无线与射频设计指南:扩频通信概述

2019-06-12 07:47:00 来源:互联网
标签:

有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员Hedy Lamarr和钢琴家George Antheil提出的。基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路他们申请了美国专利#2.292.387。不幸的是当时该技术并没有引起美国军方的重视,直到十九世纪八十年代才引起关注将它用于敌对环境中的无线通信系统。

 
 
短距离数据收发信机中的典型应用是卫星定位系统(GPS)、3G移动通信、WLAN (IEEE® 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g)和Bluetooth® (蓝牙)技术。扩频技术也为提高无线电频率的利用率提供帮助(无线电频谱是有限的,因此也是一种昂贵的资源)。
 
扩频理论的基础
在Shannon和Hartley信道容量定理中可以明显看出频谱扩展的作用:
 
C = B × log2 (1 + S/N) (公式1)
 
式中,C是信道容量,单位为比特每秒(bps),它是在理论上可接受的误码率(BER)下所允许的最大数据速率;B是要求的信道带宽,单位是Hz;S/N是信号噪声功率比。C表示通信信道所允许的信息量,也表示了所希望得到的性能。带宽(B)则是付出的代价,因为频率是一种有限的资源。S/N表示周围的环境或者物理特性(例如障碍、阻塞和干扰等)。
 
用于恶劣环境(例如噪声和干扰导致极低的信噪比)时,从上式可以看出,通过提高信号带宽(B)可以维持或提高通信的性能(C),甚至信号的功率可以低于噪底。(公式中没有对这一条件进行限制!)
 
将公式1中的对数底从2修改为e (自然数),用ln = loge表示,侧:
 
C/B = (1/ln2) × ln(1 + S/N) = 1.443 × ln(1 + S/N) (公式2)
 
由MacLaurin级数展开得:
 
ln(1 + x) = x – x²/2 + x³/3 – x4/4 + … + (-1)k+1xk/k + …:
 
C/B = 1.443 × (S/N – 1/2 × (S/N)² + 1/3 × (S/N)³ – …) (公式3)
 
在扩频技术应用中,信噪比S/N通常比较低。(如上面所提到的,信号功率密度甚至可以低于噪底。)假定较大的噪声使S/N << 1,则Shannon表示式近似为:
 
C/B ≈ 1.433 × S/N (公式4)
 
可进一步简化为:
 
C/B ≈ S/N (公式5)
 
或:
 
N/S ≈ B/C (公式6)
 
在信道中对于给定的信噪比要无差错发射信息,我们只需要执行基本的信号扩频操作:提高发射带宽。这个原理似乎简单、明了,但是具体实现非常复杂。因为基带扩频(可能扩展几个数量级)会导致电子器件相互作用,从而产生扩频和解扩操作。
 
定义
 
扩频技术在具体实现时有多种方案,但思路相同:把索引(也称为码或序列)加入到通信信道,插入码的方式正好定义了所讨论的扩频技术。术语“扩频”指将信号带宽扩展几个数量级,在信道中加入索引即可实现扩频。
 
扩频技术更加精确的定义是:通过注入一个更高频信号将基带信号扩展到更宽的频带内的射频通信系统(图1),即发射信号的能量被扩展到一个更宽的频带内,使其看起来如同噪声一样。扩展带宽与初始信号之比称为处理增益(dB)。典型的扩频处理增益可以从10dB到60dB。
 
采用扩频技术,即在天线之前发射链路的某处简单引入相应的扩频码(这个过程称为扩频处理),结果将信息扩散到一个更宽的频带内。相反地,在接收链路中数据恢复之前移去扩频码,称为解扩。解扩是在信号的原始带宽上重新构建信息。显然,在信息传输通路的两端需要预先知道扩频码(在某些情况下,它应该只被传输信息的双方知道)。
 
 
 
扩频处理的带宽
 
 
 
扩频调制作用于通用调制器如BPSK的前端或直接转换。没有接受扩频码的信号保持不变,不扩频。
 
解扩处理的带宽
同样,解扩过程如图3所示:
 
 
解扩通常在解调之前进行。在传输过程中加入的信号(例如干扰或阻塞)将在解扩处理中扩频。
 
关注与非网微信 ( ee-focus )
限量版产业观察、行业动态、技术大餐每日推荐
享受快时代的精品慢阅读
 

 

继续阅读
是德科技加入 6G 旗舰计划,推动超越 5G 的无线通信研究

是德科技(NYSE:KEYS)日前宣布,该公司已经以联合创始成员的身份加入多方 6G 旗舰计划,这项计划得到了芬兰科学院的大力支持,由芬兰奥卢大学领导实施,旨在推动 5G 之后的新无线通信技术研究。

自动驾驶汽车也可以用毫米波远程通信?这个项目已经在研究进程中了

欧盟资助的5G MiEdge(Millimeter-wave Edge)项目研究人员开发了一种毫米波(mmW)无线通信系统,可实现远程通信,并能从无人机实时传输4K未压缩视频。

又要开关效率高,又要开关干扰小,如何才能让这两者兼得?
又要开关效率高,又要开关干扰小,如何才能让这两者兼得?

开关调节器中的快速开关瞬变是有利的,因为这显著降低了开关模式电源中的开关损耗。尤其是在高开关频率时,可以大幅提高开关调节器的效率。但是,快速开关转换也会带来一些负面影响。

用意念控制生活,天方夜谭还是实事求是?

据国外媒体报道,几十年来,通过思维控制计算机一直是许多科幻小说的主题,现在,我们已经接近实现这一突破,那么,这么做是会给我们带来更多的便利,还是会造成更多的问题?

超实用高频PCB电路设计的十个问答

选择PCB板材必须在满足设计需求和可量产性及成本中间取得平衡点。通常在设计非常高速的 PCB 板子时材质问题会比较重要。例如,现在常用的 FR-4 材质,在几个GHz 的频率时的介质损耗会对信号衰减有很大的影响,可能就不合用。就电气而言,要注意介电常数和介质损耗在所设计的频率是否合用。

更多资讯
射频功率放大器市场未来可期,2028年符合增长率将达到12.2%

与非网9月17日讯,市场报告显示,价值30亿美元的RF功率放大器市场到2028年的复合年增长率将达到12.2%。

5G时代,日月光为何看好天线整合封装(AIP)技术?

与非网9月17日讯,在5G时代,日月光选择着重布局天线整合封装(AIP)技术。

一文读懂同轴、双轴、三轴射频电缆的区别
一文读懂同轴、双轴、三轴射频电缆的区别

在寻找射频电缆或连接器时,你首先需要确定的是电缆。通常有3种类型的电缆,分别为同轴、双轴和三轴电缆,每种类型都有差异和不同的尺寸。以下教大家怎么认清这三种电缆。

5G“东风”起,国产射频产业链是否“万事俱备”?

市场需求放缓,国际贸易环境不稳,多种因素导致2019年全球半导体市场开始下滑。据ICInsights统计,2019年上半年,全球前十五大半导体公司销售额合计同比下降18%,而全球半导体产业总销售额同比下降14%。然而随着5G开启商用化进程,5G基础设施大规模部署,全球迎来5G智能手机换机潮,这些因素会对射频产业带来巨大的拉动作用。

一文读懂FIR滤波器与IIR滤波器
一文读懂FIR滤波器与IIR滤波器

两种滤波器都是数字滤波器。根据冲激响应的不同,将数字滤波器分为有限冲激响应(FIR)滤波器和无限冲激响应(IIR)滤波器。