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正确认识扩频通信系统

时间:2020-05-28 点击:

随着计算机网络的迅速发展,扩频通信由于其便于为计算机网络提供物理接口信道而得到日益广泛的应用。然而有些厂家为一己私利误导用户,宣称:扩频通信系统在国外是免许可的,台站不用审批,言外之意在国内也不用办理设台审批手续;即使无线电管理部门进行监测,也难以发现,因为其信号可以在噪声下传输;同时扩频通信不用审批的原因是系统不怕干扰,所以也就不用无线电管理部门管理。上述的种种说法给我国实施对扩频台站的审批管理加大了难度,使扩频通信系统的干扰矛盾日趋增多,造成空中电波秩序的混乱。本文从扩频通信系统的基本原理出发,针对上述说法提出反对意见,提醒无线电管理部门和广大用户要正确认识扩频通信系统,避免造成不必要的经济损失和浪费,维护好我国的空中电波秩序。
  扩频台站的审批管理
  扩频生产厂家大都在产品的广告中宣称扩频系统在国外是免许可的,不需要管理,因此误导用户在我国私自设立扩频通信系统电台,造成系统间的相互干扰,给无线电管理工作带来难度。
  众所周知,扩频通信系统是将要传送的信息在比信息带宽宽十倍甚至数百倍的频带上传送,在接收端通过相关接收进行解扩,将传输的信号进行恢复的通信系统。该项技术最早主要应用于军事通信,防止敌方干扰和窃密,后来开始用于民用。由于其具有一定的抗干扰性能力,故扩频通信系统的使用频率选在了自由开放的2.4GHz和5.8GHz频段。该频段为工业、科学以及医疗设备的污染频段。同时在国外对使用该频段的扩频通信设备也有严格的规定,如对其等效全向辐射功率、发射机功率和扩频参数等技术指标都有明确的限制;而且规定不能对正常通信造成干扰,而受到干扰后也自己解决,无线电管理部门不予排除。从国外早期的使用情况看,该设备主要采用微功率的方式在办公楼内进行计算机联网。由于其发射功率较小、覆盖范围小,系统之间产生干扰的可能性很小,所以在国外是免许可的。
  扩频通信设备被引入我国后,由于经济及其他方面的种种原因,其通信距离大大增加,甚至接近于常规的微波通信系统。随着距离的增大,其等效全向辐射功率也大大超过国家无委规定的技术指标。由于扩频通信系统可以使用的频段较窄,通信方式采用时分双工体制、频分双工体制共用,从而使系统间产生干扰的可能性加大,而且直接序列扩频系统最致命的弱点——远近效应引起的干扰问题难以协调,管理难度加大。而跳频通信占满了整个频段与直接序列扩频的干扰也是日益严重,一开始跳频干扰直接序列扩频,随着扩频用户的增加,跳频也就无处可跳了,造成通信系统的瘫痪。加上用户私自设台造成系统间发生干扰的事件时有发生,一方面给设台用户造成了直接或间接的经济损失,另一方面扰乱了无线电通信秩序。综上所述由于国内外扩频通信系统使用方法的不同,根据我国的实际情况在我国对扩频通信系统实行审批管理是非常必要的。
  扩频通信系统的监测及其抗干扰性
  按扩频方式的不同,可以将扩频通信系统分为:直接序列扩频(DS)、跳频扩频(FH)、跳时扩频(TH)和线性调频(chirp ModulaTIon)四种基本方式。其中目前比较常用的有DS和FH两种。本节主要讨论这两种扩频通信系统的监测及抗干扰问题。
  直接序列扩频通信系统(DS)
  直接序列扩频通信基本原理是将要发送的信息用伪随机码序列扩展到很宽的频带上发射出去,在接收端用与发射端相同的伪随机序列码对接收到的扩频信号进行相关处理,恢复出原来的传输信息,从而达到通信的目的。其系统组成见图1。
  先讨论对扩频通信系统的监测问题:关于扩频通信系统可以在噪声下传输的理论基础是shannon定理。shannon定理指出在高斯白噪声干扰的条件下通信系统的极限传输速率为:
  C=Blog2(1+S/N) bit/s (1)
  这里C为信道容量,B为信号带宽,S为信号平均功率,N为噪声功率。
  从上式可以看出,在保持信道容量不变的前提下,通过增加带宽来降低对传输系统S/N的要求,由此公式可以看出当S/N<1时,上式仍然可以成立。因此提出信号可以在噪声下传输。据此并提出了无线电管理部门不能监测到扩频信号的说法。实际上现有的扩频通信设备都有一个主要技术指标即对应于一定误码率的接收系统的灵敏度。如果接收信号电平小于此值,该通信系统将不能正常工作。而此接收系统的灵敏度电平一般在-85 ~ -100dBm之间。这个电平值是完全在无线电管理部门的仪器仪表监测的范围内。如采用21dBi增益天线,40dB增益低噪声放大器,HP系列频率分析仪,系统的接收灵敏度可达到-140dB左右,完全可以监测到扩频信号。因此说无线电管理部门监测不到扩频通信信号的说法是完全错误的。事实上各级无线电管理部门已经通过对扩频信号进行监测的方法查找了不少非法设立的扩频通信系统。
  关于扩频通信系统不怕干扰的问题:由直接序列扩频通信系统的原理可知,当无线电干扰信号进入接收机后,在解扩单元被接收机的伪随机码展宽,频率展宽的过程在频域表达式表示为卷积。进行卷积的结果是将干扰信号的带宽展宽为干扰信号加上PN码的带宽,从而导致干扰信号功率谱密度的降低,经过窄带滤波器后进入接收机的解扩单元进行解码。由于干扰信号被卷积(扩频)后相对较宽,被窄带滤波器滤波,因此只有一小部分干扰信号的能量进入接收机形成干扰;而有用信号由于发送端的扩频码和接收端的解扩码的相关则恢复成扩频前的窄带信号,通过窄带滤波器时有用信号的能量没有损失,因此提高了系统的抗干扰性能。扩频通信系统的抗干扰能力可以用干扰容限来衡量,见公式(2)。
  M=Gp-[Lsys+S/N] (2)
  这里M为干扰容限,GP为扩频系统的增益,Gp=B射频/B信息,Lsys为设备的恶化量,(S/N)为解调前要求的对应于一定误码率的S/N。一旦C/I小于此值,系统将受到干扰。从已经查处的扩频通信系统干扰实例来看,扩频通信系统的抗干扰能力是有一定限度的。
  对于干扰问题人们还有一个错误的认识:宽带信号对于扩频系统的干扰比窄带信号更严重。这个认识在干扰功率相同的情况下是错误的。因为在相同的功率前提下,带宽信号与PN码的卷积比窄带信号与PN码的卷积带宽要宽,导致相对功率谱密度较低。因此通过接收机滤波器后的干扰信号较小,因此宽带信号干扰效果不如窄带干扰效果明显。事实上直接序列扩频通信系统最怕的干扰是瞄射式干扰,即干扰频率与扩频通信系统采用的射频频率相同。
  跳频通信系统
  跳频通信系统是用伪随机码(PN码)序列构成跳频指令来控制频率合成器,使其输出频率在信道内随机变化,在接收端用与发端相同的本地伪随机码构成的跳频指令去控制本地频率合成器,使其输出的跳频信号能在混频器中与接收到的跳频信号差频出一个固定的中频信号来,经中放及带通滤波器送到数字解码器输出端恢复出原信息。
  跳频通信系统中,系统的抗干扰性与系统的跳频频道数有关,而跳频频道数又与跳频信号可用带宽和跳频间隔有关,跳频间隔与所传输的信号速率与调制方式有关。
  N=BRF/ΔF (3)
  这里N为跳频频道数,BRF为跳频信号可用带宽,ΔF为跳频间隔,为传输基带信号的“切普”带宽。其组成见图2。
  对跳频通信系统进行无线电监测,如果频谱仪的扫描时间小于跳频信号的驻留时间,则可以完整的显示跳频频谱。但如果跳频速度较快,则可采用扫描累加方式监测跳频通信所占的频谱。由此可见对跳频通信实施监测是完全可以实现的。
  扩频信号的干扰容限同直接序列扩频通信系统一样,其干扰容限为
  MFH=Gp -(Lsys+S/N) (4)
  MFH为扩频通信系统的干扰容限,Gp为扩频通信系统的处理增益,定义为10lgN, Lsys与S/N和直接序列扩频定义相同。Gp跳频通信系统的处理增益直观上的理解为只有当窄带信号与干扰信号频率重合且时间相同时才会发生干扰,当频率跳变后即可“躲避”干扰。发生干扰的概率仅为1/N。当干扰源为宽带信号时,如覆盖了BRF的整个带宽,但干扰信号功率谱密度相对来说又降低了,因此带来了扩频处理增益。
  跳频通信系统实际上是通过频率的跳变来躲避干扰,对其最严重的干扰有两种:宽带阻塞式干扰和转发式干扰。宽带阻塞式干扰式通过发射宽带大功率信号占据整个跳频频段,使跳频电台无处可跳,系统不能正常工作。在扩频通信的发展初期,由于台站数量较少,干扰不会太严重,随着设台数量的增加,跳频通信遇到宽带干扰的问题就会越来越多,这也是加强频率台站审批管理的一个重要原因。人为对跳频通信系统实施干扰最有效的方式是转发式干扰,其方式为把收到的跳频信号经过转发处理以最小的时延发射出去,形成转发式干扰。转发式干扰的关键在于转发信号的时延,如果时延大于信号的驻留时间则无效。
  扩频台站的管理建议
  无线电管理部门对于扩频通信系统实行审批管理是适合我国国情的,但如何科学地管理使其发挥社会效益和经济效益是应该认真研究的课题。对于扩频通信系统的管理问题提出如下建议,供大家讨论:
  2.4GHz频率管理
  首先应将2.4GHz频率划分为直接序列扩频使用频段和跳频频段,在审批频率时错开频率避免两种通信系统之间干扰。早期避免跳频干扰扩频,后期避免直接序列干扰跳频。
  其次鼓励扩频通信系统采用点对多点的通信体制,弥补我国在点对多点通信系统方面的频率不足。限制点对点的通信系统采用扩频通信方式,建议用户使用微波设备进行替代。
  5.8GHz频率管理
  目前,在5.8GHz的扩频通信系统多采用直接序列扩频传输点到点2Mbit/s数字信号,其扩频处理增益一般为10-20dB左右。在该频段点对点的扩频通信系统的扩频处理增益对于系统的抗干扰性意义不大。常规的微波通信设备完全可以由增大微波天线口径、角度去耦和极化去耦来提高其抗干扰能力。完全没有必要在系统中增加扩频、解扩单元,增加系统的复杂性,降低设备的可靠性。而且扩频带宽的增加一方面导致系统的门限电平降低,另一方面由于带宽的增加导致干扰信号进入系统的概率增加。在该频段仍然建议鼓励发展点对多点的低速数字信号扩频通信系统。

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