毕业设计（论文）-CDMA扩频通信系统基本原理.doc

绪 论 CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术，其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。1995年，第一个CDMA商用系统运行之后，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。全球许多国家和地区，包括中国香港、韩国、日本、美国都已建有CDMA商用网络。在美国和日本，CDMA成为国内的主要移动通信技术。在美国，10个移动通信运营公司中有7家选用CDMA。到今年4月，韩国有60%的人口成为CDMA用户。在澳大利亚主办的第28届奥运会中，CDM技术更是发挥了重要作用。CDMA技术的标准化经历了几个阶段。IS-95是cdmaONE系列标准中最先发布的标准，真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA标准是IS-95A，这一标准支持8K编码话音服务。其后又分别出版了13K话音编码器的TSB74标准，支持1.9GH的CDMA PCS系统的STD-008标准，其中13K编码话音服务质量已非常接近有线电话的话音质量。随着移动通信对数据业务需求的增长，1998年2月，美国高通公司宣布将IS-95B标准用于CDMA基础平台上。IS-95B可提供CDMA系统性能，并增加用户移动通信设备的数据流量，提供对64kbps数据业务的支持。其后，cdma2000成为窄带CDMA系统向第三代系统过渡的标准。cdma2000在标准研究的前期，提出了1X和3X的发展策略，但随后的研究表明，1X和1X增强型技术代表了未来发展方向。 第1章 CDMA概述1.1 引言CDMA是码分多址的英文缩写(Code Division Multiple Access),它是在数字技术的分支-扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。移动通信系统有多种分类方法。例如按信号性质分，可分为模拟、数字；按调制方式分，可分为调频、调相、调幅；按多址连接方式分，可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。目前中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话网采用的便是FDMA和TDMA两种方式的结合。GSM比模拟移动电话有很大的优势，但是，在频谱效率上仅是模拟系统的3倍，容量有限；在话音质量上也很难达到有线电话水平；TDMA终端接入速率最高也只能达到9.6kbit/s；TDMA系统无软切换功能，因而容易掉话，影响服务质量。因此， TDMA并不是现代蜂窝移动通信的最佳无线接入，而CDMA多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等，正受到越来越多的运营商和用户的青睐。 CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术，其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。1995年，第一个CDMA商用系统运行之后，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。全球许多国家和地区,包括中国香港、韩国、日本、美国都已建有CDMA商用网络。在美国和日本，CDMA成为国内的主要移动通信技术。在美国，10个移动通信运营公司中有7家选用CDMA。到今年4月，韩国有60的人口成为CDMA用户。在澳大利亚主办的第28届奥运会中，CDMA技术更是发挥了重要作用。据世界CDMA发展集团的统计，1996年底CDMA用户仅为100万；到1998年3月已迅速增长到1000万；1999年9月超过4000万；2000年突破5000万，伴随人类步入21世纪，CDMA作为新世纪的移动通信方式将得到全面发展。1.2 CDMA技术的标准化CDMA技术的标准化，推进了这项技术在世界范围的应用。目前，在美国、韩国、日本等国家，CDMA技术已获得了较大规模的应用。在一些欧洲国家，一些运营商也建起了CDMA网络。据CDG（世界CDMA发展集团）统计，1996年底CDMA用户仅为100万；到1998年3月已迅速增长到1000万；截至1999年9月，用户数量已超过4000万。2000年初全球CDMA移动电话用户的总数已突破5000万，在一年内用户数量增长率达到118%。CDG表示，目前亚洲已经成为CDMA市场增长的主要动力，亚洲地区CDMA用户数量比一年前增长88%，达到2800万。美国地区的增长率更是高达143%，达到1650万，但用户绝对数量要低于亚洲，在亚太地区，中国香港、日本、韩国、澳大利亚、泰国、印度、菲律宾、新西兰、孟加拉国等许多国家和地区都已建有CDMA商用网络，用户数量已超过2100万户。增长率位于第三的是中美洲和南美洲，CDMA用户数量达到500万。CDG还表示，今后全球CDMA市场中，中国大陆地区的增长潜力最大，估计2003年中国大陆市场的用户数量可以达到4000万。CDMA是移动通信技术的发展方向。在2G阶段，CDMA增强型IS95A与GSM在技术体制上处于同一代产品，提供大致相同的业务。但CDMA技术有其独到之处，在通话质量好、掉话少、低辐射、健康环保等方面具有显著特色。在2.5G阶段，CDMA2000 1X RTT 与GPRS在技术上已有明显不同，在传输速率上1X RTT高于GPRS，在新业务承载上1X RTT比GPRS成熟，可提供更多的中高速率的新业务。从2.5G向3G技术体制过渡上， CDMA2000 1.X向CDMA20003.X过渡比GPRS向WCDMA过渡更为平滑。1.3 CDMA系统的技术优势1.3.1话音清晰CDMA采用了先进的扩频技术和数字话音编码技术，使通话噪音大大降低。其系统的声码器可以动态调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪音的改变而变，这样即使在背景噪音较大的情况下，也可以得到较好的通话质量，打电话时几乎没有杂音。特别是在嘈杂的背景中，对方能清晰听到您的声音。1.3.2 辐射小普通的手机（GSM和模拟手机）功率一般能控制在600毫瓦以下，而CDMA手机的问世，给人们带来了绿色手机的曙光，因为与GSM手机相比，CDMA手机的发射功率尚不足其一个小小的零头。CDMA系统发射功率最高只有200毫瓦，普通通话功率可控制在零点几毫瓦，其辐射作用可以忽略不计，对健康没有不良影响。基站和手机发射功率的降低，将大大延长手机的通话时间，意味着电池、话机的寿命长了，对环境起到了保护作用，故称之为绿色手机。1.3.3掉线率低基站是手机通话的保障，当用户移动到基站覆盖范围的边缘时，基站就应该自动切换来保障你，否则就会掉话。CDMA系统切换时的基站覆盖是单独覆盖双覆盖单独覆盖，而且是自动切换到相邻较为空闲的基站上，也就是说，在确认手机已移动到另一基站单独覆盖地区时，才与原先的基站断开，这样就保障了手机不会掉话。1.3.4时钟准确由于CDMA采用全球同步技术，通过接收全球定位信息，即可确保系统正常工作。此外，CDMA还可为用户自动提供准确的时钟，勿需用户自行调整，当地准确的时间信息一目了然，为频繁进行跨时区差旅的商务人士提供了方便。 其时钟准确的原理是因为CDMA选用了精确的全球卫星定位系统（GPS），目前，全球卫星定位系统（GPS）是这种时钟参考的最佳选择。GPS是一个由24颗绕地球运转的卫星组成的天线导航系统，它的优势在于全球覆盖，系统时钟精度高，不易受电磁暴、低频干扰源的影响。作为备份，远距离导航（LORAN-C）系统也是一个很好的选择，该系统采用地波传播技术，同样具有时钟精确、不受电离层变化影响、衰减小、相位及幅度稳定等特点 ，从而保证了时钟准确的可能性。1.3.5保密性好客户在使用移动电话时，往往担心自己的移动电话被别人监听或盗打，但是要窃听通话，必须要找到码址。CDMA手机的用户每次通话时，系统都将在2的42次方个码中随机分配任意一个码给该手机用户，共有4.4万亿种可能的排列，要想破解密码或窃听简直不可想象。而且CDMA采用的扩频通信技术使通信具有天然的保密性，其消息在空中信道上被截获的概率几乎为零。 另外，CDMA系统的鉴权、数字格式、扩频处理等通话保护措施，可提供最佳的保密特性，防止通信过程中的盗听和手机密码的盗用。1.3.6其他优势（1）接通率高上网的人都有经验，找人少的时候上网，这样网塞少，就容易接通。打手机也是同样道理。CDMA源于军用抗干扰系统，其中处理增益的参数远远高于其他系统；再加上CDMA的信号占用整个频段，几乎是普通窄带调制效率的7倍，因此综合来看，对于相同的带宽，CDMA系统是GSM系统容量的45倍，网塞大大下降，接通率自然就高了。 （2）覆盖广联通CDMA网络的一期工程开通后，总容量将达到1515多万门。网络将覆盖全国31个省(市)、自治区的300多个地市。另外，中国联通目前是世界上少数同时运营CDMA和GSM两大制式网络的公司之一，可以提供GSM网络无法实现漫游的韩国、日本、墨西哥等采用CDMA制式的国家和地区的国际漫游服务。GSMCDMA双模手机将会很快推出，届时，同时拥有两个网络的中国联通，将会更加显示出可以全球漫游的特色和优势。 （3）未来多媒体技术CDMA2000 1X与同属于2.5代的GPRS相比，在新业务承载方面更为先进成熟。基于这一技术的移动多媒体通信功能，使用户可以随时随地、自由自在地接收发送包括语音、数据及动态图象在内的丰富多彩的多媒体信息。未来CDMA技术在宽广的无线频谱上支持多路同步通话或数据传输。对每路话音、传真、数据或视像传输都分配一个网络的发送端和接收端都能识别一特定代码,以便传输的信息可在接收端重新组合。其宽广频谱使它对于市区环境中干扰和多径传播环境具有更高的抗干扰能力，使之成为多址接入系统的理想选择。第2章 扩频通信系统的理论基础2.1 扩频通信的基本概念及其特点扩频通信技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。 2.1.1扩频的特点 （1）扩频传输带宽 远大于基带信号带宽或比特率 ，即扩展因数 ，SS系统使用如此大的带宽冗余度，旨在有力地克服外来干扰，特别是故意干扰（jamming）和无线多径衰落，多用于无线与卫星数据传输； （2）SS系统利用不同于上述章节的编码与调制方式，一般是在编码调制或数字频带调制基础上再以扩展频带方式实施特殊的再一次调制扩频调制； （3）在SS系统设计中，由于充分利用一种独立于信息码的伪随机码序列，而使通信带宽大大扩展，以防非法用户干扰或截获、窃取传输信息。它与调频和PCM不同，后者以付出一定的带宽为代价，在很大程度上只是对付加性高斯白噪声； （4）在接收端，为恢复原发送信息码序列而进行解扩，是由本地同步提供的伪随机码序列与接收的扩频码进行相关运算。 SS通信系统主要对付外部侵扰或有意干扰，SS系统以大量扩展带宽为代价，挣取高可靠性，由将信码介入“码片”（code chip）其时宽是比信息比特或符号间隔小得多的PN序列。这样可使信号谱“隐匿”为近似白噪声谱，而干扰功率也扩展到SS扩频带宽内，但当解扩后，信号能量可“收聚”为原来信码能量，而干扰能量却不能再收聚回来，因此可将干扰抑制 倍。 由上述几个特点，我们可概括扩频通信概念性定义：将数据信号介入带有白噪声特性的伪随机序列进行传输，使传输带宽较原数据所需最小带宽大到数百、上千万倍以上，称为扩频。它可以在接收解扩后使数据解调制判决时的信噪比降低几百甚至上千万倍以上，这一扩频倍数，一般地称为扩频处理增益。2.2 扩频调制技术的分类按结构和调制方式，大体分为以下几类： （1）直接序列扩频（DS-SS Direct-sequence/spread spectrum）并包括CDMA（码分多址） （2）跳频（FHFrequency-Hop），并包括慢跳频（SFH）CDMA和快跳频（FFH）系统（3）载波意义上的多址（CSMA）扩频 （4）时跳扩频（THTime-Hop） （5）线性调频（鸟声信号bird-sound） （6）混和扩频方式 2.3 扩频调制的基本方式主要包括直接序列扩频（DS或DS-SS）、跳频扩频（FH）。扩频通信可实现多用户同时共享公用信道来传输信息此种技术称作码分多址（CDMA）。 从系统构成看，与一般数字调制系统的不同，只是在发送与接收端均增加了一个伪随机码（PN码）发生器与调制解调器，通过接口相连。PN序列的不同的码模式，作为不同接收用户地址码，与发送信码序列以某种方式结合（一般是模2加法），去控制载波参量完成调制（与解调）。在传输信息之前，首先起动PN序列，并构成在有干扰环境下的收发两端PN码同步，即能够使所需接收信息的用户可靠识别其载有信息的PN码。 在传输过程中，信道介入噪声和各种干扰，包括有意干扰。受扰程度的大小主要取决于干扰源类型，如与扩频信号（带有信息）带宽相比拟的宽带干扰或窄带干扰，连续型或脉冲（非连续）干扰等形式。一般地，干扰台多半是在发射信号频带内介入一个或更多的正弦波干扰，它们可能是固定单频或随时间按某种函数规则不断改变频率。例如，在CDMA系统中，其它信道用户串扰可能是宽带或窄带系统，这取决于产生多址所使用的SS信号类型。如果是宽带，则可以由加性高斯白噪声来等效特征。2.4 直接序列扩频扩频技术可以分为直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum-DSSS）、跳变频率扩频(Frequency Hopping)、跳变时间扩频(Time Hopping)、宽带线性调频(Chirp Modulation)，以及上述几种基本的扩频方式的混合方式。在现行的码分多址蜂窝移动通信系统中，采用的是直接序列扩频技术，这也是一种普遍应用的扩频方式。直接序列扩频，简称直扩，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发射端去扩展信号的频谱。而在接收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。可以看出，扩频前信息m(t)是窄带信号，通过伪码c(t)扩频后，频谱被站带到一个相对很宽的频域内s(t)=m(t)c(t),然后 经过载波调制后发射出去。在接收端，宽带信息被接收机接收，经过载波同步解调后的信号不仅包括宽带信息s(t)，还有对信号干扰较大的窄带脉冲噪声n(t)。因此，合成信号为s(t)+n(t)。我们用同样的伪码c(t)进行解扩，对于伪码c(t)，其相关函数特性尖锐，可认为c(t)c(t)=1，得到 （s(t)+n(t)）c(t)=s(t)c(t)+n(t)c(t) = m(t)c(t)c(t)+n(t)c(t) = m(t)+n(t)c(t)而n(t)c(t)实际上是对窄带噪声n(t)进行扩频，将其频率扩展到一个相对很宽的频域中。由于噪声功率不变，频带扩宽，单位频带中的噪声功率就降低了，对信号的干扰也变小了，因此可将n(t)c(t)视为宽带低功率噪声，解扩后的信号通过基带滤波器只输出原始基带信号和处在滤波器通带内的那部分干扰和噪声，这样就大大改善了系统的输出信噪比。第3章 扩展频谱技术的应用3.1 引言扩展频谱技术由于采用了伪随机编码作为扩频调制的基本信号，使它具有很多独特的优点：用于通信中，抗干扰能力强；发射功率谱密度低，具有低截获率，不易被发现，对其它通信影响小；能实现码分多址功能和任意选址功能；在测距中，应用伪随机编码测距，可大大提高测距精度和准确度；应用伪随机编码序列和晶体振荡器作时钟源，可以做成结构简单的频率标准；。由于这种种优点，从50年代中期开始到现在30多年时间内，扩频技术迅速发展，并得到越来越广泛的应用，在通信、数据传输、信息保密、定位、测距和多址技术等方面，显示了它极强的生命力。在电子对抗时代，扩频技术用于通信、导航和识别信息综合系统，将为军事上开展联合指挥提供最先进的通信系统，它也是强有力的电子对抗的手段之一。3.2扩频技术在数字水印技术中的应用3.2.1. 数字水印技术数字水印技术是将一段特殊的信息隐藏在文本、图像、视频、音频等多媒体数据中，这种特殊的信息即数字水印永久地和多媒体数据结合在一起。与加密技术不同，这种技术对原数据基本上不作改变。 水印标明数据的所有者、日期、权限等信息，就像产品的商标一样。因而，水印可用于标题说明、数据鉴别、保密通信和版权保护等，根据不同的目的，水印包含的信息不同。3.2.2数字水印技术的框架目前，数字水印技术仍没有统一的标准。本文以图像数据为例，其一般原理同样适用于其它多媒体数据。数字水印技术涉及的三个过程：水印的加入、通信、水印检测。水印生成及加入过程可分成 C1、C2 两个过程。原始图像 I 和版权信息S通过 C1运算生成水印W ,掩蔽 M 、关键字 K 和原始图像 I 通过 C2 运算过程生成含水印的图像 I。关键字 K的作用有二，一是保密性：K仅为授权部门所知；二是指定加入水印的位置，掩蔽 M 的目的是利用HVS(人的视觉系统)特性，加入尽可能强的水印信号到原始图像 I 中，以便提高水印的健壮性。图像 I 在传播过程中必然会受到各种有意或无意的干扰而变形成图像 I” ,这一过程可用通信领域的通信信道来表示。如图 2。图2 水印通信水印检测可分为水印提取和验证。提取过程是利用关键字 K 从变形的图像I” 中通过E1运算提取出可能的水印 W ，这一过程有可能利用原始图像 I；验证是将W和W作相似性比较，比较过程用sim(W,W) 表示，如结果满足一定条件，比如 sim(W,W)1,可认为图像 I” 中含水印W, 这一结果可用作版权的证据，因而能确定出图像 I” 的所有者。3.2.4.数字水印技术的要求 针对不同的应用，水印的要求不同或者强调的重点不同，一般来说，水印应具有：（1）不可感知性。水印技术的首要条件是加入水印的图像和原始图像基本上相同，即水印是看不见的，图像的质量不因水印的加入有明显的改变，否则将影响图像的商业价值。 （2）健壮性。加入水印的图像在传播过程中必然会受到各种有意或无意的干扰，水印技术必须能抵抗低通滤波、变形、边缘增强、抖动、剪切、扫描、有损压缩、A/D、D/A转换等信号处理。另外，水印技术还应能抵御各种有意的破坏，它们包括移去水印和使水印无法提取。（3）安全性。即使水印算法公开，它同样能防止未授权团体移去水印或加入一个假的水印。 （4）隐藏能力。它是指在不影响图像质量的前提条件下，能加入水印的信息量。为了加入足够的版权信息来作为合法证据，水印算法应有合理的隐藏能力。不难分析出，某些要求之间存在冲突，比如不可感知性和健壮性、隐藏能力和不可感知性，增加一方必然会降低另一方。实际上，水印技术的一个重要方面是研究如何折衷这些要求。3.2.5扩频技术及其在数字水印技术中的理论基础应用数字水印技术的研究大约始于1994年，早期的算法强调水印的不可见性而忽视水印的健壮性，这些算法的理论基础主要源自统计学和图像编码、处理领域。扩频技术的运用标志着水印技术的重大进步。扩频技术起源于通信系统，最早只是用于军用通信系统、制导系统等军用系统，它的理论基础来源于信息论和抗干扰理论。香农（Shannon）在其信息论中得到有名公式：C=Wlog2(1+S/N)。 （1）式中 C 表示信道容量，W 是信道带宽，N 是噪声功率，S 是信号功率。香农公式表明了一个无误差地传输信息的能力同存在与信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。令 C 是希望具有的信道容量，即要求的信息，对式1换成以 e 为底的对数C/W=1.44loge(1+S/N)（2）对于干扰环境的典型情况，S/N1,对上式用幂级数展开，略去高次项得C/W=1.44S/N （3）通过上述的分析可得出一个重要结论：对于给定的信道容量 C 可以用不同的带宽 W 和信噪比 S/N的组合来传输信息。如减少带宽则必须发送较大的信号功率；如有较大的传输带宽，则同样的信道容量能够用较小的信号功率（较小的 S/N）来传送，这表明宽带系统表现出较好的抗干扰性。因此，当信噪比太小，不能保证通信质量是，常用宽带系统改善通信质量，使信号在强干扰情况下，仍然可以保持可靠通信。 扩频技术是一种信息处理技术，它是利用同欲传输数据（信息）无关的扩谱码对被传输的信号扩展频谱，使之远远超过被传输信息所必需的带宽，在接收机中采用相同的解扩和恢复数据。由于扩谱码的随机性；扩谱信号的宽带性，扩频系统具有以下特点：（1）扩谱信号是不可预测的伪随机的宽带信号，扩频系统具有很高的抗干扰能力，因为干扰者难以通过观察改善其干扰性能，而只能采用发射同被干扰信号不匹配的干扰技术。（2）扩谱信号的功率相当均匀地被分布在很宽的频率范围，以至被传输信号功率密度很低，侦察接收机难以检测。因此，扩频系统具有低截获率性。（3）扩频系统具有良好的码分多址通信能力，对不同的用户使用不同的码，别人无法窃听他们的通信，因而扩频系统具有高的保密性。以上特点对数字水印技术特别有用,在数字水印技术中,将原始数据的频域看作通信信道 C ,水印看作将通过 C 的信号 S ,各种有意、无意的干扰看作噪声 N。利用扩频技术原理，将水印分布在许多数据频域系数中，加入每个频域系数的信号能量很小且不可随意检测。然而，水印检测过程知道水印的位置和内容，它能将许多微弱的信号集中起来形成具有较高信噪比的输出值，要破坏水印需要很强的噪声信号加入所有频域系数中，但是，破坏水印的同时也造成原始数据质量严重下降。只要水印信号能量足够小，加入原始数据的水印不可能被看见或听到。而且，利用人的掩蔽效应可以增加加入水印信号的能量。因此，利用扩频原理的数字水印技术具有很高的健壮性和安全性。第一，水印的位置不明显且水印的值具有随机性；第二，频域区域的适当选择，使得有意、无意破坏水印的同时也破坏了原数据。以下是利用扩频技术的一个典型方案。NEC 研究所的科学家提出了扩频编码的水印方案，水印是由一实数序列 X=x1,x2.xn构成，xi (i=1,2,.n) 是根据正态分布 N(0,1) 独立选取的。为了将长度为 n 的水印加入到一幅 NxN 的图像中，对此图像进行 NxN DCT 变换。假设，图像的时域用 f(x,y)表示,频域用 F(u,v)表示。以下是二维 DCT 及反DCT表示式：for及其反变换：for,for for 直流系数DC 是，, for为交流系数。从 NxN 变换矩阵中选取n 个最大值交流系数，用水印 X=x1,x2,.xn 改变这n个系数的值，对改变的 NxN DCT 进行反变换 IDCT 得到含水印的图像。这种方案唯一的关键字是水印本身。不过，如从 m 个系数中选取 n (mn)个系数，选取的不同引入了另一个关键字。假设被选中的系数为 V=v1,v2,.vn ,用水印 X=x1,x2.xn以非线性的方式改变V 得到：V(v1,v2.vn)=V(1+aX)。强度因子 a 决定改变的程度。3.3矿井通信 扩频通信技术在通信领域中一个重要应用是井下通信。在矿井中，目前井下通信手段一般是有线通信。它可以保证一般通信联络。但是一旦井下塌方时，有线通信就难以保证，这时最好的通信手段应该是无线电通信了。常规的通信手段，如调幅、调频及单边带通信等在井下作穿透通信时，只有降低发射功率。但是，射频下降后在各种电干扰下，它们根本不能保证通信联络。由于扩频通信具有很强的抗干扰能力和低信噪比的相关接收特性，使它在矿井通信中具有得天独厚的优越性。在井下通信中，电波对地面穿透力，随频率增高而降低，大约30W功率30MHz（窄带信号）是穿透力为300m,15MHz时为800m，而5MHz时为1300m左右。因此，采用低射频扩频通信技术前景十分引人注目。实现方案之一如下图所示。在发射端，话音信号经SCPDM调制后与伪随机码m序列模2加，使基带信号被扩展，再经脉冲放大器放大后送至天线。在接收端，在码元同步下进行相关解扩，恢复基带信息，再进一步进行基带解调，恢复话音信号。另一方案如下图所示，采用35MHz作载频。在发射端，话音经SCPDM调制后，再与m序列模2加，带有基带信息的m序列信号对载波移相键控调制(PSK调制)，然后经天线发射出去。在接收端，用本地m序列对PSK信号解扩，然后得到SCPDM信号，再对基带信息解调恢复话音。伪码时钟信号频率一般为300500KHz较为适宜，天线多采用多匝环形天线。3.4用扩频调制实现多相振荡器凌特公司新推出的LTC6902是一款可提供多达四个输出相位的精确、易用，且可采用电阻器进行设置的振荡器。利用一个外部电阻器可设置5kHz至20MHz范围内的任何频率，精度和温度稳定性分别达到了1.5%和40ppm/。借助扩频调制(SSFM)和伪随机噪声(PRN)技术可把开关稳压器引起的峰值EMI降低20dB。多相输出可在分布式电源系统中对多达四个稳压器实施同步处理，压缩了所需输入电容器的外形尺寸，并进一步降低了峰值EMI。LTC6902广泛应用在开关电源参考时钟，便携式的电池供电设备，蜂窝电话及时钟开关电容滤波器中。LTC6902多相振荡器包含有比较器，主振荡器，分频比为N可编程分频器，四输出的多相电路，9bit移位寄存器，DAC及电流反射电路等。LTC6902的特点（1）1至4个时钟输出相位；（2）0-100%扩频调制以改善EMC的性质；（3）频率范围为5kHz20MHz；（4）采用一个外部电阻器（RSET）来设置任何频率；（5）采用一个外部电阻器（RMOD）来设置频率扩展；（6）400mA供电电流，VS = 3V，1MHz；（7）5kHz 10MHz范围内，频率误差1.5%（TA = 25）（8）5kHz 10MHz范围内，频率误差2%（TA = 0 70）；（9）温度稳定性达 40ppm/；（10）快速起动时间：50ms 1.5ms；11)100W COMS驱动输出；（11）工作电压范围为2.7V至5.5V；（12）MSOP-10封装。LTC6902主振荡器的频率范围为0.1MHz20MHz，但是若其电源电压低于4V ，控制频率高于10MHz ，则精度要受到影响。可编程分频器欲扩展频率大于30MHz，则需要对多相模式进行合理的选择。LTC6902的主振荡器涵盖了200:1的范围，而可编程分频器有10:1的步进(1，10，100)。这个宽频率范围外加上部分可编程分频器，至少有两种解决方案，适应于任何所要求的输出频率。应用扩频调制（SSFM）选择最高的分频设置，使主振荡器在最高频率上运行。伪随机信号发生器由主振荡器的时钟控制，在信号的快速传送中，EMC的性能得到很大的改善。表3-1介绍了应用SSFM的每一个分频设置所对应的输出频率（fOUT）范围。表3-1：SSFM应用或低抖动固定频率应用中可编程 分频设置及输出频率范围分频设置 频率范围（fOUTM）N= DIV（端）=GND 2MHz20MHzN=10DIV（端）=OPEN200KHz2MHzN=100 DIV（端）=V+ 200KHz注意：20MHz最高频率所对应的电源电压为5V。在低电压2.7V V+ 4V时，最高额定输出频率为10MHz，表中所有频率均减半。对于固定频率输出，SSFM不适用。为了使时钟抖动最小，设置分频器达最高位置以得到最佳工作状态。这里分频器减小了主振荡器的抖动，分频比越高，主振荡器的抖动越小；但为了得到最高频率精度，可编程分频器最好工作在最低的设置上，这样主振荡器工作在最低频率上，频率越低，精度越高，功率也越低。在频率精度和抖动两者之间折衷选取，每一个分频设置所对应的输出频率范围，在连续频率应用中，频率精是最主要的条件。图3.1 与输出频率对应的峰峰抖动曲线图 （M=1，2-相模式）表3-2：固定频率应用时（SSFM不适用）可编程分频设置及输出频率范围N=1 DIV(端2)=GND500KHzN=10 DIV（端2）=OPEN50KHz500KHzN=100 DIV（端2）=V+50KHz注意：最高频率是20MHz，所对应的电源电压为5V。10MHz应用于低电压（2.7V V+4V ）。 在一些应用中，多相电路也用于强制主振荡器工作在较高频或较低频上。如果该应用要求单一的时钟源，多相电路可能被设置在任何一个给定的模式下，或是最高分频比，或是最低分频比，这样就得到最高或最低主振荡器频率。另外，如应用中要求两相，可选择4-相模式，仅以OUT1和OUT3输出（或选择OUT2和OUT4输出）。例如，用四种方法可获得一个500kHz，表3-3 获得500kHz，2-相的时钟信号。表3-3列出了一些解决方案。在SSFM应用中，体现最佳EMC性能的首选的解决方案是以主振荡器的频率为20MHz作为最终的选择。在固定频率应用中，首选的解决方案是以主振荡器频率为500kHz作为初始的选择。选择合适的分频设置，确定恰当的频率设置电阻。 表3-3：获得500KHz，2-相时钟的四种方法 RSET N 多相模式 M fMASTER输出400K 12 1500KHzOUT1,OUT2100K 14 42MHzOUT1,OUT340K 102 15MHzOUT1,OUT210K 104 420MHzOUT1,OUT3在多相模式及分频器为固定的频率应用中，选择合适的RSET，应用SSFM使最大频率偏移fMAX等于fOUT 。设置扩频调制扩展百分比:设置LTC6902的扩频调制百分比比较简单，这里可编程分频器和多模选择对扩展百分比没有影响。计算RSET的值以满足fMAX和扩展的需要。这里fMAX是最大频偏（由RSET设置），fmim是最小频偏。例如：一个4-相，以20%扩展的500kHz时钟连接PH端至V+ 选择4-相模式，M=4 断开DIV端 N=10RSET =10k设置fOUT =fMAX =500kHz RMOD=10k设置扩展至20% 图3.2 500KHz以20%扩频的4-相时钟输出RMOD的阻值范围与RSET的相同，在10k400k 之间，LTC6902可扩展10%40%。其下限由内部偏移和失配设定，在低扩展百分比上，失配影响较大，计算错误较多，要求扩展增加，实际下限约有5%的扩展；在高扩展百分比上，内部失配影响较小，忽略其它因素的作用，其理论限定值约为100%（fMIN约为零），实际上限扩展约为80%。扩频调制和伪随机噪声技术的应用LTC6902起初是为开关控制系统提供准确而稳定的时钟而设计的，尤其是多重开关调节器的系统，这里所有的调节器被交替使用且工作频率相同，这降低了对输入电容的要求，防止产生由多个时钟频率及其谐波组合而成的拍频成分。多相输出带有阻值不超过100 的ON电阻的CMOS驱动器，性能上类似于HCOMS的逻辑输出，适合于直接驱动大多数开关调节器和开关控制器。但是由于LTC6902的主振荡器通过变换器或反相器完成多模输出，很难产生完全一致的同步上升沿（或下降沿），即使LTC6902运用较高扩展百分比也是如此。为了获得最佳EMC性能，LTC6902必须启动SSFM功能，其主振荡器以最高频率工作，由主振荡器频率而不是输出频率驱动伪随机调制信号发生器。这给设计中RSET的选择和可编程驱动设置带来一定的灵活性。若主要目的是减小调节期间峰值辐射或干扰信号时，通常选择较快的主振荡器，调节是在严格的带宽下进行的，要求调整速度快于测试带宽或接近于带宽；若其目的是减小系统中对其它电路辐射干扰时，则不太容易得到最佳调整速度。为了确定最佳速度，必须在特殊的系统条件下估算调整速度。开关调节器依靠特殊的同步频率，许多调节器用锁相环（PLL）来实现同步，对于这些器件，PLL滤波器要求有足够的捕捉范围和带宽。以最高调节比率工作的LTC6902，其转换频率被部分伺服环路减慢，由一个25kHz的低通滤波器降低了它的频率转换速度。在驱动开关调节器时，这个特点很重要。开关调节器本身有一个带宽为1/10一类的伺服环，但是操作频率能从1/50变化到1/2。当输入时钟频率的转换是在开关调节器的带宽内时，调节器的输出在控制范围内，如果转换太剧烈，超过开关调节器的带宽，调节器的输出将产生一个尖峰跳跃，然后再回到调节范围内。若开关调节器的带宽非常宽，超过25kHz，则不存在任何调节问题。输出电压的变化有一个方面是纹波电压造成的，每一个开关调节器在时钟频率上都有一些纹波输出，大量的纹波将会改变调节器的工作频率（迟滞结构的调节器除外）。如果调制信号是三角波，调节器的输出将有振幅受三角波调制的纹波，这个在电源上的重复信号会引起和其它有用信号混合的系统问题，而得到失真的输出。鉴于电感设计和三角波频率的影响，甚至可能产生音频噪声。LTC6902采用伪随机噪声，结果导致调制器的输出纹波受宽带伪随机噪声的调制。另外，伪随机信号重复出现的比率很低，甚至低于音频范围。LTC6902可直接驱动许多开关调节器，它使用SSFM技术改善了EMC性能。如果开关调节器的带宽足够，这在大多数情况都不难满足，当产生尖峰电磁感应辐射时必须维持调节器的调整、功效及负载响应。输出的纹波可能有一些增加，但是它对系统影响危害不大。 选择LTC6902时钟可控制多相开关电源，表5显示了LTC6902与稳压器多相结合的应用，使用LTC6902使开关稳压器引起的峰值EMI降低了10倍。LTC6902四相输出同步驱动四个5V/2A降压转换器，设计简单，应用灵活。 图3.3有扩频调制和无扩频调制时的输出频谱应用LTC6902的扩频振荡器降低了开关电源的EMI，采用两个电阻器即可设置多相振荡器的输出频率及频率扩展，在开关电源参考时钟，便携式的和电池供电设备，蜂窝电话及时钟开关电容滤波器中得到广泛应用。3.5 微波扩频技术在交通系统中的运用3.5.1微波扩展频谱技术简介微波扩展频谱技术，简称微波扩频(SS)技术。是90年代以来在美国发展起来的一种新型民用计算机无线网络技术。其主要技术特点是：用900 MHz、2.45 GHz或3.5 GHz微波频段作为传输媒介，以先进的扩展频谱方式发射信号的传输技术。扩频技术的基本特征是：使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码，把载有信息数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带的低功率谱密度的信号来发射。美国人香农(Claude Elwood Shannon)在信息论的研究中得出了如下的信道容量公式：C=Wlog2(1+P/N)这个公式指出：如果信息传输速率C不变，则带宽和信噪比P/N可以进行互换，就是说：增加带宽就可以在较低信噪比P/N的情况下以相同的信息速率C来可靠地传输信息，甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号带宽W，仍然保持可靠的通信，也就是可以用扩频的方法以宽带传输信息来换取信噪比。这便是扩频通信的基本思想和理论依据。其具体工作原理为：信息数据D经过常规的数据调制，变成了带宽为B1的基带(窄带)信号，再用扩频编码发生器产生的伪随机码(PN码， seudo Noise Codeo)对基带信号作扩频调制，形成带宽B2(B2远大于B1)功率谱密度极低的扩频信号，这相当于把窄带B1的信号以PN码所规定的规律分散到宽带B2上，再发射出去。接收端用与发射时相同的伪随机编码PN做扩频解调，把宽带信号恢复成常规的基带信号，即以PN码的规律从宽带中提取与发射对应的成份积分起来，形成普通的基带信号，然后，可再用常规的通信处理解调发送来的信息数据D，从而实现了住处数据D的传输。微波扩频技术最常用的方式有两种：一种是跳跃(Frequency Hopping ,FH)扩频技术，FHSS以随机模式传输信号，信号传送过程中要经过多次握手和同步，效率较低。另一种是直接序列(Direct Sequence,DS)扩频技术(简称直扩)。直序扩频(DSSS)是宽带调制发射，与传统的无线电窄带调制发射方式不同，它以固定模式传输本频段内信号，因而可以更加充分地利用带宽；它具有传输速率高(可为2M11Mbps或更高)、发射功率小(一般100mw)、保密性好、抗干扰能力强的特点。故易于多点通信，其通信距离和覆盖范围视所选用的天线不同而异：定向传送可达550公里，室外的全向天线可覆盖1520公里的半径范围，室内全向可覆盖最大半径250米的5000平方米范围，并能穿透几层墙甚至两层楼的混凝土楼板。微波扩频无线网络通信技术在组网链路中所采用的是载波侦听多路访问冲突避免(CSMA/CA)媒介访问协议，遵从IEEE802.3以太网协议(EtherNet Protocol)，同时也支持TCP/IP协议，并与目前的几种主流网络操作系统完全兼容。它的运行环境是MS-DOS3.1以上的操作系统、UNIX操作系统以及Windows环境。目前微波DS扩频设备主要分为两类：一类属于无线Modem，具有RS232接口或T或E接口；另一类属于无线连网设备，包括无线网桥和无线IP路由器，一般都具有网络接口，如： BNC AUI 10/100Base-TRj-45等。扩频微波组网可完成高速率的无线通信：实现点到点、点到多点的通信及连网；能够较好地传送图形、文字、话音、动态图象等信息；因信号弱，所以隐蔽保密性好，误码率低；具有网桥、路由器等功能，可实现局域网互连或远程接入，也可以组合在高速移动无线网。由此可见，微波扩频技术为计算机无线网络提供了良好的通讯信道。3.5.2微波扩频技术的特性微波扩频技术在发射端以扩频编码进行扩频调制，在接收端以相关解调技术收信，和传统的布线相比较，具有诸多的优良特性，最主要有：(1)抗干扰能力强表示扩频通信特性的一个重要参数是扩频增益G(Spreading Gain)， G=B2/B1。扩频通信中，接收端对接收到的信号做扩频解调，只提取扩频编码相关处理后带宽为B1的信号成分，而排除了扩展到宽带B2中的干扰、噪声和其他用户通信的影响，相当于把接收信噪比提高了G倍。考虑到输出端的信噪比和接收系统损耗，可以认为实际的扩频增益带来的信噪比的改善为：M=G - 输出端信噪比系统损耗，公式中的M叫做抗干扰容限。实际上，输出端信噪比和系统损耗都比较小，所以近似等于G。(2)隐蔽性强、干扰小因信号在很宽的频带上被扩展，则单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低。信号淹没在白噪声之中，别人难于发现信号的存在，再加之不知扩频编码，就更难拾取有用信号。而极低的功率谱密度，也很少对其他电讯设备构成干扰。(3)易于实现码分多址扩频通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，提高了频带的利用率。正是由于扩频通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码之间的相关解扩才能得到，这给频率复用和多址通信提供了基础。(4)抗多径干扰 在无线通中，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，出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。 (5)易于多媒体组网 微波扩频技术应用了PN码，是一个透明的高速数字通道，可以传递语音、传真、数据和图像等综合业务。 (6)在不能使用传统布线方式的地方或传统布线比较困难的区域，微波扩频技术可轻而易举的实现网络的传输和链接，而且网络建设速度快，设备安装方便灵活，建设周期短，省时省力省费用。 总之，微波扩频技术所组成的通信系统有一系列其他系统无法比拟的优点，该技术解决了当代各种无线通信系统存在的干扰、泄密、选址、组网等四大问题，取得了多方面的突破，受到了各行各业的重视和应用。3.5.3在长江汽渡收费管理中的运用长江两岸通信如何链接，怎样实现收费数据和监控管理图像的共享和统一监管？采用传统的布线方式是不现实的。因为要跨越几公里宽的长江江面进行布线、对长江两岸实现局域网络的联接和数据信号的传输几乎是不可能的；若采用租用专线，时间长、带宽窄、没有所属权，需永久支付费用；而监控图像的传输，所需的是高速带宽(1Mbps以上)线路，这样的线路月租费用非常高，使用者难以承受。若通过无线有线的方案，便可以轻松地实现两岸的组网。无线部分主要是通过微波扩频技术实现两岸通信链路的联通，只要通过扩频设备的安装及无线天线的架设，便可实现两岸局域网络的联接和数据信号的传输。3.5.4在运河监控及管理上的运用运河上如何实现适时监控图像的多点共享和统一控制，通过组网对多事故发生地带进行监控、预警和报警？京杭大运河两岸城市诸多如苏州、无锡等这样的古城历史文化悠久，古建筑非常丰富，且很多地段贯城而过，无法采用传统的布线方式，也不宜用长期租用专线的方法。但若用微波扩频的无线组网，监控图像及数据的传输、共享便可轻松实现。即使链接中存在不能直通，同样可采用微波扩频通信的中继来实现通信线路的链接。所需做的也不过是微波扩频设备的选用、安装，调试，这可大大地节省时间和经