擴(kuò)頻通信與擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)

李宇涵

【摘要】 擴(kuò)頻通信全稱擴(kuò)展頻譜通信，最初在軍事領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。隨著社會(huì)的不斷向前發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平極大的提高，對于電子通信也提出了更高的要求。因擴(kuò)頻通信具有許多現(xiàn)代人生活中所需要的高保密性能、接收信號能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而受到人們的廣泛關(guān)注，一些軍事通訊方法也逐漸在民用通信中有了一定的應(yīng)用。文章主要對擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的相關(guān)理論及其主要工作方式進(jìn)行簡要介紹，并對擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中數(shù)字調(diào)制方式及其仿真實(shí)現(xiàn)進(jìn)行相關(guān)研究和討論。

【關(guān)鍵詞】 擴(kuò)頻通信 發(fā)展概況 基本原理 擴(kuò)頻調(diào)制方案

作為三大核心通信技術(shù)之一的擴(kuò)頻通信，最早出現(xiàn)在軍事領(lǐng)域，即二戰(zhàn)中美軍運(yùn)用擴(kuò)頻通信對本國軍事通信機(jī)密進(jìn)行加密。該通信技術(shù)在軍事領(lǐng)域主要應(yīng)用于軍事計(jì)劃通信，指揮通信以及一些軍事情報(bào)的加密。其中最典型的例子當(dāng)數(shù)海灣戰(zhàn)爭中所使用的電子戰(zhàn)，借擴(kuò)頻通信技術(shù)對敵軍通信實(shí)施干擾，使其電子通信癱瘓，進(jìn)而命令無法傳送至前線，導(dǎo)致戰(zhàn)局的失利及人員的傷亡。電子戰(zhàn)中擴(kuò)頻通信的合理運(yùn)用對這場戰(zhàn)爭勝負(fù)起著重大的作用?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭中，擴(kuò)頻通信被更加廣泛的應(yīng)用于軍事對抗中，體現(xiàn)了極大的價(jià)值。除軍事領(lǐng)域的有效應(yīng)用外，擴(kuò)頻通信更在雷達(dá)探測、遠(yuǎn)距離遙控、電子導(dǎo)航及電子測距等多方面有著較為廣泛的應(yīng)用，并逐漸成為通信傳輸方式向前發(fā)展的重要方向。隨著時(shí)代的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷成熟，對擴(kuò)頻通信的進(jìn)一步發(fā)展提供技術(shù)支持，也為擴(kuò)頻通信的平民化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

回想自擴(kuò)頻通信出現(xiàn)以來，自有線通信到后來的無線通信直至現(xiàn)在的光纖通信，通信技術(shù)可謂日新月異。特別是隨著近代科技的不斷向前發(fā)展，大規(guī)模集成電路與通信技術(shù)的有效結(jié)合使得擴(kuò)頻通信技術(shù)有了更加實(shí)質(zhì)的突破。

一、擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)

擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)，說到底還是一種通信技術(shù)，其本質(zhì)還是用來進(jìn)行信息的傳輸。其主要特點(diǎn)是通信所需最小寬帶與信號占據(jù)寬帶相比，應(yīng)有十分大的差距。另外，頻帶的拓展不需要像其他通信方式一般，通過多個(gè)碼序列相互配合完成，該通信方式僅需一個(gè)獨(dú)立的碼序列便可完成。該通信具有三大基本特征，首先，擴(kuò)頻通信傳輸方式須為數(shù)字傳輸；其次，接收端的擴(kuò)頻函數(shù)需與擴(kuò)頻信號一致，最后，無關(guān)擴(kuò)頻函數(shù)對頻帶的寬度進(jìn)行調(diào)制，進(jìn)而完成整個(gè)通信過程。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

如圖1所示，首先對輸入信息進(jìn)行調(diào)制，由擴(kuò)頻碼發(fā)生器協(xié)助并經(jīng)擴(kuò)寬頻道調(diào)制器對信息進(jìn)行拓寬，然后由發(fā)射頻道發(fā)生器參與且對相應(yīng)頻道進(jìn)行調(diào)制。最終，有終端解調(diào)器對該信息進(jìn)行還原，并恢復(fù)至原始信息進(jìn)行傳輸。信息的另一種調(diào)制方式也如上所述。

二、擴(kuò)頻通信的工作方式

1、直擴(kuò)方式（DS），即直接擴(kuò)頻方式。在接收端和發(fā)送端有著相類似的解擴(kuò)方式，也是通過高碼率的擴(kuò)頻碼序列對由前面?zhèn)鬏斶^來的信號進(jìn)行直接的解擴(kuò)，進(jìn)而將信號轉(zhuǎn)變?yōu)樵夹畔⒌男盘?，從而完成整個(gè)通信過程。直接擴(kuò)頻方式在通信領(lǐng)域有著最為廣泛和最為普遍的應(yīng)用，因而這種方式也成為該行業(yè)探索的重點(diǎn)。

2、FH方式，即跳變頻率的方式。首先對調(diào)頻要有一個(gè)較為深入的理解，調(diào)頻意為使用一個(gè)確切的碼序列對多項(xiàng)頻率的周期性移動(dòng)進(jìn)行可多項(xiàng)選擇的鍵位控制。信號的發(fā)送端既然是以一種跳動(dòng)頻率信號進(jìn)行發(fā)射，那么接收端也需要有相同的頻率跳變方式來完成對整個(gè)信號的接收過程。FH方式又被稱為頻率移動(dòng)鍵位控制系統(tǒng)，頻率合成器及碼產(chǎn)生器是其關(guān)鍵組成部分。調(diào)頻系統(tǒng)的機(jī)理簡化圖如下所示：

圖2、圖3 整個(gè)FH系統(tǒng)簡要原理框圖

3、跳時(shí)方式，按其字面意思理解就是跳躍時(shí)間段的通信方式。系統(tǒng)的跳時(shí)工作方式與調(diào)頻工作方式有著異曲同工之妙，跳頻是頻率進(jìn)行不斷的變動(dòng)，而跳時(shí)則是信號進(jìn)行時(shí)間上的不斷跳動(dòng)。

4、寬帶線性調(diào)頻方式。所謂線性調(diào)頻，其字面意思便是對頻率的調(diào)整變化規(guī)律為一定的線性變化規(guī)律。即在信號接收或者發(fā)送的一個(gè)周期內(nèi)，觀察其載頻的變化特點(diǎn)，若其數(shù)據(jù)的變化呈現(xiàn)出線性變化，該方式便是寬帶線性調(diào)頻方式。頻帶寬度隨著頻譜所處帶寬的不同而不同，表現(xiàn)出信號頻帶寬度的自適應(yīng)性。一般情況下，這種工作方式主要在雷達(dá)中有著重要的應(yīng)用，近年來該方式在通信中的應(yīng)用也被逐漸開發(fā)出來。

三、擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中數(shù)字調(diào)制方式及其仿真實(shí)現(xiàn)

本節(jié)對一些常見的數(shù)字通信方式的性能和這些通信方式的產(chǎn)生方法進(jìn)行了簡要的闡述。在現(xiàn)代化信息化的數(shù)字通信中，QPSK和QAM兩種調(diào)制方式有極其重要的應(yīng)用，我們對這兩種方式的抗噪聲能力進(jìn)行研究和分析。在前人總結(jié)的基礎(chǔ)上希望能夠在加性高斯信道及理想信道中完成該類調(diào)制方法的仿真實(shí)現(xiàn)。

1、振幅調(diào)制

雖然有許多其他的調(diào)制方式，如頻率、相位相互結(jié)合相互實(shí)現(xiàn)的方式來完成調(diào)制，受控調(diào)頻以及最小頻移鍵控等方式。具有許多其他調(diào)制方式不具備的優(yōu)點(diǎn)，如該方式對頻帶有著極高的利用率，只需要簡單的設(shè)備便可實(shí)現(xiàn)該調(diào)制方式。該調(diào)制方式也有自身難以克服的缺陷，如有著相對較差的抗噪聲性能，并且該調(diào)制方式的最優(yōu)判決條件與調(diào)制器自身接收機(jī)輸入信號的振動(dòng)幅度有著極大的關(guān)聯(lián)，正是由于這些缺點(diǎn)的存在使得取樣判決器很難處在一個(gè)最佳工作狀態(tài)上，使得通信調(diào)制系統(tǒng)存在一定缺陷以及一些能夠突破的地方。隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，電路、濾波以及均衡手法的進(jìn)一步成熟和優(yōu)化，為適應(yīng)新時(shí)代條件下的高速率、大容量數(shù)據(jù)的傳輸，人們開始關(guān)注多電平調(diào)制技術(shù)，以期找到一種更加適應(yīng)與現(xiàn)代通信的高效的調(diào)制手段。

2、頻移調(diào)制

除了上述最早出現(xiàn)的振幅調(diào)制外，還有一種十分重要的調(diào)制方式——頻移調(diào)制。所謂頻移調(diào)制即為依據(jù)頻道的不同而完成頻道的調(diào)制過程。該調(diào)制方式的優(yōu)勢在于能夠有效的抵抗外界干擾，進(jìn)而出色的完成頻道的調(diào)制任務(wù)，使通信變得更加暢通無阻；頻移調(diào)控目前主要在低速或者中速的通信傳輸和數(shù)據(jù)傳輸中有著較為廣泛的應(yīng)用。

3、相移鍵控

而與之相對的相對相移則不存在這一問題，原因在于相對相移恢復(fù)數(shù)字信號主要是依靠前后兩個(gè)接收序列的序列碼來進(jìn)行。

依據(jù)被調(diào)參數(shù)的變化情況，一般我們將其分為二進(jìn)制和多進(jìn)制。并且，一般來運(yùn)用二進(jìn)制對數(shù)字進(jìn)行傳輸時(shí)出現(xiàn)的誤差可能與四個(gè)關(guān)鍵因素有關(guān)，其一，頻率調(diào)制方式的變化；其二，不同噪聲具有不同的統(tǒng)計(jì)特性；其三，解調(diào)方式有著較大的不同；其四，譯碼的不同判決方式，導(dǎo)致結(jié)果的不同。總之，無論采取何種方式，只要輸入的信號與外界噪聲強(qiáng)度之比較大，則系統(tǒng)有較低誤碼率；否則，系統(tǒng)的誤碼率就會(huì)增加。

綜上所述，我們可以得到下述兩點(diǎn)結(jié)論：1、針對調(diào)制方式一致而檢測方式不同的情況，不是相互干擾檢測的測量性能要明顯低于相互干擾的噪聲檢測。當(dāng)然，不得不提的一點(diǎn)是伴隨信號與噪聲的比例的不斷變化（尤其是增大的時(shí)候），相互干擾與非相互干擾之間出現(xiàn)錯(cuò)誤代碼之間的差別就會(huì)變得越發(fā)不顯著，并且兩條錯(cuò)誤代碼曲線之間呈現(xiàn)相互接近的趨勢。相互干擾的檢測系統(tǒng)唯一缺點(diǎn)便是設(shè)備成本要高于非相互干擾檢測系統(tǒng)，其系統(tǒng)的復(fù)雜程度也要高于非相互干擾檢測系統(tǒng)；2、與1中相反在相同檢測方式之下，我們考慮不同調(diào)制方法的優(yōu)劣。得出如下結(jié)果，①在相同條件下，若有相同的錯(cuò)誤代碼，對該數(shù)據(jù)進(jìn)行相干檢測時(shí)，信號與噪聲的比例之間有一定的要求；處于非相互干擾的檢測方式時(shí)，與上述有著相同的條件下，信號與噪聲之間的比例與相干檢測一致；②2ASK需進(jìn)行嚴(yán)格控制，雖然對其最佳判決門限電平的控制是異常困難的，主要原因在于該門限有著十分差的抵抗振幅不斷降低的能力，而該門限的控制與接收端輸入信號的幅值有著較為密切的關(guān)系；③由相關(guān)數(shù)據(jù)表明，2FSK通常有著比0.9還要大的調(diào)制指數(shù)，若此時(shí)二者有著同樣的傳碼率，從數(shù)據(jù)分析不難看出，頻帶中2FSK具有最低的帶寬利用率。

四、結(jié)語

近年來擴(kuò)頻通信技術(shù)得到高度發(fā)展，該技術(shù)集數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)高速處理技術(shù)、數(shù)字匹配與濾波、無線通信收發(fā)高度自適應(yīng)性及高速率計(jì)算等眾多技術(shù)于一體，其研究發(fā)展的空間可見一斑。經(jīng)研究總結(jié)，我們發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目雖然有著巨大的潛力，但亟需解決的問題依然有很多，如我們是否應(yīng)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用芴幚?，以保證通信系統(tǒng)有較強(qiáng)的保密性和抵抗外界信息干擾的能力；如何實(shí)現(xiàn)有效的載波同步問題；芯片接收端的門限我們采用硬判決，該判決具有極差的抗干擾能力，為加強(qiáng)通信系統(tǒng)抵抗外界信息干擾的能力，應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行何種調(diào)整都是亟待解決的問題。

參 考 文 獻(xiàn)

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