遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中DS/FH混合擴頻技術(shù)研究

謝艷輝

(魯東大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院,山東煙臺264025)

0 引言

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是利用現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)和高科技產(chǎn)品,對生產(chǎn)、生活中的重要場所進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制,以達(dá)到綜合防范的一種手段。隨著遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化方向的邁進(jìn),其對信號傳輸?shù)目煽啃院拖到y(tǒng)穩(wěn)定性的要求也越來越高。

DS/FH混合擴頻通信技術(shù)兼?zhèn)渲苯有蛄袛U頻和跳頻的優(yōu)點[1-3],具有良好的抗噪聲干擾、抗多徑效應(yīng)和抗遠(yuǎn)近干擾等方面的能力,可大大提高系統(tǒng)的通信效率和穩(wěn)定性,因此研究基于DS/FH混合擴頻通信技術(shù)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。本文闡述了DS/FH混合擴頻通信技術(shù)在遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的工作原理,詳細(xì)分析了寬帶阻塞干擾、多徑效應(yīng)對系統(tǒng)性能的影響,通過SYSTEMVIEW仿真軟件進(jìn)行了仿真分析,為實際系統(tǒng)的分析與設(shè)計提供了一定的依據(jù)。

1 DS/FH混合擴頻通信技術(shù)

擴頻技術(shù)是將要發(fā)送信號的頻譜擴展到很寬的頻帶上,然后在接收端利用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行解擴,恢復(fù)成原來的窄帶信號。常用的擴頻技術(shù)分為直接序列擴頻(DS-SS)、頻率跳變擴頻(FH-SS)、時間跳變擴頻(TH-SS)、線性脈沖調(diào)頻及各種混合擴頻系統(tǒng)[4]。直接序列擴頻和頻率跳變擴頻是應(yīng)用最多的2種擴頻技術(shù),將2種擴頻方法結(jié)合起來就構(gòu)成了DS/FH混合擴頻技術(shù)。

DS/FH混合擴頻技術(shù)是在直接序列擴頻技術(shù)的基礎(chǔ)上增加載波頻率跳變的功能[5]。發(fā)送端發(fā)射的信號首先被偽隨機碼Ⅰ擴頻,然后去調(diào)制由偽隨機碼Ⅱ控制的頻率合成器產(chǎn)生的載頻,被放大后發(fā)送出去。在接收端,接收到的信號首先進(jìn)行解跳,得到的固定頻率的直擴信號之后進(jìn)行解擴,最后送至解調(diào)器將原始的信號恢復(fù)出來。

本文研究的系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制方式,發(fā)射信號的表達(dá)式可以表示為:

式中,d(t)為信源產(chǎn)生的二進(jìn)制雙極性碼流,d(t)∈ ±1;c(t)為PN序列產(chǎn)生器Ⅰ產(chǎn)生的偽隨機序列,c(t)∈ ±1_;fk為在PN序列產(chǎn)生器Ⅱ控制下的頻率合成器產(chǎn)生的載頻,且fk∈{f1,f2,…,fn};A為載波的幅度。

在接收端接收的信號為:

式中,n(t)為信道中的高斯白噪聲分量;J(t)為信道中的干擾噪聲分量。

DS/FH混合擴頻技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,由于實際的部分系統(tǒng)所處環(huán)境惡劣,地形復(fù)雜,而且監(jiān)控區(qū)較大,監(jiān)控點多而且分散,導(dǎo)致遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中無線通信的顯著特點之一為信號傳播的路徑非常長,信號在傳輸過程中除了有衰減之外,還會受到各種干擾的影響,這些干擾包括寬帶阻塞干擾、部分頻帶干擾、單頻多頻連續(xù)波干擾、脈沖干擾和多徑干擾等。本文主要討論寬帶和多徑干擾對系統(tǒng)性能的影響,并在SYSTEMVIEW環(huán)境下進(jìn)行仿真。

2 寬帶阻塞干擾分析與仿真

與其他擴頻通信系統(tǒng)一樣,在本文研究的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)寬帶干擾為占據(jù)了整個混合擴頻帶寬(WDS/FH)的高斯白噪聲,且其在整個帶寬范圍內(nèi)均勻分布。設(shè)寬帶的總功率為J,則其功率譜密度為:

若在接收端接收的信號功率為S,每比特信號的持續(xù)時間為Td=1/Rd(Rd為信息速率),則每比特信息的能量為:

從而得出整個混合擴頻通信系統(tǒng)的信噪比為:

式中,WDS/FH/Rd為整個混合擴頻系統(tǒng)的擴頻增益,其表達(dá)式為:

式中,GDS為系統(tǒng)中直接序列擴頻部分的增益;GFH為系統(tǒng)中跳頻部分的增益,且GFH=M(M為跳頻點數(shù))。而對于BPSK調(diào)制系統(tǒng)其誤碼率為[6]:

對于混合擴頻通信系統(tǒng)由于寬帶干擾在整個帶寬范圍內(nèi)均勻分布,所以其誤碼率表達(dá)式與式(7)相同。

根據(jù)以上分析,利用SYSTEMVIEW軟件在寬帶阻塞干擾下對系統(tǒng)進(jìn)行仿真,仿真參數(shù)如下:

碼元速率:10 bit/s;

偽隨機碼1速率:50 bit/s;

跳頻速率:50跳/s;

跳頻點數(shù):16;

信道間隔:100 Hz;

跳頻帶寬:1 500 Hz;

調(diào)制方式:BPSK。

仿真圖如圖1所示。

圖1 仿真結(jié)果

圖1中第1路信號為信號源經(jīng)混合擴頻后的波形,原始信號頻譜被擴展,并且信號的頻率按一定的規(guī)律跳變,第2路信號為混合擴頻后的波形信道中高斯白噪聲的疊加,可以看出噪聲已經(jīng)完全淹沒了有用信號。

圖1第3路、第4路為當(dāng)信道中的有用信號被噪聲淹沒后,系統(tǒng)原始信號與接收信號。可以看出信號得到了完全恢復(fù),說明DS/FH混合擴頻系統(tǒng)具有較高的抗干擾能力。

圖2為混合擴頻系統(tǒng)、BPSK系統(tǒng)BER-SNR曲線圖。

圖2 BPSK、混合擴頻系統(tǒng) BER-SNR曲線圖

從圖2中可以看出,混合DS/FH擴頻系統(tǒng)抗干擾能力大大加強。在滿足相同誤碼率的條件下,混合DS/FH擴頻系統(tǒng)的信噪比比傳統(tǒng)BPSK系統(tǒng)低約19 dB(等于混合擴頻系統(tǒng)的擴頻增益)。曲線的誤差是由于仿真過程中受計算機硬件及仿真軟件本身的制約,由于不能取得足夠的采樣點數(shù)造成的結(jié)果。

3 多徑干擾分析與仿真

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)地域廣闊,地形復(fù)雜,信號在傳播的過程中會遇到各種障礙物(高山、樹木、建筑物等)而引起不同程度的反射而產(chǎn)生多徑效應(yīng),導(dǎo)致接收端接收到的信號為具有不同衰減和時延的來自多條路徑的信號之和,即為直射分量與反射分量之和。若多徑干擾數(shù)為N,則接收端接收信號的表達(dá)式為:

式中,i=0表示接收的信號為直射分量;Ai為各條路徑的信號到達(dá)接收端之后信號的幅度;τi為各條路徑的信號到達(dá)接收端之后延遲的時間。

接收信號經(jīng)過解跳、解擴、解調(diào)后,信號變?yōu)?

濾除高頻分量最終信號的輸出為:

式中,第1項為有用信號,第3項、第4項中n(t)、J(t)與信源端擴頻碼不相關(guān)且與系統(tǒng)中的跳頻部分載頻變化規(guī)律不一致,經(jīng)過濾波器之后,其影響可以忽略。第2項為多徑干擾信號之和,從式中可以看出其對有用信號的影響與擴頻碼的自相關(guān)函數(shù)與加入調(diào)制信息之后的本地信號之間的互相關(guān)函數(shù)有關(guān),對第2項進(jìn)行簡化得:

對于擴頻碼(周期為P)的自相關(guān)函數(shù)為:

與式(10)中有用信號項比較可以看出,Tc≤≤(P-1)Tc時,多徑干擾信號的幅度變?yōu)樵夹盘柕?/P,功率變?yōu)樵瓉淼?/P2,可以看出其具有很強的抗多徑干擾能力。

基于上述分析,利用SYSTEMVIEW軟件在多徑干擾下對系統(tǒng)進(jìn)行仿真,系統(tǒng)原始發(fā)送信號與接收端接收信號比較圖如圖3所示。

圖3 多徑干擾下仿真結(jié)果

圖3中第1路、第2路為多徑干擾路數(shù)等于2,τ1=0.04 s,τ2=0.08 s時系統(tǒng)的原始信號與接收信號,第3路、第 4路為多徑干擾路數(shù)等于 2,τ1=0.002 s,τ2=0.01 s時系統(tǒng)的原始信號與接收信號。從圖3中可以看出,多徑干擾存在下,τi取值不同時,系統(tǒng)均能較好地恢復(fù)出原始信號,只是接收信號相對于原始信號具有一定的延遲時間而已,說明DS/FH混合擴頻技術(shù)可以使系統(tǒng)抗多徑干擾能力大大加強,使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

以上分析表明,DS/FH混合擴頻技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)完全可行,將DS/FH混合擴頻技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計如下:整個系統(tǒng)由1個總控中心和n個分控中心組成。總控中心為系統(tǒng)的核心部分,實現(xiàn)整個系統(tǒng)視頻圖像的集中管理,分控中心實現(xiàn)對本地分控區(qū)域視頻圖像的處理功能。信號傳輸過程中總控中心和各分控中心均采用DS/FH混合擴頻技術(shù),使用的頻段相同,但各自采用的PN碼不同。

4 結(jié)束語

隨著無線通信的發(fā)展及監(jiān)控技術(shù)的進(jìn)一步提高,DS/FH混合擴頻技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)將逐漸得到廣泛應(yīng)用。本文對寬帶阻塞干擾、多徑干擾存在下的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控中的混合擴頻技術(shù)對系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)討論和SYSTEMVIEW仿真分析,實驗結(jié)果表明混合擴頻通信的較強的抗噪聲干擾和抗多徑干擾的能力,證實了采用混合擴頻技術(shù)的可行性,并對系統(tǒng)模型進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計,具有重要的理論意義和實用價值。

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