扩频技术的历史、现状及发展趋势综述

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2. 超宽带技术

　　衡量扩频系统的重要指标是扩频增益，在一定的传输带宽下，要提高有效数据的传输速率就要降低扩频增益，而扩频增益的下降也意味着扩频系统性能的降低，因此要提高传输数据速率，而且不降低扩频系统的性能（即保证一定的扩频增益），就只有提高传输带宽。超宽带(UWB)技术可以看作是一种将传输带宽极大扩展以获得高数据传输速率的扩频技术。UWB作为一种短距离通信技术在未来无线通信系统的实现中扮演着重要的角色。
　　在3G向4G转变的过程中，要求实现无所不在的通信平台，短距离无线设备和业务的设计、配置和应用也达到前所未有的高度。目前的短距离无线设备和网络主要是基于IEEE 802系列无线标准的WLANs/WPANs，但是这些网络和设备都是独立工作的，它们要么单独地工作在室内和办公室环境，要么单独地工作在开阔的公共地区，完全没有考虑它们之间的互连问题。此外，未来无线通信系统对短距离通信的高速数据传输也会提出更高的要求，而高速数据传输带来的最大问题就是频谱资源紧缺。UWB技术的出现为解决这些难题提供了可能的方案^［16］。
　　UWB技术通过共享频谱，而不是寻找目前存在但实用性不高的频谱来实现短距离高速数据传输，它有效地解决了频谱分配问题，因此自从FCC在2002年2月14日颁布了将UWB技术用于商用的法规以后，UWB技术的研究热潮始终高涨。
　　与现有的各种无线通信技术相比，UWB有着明显不同的工作原理和应用特性。传统的无线通信技术使用连续电波作为通信载波，即用某种调制方式将信号加载到连续电波上，并且连续电波被限定在小范围的频段上（一般约为6 MHz）。而UWB技术不使用连续电波，它通过非常短、非常快而"离散"的电子脉冲来传输信号，由编码来控制脉冲的发送时间，脉冲本身就形成了数字通信中的"0"或"1"，并且脉冲可以覆盖范围非常广泛的频段（可以在几赫到几吉赫之间）。正是由于其独特的工作原理使它具备下列优点：隐蔽性好；极低的截获率；处理增益高；多径分辨能力强；传输速率高；系统容量大；低功耗等。但是UWB系统的实现还有很多关键技术需要突破，因此可以说UWB技术的发展是机遇和挑战并存。

3. 多载波调制技术

　多载波调制技术，即正交频分多址（OFDM），是一种有效的传输高速数据的方法，它已经成为一系列重要的高速数据传输应用的标准。OFDM和CDMA的结合也为解决未来无线通信系统的难题提供了技术选择。
　在传统的串行数据系统中，符号是顺序发射的，每个数据符号的频谱都可以占用整个可用频谱。由于瑞利信道的突发特性，一些邻近的符号可能会由于衰落而受到严重的破坏。在这种系统中，要实现高速数据传输，要么使用高阶调制牺牲系统性能，要么降低符号间隔使得信道带宽增大。然而延时扩展使系统具有一个等待周期，这个周期决定下一个脉冲何时可以发射。同时，这个等待周期要求信号采样速率降低到比延时扩展的倒数小得多的情况以防止符号间干扰。降低符号间隔使得系统更容易受到延时扩展的干扰。
　为了解决串行系统遇到的许多困难，采用并行或多路数据系统是一种可能的解决方案。并行系统同时传输几个顺序数据流，因此在任何时间内都有多个数据元素在传输。在这样的系统中，单个数据元素的频谱通常只占用整个可用频谱的一部分。在典型的并行数据系统中，整个信号频谱分解成N个频率不重叠的子信道。每个子信道都调制独立的符号，这样N个子信道就实现频率分割。如果每个独立信道的频谱允许重叠，同时在接收机使每个子信道具有特定的正交限制以便分离，则并行系统利用频谱的效率更高,这就是OFDM的基本思想^［17］。
　组合CDMA和OFDM的多载波CDMA方案主要可分为两大类：一种是频域扩展系统，即MC-CDMA（Multicarrier CDMA），也称为OFDM-CDMA；另一种则是时域扩展系统，包括MC-DS-CDMA以及MT-CDMA（Multitone CDMA）。MC-CDMA的发射机在频域使用一定的扩频码将原始数据扩展到不同的子载波进行传输。时域扩展的多载波调制方案又可分为两类。MC-DS-CDMA的发射机先将原始数据流进行串并变换，然后在时域上使用一定的扩频码对变换后的数据流扩频，再分别调制到不同的子载波上进行传输。MT-CDMA的发射机结构与MC-DS-CDMA相似，不过它采用的扩频码周期更长。对这些多载波调制方案的系统实现、检测算法以及误码性能都有较详细的研究比较^［18］。此外，在更通用的MC-DS-CDMA方案则同时在频域和时域对信号进行扩展，并被证明这种调制方案能够适应包括室内、乡村、郊区以及城市在内的各种传播环境，从而适应未来无线通信系统的要求^［19］。此外，一种组合OFDM和MC-DS-CDMA的调制方案，即下行链路采用OFDM而上行链路采用MC-DS-CDMA，成为4G调制标准的候选方案之一 ^［20］。

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