解析扩频通信主要技术及优缺点扩频通信的基本原理是什么( 二 )

目前常见的码型有以下三种：
M 序列，即最长线性伪随机系列；GOLD 序列；WALSH 函数正交码。当选取上述任意一个序列后，如M 序列，将其中可用的编码，即正交码，两两组合，并划分为若干组，各组分别代表不同用户，组内两个码型分别表示原始信息”1″ 和”0″ 。系统对原始信息进行编码、传送，接收端利用相关处理器对接收信号与本地码型相关进行相关运算，解出基带信号( 即原始信息)实现解扩，从而区分出不同用户的不同信息。微波无线扩频通信的原理见图1：
扩频通信原理
由图可见，一般的无线扩频通信系统都要进行三次调制。一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制。接收端有相应的射频解调，扩频解调和信息解调。根据扩展频谱的方式不同，扩频通信系统可分为：直接序列扩频（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）、线性调频以及以上几种方法的组合。
所谓直接序列扩频（DS-Direct Scquency），就是用高码率的扩频码序列在发端直接去扩展信号的频谱，在收端直接使用相同的扩频码序列对扩展的信号频谱进行解调，还原出原始的信息。直接序列扩频的频谱扩展和解扩过程见下面2 图所示：
信息的频谱扩展过程
扩频信号的解扩过程
在图上我们可以看出：在发端，信息码经码率较高的 PN 码调制以后，频谱被扩展了。在收端，扩频信号经同样的PN 码解调以后，信息码被恢复；信息码经调制、扩频传输、解调然后恢复的过程，类似于PN 码进行了二次”模二相加”的过程。在以下的图 4 中我们还可以用能量面积图示概念看出：待传信息的频谱被扩展了以后，能量被均匀地分布在较宽的频带上，功率谱密度下降；扩频信号解扩以后，宽带信号恢复成窄带信息，功率谱密度上升；相对与信息信号，脉冲干扰只经过了一次被模二相加的调制过程，频谱被扩展，功率谱密度下降，从而使有用信息在噪声干扰中被提取出来。
传输速率和距离传输速率是系统设计中一个关键的可变因素，它将决定整个系统整体性能的很多属性。无线传输距离由接收机灵敏度和发射机输出功率共同决定，两者之间的差值我们称之为链路预算。输出功率受限于标准规范，所以只有通过提高灵敏度来增加距离，而灵敏度又受数据速率非常重要的影响。对所有的调制方式来说，越低的速率，接收机的带宽越窄，接收灵敏度就越高。在现今高性价比无线收发机中应用最广泛的调制方式是FSK 或者GFSK 。要进一步减小FSK 系统的接收机带宽，唯一可行的办法就是提高参考晶体的精确度。虽未经检验过但可以预见，这很容易就会产生比接收机带宽更宽的频率偏差。低成本的晶体一般只有20ppm 的精度，这将限制使用载波频率为868MHz 或915MHz 系统的最大数据传输速率在20kbps，灵敏度在-112dBm 。使用温补晶振可以获得更高的灵敏度，但是温补晶振的价钱将是普通晶体的三倍。
扩频调制方式在其他领域应用了很多年，之前未使用于低成本的传感网络方案。在等同的数据速率条件下，商用的低成本扩频调制方式可以获得比传统FSK 调制方式高8-10dB 的灵敏度。升特(Semtech)公司将推出一款新的收发机，这款收发机集成了一种名为LoRa 的扩频调制方式和传统的GFSK 调制方式。图中展示了在GFSK 调制和LoRa 扩频调制两种系统中灵敏度相对数据速率的关系曲线。
在 GFSK 调制和LoRa 扩频调制两种系统中灵敏度相对数据速率的关系曲线。
有些扩频调制方式对晶体引起的频率偏差更不敏感，这类接收机在125kHz 的带宽下使用低成本的20ppm 的晶体时获得接近-140dBm 的灵敏度。与FSK 系统相比，使用同样低成本的晶体时这种新的扩频方式在灵敏度上改善了30dB，理论上相当于增加了5 倍的传输距离。通过降低速率获得最大传输距离和要求最长的电池寿命之间是相互冲突的。数据速率决定了空中传输时间，越高的传输速率，系统发射或接收将花费越少的时间。100kbps 的系统大约只需要50kbps 的系统的传输时间的一半。更快的速率可以使更多的节点在无竞争冲突下在同一区域共存，但这将降低接收灵敏度和传输距离。每一种接收机都会提供多种工作和休眠的模式，且不同模式下的功耗是不同的。各节点收发占空比将决定哪些模式会对功耗产生最大的影响。例如，如果一个节点频繁地处于接收状态，那接收电流就非常重要。同理，如果一个节点每天只发射一次，那睡眠电流就是最重要的因素。

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