收下一跳信号。例如，多径时延为1μs，则跳频速率要求1Mhop/s，而对直扩系统而言，伪随机码速率大于1Mchip/s即可。从实现上看，实现伪随机码速率大于1Mchip/s的直扩系统比跳频速率1Mhop/s的跳频系统要容易得多。
4. "远－近"效应
"远－近"效应如图1所示。有两对收发
如图 1
信机，正常工作时，接收机1接收发射机1发射的信号，接收机2接收发射机2的信号。现接收机1移动到A点，受到附近发射机2的干扰，而接收机1距发射机1很远，这样接收机1收到的干扰信号电平远远大于有用信号的电平，这就是"远－近"效应。"远－近
"效应对直扩系统的影响很大，而对跳频系
统的影响就小得多。这是因为虽然直扩系统有一定的处理增益，但是由于有用信号的路
径衰减很大，因而构成的威胁就大得多。
5．组网能力
扩频技术本身就具有一种多址能力－SSMA，属于CDMA，直扩系统和跳频系统都具有很强的组网能力。在移动通信中，CDMA系统的频谱利用率是模拟蜂窝传输系统的频谱利用率的二十多倍，是第一代TDMA系统的六倍。直扩系统用不同的伪随机码可组成不同的网，跳频系统用不同的跳频图案组成不同的网。从频谱利用率上来看，直扩系统和跳频系统的频谱利用率比单频单信道系统还要高。就直扩和跳频系统而言，跳频系统的组网能力和频谱利用率略高于直扩系统。
6.与窄带系统的兼容性
直扩系统是一个宽带系统，虽然可与窄带系统电磁兼容，但不能与其建立通信。另外，对模拟信源（如话音）需作预先处理（如语声编码后），才可接入直扩系统。而对跳频系统而言，由于它是瞬时窄带系统，它易于与目前的窄带通信系统兼容。目前的通信系统不论是模拟调制还是数字调制的，通常都是窄带的通信系统。因此兼容的好处在于，先进的跳频电台可以与常规的电台互通，或者将常规电台加装抗干扰的跳频模块就可以变成跳频电台。而且，跳频系统对模拟信源和数字信源均适用。
以上描述了不同扩频通信系统的原理和性能，扩频通信设备的实现方法和难易程度，直接决定了其最终性能和成本。一般讲慢跳跳频系统的实现最简单，成本最低，但性能最差。采用软扩频的编码技术可以达到高速率，但限制到室内近距离范围内应用。先解调后解扩的直扩系统，可以采用集成电路直接对扩频序列进行数字处理，但前提是有足够高的信号强度。扩频系统中性能最好的是直接序列扩频中的先解扩再解调的技术，这种扩频系统对扩频信号先相关解扩，再相关解调，但需要完成伪随机码的同步和载波恢复，增加了系统的复杂程度。例如，一个速率64K的直扩系统，其伪随机码的速率要超过5Mbit/s左右，其实现方法比之于3M速率的跳频系统还要复杂的多。因此，高性能的直序扩频系统的成本很高。
参考文献：
[1] Wireless Communication Principles and Practice
Theodore S．Rappaport 1999
[2] Didital Communication and Spread Spectrum Systems Ziemer，R.E.Z Peterson 1985
[3] Modern Communication and Spread Spectrum G.R.Coooper and L.D.McGillem 1986
编辑概况：
肖尚辉（1973-），男，四川简阳人，硕士，主要从事扩频通信技术，数字信号处理等的研究。
徐继麟（1938-），男，四川成都人，教授，博士生导师
Comparison Research On Wireless Spread Spectrum Technology
XIAO Shanghui XU Jilin
(Electronic Engineering College of UESTC, ChengDu 610054 China)
Abstract: This paper analyses the characteristics about Direct Sequence (DS) Spread Spectrum (SS) and Hopping Frequency (HF) Spread Spectrum．It will provide some reference for right selection and application of Spread Spectrum technology in Wireless communication、3G Mobile communication (B-CDMA) and Wireless Local Area Network，etc．
Key Word: Spread Spectrum Technology； Direct Sequence SS； Hopping Frequency SS