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[导读]扩展频谱通信与光纤通信、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。

扩展频谱通信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(SSC,Spread Spectrum Communication,扩展频谱通信技术),通过增加信号带宽降低信噪比,提高抗干扰容限。其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。

与传统窄带通信相比,扩频通信具备许多优点:多址能力、低截获率、抗干扰能力强以及时间分辨率高等,被广泛应用于无线通信中。

具有代表性的扩频方式主要有两种:直接序列扩频与跳频扩频。

如果在数据上直接加入伪随机序列码,可得到直序扩频(DSSS);如果伪随机码作用在载波频率上,则得到跳频扩频(FHSS)。也可以综合形成DSSS + FHSS混合扩频技术。

一、DSSS:直序扩频

什么是DSSS?

——直接序列扩频(DSSS,Direct Sequence Spread Spectrum)工作方式,简称直扩方式(DS方式),是目前应用较广的一种扩频方式。就是用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱,而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩,把展开的扩频信号还原成原来的信号。

LoRa技术就是一种基于直序扩频的调制方式。

DSSS代表直接序列扩频,信息位是由PN码(芯片)调制。PN码是伪噪声码符号。与信息位相比,此 PN 代码的持续时间较短。与用户相比,这里通过空中传输的信息占用更多的带宽信息位。DSSS是基于IEEE802.11的 WLAN 兼容产品中采用的调制技术。在DSSS系统中,整个系统带宽始终可供每个用户使用。

DSSS发射器与DSSS接收器框图,PRS代表伪随机序列

直序扩频特点:

(1)抗衰落。直序扩频的带宽很宽,由于传输引起的部分频谱的衰落而引起的变化不会使信号频谱发生严重衰落。

(2)抗多路径干扰。扩频系统中的PN码通常具有很好的自相关特性,很容易将不同路径的反射信号分离开,经处理后在时间和相位上重新对齐,形成几路叠加,大幅度的改善系统的性能。

(3)抗截获能力强。信号经过扩频后,随着频谱的展开,其功率谱密度下降,甚至可以淹没在噪声中,信号也很难会被不同PN码的接收端解析得到。

(4)易实现多址通信。

二、FHSS:跳频扩频

什么是FHSS?

——跳频扩频(FHSS,Frequency Hopping Spread Spectrum)技术是在无线电传输过程中对载波频率进行重复切换,以减少干扰并避免拦截。

在跳频扩频中,带宽频谱的广切部分被划分为许多可能的广播频率,供传输信号使用。跳频扩频数字无线电传输方法,其中无线电信号在较窄的频谱范围内传播,信号以伪随机顺序跳到其他窄范围,所有这些都在定义的总体范围内,以实现比DSSS更好的抗噪性,比DSSS更大的范围和固有的信号安全性。

FHSS代表跳频扩频,RF载波频率根据伪随机序列(PRS或PN序列)变化。发射器和接收器都知道该PN序列,因此有助于解调/解码信息。在一个芯片持续时间内,RF频率不会改变。基于这一事实,有两种类型的FHSS,快速跳跃FHSS和慢跳FHSS。在快速跳跃的FHSS中,跳跃的速率快于消息(信息)比特率。在慢速跳跃的FHSS中,跳频以比信息比特率慢的速率完成。

FHSS发射器与DSSS接收器框图

跳频扩频特点:

(1)抗干扰。采用离散的频点进行通信,即使某一段频点受到干扰,其他频点也可以正常保持通信。

(2)兼容性强。频点数量多,可以在任意一个频点和其他设备完成通信。

(3)易实现多址通信。

扩频通信是指利用扩展频谱技术,使信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽,以提高通信系统的抗干扰性。

一、扩频的原理:香农定理

扩频的原理,可以通过回顾香农公式来理解。 香农定理:定义了有噪声信道的极限速率,公式如下:C=W*log2(1+S/N) 其中,S为信号平均功率,N为噪声平均功率则S/N为信噪比,单位为分贝(dB)。 分贝与信噪比的换算关系为:dB=10log10(S/N) 信号越强,噪声越小,则信噪比越大,信道速率就越高。带宽为3k赫兹的普通电话线,波特率为6000,根据调制方式的不同,可以有不同的速率,但由于噪声的存在,能达到9.6kbps的速率已经很不错了。

当传输速率一定时,加大信号带宽,可以降低对信噪比的要求。当带宽加大到一定程度,甚至允许信号功率淹没在噪声之下。因此,在一定的发射功率下,扩频信息分布在很宽的频带内,有用的信号功率密度很低,在强噪声背景或信号被噪声淹没时,也能够可靠通信,具有极强的抗干扰性能。同时,扩频通信使用扩频函数(不可预测的伪随机序列码)调制和对信号进行处理,使得扩频通信具有高保密性的特点。 扩频信号带宽与信息带宽之比为扩频因子。扩频因子数值为1-2时,成为窄带通信;大于50称为宽带通信;大于100为称为扩频通信。

二、四种扩频技术,FHSS在无人机电台上最常用

扩频通信系统可以分为以下四种:

1、直接序列扩频(DSSS) 发送端直接采用高码率的扩频码序列去扩展信号频谱,接收端通过同样的扩频码序列还原信号。直接序列扩频将信号扩展成很宽的频带,其功率频谱密度比噪声还要低,使信号能隐蔽在噪声中,提高信号保密性。在接收端则对噪声信号进行非相关处理,使干扰电平显著下降而被抑制。直接序列扩频通信系统是目前应用最为广泛的系统,典型应用有CDMA、WLAN。

2、跳频扩频(FHSS) 用伪随机码序列进行频移键控(FSK),使载波频率不断跳变而扩展频谱。跳频扩频将整个频谱分割为更小的窄带频谱。发送方和接收方在每个窄带信道上工作一段时间,然后转移到另一个信道。 跳频技术的基本原理是在通信的不同时间片或数据包中,发送端和接收端按照事先约定好的序列,频繁地切换使用不同的频率进行通信。这种频率切换可以是随机的、伪随机的或按照特定的算法进行。具体切换频率的方式取决于跳频系统的设计和实施。 跳频技术的主要目的是提高通信的安全性和抗干扰能力。由于频率的快速切换,跳频通信可以减少特定频率上的干扰或窃听威胁,因为干扰者或窃听者需要在短时间内掌握并跟踪频率的变化才能有效进行干扰或窃听。跳频技术还可以提供频谱扩展的效果,即通过在更广泛的频率范围内进行通信,提高了抗干扰性和抗多径衰落的能力。 跳频扩频通信应用在WLAN、蓝牙、ZigBee中。在无人机数传电台上,常用的Digi 900M的XBee模块(比如900HP、SX Pro、XTend等)、Microhard的P900以及国产T900,都是FHSS的。

3、跳时扩频(THSS) 和跳频扩频类似,跳时是发射信号在时域(时间轴)上的跳变。因为在时域上压缩了传输时间,则相应的频谱宽度也扩展了。简单的跳时抗干扰性不强,很少单独使用。可以和以上扩频技术进行组合形成混合系统,如跳时/直扩系统。

4、线性调频扩频(CSS) 如果发射的信号在一个周期内,其载频的频率作线性变化,则称为线性调频。因为其频率在较宽的频带内变化,所以信号的频带也被展宽了。这种扩频调制方式主要用在雷达,物联网领域(LPWAN等)。

扩频技术在各个领域都有广泛的应用,以下是扩频技术的应用示例:

1、无线通信系统:

扩频技术在无线通信系统中扮演着重要的角色。它能够提高通信系统的抗干扰性能,减少多径效应对信号的影响,使得通信质量更加稳定可靠。扩频技术广泛应用于移动通信系统,包括2G、3G、4G和5G网络中的CDMA和WCDMA等技术。

2、宽带接入网络:

扩频技术也在宽带接入网络中得到了广泛应用。例如,通过使用扩频技术,可以实现DSL(数字用户线)系统的高速传输和抗干扰能力的提升。此外,扩频技术还可以应用于光纤通信中的光码分多址(OCDMA)系统,提高光纤网络的传输容量和安全性能。

3、军事通信:

在军事通信领域,扩频技术具有重要的应用价值。由于扩频技术能够有效抵抗干扰和偷听,因此它被广泛用于军事通信系统中的加密和保密通信。扩频技术还可以用于军事雷达系统中,提高雷达系统的抗干扰性能和隐蔽性。

4、无线传感网络:

扩频技术也适用于无线传感网络(WSN)中。由于WSN通常在复杂的无线环境中工作,扩频技术能够提供更好的抗干扰性能,使得传感器节点之间的通信更加可靠稳定。此外,扩频技术还能够减少能量消耗,延长无线传感器网络的寿命。

扩频技术的关键在于使用扩频序列对信号进行编码和解码,以实现抗干扰性能和更好的传输质量。随着通信技术的不断发展,扩频技术有望继续创新和演进,为未来的通信领域带来更多的突破和进步。

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