擴(kuò)展頻譜技術(shù)是用比信號(hào)帶寬寬得多的頻帶寬度來傳輸信息的技術(shù)。擴(kuò)頻通信是將待傳送的信息數(shù)據(jù)用偽隨機(jī)編碼(擴(kuò)頻序列:Spred Seqence)調(diào)制,實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸;接收端采用同的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理,恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。它是一種寬帶的編碼傳輸系統(tǒng)。
在研究擴(kuò)頻通信技術(shù)之前,我們要先研究通信系統(tǒng)中的幾個(gè)基本問題
1、傳輸?shù)挠行砸灰粠捙c頻譜問題:
2、傳輸?shù)目煽啃砸灰恍诺琅c干擾問題:
3、傳輸?shù)陌踩砸灰唤孬@與對(duì)抗問題
有效性、可靠性和安全性通常是矛盾的。一般情況下,要增加系統(tǒng)的有效性,就得降低可靠性,反之亦然。在實(shí)際中,常常依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的要求采取相對(duì)統(tǒng)一的辦法,即在滿足一定的可靠性指標(biāo)下,盡量提高消息的傳輸速率,即有效性;或者,在維持一定有效性的條件下盡可能提高系統(tǒng)的可靠性。
不同的擴(kuò)頻技術(shù)發(fā)展就是在上述的三個(gè)方面中不斷尋找平衡的過程。
擴(kuò)頻通信在發(fā)射鏈路上,信息通過擴(kuò)頻調(diào)制后再通過射頻調(diào)制方法將信號(hào)發(fā)出,在接收鏈路上同樣采用下變頻后擴(kuò)頻解擴(kuò)的方案??梢岳斫鉃樵谠械纳漕l收發(fā)路徑上分別增加了擴(kuò)頻調(diào)制和擴(kuò)頻解擴(kuò)兩個(gè)模塊。擴(kuò)頻通信方式與常規(guī)的窄帶通信方式的區(qū)別如下:
1、信息的頻譜擴(kuò)展后形成寬帶傳輸
2、用擴(kuò)頻碼序列來展寬信號(hào)頻譜
3、相關(guān)處理后恢復(fù)成窄帶信息數(shù)據(jù)
擴(kuò)頻通信的基本過程如下圖所示?;鶐?shù)據(jù)信號(hào)通過擴(kuò)頻調(diào)制處理,變?yōu)樯漕l頻段更寬的數(shù)據(jù)信號(hào),信號(hào)的功率密度變小了,表達(dá)為原有數(shù)據(jù)與擴(kuò)頻序列(SS)的乘積:(DataIn)X(SS Code)
如上圖所示。解擴(kuò)解調(diào)處理的過程為,在射頻頻段的信號(hào)通過下變頻和解擴(kuò)后,恢復(fù)成為原有的基帶數(shù)據(jù),如下圖所示。
可以看到擴(kuò)頻調(diào)制處理是在能量不變的情況下把基帶的數(shù)據(jù)搬移到射頻頻段,且便的頻譜帶寬增加。同理,解擴(kuò)與解調(diào)過程是把在射頻頻段的寬帶寬信號(hào)恢復(fù)到原有的基頻段??梢钥吹綌U(kuò)頻前后,代表信號(hào)總能量的陰影長方形的面積是不變的。
在上述的擴(kuò)頻調(diào)制與解擴(kuò)解調(diào)過程中,可以帶來通信系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性強(qiáng)、抗多徑干擾、擴(kuò)頻多址、頻譜利用率高、精確定位測距等優(yōu)點(diǎn)。芮捷的各類低功耗傳感器就是采用擴(kuò)頻通信技術(shù)。
1)抗干擾能力強(qiáng)
擴(kuò)頻技術(shù)的抗干擾能力強(qiáng),分為抗寬帶干擾和抗窄帶干擾。寬帶干擾可以理解為基底噪聲較高的干擾信號(hào),窄帶干擾為脈沖信號(hào)。
針對(duì)寬帶于擾的情況,從下圖中可以看到,原本干擾源已經(jīng)在整個(gè)頻段完全覆蓋了有效信號(hào),經(jīng)過解擴(kuò)之后,干擾信號(hào)變成了平坦的噪聲,而有效信號(hào)變成了窄帶信號(hào),且在有效帶寬內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于干擾信號(hào),這樣就可以解調(diào)出有效信號(hào)。
針對(duì)窄帶脈沖干擾情況,從下圖中可以看到一個(gè)非常大的脈沖信號(hào)在有效信號(hào)的頻帶內(nèi)。當(dāng)經(jīng)過解擴(kuò)之后干擾信號(hào)就變成了平坦的噪聲,而有效信變成了窄帶信號(hào),且在有效帶寬內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于干擾信號(hào),這樣就可以解調(diào)出有效信號(hào)。
LoRa超強(qiáng)的抗干擾能力就是來源于這兩個(gè)擴(kuò)頻抗干擾的特點(diǎn)。這就是LoRa抗于擾能力強(qiáng)的原因。
擴(kuò)頻通信在空間傳輸時(shí)所占用的帶寬相對(duì)較寬,而接收端又采用相關(guān)檢測的辦法來解擴(kuò),使有用寬帶信號(hào)恢復(fù)成窄帶信號(hào),而把非所需信號(hào)擴(kuò)展成寬帶信號(hào),然后通過窄帶濾波技術(shù)提取有用的信號(hào)。這樣,對(duì)于各種干擾信號(hào),因其在接收端的非相關(guān)性,解擴(kuò)后窄帶信號(hào)中只有很微弱的成分,信噪比很高,因此抗干擾性強(qiáng)。在商用的通信系統(tǒng)中,擴(kuò)頻通信是能夠工作在負(fù)信噪比條件下的通信方式。就比如 LoRa 可以在-20dB 之下的信噪比條件下工作。
2)隱蔽性強(qiáng)
隱蔽性強(qiáng)又叫作可檢性低(Low Probability of Intercept,LPI),不容易被偵破,對(duì)各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小。如下圖所示,擴(kuò)頻前數(shù)據(jù)高于噪聲基底,其信號(hào)非常容易被檢測;當(dāng)信號(hào)被擴(kuò)頻后,信號(hào)完全在噪聲基底之下,無法通過能量強(qiáng)度的方式檢測出來。
由于擴(kuò)頻信號(hào)在相對(duì)較寬的頻帶上被擴(kuò)展了,單位頻帶內(nèi)的功率很小,信號(hào)湮沒在噪聲里,一般不容易被發(fā)現(xiàn),而想進(jìn)一步檢測信號(hào)的參數(shù)(如偽隨機(jī)編碼序列)就更加困難,因此說其隱蔽性好。再者,由于擴(kuò)頻信號(hào)具有很低的功率譜密度,它對(duì)使用的各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小。在安全性上 LoRa 技術(shù)也繼承了擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),一般設(shè)備很難偵破和干擾到LoRa信號(hào)。
3)抗多徑、衰落
當(dāng)使用擴(kuò)頻技術(shù)后,當(dāng)信號(hào)解擴(kuò)時(shí)會(huì)通過正交解調(diào)或編碼校驗(yàn),大大增強(qiáng)了抗頻率選擇性衰落。同樣LoRa技術(shù)繼承了擴(kuò)頻的此項(xiàng)優(yōu)點(diǎn),可以快速實(shí)現(xiàn)城市社區(qū)內(nèi)遠(yuǎn)距離的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和高速運(yùn)動(dòng)場景中的穩(wěn)定傳輸。
4)擴(kuò)頻多址
擴(kuò)頻技術(shù)具有擴(kuò)頻多址(SSMA)能力,易于實(shí)現(xiàn)碼分多址(CDMA)技術(shù)在同樣的寬帶信號(hào)中,可以存在多組非相關(guān)的數(shù)據(jù)共存。
于在擴(kuò)頻通信中存在擴(kuò)頻碼序列的擴(kuò)頻調(diào)制,充分利用各種不同碼型的擴(kuò)頻碼序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性,在接收端利用相關(guān)檢測技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò),則在分配給不同用戶碼型的情況下可以區(qū)分不同用戶的信號(hào),提取出有用信號(hào)。這樣一來,在一寬頻帶上許多對(duì)用戶可以同時(shí)通話而互不干擾。
5)頻譜利用率高
擴(kuò)頻技術(shù)具有頻譜利用率高,容量大的特點(diǎn),可有效利用糾錯(cuò)技術(shù)、正交波形編碼技術(shù)、話音激活技術(shù)等
6)精確定位測距
擴(kuò)頻技術(shù)能實(shí)現(xiàn)精確地定時(shí)、測距與定位。UWB技術(shù)就是利用該特點(diǎn),發(fā)射超短時(shí)長超大帶寬的脈沖信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)精確定位的。LoRa的2.4GHz芯片SX1280也是利用擴(kuò)頻技術(shù)該特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)測距定位的。
本文所介紹內(nèi)容以本公司(江蘇芮捷智能科技有限公司)自研技術(shù)的技術(shù)方案、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)以及技術(shù)原理介紹為主;如有雷同或者侵權(quán),請(qǐng)主動(dòng)聯(lián)系官網(wǎng)聯(lián)系人刪除內(nèi)容。參考文獻(xiàn):LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù) 甘泉
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