第2章 无线传输技术基础(3)

第2章无线传输技术基础2.4扩频传输扩展频谱是一种无线电传输技术，简称扩频。最初在二战的军事应用中提出，目的是使无线传输更加安全，不易截取和阻塞。这些技术在20世纪80年代开始进入商用领域。与通常的调频或调幅无线传输相比，扩频最主要的优点是：在同样的频带内可以减少甚至是消除与窄带传输之间的干扰，因此可以显著提高射频数据链路的可靠性。扩频通信的定义扩频通信（SpreadSpectrumCommunication）术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。扩频通信的特征不同于简单的调幅或调频无线电，扩频信号使用的带宽远大于简单传输相同信息所占的带宽。扩频通信的理论基础香农（C.E.Shannon）公式：C=W×Log2(1+S/N)C--信息的传输速率、S--有用信号、功率W--频带宽度、N--噪声功率可以看出：提高信息传输速率C可以从两种途径实现，即加大带宽W或提高信噪比S/N。当信号传输速率C一定时，增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。频谱的扩展的实现频谱的扩展是用数字化方式实现的。在一个二进制码位的时段内用一组新的多位长的码型予以置换，新码型的码速率远远高出原码的码速率，由傅立叶分析可知新码型的带宽远远高出原码的带宽，从而将信号的带宽进行了扩展。这些新的码型被称为扩频函数，通常是一些伪随机（PN）码，也叫片码，码位越长系统性能越高。通常，商用扩频系统PN码码长应不低于12位，一般取32位，军用系统可达千位。目前常见的码型：（1）M序列，即最长线性伪随机系列；（2）GOLD序列；（3）WALSH函数正交码。选取某一序列后，如M序列，将其中正交码两两组合，并划分为若干组，各组分别代表不同用户，组内两个码型分别表示原始信息1和0。对原始信息进行编码、传送，接收端利用相关处理器对接收信号与本地码型进行相关运算，解出原始信息实现解扩，从而区分出不同用户的不同信息。扩频技术的分类直接序列扩频DSSS跳频扩频FHSS跳时扩频THSS脉冲调频系统混合系统直接序列扩频DSSS直接序列扩频(DirectScquencySpreadSpectrum，DSSS)，是用高码率的扩频码序列在发端直接去扩展信号的频谱，在收端直接使用相同的扩频码序列对扩展的信号频谱进行解调，还原出原始的信息。这里的扩频码也被称为片码或伪随机（PseudoNoise，PN）码，与输入比特流进行异或运算产生的速率更高的“码片流”，用来对射频载波进行调制。在IEEE802.b的1M和2Mbps速率标准中采用的PN码是11比特的巴克码。巴克码具有低自相关性，即巴克码序列与自身时移后的序列不具有相关性。目前已知的巴克码组如下：长度编码210和11311041101和1110511101711100101111100010010131111100110101在发送端，信息码经码率较高的PN码调制以后，频谱被扩展了。在收端，扩频信号经同样的PN码解调以后，信息码被恢复；信息码经调制、扩频传输、解调然后恢复的过程，类似与PN码进行了二次模二相加的过程。扩频通信中频谱宽度与功率谱密度示意待传信息的频谱被扩展了以后，能量被均匀地分布在较宽的频带上，功率谱密度下降；扩频信号解扩以后，宽带信号恢复成窄带信息，功率谱密度上升；窄带干扰解扩后频谱扩展，功率谱密度下降，从而使有用信息在噪声干扰中被提取出来。补码键控除了使用单个片码对输入数据流的每个比特进行扩展外，还可以使用一组扩码，并依据输入数据比特组的数值从这组扩码中选择一个码。这种机制称为补码键控（ComplementaryCodeKeying，CCK）。CCK是朗讯科技和Harris半导体公司在1998年向IEEE提出的，目的在于将802.11b的数据率提高至11Mbps。CCK用基于奥尔什/阿达马变换的补码序列替代巴克码。在CCK中，片码从一组64个8位码字的集合中选取，选取时依据每6比特的输入数据的数值大小。每个码字都代表6比特的输入数据。CCK调制的最大优势是可以提高频谱效率。跳频扩频FHSS跳频是最常用的扩频方式之一，其工作原理是指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，也就是说，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。从通信技术的实现方式来说，“跳频”是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统。跳频扩频FHSS直接用输入数据流调制射频载波，扩频函数用来在一定的频隙范围内控制载波的特定频隙，从而扩展传输频带的宽度。跳时扩频THSS也是直接用输入数据流调制射频载波的技术，载波通过脉冲传输，扩频函数控制每个数据脉冲的传输时间。脉冲调频系统输入数据流直接调制射频载波，采用调频脉冲进行传输，扩频函数控制调频模式，例如频率扫描下降或上升的线性扫频（chirp）信号。混合系统将几种扩频技术相组合，在设计中充分发挥每个单一系统的特点优势。如调频扩频FHSS和跳时扩频THSS相组合，形成混合频分/时分多址接入（FDMA/TDMA）技术。可以实现码分多址扩频通信提高了抗干扰性能，但付出了占用频带宽的代价。如果让许多用户共用这一宽频带，则可大为提高频带的利用率。由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。这样一来，在一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。抗干扰性强，误码率低扩频通信系统由于在发送端扩展信号频谱，在接收端解扩还原信息，产生了扩频增益，从而大大地提高了抗干扰容限。根据扩频增益不同，甚至在负的信噪比条件下，也可以将信号从噪声的淹没中提取出来，在目前商用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作于负信噪比条件下的通信方式。抗多径干扰在无线通信中，抗多径干扰问题一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性；在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。2.5无线复用和多址接入技术复用技术的目的实在单一媒体上传输多路信号或多路数据流来提高传输效率。通过复用增加的容量可以为一个用户提供更高的数据传输率，也可以使多个用户能同时无干扰地接入传输媒体。用户接入无线媒体的方法：时分多址（TDMA）频分多址（FDMA）或正交频分复用（OFDMA）空分多址（SDMA）码分多址（CDMA）时分多址TDMA通过分配给每个用户特定的时隙，从而允许多个用户无干扰地接入到同一个信道。TDMA的一种简单形式就是时分双工（TimeDivisionDuplex，TDD），双工通信系统的上行链路和下行链路可以轮流占用传输周期。TDD在无绳电话系统中可在一个频带内容纳双相通信。蓝牙微微网使用TDMA。主设备提供决定时隙的系统时钟，在每个时隙内，主设备先对所有从设备做轮询来确定那些设备需要传输信息，然后给做好准备的设备分配传输时隙。频分多址FDMA将可用带宽划分成多个信道然后分配给每个用户。它为每个用户提供一个时间连续的信道，信道带宽是总带宽的一部分。频分双工（FrequencyDivisionDuplex，FDD）是FDMA的一种简单形式，它将可用带宽分成两个信道来提供连续的全双工通信。GSM、3G等使用FDD来分割上下行信道。在实际中，FDMA经常与TDMA或CDMA结合使用以增加FDMA系统单信道的容量。GSM使用的就是FDMA/TDMA，每200kHz为一个无线信道，每一个无线信道分8个时隙。空分多址（SDMA）空分多址将空间位置作为参数，控制用户对传输媒体的接入，从而提高无线网络数据吞吐量。例如，如果基站配备具有30度水平波束宽度的扇形天线，它可以根据用户围绕基站的位置划分12个空间区域或信道。采用这种配置，网络的数据容量与使用全向天线基站的容量相比，可以提高12倍。和简单扇形天线一样，智能天线技术将数字信号处理能力与天线阵列相结合，已达到对信号传输和接收的空间控制。智能天线可以根据信号环境和系统要求来调整方向性的特征参数，为SDMA提供了基础。通常情况下，其他多址技术如TDMA或CDMA可与SDMA结合，以允许单个空间区域内的多用户接入。空分复用（SpaceDivisionMultiplexing，SDM）与SDMA相对应，利用多个传播路径，在相同射频频谱中同时传输多个数据信道。这是MIMO无线通信的基础。码分多址（CDMA）CDMA与DSSS密切相关。如果两个或多个发射机在DSSS中使用不同的正交伪随机码（PN），它们就可以在相同的物理区域使用相同的频段而不互相干扰。这是由于使用伪随机吗的相关器不能检测出灵异正交编码的信号。正交频分复用（OFDM）传统多载波传输系统是将整个频带划分成N个没有互相重迭的子载波，子载波与子载波之间有一段频宽保护彼此之间不会互相干扰，称之为保护频带(guardband)，而每个子载波则可用不同信号调制，此即频分复用。频分复用可以避免每个子载波之间互相产生干扰，又有多载波传输系统的优点，但就频带的使用效率而言，浪费了许多频宽作为保护。为了有效使用频带，可以使子载波在频谱上互相重迭以节省频宽。但重迭部份可能会互相干扰，为避免干扰可使载波彼此正交，此即为OFDM。正交频分复用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）是多载波调制（MultiCarrierModulation，MCM）的一种，它在一个频带内传输多个离散子载波。其基本工作原理：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI)。一般多載波调制技术OFDM技术单一载波的频谱OFDM信号的频谱正交性时域频域一个OFDM码元内有四个子载波的例子个别子载波的频谱在时域中，载波之间的正交性意味着在符号周期内子载波的周期数是整数。各子载波的频率间隔为符号周期的倒数。OFDM的多载波可以用在很多方面OFDM可以作为多址接入技术（OFDMACCESS，OFDMA），根据每个用户的带宽要求为其分配单个子载波或一组子载波。将一路串行比特流可以分成多路并行比特流，每一路用一个单独的子载波编码。一个用户使用多路子载波可以获得高的数据吞吐率。比特流可以采用片码扩展，每个码片可以通过单独的子载波并行传输。OFDM的一个显著优点是，用多载波方式传输的符号速率比单载波传输的符号速率低很多，这样无线链路就不容易收到符号间干扰（InterSymbolInterference，ISI)的影响。ISI是由多径传播造成的，两个不同时间发射的符号经过不同路径传播后可能同时到达天线。尽管OFDM本身不容易被ISI影响，但绝大多数OFDM系统还是在符号间引入了保护间隔来进一步减小ISI。OFDM无线通信也使用多个子载波来收集信道质量的信息以帮助进行解调判断，这多个子载波被称为导频。这些子载波用于承载已知的训练数据。对已知数据的解码可以使接收机确定及自适应纠正发射机与接收机的基准振荡器之间的频率偏移、相位噪声及传播衰落。2.6数字调制技术调制将数据流转换并编码到射频或红外线信号上。扩频技术和多址接入技术将比特流转换为码片流，用来调制单个或多个载波频率，或者调制射频或红外脉冲的位置或形状。为某个具体应用选择最佳的