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〔《移動通信》課程論文〕題目：擴頻通信技術學院：管理科學與工程專業(yè)：電子信息工程姓名：張文祥學號：20232002任課教師：許曉麗論文成績：2023年10月擴頻技術摘要：隨著個人通信業(yè)務的開展以及全球定位系統(tǒng)的應用，到現(xiàn)在為止，使用的用戶已經(jīng)超過一億。無線通信已經(jīng)成為電信產(chǎn)業(yè)最大的部門之一，經(jīng)過十年多的穩(wěn)步開展，儼然是21世紀中最有開展?jié)摿Φ念I域。擴頻技術在未來中的應用也再次成為人們關注的重點。為了更好地把握擴頻技術在無線通信中的應用，本文介紹了擴頻技術的根本情況、歷史、應用，展望。關鍵詞：擴頻技術；無線系統(tǒng)；移動通信。1.引言隨著個人通信業(yè)務的開展以及全球定位系統(tǒng)的應用，到現(xiàn)在為止，使用擴頻技術的用戶已經(jīng)超過一億。無線通信已經(jīng)成為電信產(chǎn)業(yè)最大的部門之一，經(jīng)過十年多的穩(wěn)步開展，儼然是21世紀中最有開展?jié)摿Φ念I域。擴頻技術在未來無線系統(tǒng)中的應用也再次成為人們關注的重點。為了更好地把握擴頻技術在無線通信中的應用，本文介紹了擴頻技術的根本情況、歷史、應用，展望。2.擴頻技術擴頻通信系統(tǒng)具備三個主要特征：載波是一種不可預測的，或稱之為偽隨機的寬帶信號。載波的帶寬比調(diào)制數(shù)據(jù)的帶寬要寬得多。接收過程是通過將本地產(chǎn)生的寬帶載波信號的復制信號與接收到的寬帶信號相關來實現(xiàn)的。頻譜擴展的方式主要有以下幾種：直序擴頻使用高速偽隨機碼對要傳輸?shù)牡退贁?shù)據(jù)進行擴頻調(diào)制；2.跳頻系統(tǒng)那么利用偽隨機碼控制載波頻率在一個更寬的頻帶內(nèi)變化；跳時那么是數(shù)據(jù)的傳輸時隙是偽隨機的；3.線性調(diào)頻系統(tǒng)中的頻率擴展那么是一個線性變化的過程。幾種方式組合的混合系統(tǒng)也經(jīng)常得到應用。衡量擴頻系統(tǒng)最重要的一個指標就是擴頻增益，又稱為處理增益。正是因為擴頻系統(tǒng)本身具有的特征使其性能具有一系列的優(yōu)勢：1.低截獲概率；2.抗干擾能力強；3.高精度測距；4.多址接入；5.保密性強。也正是這些特性使其獲得了廣泛的應用。3.擴頻技術的歷史擴頻通信技術最初是在軍事抗干擾通信中開展起來的，后來又在移動通信中得到廣泛的應用，因此擴頻技術的歷史經(jīng)歷了兩個開展階段，而目前它在這兩個領域仍占據(jù)重要的地位。3.1在軍事通信中的應用擴頻通信系統(tǒng)是在50年代中期產(chǎn)生的，其最初的應用包括軍事抗干擾通信、導航系統(tǒng)、抗多徑實驗系統(tǒng)以及其它方面。擴頻技術的最初設想是在第二次世界大戰(zhàn)期間形成的。在戰(zhàn)爭后期，干擾和抗干擾技術成為決定勝負的重要因素。戰(zhàn)后得出了“最好的抗干擾措施就是好的工程設計和擴展工作頻率〞的結(jié)論。跳頻通信的思路就是在這段時期出現(xiàn)的：如果對窄帶信號使用編碼的頻率控制，那么可以使其在任何時間占據(jù)寬頻段中的任何一局部，這樣敵人要進行干擾就必須維持很寬的頻段。另一方面，直序擴頻那么起源于導航系統(tǒng)中高精度測距。真正實用的擴頻通信系統(tǒng)是在50年代中期開展起來的。麻省理工學院林肯實驗室開發(fā)的擴頻通信系統(tǒng)F9C-A/Rake系統(tǒng)被公認為第一個成功的擴頻通信系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的研制過程中，首次提出了瑞克接收的概念并成功應用，該系統(tǒng)也是第一個真正實用的寬帶通信系統(tǒng)。第一個跳頻擴頻通信系統(tǒng)BLADES也在這段時期研制成功，在該系統(tǒng)中第一次利用移位存放序列實現(xiàn)糾錯編碼。在此期間，噴氣實驗室在其空間任務中完成了偽碼產(chǎn)生器的設計以及跟蹤環(huán)路的設計。自從擴頻通信的概念在50年代開始成熟以后，此后的二十多年擴頻通信技術仍得到很大的開展，但都只是局部的開展，如硬件的改良和應用領域的拓展。而個人通信業(yè)務的開展終于使擴頻技術迎來了另一次大開展的機遇。3.2在民用通信中的應用一直到80年代初期，擴頻通信的概念都只是在軍事通信系統(tǒng)中得到應用，這種狀況到了80年代中期才得到改變。美國聯(lián)邦通信委員會于1985年5月發(fā)布了一份關于將擴頻技術應用到民用通信的報告。從此，擴頻通信技術獲得了更加廣闊的應用空間。擴頻技術最初在無繩中獲得成功應用，因為當時已經(jīng)沒有可用的頻段供無繩使用，而擴頻通信技術允許與其它通信系統(tǒng)共用頻段，所以擴頻技術在無繩的通信系統(tǒng)中獲得了其在民用通信系統(tǒng)中應用的第一次成功經(jīng)歷。而真正使擴頻通信技術成為當今通信領域研究熱點的原因是碼分多址的應用。90年代初，在第一代模擬蜂窩通信系統(tǒng)的根底上，頻譜分配相關的一個重要技術因素是多址技術。當時頻譜資源的分配已經(jīng)是非常擁擠，不存在還未分配且可用的一段寬達100MHz的頻譜資源。擴頻技術為共享頻譜提供了可能。使用擴頻技術能夠?qū)崿F(xiàn)碼分多址，即在多用戶通信系統(tǒng)中所有用戶共享同一頻段，但是通過給每個用戶分配不同的擴頻碼實現(xiàn)多址通信。利用擴頻碼的自相關特性能夠?qū)崿F(xiàn)對給定用戶信號的正確接收；將其他用戶的信號看作干擾，利用擴頻碼的互相關特性，能夠有效抑制用戶之間的干擾。此外由于擴頻用戶具有類似白噪聲的寬帶特性，它對其它共享頻段的傳統(tǒng)用戶的干擾也到達最小。采用CDMA技術能夠?qū)崿F(xiàn)與傳統(tǒng)用戶共享頻譜。隨著蜂窩移動通信的開展，CDMA技術已經(jīng)成為不可或缺的關鍵技術。擴頻通信技術也在民用通信中找到更為廣闊的應用空間。4.擴頻技術的研究現(xiàn)狀擴頻技術由于其本身具備的優(yōu)良性能而得到廣泛應用，到目前為止，其最主要的兩個應用領域仍是軍事抗干擾通信和移動通信系統(tǒng),而跳頻系統(tǒng)與直擴系統(tǒng)那么分別是在這兩個領域應用最多的擴頻方式。一般而言，跳頻系統(tǒng)主要在軍事通信中對抗成心干擾，在衛(wèi)星通信中也用于保密通信，而直擴系統(tǒng)那么主要是一種民用技術。對跳頻系統(tǒng)的分析，現(xiàn)在仍集中在其對抗各種干擾的性能方面，如對抗局部邊帶干擾以及多頻干擾等。而直擴系統(tǒng)，即DS-CDMA系統(tǒng)，在移動通信系統(tǒng)中的應用那么成為擴頻技術的主流。歐洲的GSM標準和北美的以CDMA技術為根底的IS-95都在第二代移動通信系統(tǒng)的應用中取得了巨大的成功。而在目前所有建議的第三代移動通信系統(tǒng)標準中〔除了EDGE〕都采用了某種形式的CDMA。因此CDMA技術成為目前擴頻技術中研究最多的對象，其中又以碼捕獲技術和多用戶檢測〔MUD〕技術代表了目前擴頻技術研究的現(xiàn)狀。4.1碼捕獲同步的實現(xiàn)是直擴系統(tǒng)中一個關鍵問題。只有在接收機將本地產(chǎn)生的偽碼和接收信號中調(diào)制信息的偽碼實現(xiàn)同步以后，才有可能實現(xiàn)直序擴頻通信的各種優(yōu)點。同步過程分為兩步來實現(xiàn):首先是捕獲階段，實現(xiàn)對接收信號中偽碼的粗跟蹤；然后是跟蹤階段，實現(xiàn)對偽碼的精確跟蹤。目前的研究主要集中在碼捕獲過程。目前對碼捕獲的研究主要集中在對周期較長的碼實現(xiàn)捕獲的問題，也就是快速捕獲的問題。以前采用的主要是串行捕獲方法，這種方案實現(xiàn)簡單，但捕獲速度不能滿足要求。而現(xiàn)在大規(guī)模集成電路的應用使并行捕獲方案成為可能，但系統(tǒng)的復雜度很高，因此研究的目標就是實現(xiàn)碼捕獲時間性能和系統(tǒng)復雜度之間的折衷。在串行捕獲方案中，雙停頓時間搜索法和序貫檢測法都是縮短捕獲時間的有效方法，利用一些新的搜索算法進一步改良這些系統(tǒng)的性能成為研究的熱點。此外以前主要研究的是高斯信道下的捕獲性能，現(xiàn)在那么考慮到非高斯信道下的捕獲性能，以及在有頻偏等影響條件下捕獲性能。4.2多用戶檢測CDMA系統(tǒng)容量受到來自其他用戶的多址干擾的限制，多用戶檢測能夠利用這些多址干擾來改善接收機的性能，因此是一種提高系統(tǒng)容量的有效方法。傳統(tǒng)的CDMA接收機是由一系列單用戶檢測器組成，每個檢測器都是與特定擴頻碼對應的相關器，它并沒有考慮多址干擾的結(jié)構(gòu)，而是把來自其它用戶的干擾當成加性噪聲，因此當用戶數(shù)量增加時，其性能急劇下降。通過對所有用戶的聯(lián)合譯碼可以極大地改善CDMA系統(tǒng)的性能。但是最優(yōu)的多用戶接收機，其復雜度隨用戶數(shù)量成指數(shù)增長，因此在實際通信系統(tǒng)中幾乎不可能實現(xiàn)。這樣尋找在性能和復雜度之間折中的次最優(yōu)多用戶檢測器成為研究的熱點。目前研究的次最優(yōu)多用戶檢測器主要可分為兩大類：線性檢測器和反應檢測器。前者包括解相關檢測器、最小均方誤差序列檢測器等；后者那么包括多級檢測器、判決反應檢測器、順序干擾撤銷和并行干擾撤銷檢測器等。考慮信道編碼的多用戶接收機又可以分為非迭代接收機和迭代接收機。這些檢測器的實現(xiàn)都需要知道預期用戶的擴頻碼、定時信息以及信道沖擊響應，有時還需要知道多用戶干擾。這些信息可以通過發(fā)送導頻序列獲得，但使用導頻序列就降低了系統(tǒng)的頻譜利用效率，因此不使用導頻序列的多用戶檢測方法，又稱為盲多用戶檢測器，也正在得到深入的研究。5.擴頻技術的展望5.1擴頻技術的開展趨勢從擴頻技術的歷史可以看出，每一次技術上的大開展都是由巨大的需求驅(qū)動的。軍事通信抗干擾的驅(qū)動以及個人通信業(yè)務的驅(qū)動使得擴頻技術的抗干擾性能和碼分多址能力得到最大限度的挖掘。第四代移動通信系統(tǒng)的驅(qū)動無疑會使擴頻技術傳輸高速數(shù)據(jù)的能力得到更大的拓展。3G設計的目標主要是支持多媒體業(yè)務的高速數(shù)據(jù)傳輸，因此其研究主要集中在新標準和新硬件的開發(fā)。而對于3G以后的開展，不同的研究者有不同的觀點。但是從用戶的觀點看，4G應該具備以下的主要特征：①最大的靈活性,應該能夠滿足在任何時間和地點，通過任何設備都可以實現(xiàn)通信；②降低本錢，4G在實現(xiàn)比3G的傳輸速率高1~2個數(shù)量級；③個性化和綜合化的業(yè)務，不僅僅是保證每個人都能通過一個終端進行通信，而要在人周圍的家庭、辦公室以及熱點地區(qū)建立一個通用的信息環(huán)境，使每個人都可以根據(jù)需要以各種方式獲得信息。對4G的認識不同，采取的技術解決手段也各不一樣。目前實現(xiàn)4G觀點主要有2種：一種是開發(fā)新的無線接口和技術；另一種那么是集成現(xiàn)有的及未來的無線系統(tǒng)。前者關注新技術的應用，例如多載波調(diào)制技術，即OFDM，是一種傳輸高速數(shù)據(jù)的有效調(diào)制方案，被認為有望成為4G的標準調(diào)制技術。而另一種觀點那么認為，更重要的是將現(xiàn)有的和未來的通信系統(tǒng)集成，其中的網(wǎng)絡包括無線局域網(wǎng)〔wlans〕、無線個域網(wǎng)〔wpans〕、AdHoc網(wǎng)絡以及家庭局域網(wǎng)等，其中連接的設備那么包括便攜式移動終端、固定設備、個人電腦以及娛樂設備等。超寬帶〔UWB〕技術以及軟件無線電〔SDR〕技術在無線網(wǎng)絡集成方面也起著重要的作用。在4G網(wǎng)絡的實現(xiàn)中，有的技術本身就是擴頻技術的延伸，有的那么能夠很好得與擴頻技術結(jié)合，還有的那么能用于擴頻系統(tǒng)的實現(xiàn)，因此這些新技術的開展表達著擴頻技術的開展趨勢。5.2超寬帶技術衡量擴頻系統(tǒng)的重要指標是擴頻增益，在一定的傳輸帶寬下，要提高有效數(shù)據(jù)的傳輸速率就要降低擴頻增益，而擴頻增益的下降也意味著擴頻系統(tǒng)性能的降低，因此要提高傳輸數(shù)據(jù)速率，而且不降低擴頻系統(tǒng)的性能，就只有提高傳輸帶寬。超寬帶技術可以看作是一種將傳輸帶寬極大擴展以獲得高數(shù)據(jù)傳輸速率的擴頻技術。UWB作為一種短距離通信技術在未來無線通信系統(tǒng)的實現(xiàn)中扮演著重要的角色。在3G向4G轉(zhuǎn)變的過程中，要求實現(xiàn)無所不在的通信平臺，短距離無線設備和業(yè)務的設計、配置和應用也到達前所未有的高度。目前的短距離無線設備和網(wǎng)絡主要是基于IEEE802系列無線標準的WLANs/WPANs，但是這些網(wǎng)絡和設備都是獨立工作的，它們要么單獨地工作在室內(nèi)和辦公室環(huán)境，要么單獨地工作在開闊的公共地區(qū)，完全沒有考慮它們之間的互連問題。此外，未來無線通信系統(tǒng)對短距離通信的高速數(shù)據(jù)傳輸也會提出更高的要求，而高速數(shù)據(jù)傳輸帶來的最大問題就是頻譜資源緊缺。UWB技術的出現(xiàn)為解決這些難題提供了可能的方案。UWB技術通過共享頻譜，而不是尋找目前存在但實用性不高的頻譜來實現(xiàn)短距離高速數(shù)據(jù)傳輸，它有效地解決了頻譜分配問題，UWB技術的研究熱潮始終高漲。與現(xiàn)有的各種無線通信技術相比，UWB有著明顯不同的工作原理和應用特性。傳統(tǒng)的無線通信技術使用連續(xù)電波作為通信載波，即用某種調(diào)制方式將信號加載到連續(xù)電波上，并且連續(xù)電波被限定在小范圍的頻段上〔一般約為6MHz〕。而UWB技術不使用連續(xù)電波，它通過非常短、非?？於半x散〞的電子脈沖來傳輸信號，由編碼來控制脈沖的發(fā)送時間，脈沖本身就形成了數(shù)字通信中的“0〞或“1〞，并且脈沖可以覆蓋范圍非常廣泛的頻段。正是由于其獨特的工作原理使它具備以下優(yōu)點：隱蔽性好；極低的截獲率；處理增益高；多徑分辨能力強；傳輸速率高；系統(tǒng)容量大；低功耗等。但是UWB系統(tǒng)的實現(xiàn)還有很多關鍵技術需要突破，因此可以說UWB技術的開展是機遇和挑戰(zhàn)并存。5.3多載波調(diào)制技術多載波調(diào)制技術，即正交頻分多址〔OFDM〕，是一種有效的傳輸高速數(shù)據(jù)的方法，它已經(jīng)成為一系列重要的高速數(shù)據(jù)傳輸應用的標準。OFDM和CDMA的結(jié)合也為解決未來無線通信系統(tǒng)的難題提供了技術選擇。在傳統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，符號是順序發(fā)射的，每個數(shù)據(jù)符號的頻譜都可以占用整個可用頻譜。由于瑞利信道的突發(fā)特性，一些鄰近的符號可能會由于衰落而受到嚴重的破壞。在這種系統(tǒng)中，要實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，要么使用高階調(diào)制犧牲系統(tǒng)性能，要么降低符號間隔使得信道帶寬增大。然而延時擴展使系統(tǒng)具有一個等待周期，這個周期決定下一個脈沖何時可以發(fā)射。同時，這個等待周期要求信號采樣速率降低到比延時擴展的倒數(shù)小得多的情況以防止符號間干擾。降低符號間隔使得系統(tǒng)更容易受到延時擴展的干擾。為了解決串行系統(tǒng)遇到的許多困難，采用并行或多路數(shù)據(jù)系統(tǒng)是一種可能的解決方案。并行系統(tǒng)同時傳輸幾個順序數(shù)據(jù)流，因此在任何時間內(nèi)都有多個數(shù)據(jù)元素在傳輸。在這樣的系統(tǒng)中，單個數(shù)據(jù)元素的頻譜通常只占用整個可用頻譜的一局部。在典型的并行數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，整個信號頻譜分解成N個頻率不重疊的子信道。每個子信道都調(diào)制獨立的符號，這樣N個子信道就實現(xiàn)頻率分割。如果每個獨立信道的頻譜允許重疊，同時在接收機使每個子信道具有特定的正交限制以便別離，那么并行系統(tǒng)利用頻譜的效率更高,這就是OFDM的根本思想。組合CDMA和OFDM的多載波CDMA方案主要可分為兩大類：一種是頻域擴展系統(tǒng)，即MC-CDMA，也稱為OFDM-CDMA；另一種那么是時域擴展系統(tǒng)，包括MC-DS-CDMA以及MT-CDMA。MC-CDMA的發(fā)射機在頻域使用一定的擴頻碼將原始數(shù)據(jù)擴展到不同的子載波進行傳輸。時域擴展的多載波調(diào)制方案又可分為兩類。MC-DS-CDMA的發(fā)射機先將原始數(shù)據(jù)流進行串并變換，然后在時域上使用一定的擴頻碼對變換后的數(shù)據(jù)流擴頻，再分別調(diào)制到不同的子載波上進行傳輸。MT-CDMA的發(fā)射機結(jié)構(gòu)與MC-DS-CDMA相似，不過它采用的擴頻碼周期更長。對這些多載波調(diào)制方案的系統(tǒng)實現(xiàn)、檢測算法以及誤碼性能都有較詳細的研究比擬。此外，在更通用的MC-DS-CDMA方案那么同時在頻域和時域?qū)π盘栠M行擴展，并被證明這種調(diào)制方案能夠適應包括室內(nèi)、鄉(xiāng)村、郊區(qū)以及城市在內(nèi)的各種傳播環(huán)境，從而適應未來無線通信系統(tǒng)的要求。此外，一種組合OFDM和MC-DS-CDMA的調(diào)制方案，即下行鏈路采用OFDM而上行鏈路采用MC-DS-CDMA，成為4G調(diào)制標準的候選方案之一。5.4軟件無線電目前國際電聯(lián)成認的3G標準包括WCDMA、CDMA2000以及我國提出的TDS-CDMA。雖然從市場的角度考慮，采用一種標準更為經(jīng)濟，但是亞洲、歐洲和美國之間的競爭決定了未來的移動通信系統(tǒng)很難確定唯一的標準。而未來的通信系統(tǒng)要求為用戶提供通用的平臺，以滿足用戶在任何時間、任何地點通過任何設備接入網(wǎng)絡的要求。采用軟件無線電的概念，即通過軟件加載在一個通用的硬件平臺上實現(xiàn)多種功能，為未來通信網(wǎng)絡的實現(xiàn)提供了可能的解決方案。軟件無線電就是將模塊化、標準化的硬件單元通過標準接口構(gòu)成根本平臺，并借助軟件加載實現(xiàn)各種無線通信功能的一種開放式體系結(jié)構(gòu)。軟件無線電通過使用自適應的軟件和靈活的硬件平臺，能夠解決無線產(chǎn)業(yè)不斷演變和技術革新帶來的很多問題。它在基站和移動終端的軟件下載能力，對于運營商和制造商彌補軟件缺陷以及實現(xiàn)新功能和業(yè)務非常重要。此外使用軟件下載重新配置移