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篇1
可以明确一点是：建立在整个直接序列扩频通信系统之上的应用优势有如下几个方面：首先，编码信号的产生几率较大，传输可行性较高；其次，整个数据扩频通信传输过程当中仅涉及到一个固定的载波频率，对于载波发生器的运行要求较低；再次，接收机装置在整个数据的扩频通信操作过程当中能够实现相干解调，从而达到提高扩频通信质量的关键目的；最后，在扩频通信的作业过程当中，对于用户之间的同步性没有要求，适应性较强。
然而不容忽视的一点在于：直接序列扩频通信系统的应用仍然存在着一些方面的问题：首先，在扩频通信作业过程当中对于本地生成编码以及接收信号之间同步性的获取与保持难度比较大，致使扩频通信可能出现明显误差问题；其次，在扩频通信过程当中，现阶段还无法针对基站与用户距离之间的远近效应予以有效消除，导致系统可能存在误差问题，这一问题也需要引起相关人员的特别关注与重视。
篇2
在发端输人的信息先调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱，展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩，再经信息解调，恢复成原始信息输出。可见，一般的扩频通信系统都要进行3次调制和相应的解调。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，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。与一般通信系统比较，多了扩频调制和解扩部分。扩频通信应具备如下特征：(1)数字传输方式；(2)传输信号的带宽远大于被传信息带宽；(3)带宽的展宽，是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息的信元重新进行调制实现的；(4)接收端用相同的扩频函数进行相关解调(解扩)，求解出被传信息的数据。用扩频函数(也称伪随机码)调制和对信号相关处理是扩频通信有别于其他通信的两大特点。
二、扩频通信技术的特点
扩频信号是不可预测的、伪随机的宽带信号，其带宽远大于要传输的数据(信息)带宽，同时接收机中必须有与宽带载波同步的副本。扩频系统具有以下特点。
1．抗干扰性强
扩频信号的不可预测性，使扩频系统具有很强的抗干扰能力。干扰者很难通过观察进行干扰，干扰起不了太大作用。扩频通信系统在传输过程中扩展了信号带宽，所以即使信噪比很低，甚至在有用信号功率低于干扰信号功率的情况下，仍能不受干扰、高质量地进行通信，扩展的频谱越宽，其抗干扰性越强。
2.低截获性
扩频信号的功率均匀分布在很宽的频带上，传输信号的功率密度很低，侦察接收机很难监测到，因此扩频通信系统截获概率很低。
3.抗多路径干扰性能好
多路径干扰是电波传播过程中因遇到各种非期望反射体(如电离层、高山、建筑物等)引起的反射或散射，在接收端的这些反射或散射信号与直达路径信号相互干涉而造成的干扰。多路径干扰会严重影响通信。扩频通信系统中增加了扩频调制和解扩过程，利用扩频码序列间的相关特性，在接收端解扩时，从多径信号中分离出最强的有用信号，或将多径信号中的相同码序列信号叠加，这样就可有效消除无线通信中因多径干扰造成的信号衰落现象，使扩频通信系统具有良好的抗多径衰落特性。
4.保密性好
在一定的发射功率下，扩频信号分布在很宽的频带内，无线信道中有用信号功率谱密度极低，这样信号可以在强噪声背景下，甚至在有用信号被噪声淹没的情况下进行可靠通信，使外界很难截获传送的信息，要想进一步检测出信号的特征参数就更难了．所以扩频系统可实现隐蔽通信。同时，对不同用户使用不同码，旁人无法窃听通信，因而扩频系统具有高保密性。
5.易于实现码分多址
在通信系统中，可充分利用在扩频调制中使用的扩频码序列之间良好的自相关特性和互相关特性，接收端利用相关检测技术进行解扩，在分配给不同用户不同码型的情况下，系统可以区分不同用户的信号，这样同一频带上许多用户可以同时通话而互不干扰。
三、扩频技术的发展与应用
在过去由于技术的限制，人们一直在走增加信号功率，减少噪声，提高信噪比的道路。即使到了70年代，伪码技术已经出现，但作为相关器的“码环”的钟频只能做到几千赫兹也无助于事．近几年，由于大规模集成电路的发展，几十兆赫兹，甚至几百兆赫兹的伪码发生器及其相关部件都已成为现实，扩频通信获得极其迅速的发展．通信的发展史又到了一个转折点，由用信噪比换带宽的年代进入了用宽带换信噪比的年代．从最佳通信系统的角度看扩频通信．最佳通信系统一最佳发射机+最佳接收机．几十年来，最佳接收理论已经很成熟，但最佳发射问题一直没有很好解决，伪码扩频是一种最佳的信号形式和调制制度，构成了最佳发射机．因此，有了最佳通信系统一伪码扩频+相关接收这种认识，人们就不难预测扩频通信的未来前景．从9O年代无线通信开始步人扩频通信和自适应通信的年代．扩频通信的热浪已经波及短波、超微波、微波通信和卫星通信，码分多址(CDMA)已开始广泛用于未来的峰窝通信、无绳通信和个人通信以及各种无线本地环路，发挥越来越大的作用．接入网是由传统的用户线、用户环路和用户接入系统，逐步发展、演变和升级而形成的．现代电信网络分为3部分：传输网、交换网和接入网．由于接入网发展较晚，往往成为电信发展的“瓶颈”，各国都很重视接入网的发展，因此各类接人技术和系统应运而生．由于ISM(IndustryScientificMedica1)频段的开放性，经营者和用户不需申请授权就可以自由地使用这些频段，而无线扩频技术所使用的频段(2．400～2．483)正是全世界通用的ISM频段，包括IEEE802.11协议架构的无线局域网也大部分选用此频段．在无线接人系统中，扩频微波与常规微波相比有着3个显着的优点：抗干扰性强、频点问题容易处理、价格比较便宜．而且，扩频微波接入技术相对有线接入技术来说，有成本低、使用灵活、建设快捷的优势，在接入网中起着不可替代的作用。扩频微波主要应用在以下几个方面．语音接入(点对点)；数据接入；视频接入；多媒体接入；因特网(Internet)接入。
四、结语
扩频通信是通信的一个重要分支和发展方向，是扩频技术与通信相结合的产物。本文主要论述了扩频通信的特点、理论可行性及典型的工作方式。扩频通信的强抗干扰性、低截获性、良好的抗多路径干扰性和安全性等特点，使它的应用迅速从军用扩展到民用通信中，它的易于实现码分多址的特点，使它能与第三代移动通信系统完美结合，发展前景极为广阔。
参考文献：
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近几年,有学者提出了采用CDMA技术进行防碰撞的方法,其性能有明显改善。文献[6]提出在标签识别过程中,使用码分多址技术,实现一个时隙可以同时传输多个标签。文献[7]提出了一种基于码分多址思想的时隙ALOHA算法,来解决射频识别中的防碰撞问题,此算法的系统稳定范围要大于时隙ALOHA系统,并且当选用的扩频码组阶数为N时,此算法的最大吞吐量可达原时隙ALOHA的N倍。上述2个文献所提到的算法,当标签数量很多时,数据碰撞的概率明显增加,使系统的吞吐量急剧下降,影响了系统的整体性能。基于以上原因,本论文提出了1种改进的基于CDMA技术的防碰撞算法,能够适应大量标签的识别应用,减少了识别碰撞的发生,使系统吞吐量得到明显改善。
1基于CDMA技术的新型防碰撞算法
n×1-1Nn-1(2)由于传统的基于ALOHA的防碰撞算法中一个时隙最多只能正确识别一个标签的信息,所以当标签数目过大时,系统的吞吐率,即正确识别标签数目所占的百分比将会大幅度的降低,所以对于过量的标签,本算法将会采取对所有标签进行分组识别,当标签需要分成2组时(系统识别帧最大时隙数N为256):nN×1-1Nn-1=n2N×1-1Nn2-1 (3)用上述公式可知n=354,所以当标签数量大于354时,系统将会对标签分组识别。
本文提出的新型算法如下:依据分组帧时隙ALOHA算法,通过此算法的分组规则,完成识别的所有标签的分组。分组帧时隙ALOHA算法的分组规则如下:当标签数量≤354时,无论帧长选择8个时隙还是256个时隙,标签都不分组,按照一个大组来进行识别;当标签数量>354时,帧长选择256个时隙比较适合读写器的识别;当标签数量在355707时,标签分为2组;当标签数量在708~1 416时,标签分成4组更适合信息的传输识别。当标签数量更多时,按照这个规律分成合适的组数再进行识别,详细过程如图1所示。标签分组工作完成后,在每个分组中分别采用码分多址技术,利用其技术的保密性、抗干扰性和多址通信能力,对标签中的数据进行扩频处理并传输。然后读写器端利用码组的自相关特性对不同标签所发的数据进行解调,从而达到防碰撞的目的,进而完成对全部标签的识别,也实现了同一时隙可以传输多个信息的情况。本论文中提到的新型防碰撞算法需要预先在待识别的标签中植入扩频性良好的正交码组,以防止接收端没有办法正确解扩接收,本文选用Walsh序列。该算法可以有效减少图1算法执行过程示意图标签识别过程中的碰撞次数,从而减少了识别时间并且降低了功耗。本论文将分组帧时隙ALOHA算法和码分多址技术相结合,实现在每个分组内可以有多个标签同时进行扩频传输,并且在接收端采用并行接收技术进行多个标签的同时接收。本发明在识别标签过程中,每个组内均为一个独立的识别过程,在分组帧长不改变的前提下,提高了标签数量庞大时的系统性能。有效地减小标签之间的碰撞概率,缩短读写器操作时间,提高吞吐率, 很适合应用于具有较大数量标签的RFID系统中。
2仿真结果
本论文提出了采用码分多址技术的新型防碰撞算法,并仿真了固定时隙数下ALOHA算法的系统吞吐率和本文所提出的算法改进后的系统吞吐量。
RFID系统中时隙ALOHA算法的帧长取值从16个时隙到256个时隙变化,根据公式2,系统吞吐率如图2所示。其中,系统仿真设定的信息帧长F即时隙数设定按2的幂次方递增,即F取值从16个时隙变化到256个时隙,横坐标为标签数N从1变化到500,纵坐标为吞吐率。当帧长设定为256个时隙,标签数量少于256个时,系统吞吐量随着标签数量的增加而增加,直到标签数量达到256时系统的吞吐量达到最大值。随着标签数量的逐渐增多,系统的吞吐量又呈现下降趋势。从图2可以得出2点结论:一、当标签个数接近信息帧长时,系统的吞吐率比较高;二、随着帧长取值的增加,系统对标签的识别性能有明显改善。
篇4
1 对跳频通信进行数学模型建立及对系统原理进行描述
对于跳频扩频通信，它的基本理论依据主要是根据信息论中的Shannon公式来的[4]，下式为它的具体公式描述：
c Blb（1 P / N）
在上式中，对于参数c、B、P及N，它们所代表的含义分别如下。其中，N，表示为噪声功率；c，代表系统的信道容量（bits/s）；P，表示为信号的平均功率；对于B，则表示为系统的信道带宽（Hz）。通过上式可以很明确、很清晰的知道，当满足一定条件（如在一定的信道容量之条件下），可以采用增加信道带宽的办法、或者通过减少发送信号功率的办法等，来对信道的带宽进行减少、或者采取一定的方式来对信道的容量进行提高，这样就能够增加发送信号方面的功率，更进一步，使得信道的容量发生变化，并且不断的得到提高 [5]。
对于跳频系统，由于它的载波频率是在不断发生变化的，如果想要在接收机中对载波相位进行跟踪，很明显，要实现该种情况是比较困难的，所以，在一般情况之下，我们是选择可非相干解调方式作为跳频扩频通信系统的调制方式，并且，该种调制方式所具有的优势是其它调制方式不能够相比的，而频移键控FSK调制则是经常采用的方式。对于数据载波为a（t），以及数据速度Ra，对它们的取值分别为+1和-1，当进行移频键控调制（即频率偏差为Δf）后，它所输出的等效低通信号为b（t）[6]，具体的表达式如下式1-1所示：
b（t） exp（ j2πa（t ）f ） （1-1）
在跳频扩频通信系统中，我们把伪随机序列控制下的瞬时频率定义为f（t）[7]，它会随着时间的不断改变，而对应的瞬时频率f（t）的取值在频率点fi，i=1，2，3，4…，N上也会发生改变[8]。那么，对于跳频载波信号，它的等效低通信号C（t）如下式：
c（t） exp（j2f （t）） （1-2）
对于跳频扩频通信系统，它主要是以跳频载波来实现对数据调制信号的频率进行搬移的一个过程[9]，通过这样一个过程，则跳频扩频通信系统所输出的等效低频信号d（t）如下式1-3所示；
d（t） b（t）c （t）
exp（j2（a（t）f f （t））） （1-3）
在跳频扩频系统的接收端，采用同步伪随机码控制的频率、以及伪随机变化的载波和接收信号作为混频，在这样的条件下，所得到的系统输出信号为bxj，它的表达式如下式1-4所示： bsj （d（t） N（t） I（t））c （t）
exp（2 ja（t）f ） （N （t）
I（t））exp（ j2f （t）） ， （1-4）
对于上式1-4，它的参数N（t）、I（t）所代表的含义如下：N（t），它表示噪声；I（t），它则表示干扰信号。通过采用同步跳变的本地恢复载波来实现对接收信号进行混频后，在这样的情况下，就能得到解跳后的宽带干扰信号、窄带信号b（t）、以及信号噪声等。
2 跳频的主要技术指标及关键技术
对于一个跳频扩频通信系统而言，它所包括的技术指标主要有：①跳频频率的数目；②跳频的带宽；③跳频码的周期；④跳频的速率；⑤跳频系统的同步时间。对于这些技术指标，它们所代表的含义分别如下：①跳频频率的数目。在一般情况下，通过对跳频信号的处理增益 ，这样就能够得到相等的跳频点数。②跳频的带宽。在通常情况之下，跳频的带宽是与抗部分频带的干扰能力存在一定关系的。③跳频码的周期。倘若跳频图案的延续时间越长，那么，这样就会使敌方破译变得更加的困难，因此，其抗截获 的能力就越强。④跳频的速率。顾名思义，就是指每秒钟频率跳变的次数，决定跳频图案延续时间的长度。⑤跳频系统的同步时间。针对该同步时间的相关定义是非常多的，但这里主要是指对于跳频图案，要使其系统收发双方的时间达到一致，即完全同步，并且，对于通信所需要的相关时间也要进行建立。
3 对系统进行仿真模型的建立
3.1 对Simulink仿真工具进行概述
在本论文的研究过程中，采用的仿真工具是基于MATLAB提供的仿真平台Simulink。另外，采用Simulink仿真平台来建模是很方便的，它所带有的软件包是能够对相关的稻萁行仿真、进行分析的，是一个动态系统。它能够支持的系统也是非常多的，如连续系统、线性系统等。
3.2 模型建立
在基于Simulink仿真软件的基础上面建立起来的跳频扩频通信系统仿真模型，通常情况之下，它能够对跳频扩频通信系统的整个工作过程进行实时监控及反映相关的问题，对于系统扩频前后的频谱，通过该仿真软件能够实时的观测。
4 对仿真结果进行分析
为了更加准确、更加合理的得到本论文研究的跳频扩频通信系统的仿真精确结果，所设定的相关仿真条件如下：对于所采用的跳频载频，它是采用伪随机整数方面的信号控制系统来进行实现的；对跳频点数设定为64个；对于跳频的频率间隔，是把它设定为50跳/秒；数据调制采用FSK，并且频率的间隔为200HZ；对于每个符号，它的采样点数为120。我们把本次系统仿真实验的时间设定为1000s。
5 结束语
本论文首先对跳频扩频通信系统的数学建模进行了简单介绍，然后对跳频通信的系统工作原理进行了概述，对跳频的主要技术指标及关键技术进行了介绍，接着，对Simulink仿真工具进行概述及对其进行相关模型的建立，最后，就是采用Simulink仿真软件对跳频扩频通信系统进行模型的建立，并进行了仿真研究。在进行仿真实验前，设定了相关的仿真条件，如跳频点数、采样点数、跳频频率间隔等相关条件，这样设定的目的是为了保证仿真的实验结果更加准确。
参考文献
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在发端输人的信息先调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱，展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩，再经信息解调，恢复成原始信息输出。可见，一般的扩频通信系统都要进行3次调制和相应的解调。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，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。与一般通信系统比较，多了扩频调制和解扩部分。扩频通信应具备如下特征：(1)数字传输方式；(2)传输信号的带宽远大于被传信息带宽；(3)带宽的展宽，是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息的信元重新进行调制实现的；(4)接收端用相同的扩频函数进行相关解调(解扩)，求解出被传信息的数据。用扩频函数(也称伪随机码)调制和对信号相关处理是扩频通信有别于其他通信的两大特点。
二、扩频通信技术的特点
扩频信号是不可预测的、伪随机的宽带信号，其带宽远大于要传输的数据(信息)带宽，同时接收机中必须有与宽带载波同步的副本。扩频系统具有以下特点。
1．抗干扰性强
扩频信号的不可预测性，使扩频系统具有很强的抗干扰能力。干扰者很难通过观察进行干扰，干扰起不了太大作用。扩频通信系统在传输过程中扩展了信号带宽，所以即使信噪比很低，甚至在有用信号功率低于干扰信号功率的情况下，仍能不受干扰、高质量地进行通信，扩展的频谱越宽，其抗干扰性越强。
2.低截获性
扩频信号的功率均匀分布在很宽的频带上，传输信号的功率密度很低，侦察接收机很难监测到，因此扩频通信系统截获概率很低。
3.抗多路径干扰性能好
多路径干扰是电波传播过程中因遇到各种非期望反射体(如电离层、高山、建筑物等)引起的反射或散射，在接收端的这些反射或散射信号与直达路径信号相互干涉而造成的干扰。多路径干扰会严重影响通信。扩频通信系统中增加了扩频调制和解扩过程，利用扩频码序列间的相关特性，在接收端解扩时，从多径信号中分离出最强的有用信号，或将多径信号中的相同码序列信号叠加，这样就可有效消除无线通信中因多径干扰造成的信号衰落现象，使扩频通信系统具有良好的抗多径衰落特性。
4.保密性好
在一定的发射功率下，扩频信号分布在很宽的频带内，无线信道中有用信号功率谱密度极低，这样信号可以在强噪声背景下，甚至在有用信号被噪声淹没的情况下进行可靠通信，使外界很难截获传送的信息，要想进一步检测出信号的特征参数就更难了．所以扩频系统可实现隐蔽通信。同时，对不同用户使用不同码，旁人无法窃听通信，因而扩频系统具有高保密性。
5.易于实现码分多址
在通信系统中，可充分利用在扩频调制中使用的扩频码序列之间良好的自相关特性和互相关特性，接收端利用相关检测技术进行解扩，在分配给不同用户不同码型的情况下，系统可以区分不同用户的信号，这样同一频带上许多用户可以同时通话而互不干扰。三、扩频技术的发展与应用
在过去由于技术的限制，人们一直在走增加信号功率，减少噪声，提高信噪比的道路。即使到了70年代，伪码技术已经出现，但作为相关器的“码环”的钟频只能做到几千赫兹也无助于事．近几年，由于大规模集成电路的发展，几十兆赫兹，甚至几百兆赫兹的伪码发生器及其相关部件都已成为现实，扩频通信获得极其迅速的发展．通信的发展史又到了一个转折点，由用信噪比换带宽的年代进入了用宽带换信噪比的年代．从最佳通信系统的角度看扩频通信．最佳通信系统一最佳发射机+最佳接收机．几十年来，最佳接收理论已经很成熟，但最佳发射问题一直没有很好解决，伪码扩频是一种最佳的信号形式和调制制度，构成了最佳发射机．因此，有了最佳通信系统一伪码扩频+相关接收这种认识，人们就不难预测扩频通信的未来前景．从9O年代无线通信开始步人扩频通信和自适应通信的年代．扩频通信的热浪已经波及短波、超微波、微波通信和卫星通信，码分多址(CDMA)已开始广泛用于未来的峰窝通信、无绳通信和个人通信以及各种无线本地环路，发挥越来越大的作用．接入网是由传统的用户线、用户环路和用户接入系统，逐步发展、演变和升级而形成的．现代电信网络分为3部分：传输网、交换网和接入网．由于接入网发展较晚，往往成为电信发展的“瓶颈”，各国都很重视接入网的发展，因此各类接人技术和系统应运而生．由于ISM(IndustryScientificMedica1)频段的开放性，经营者和用户不需申请授权就可以自由地使用这些频段，而无线扩频技术所使用的频段(2．400～2．483)正是全世界通用的ISM频段，包括IEEE802.11协议架构的无线局域网也大部分选用此频段．在无线接人系统中，扩频微波与常规微波相比有着3个显著的优点：抗干扰性强、频点问题容易处理、价格比较便宜．而且，扩频微波接入技术相对有线接入技术来说，有成本低、使用灵活、建设快捷的优势，在接入网中起着不可替代的作用．
扩频微波主要应用在以下几个方面．语音接入(点对点)；数据接入；视频接入；多媒体接入；因特网(Internet)接入。
四、结语
扩频通信是通信的一个重要分支和发展方向，是扩频技术与通信相结合的产物。本文主要论述了扩频通信的特点、理论可行性及典型的工作方式。扩频通信的强抗干扰性、低截获性、良好的抗多路径干扰性和安全性等特点，使它的应用迅速从军用扩展到民用通信中，它的易于实现码分多址的特点，使它能与第三代移动通信系统完美结合，发展前景极为广阔。
参考文献：
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目前，变电站系统自动化正成为一种不可改变的趋势，其监控和通信系统的重要性日益凸显。变电站现有测控系统多采用有线通信方式，但是，有线通信的弊端是显而易见的，例如传输线铺设复杂、不易检修和维护，长距离传输线易受电磁千扰的影响等等。而无线通信则具有运行可靠、安装灵活。成本低廉等优点，尤其是在需要实时监控变电站信息的情况下，无线通信更是具有极大的优势。
现有无线通信方式主要有IEEE802.11b/g、蓝牙、ZigBee. GPRS/GSM等。而ZigBee技术更是以安全性高、响应时间快、占用系统资源低、成本低以及能耗低等诸多优点成为变电站实时监控系统中首选的无线通信技术。ZigBee技术是专门针对无线传感器开发的，无线传感器网络在变电站中的应用研究尚处于起步阶段，其研究重点主要放在配电网自动化以及温度、电能在线监测方面，然而，变电站高强电磁环境对无线传感器网络通信的影响的研究还相对缺失。因此本文对变电站的干扰和无线传感器网络的调制技术进行研究，对无线传感器网络在变电站中的应用的可行性进行论证。
1变电站中的电盛千扰
变电站内部具有复杂的电磁环境，因此必须对各种典型的电磁干扰源进行详细的分析。变电站存在的典型的电磁干扰源有:50Hz工频电磁场;设备出口短路引起的脉冲磁场;电晕放电;静电放电;局部放电;空气击穿燃弧;SF6间隙击穿燃弧;真空间隙击穿燃弧等。其中工频电磁场和脉冲磁场对无线信号基本不会产影响。
1. 1静电放电和局部放电
两个具有不同静定电位的物体，由于直接接触或静电场感应引起两物体间的静电电荷的转移。静电电场的能量达到一定程度后，击穿其间介质而进行放电的现象就是静电放电。当外加电压在电气设备中产生的场强，足以使绝缘区域发生放电，但在放电区域内未形成固定放电通道的这种放电现象，称为局部放电。两者都是小绝缘间隙、小能量放电的击穿。
这两种放电产生辐射干扰在几百kHz以内，且能量低，衰减快，因此对无线通信不会造成影响。
1.2电晕放电和空气击穿放电
电力导线在高压强电场作用下，可能对周围空间产生游离放电的电晕。导线表面的机械损伤、污染微粒或者导线附近的水滴、灰尘等，都会引起导线表面曲率变化，从而使得点位梯度达到空气介质的击穿介质。因此，在电力系统的实际运行中电晕的产生几乎是不可避免的。
由图1可见电晕放电的辐射信号主要集中在78MHZ和180MHZ附近的两个包络内，并且最大信号强度仅为一40dBmW。
由图2可知空气间隙击穿产生的电磁场带宽较宽，主要集中在600MHZ以下，并且干扰信号的强度很小，即使在580:MHZ频率附近也只有-35dBmW。
1.3开关操作干扰
变电站内断路器、隔离开关等一次设备在投切操作或开关故障电流时，由于感性负载的存在，开关触头开断时，产生的电弧的熄灭和重燃可能在母线或线路上引起含有多个频率分量的衰减振荡波，通过母线或设备间的连线将暂态电磁场的能量向周围空间辐射，形成辐射脉冲电磁场。设备操作干扰主要有SF6间隙击穿和真空间隙击穿所产生的辐射信号。
图3. 4可知SF6间隙击穿放电和真空间隙击穿放电所产生的干扰信号覆盖频段很宽，且在整个频带范围内电磁信号的强度比较强，在2. 4GHz频段，电磁信号的强度约为一40dBmW。
2无线传感网网络的扩频技术
2.1 ZigBee协议
无线传感器网络应用的ZigBee协议的框架是建立在IEEE802. 15. 4标准之上，IEEE802. 15. 4定义}ZigBee的物理层和媒体访问层。IEEE802. 15. 4定义了两个物理层标准，分别是2. 4GHz物理层和868月I5MHz物理层。两个物理层都基于直接序列扩频(DSSS)技术，主要完成能量检测、链路质量指示、信道选择以及数据发送和接收等功能。无线传感器网络输出2.4GHzISM频段直接序列扩频信号，输出功率大于一17dBm，工作频段2. 405^2. 480GHz 。
2. 2直接序列扩频技术
扩频是利用与信息无关的为随机码，通过调制的方法将己调制的频谱宽度扩展到比原调制信号的带宽宽得多的过程。常用的扩频技术有调频、混合扩频和直接序列扩频等。无线传感器网络采用直接序列扩频技术。
直接序列扩频系统就是用具有高码率的伪随机(PN)序列，在发送端扩展信号的频谱，在接受端用相同的PN序列对信号进行解扩，还原出原始信号。
3变电站干扰对传感器网络的形晌
变电站的电磁干扰主要分为两部分:0~300MHz低频部分、2. 4~2. 5GHz同频带宽。
1)电晕放电和空气击穿所产生的低频干扰的频带离无线传感器网络的工作频段2. 4GHz很远，并且强度小于一40dBmW，可以通过低通滤波器进行处理，因此对无线传感器网络的无线通信基本没有影响。
2) SF6间隙击穿放电和真空间隙击穿放电所产生的电磁干扰在2. 405GHz~2. 485GHz频带内也有较强的信号存在，在间隙击穿电压为I5KV左右时电磁强度达到一40dBmV。变电站现场的击穿电压可能会更高，电磁强度也就更高，因此对无线通信会有一定的影响。但是同频干扰对于无线传感器网络通信的影响是很小的，这可以通过两方面说明:
①无线传感器网络应用的直接序列扩频技术，直接序列扩频技术的抗干扰能力是由于接收机将扩频后的信号再次与扩频码相乘还原出原始信号，同时干扰信号也在接收端与扩频码相乘从而将其频带展宽，干扰信号能量也就分散到很宽的频带上，这样2. 405GHz~2. 485GHz频带内只有很小部分干扰信号能量，因此同频噪声对于无线传感器网络通信干扰是微乎其微的。
②SF6间隙击穿放电和真空间隙击穿放电产生瞬态电磁千扰，这种干扰只能持续很短的时间，因此对无线传感器网络的干扰也是瞬间的，瞬态电磁干扰结束，无线传感器网络也恢复正常。
篇7
DCT-Domain Image Watermarking Algorithm Based On CDMA
WANG Sheng-lei1, YANG Shi-ping1,2
(1.School of Computer Science and Information, Guizhou University, Guiyang 550025, China;2.Mingde College, Guizhou University, Guiyang 550004, China)
Abstract: Putting forward a new image watermarking algorithm which is robust many attacks,this paper applies Arnold places disorderly technique and CDMA spread spectrum technique, equilibrium Gold code is selected as spread spectrum sequence, make use ofWaston sense of vision model certains imbed strength,the imbed position is certained by the adaptting algorithm, a binary image is embedded to some DCT coefficients; taking advantage of correlation property of Gold code,watermark is extracted quickly on the precondition on which host image exists. The analysis of the algorithm and carry out process are given , the attack of Matlab experiments expressed the usefulness of algorithm. Compared with the former watermark algorithm,the safety of watermarking is greatly improved, and it is robust to standard JPEG compression, noising, filtering and cropping attacks.
Key words: digital watermarking; arnold places disorderly technique; waston sense of vision model; gold sequence; code division multiple acces(CDMA); discrete cosine transform(DCT)
数字水印技术是信息隐藏技术的一个分支,其基本思想是在数字媒体中嵌入版权保护信息,以防止对宿主媒体信息进行篡改和未经授权的拷贝和分发[1-2]。从本质上讲,数字水印处理可以看作一种通信过程[3],即在满足不可见性的前提下在水印的嵌入者与接收者之间传递一条信息。因此许多数字通信的理论和方法都可以应用到数字水印系统中[4]。
CDMA无线通信系统具有抗干扰性强、保密性好、截获率低等优点,因此把CDMA技术应用到数字水印系统中是一种安全有效的方法。Ruanaidh[5]等于1998年首先提出采用DS-CDMA技术实现CDMA扩频水印,首先将分组后的水印信息以字符序列的形式扩频到m序列上,然后进行CDMA扩频编码,最后对原始载体图像进行128×128分块DCT变换,将编码以后的水印信息嵌入到DCT系数上。但由于受到m序列地址个数的限制,作者只在DCT域上嵌入了19个字符,嵌入容量较小且安全性低。
由于数字图像的JPEG压缩标准建立在DCT变换的基础上,所以基于JPEG压缩标准模型的水印嵌入算法可以更好地抵抗JPEG压缩处理,本文的水印算法便基于DCT域。本文针对文献[5]中嵌入容量和安全性受限的不足并结合DCT域嵌入水印的优点,提出了一种采用CDMA技术在图像DCT域的中低频分量嵌入水印信息的改进算法。
1 算法
算法分为水印生成、水印嵌入和水印提取三个步骤。
1.1 水印的生成
为增强水印的安全性和抗攻击能力,原始水印在被嵌入之前需经过Arnold置乱和CDMA扩频两个步骤,其生成框图如图1所示。
1)原始二值水印生成
本文所使用的水印图像为40×40的gzu.bmp,为增强水印的抗剪切能力,先利用Arnold置乱算法对原始水印图像进行最佳置乱(置乱次数为3),置乱后的水印图像见图4。然后将原始水印图像信息转换成二进制流,为使其能被9整除在二进制码流后加上2位变为m,长度为N(N=1602)即:
m={mi | mi={0,1},0≤i≤1601}
将m序列以9比特为一组(作为一个字符),共生成178个字符,其产生的字符串可表示为:
s={si | 0≤si≤511,0≤i≤177}
2)生成Gold序列集
采用Gold序列作为扩频序列。通过对两组m序列优选对移项相加得到Gold序列集。选用的两组m序列的生成多项式为1021和1131(八进制)。一共生成了29+1=513个长度为29-1=511的Gold序列集:
pi={pij | pij∈{1,-1},0≤j≤510,0≤i≤512}
3)CDMA编码
为每一个字符si从Gold序列集中找到下标为si的伪随机序列:
ri=psi,0≤i≤177
最后把所有的选出的伪随机序列串联起来就可构成最终的扩频序列:
1.2 水印嵌入
水印嵌入分为利用自适应位置算法确定嵌入位置、利用自适应强度算法确定嵌入强度和DCT域嵌入水印三个步骤。
1)位置自适应算法
本论文为实现嵌入位置的自适应性,提出了以下位置自适应算法:分块DCT变换中低频系数的首位置M1是随着块的均值不同而改变的,对于各8×8块,其计算方法为:先计算该快64个像素和,然后取余16,得到余数加6,即
该算法的安全性和鲁棒性比较高,但是水印提取时需要原始水印的参与,即不可实现盲提取。
本算法采用的载体水印图像为一608×608的Lena.bmp灰度图像。根据每一个图像块的平均亮度大小,利用上式确定第i(1≤i≤5776)块DCT中低频系数的起始位置Mi,所有的起始位置组合起来便形成了起始位置序列{P(k),1≤k≤5776}。
2)强度自适应算法
本论文利用Waston视觉模型对不同的块进行分类,从而可以实现对水印嵌入强度进行自适应调节,在确保水印不可见的同时有效地增强水印的强度。
本文根据Watson模型,综合考虑频率掩蔽、亮度掩蔽和对比度掩蔽3种效应,得出DCT频率分量的最佳嵌入强度序列{Tc(k,i,j),1≤k≤5776,1≤i,j≤8},其中Tc(k,i,j)表示第k块第i行第j列的频率分量最佳嵌入强度。
3)DCT域嵌入算法
本为算法是对图I进行分块DCT操作的,首先对原始图像I分成K个不重叠的8×8子块,即:
其中,M和N分别为原始图像的长和宽;然后分块进行DCT变换,即:
把每一块DCT变换系数按“之“字形进行排序,将其转化为一维描述(,0≤u≤64),将每一块的嵌入强度系数三维矩阵(Tc(k,i,j),1≤k≤5776,0≤i,j
嵌入完成后进行反“之”字形排列,再进行IDCT变换:
所有子快都进行上述操作,就能得到嵌入水印后的图像。水印嵌入框图如图2所示。
1.3 水印的提取
首先根据原始载体图像利用位置与强度确定算法确定每一块图像的嵌入强度和嵌入位置,然后将原始图像和水印化图像分别进行分块(8×8)DCT变换,分别对各块”之”字排列,按照嵌入位置和嵌入强度取其差值,提取出置乱后水印信息的扩频序列:
利用密钥生成正交Gold序列集:
按每组长度为511把生成的扩频水印序列w'进行分组:
把扩频序列的一个分组r'i与正交Gold序列集中的每一个Gold序列分别做相关运算:
取其中互相关系数最大的那个Gold序列的下标记为si,将生成的所有下标串联起来即可生成一个字符串:
把生成的字符串序列转化为二进制,则可得提取到的水印序列:
把水印序列的最后2位去掉,再转化为40×40的矩阵即得到置乱后的水印图像的数据矩阵,最后利用图像置乱算法(置乱次数为27)即可得到提取的水印图像。水印提取框图如图3所示。
1.4 试验结果
仿真实验中,原始图像为320×320的Lena灰度测试图像,二值水印图像为gzu.bmp。图4给出原始图像、水印图像和水印化的载体图像以及未受攻击提取的水印图像。由图像可以看出,单纯从视觉很难判断水印化图像与原始图像的区别,本文算法的未受攻击测试的水印化载体图像与原始图像的PSNR=36.3646,因此,不可见性良好,且从视觉上也可判断其具有良好的不可见性。
主要实验内容包括:JPEG压缩攻击,压缩率最低到15%;不同程度的剪切攻击;分别加入高斯噪声、椒盐噪声和乘积噪声,即噪声攻击,中值滤波攻击,图像直方图化,图像变亮或变暗,增加或降低对比度等攻击。
(a)原始cdma_lena.bmp图像 (b)原始水印图像
(c)置乱后的水印图像 (d)水印化cdma_lena,bmp图像
(e)未受攻击提取的水印图像
图4原始图像
1.5 试验结果分析
从实验给出的测试图像和测试数据可以看出,本文算法对基本的图像处理具有很强的鲁棒性,从实验数据看出,处理后的图像与水印化图像的峰值信噪比有明显的降低,但是提取出的水印质量还是较好,尤其是对直方图均匀化、亮度和对比度的变化以及乘积噪声等攻击具有较强的抗干扰性。由于本文在嵌入水印之前把水印进行了置乱,所以使本论文对剪切处理具有较强的鲁棒性,对于横切处理,虽然提取的水印不是很清晰,但足以证明水印的存在性;零星剪切处理后,已经把人类感兴趣的部分切掉,由于剪切面积不是很大,所以,还能提起出水印,用视觉可以判断出水印的存在;对于中间纵切和中间剪切的图像处理,从攻击图像可以看出,人类感兴趣的重要部分基本完全切掉,只剩下背景部分,这样的图像已经没有应用价值,因此是否能提取出水印已经不是那么重要了,但是,根据本文算法,仍然提取了水印图像,只不过与原始水印
图像相比,PSNR值较小,但用肉眼也能勉强分辨出水印图像的内容。实验证明无论从所给出的图像质量评价指标来看,还是用视觉判断,都成功的实现了水印的提取。与文献[5]相比其鲁棒性有显著提高,特别是针对JPEG压缩和剪切攻击;同时由于本文利用到了自适应算法,使水印系统安全性与文献[5]相比有所提高。
本文算法也有不足之处,就是对图像的旋转测试不鲁棒,因为嵌入位置是固定的,待测图像旋转一定角度后,所有的图像数据都移位了,在检测时应用本文算法找不到所嵌入的起始位置,导致不能正确提取水印。但是利用Hough变换法进行直线提取其边缘,然后矫正其图像的旋转角度,矫正之后就可以提取水印了。
2 总结
本文针对二值(图像)水印,提出了一种在水印结构设计方面使用Gold码的扩频水印方法。为提高水印系统的鲁棒性,对原始水印图像在嵌入前进行了Arnold置乱处理;为增强水印系统的安全性,水印嵌入时使用了自适应嵌入,在得不到原始载体图像的情况下绝对得不到任何水印信息。与使用m序列或正交序列对作为扩频序列的方法相比,本文所提方法的优点在于,利用了Gold码地址数多、抗干扰力强的特点,使得水印系统在抵抗各种噪声、滤波和压缩等攻击方面具有更好的鲁棒性。
当然,对于水印信息的检测和恢复,本文所提方法需要原始载体图像参与,这可能会给实际应用带来不便,但可以通过进一步改进算法来实现盲提取。另外,本文提出的方案仍有其他需要研究之处,比如水印结构设计方面的扩频码长度、原始水印图像在嵌入前的置乱次数、扩频码分组策略等。
参考文献:
[1] 黄继武,谭铁牛.图像隐形水印综述[J].自动化学报,2000,26(5):645-655.
[2] Huang Jiwu,Shi Yun Q.An adaptive image watermarking scheme based on visu-al masking[J].IEEE Electronics Letters,1998,34(8):748-750.
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在当前,超宽带通信技术已成为各科研机构以及公司的研发重点,新的技术以及实现方案不断出现,成千上万的超宽带通信芯片以及演示系统不断问世。在IEEE802.16.2a、ECMA369
/368、IEEE802.15.5a等标准也已出台。它们有一个共同的缺点就是对功率谱密度的严格约束并不能确保超宽带通信在电磁兼容方面具有良好的性能,同时超宽带通信的速率与距离主要受三大因素约束:1)信号信道的容量大小;2)通信信息处理过程中的能量耗散;3)频率衰减等。同时,高速通信实现难度大以及通信过程中,功率耗散严重等因素同样制约着超宽带技术的发展与应用。从而使得超宽带通信技术在许多应用场景的优势并没有得到充分的体现。
本文就超宽带通信系统的实现模型,探讨其6种满足功率谱密度约束与6种不满足功率谱密度约束的应用场景,为后面改技术的应用以及优化提供借鉴。
1 方案实现原理
现在,可以通过多种路径实现超宽带通信。本节建立了超宽带通信实现方案的构架,从而可以对实现方案进行有效的分类以及效率评估。其实现方案的构架如图1。实现方案由各个功能相对独立的功能模块构成。以应用场景实际现场的需要,对各子功能块进行分类重组。同时,可合理调整模块顺序以及选择性地对模块进行配置,从而构成具有不同功能的应用场景实现方案[1]。
由图1可知,四大模块:1)基带调制;2)抗多路径处理;3)扩频;4)载波变频共同决定着超宽带通信系统的猪妖特征。而对于基带调制模块主要包括:PPM、BOK、PSK、PAM、OOK、QAM、FSK等7种工作形式;抗多路径的功能块的实现形式有4种:1)时域均衡(TDE);2)RAKE;3)OFDM;4)频域均衡(FDE)。扩频功能块的实现形式主要包括4种:1)直接序列扩频(DSSS);2)跳频扩频(FHSS);3)跳时扩频(THSS);4)线性调频扩频(CSS)。载波功能块的实现形式主要有3种:1)无载波(CF);2)多载波(MC);3)单载波(SC)。
2 应用场景
由于超宽带通信系统具有有限的发射功率,因而其难易实现远距离通信,同时其通信速率也被严重约束[2]。在超宽带通信系统的发射功率恒定时,虽然其通信链路预算是决定超宽带通信距离与速率的主要因素,但针对具体的应用场景,其特征又不尽相同。因系统的抗多径处理性能,扩频增益以及硬件芯片电路等可使系统的通信速率与距离在局部范围实现通信性能、实现难度以及功率损耗的最优配置,从而实现在实际的应用场景中具有一定的优势。采取该策略,在满足功率谱密度的小于-42.3dBm/MHz的约束的同时,6种应用场景如表1所示。对于功率谱密度处于8.8dBm/MHz的发射信号,不满足功率谱密度约束的应用场景,本文提出了6种实现方案如表2所示。值得注意的是,表中的通信距离与速率仅是点对点的全天线情况,对于多天线与定天线情形不予考虑。
表中标注:“R”为射频(Radio Frequency)电路;“P”为物理层(PHF)基带处理;“RP”为“R”+”P”的组合;“A”为通信芯片的有效面积,mm2。
3 结论
目前,超宽带通信技术已日趋成熟,但对于其应用场景的综合性能方面的分析还比较欠缺。本文以现有的研究为基础,对其实现方案的模型进行了详细的分析,同时以是否满足功率谱密度约束为条件,采用超宽带通信、速率以及功率损耗等作为主要的分析指标,提出了6种满足约束条件的该系统的实现方案的应用场景,对超宽带通信技术的应用提供了有力的参考依据。
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混沌扩频通信使用混沌序列代替扩频通信的PN 码，混沌序列的研究为选择扩频码开辟了新的途径。混沌是由确定性方程产生的，只要方程参数和初值确定就可以重现混沌现象，而且由于它对初值极端敏感，所以混沌过程既非周期又不收敛[3].从理论上，混沌序列是非周期序列，具有逼近于高斯白噪声的统计特性，并且混沌序列数目众多，更适合应用于扩频通信中作为扩频序列码。混沌系统有着对初始条件特别敏感的特点，对于一个确定的混沌系统，两个非常接近的初始条件（或参数）经过长时间发展后，可以输出完全不相关的结果。这样就可以很方便的产生出大量的不相关的混沌序列，只需通过简单的改变初始值。同时，这些混沌序列具有良好的相关特性，从有限长序列中不可能导出系统的初始条件，从而可达到保密通信的目的，这些特点使得混沌系统很适合于产生扩频通信中系统性能优良的扩频序列。由此，本文用混沌序列作为扩频序列进行了扩频通信系统的Simulink 建模仿真，仿真结果验证了该方法的正确性，先进性。
2 混沌扩频的基本原理
2.1 混沌扩频通信系统的框图设计
该扩频系统的原理框图如图1 所示，它按功能主要可以分为5 个部分：混沌序列产生部分、扩频调制部分、信道部分、解扩部分和误码比较部分。信号在系统的处理过程为：
（1）先由信源端随机生成准备传送的有用信号，有用信号经过信息调制形成数字信号。
（2）然后由混沌序列生成模块产生混沌序列去调制数字信号以展宽信号的频谱，将扩展频谱的宽带信号经信道传送，叠加上信道噪声。
（3）经过信道传送以后，由本地产生的与发送端相同的混沌序列去完成相关检测，即将收到的宽频信号进行解扩。
（4）经过解扩的信号再经过信息解调，恢复出发送的信号。将恢复出的信号与发送端的原始信号同时送入误码比较器进行比较，计算出系统的误码率。
2.2 混沌序列性质分析
目前应用于产生扩频伪随机序列码的混沌映射主要有：Logistic 映射、改进型Logistic映射、Chebyshev 映射和Tent 映射。这几种混沌映射都属于离散时间混沌系统，是目前研究较为集中的几种映射。本文中选用Logistic 映射动力方程[4].它具有很好的自相关性和互相关抑制性。 对于保密通信而言，既要求对初值的敏感性又要求信号的随机性，敏感性越强同时随机性越好，则保密性越强。这些特性可由概率统计特性均值、自相关和互相关性来定量描述。
当混沌序列无限长时，Logistic 序列的自相关特性和白噪声是一致的。Logistic 序列越长，互相关性越好。在码分多址系统中，最主要的干扰是多址干扰，衡量抗多址干扰能力的主要指标主要是码间互相关性的大小。利用概率密度函数，可以计算得到所关心的一些统计特性p（x）关于偶对称，自相关函数近似为δ 函数，互相关为零。其概率统计特性与白噪声一致，适合于在保密通信中的应用。
2.3 混沌序列与PN 序列的比较
在扩频通信系统中，大都采用线性或非线性移位寄存器产生的伪随机码作为扩频序列，例如，m序列和Gold 序列。然而，这些序列码集中的码个数都很有限。在具有大容量的CDMA通信系统中，这些序列的数量远远满足不了容量的要求。另外，他们提供的保密性也很有限，容易破译。根据以上所述的混沌序列的特性，可将混沌序列代替一般的伪随机序列来作为扩频系统的扩频序列，即所谓的混沌扩频序列。
使用混沌扩频序列主要有以下几个优点[5]: （2）混沌序列容易产生和存储。混沌序列只需要一个模型和初始条件就可以产生，而m序列、Gold 码等PN 序列，由多级移位寄存器或其它延迟元件通过线性反馈产生，要获得不同的随机序列，必须对其产生的随机二进制序列进行缓存，不如混沌序列产生方便。
（3）混沌序列对初始参数极其敏感，即使对相差为10?6的两个初值，经过混沌模型数次迭代后产生的序列也将变得毫不相关，这样可通过混沌模型产生大量不相关的序列。而m序列和Gold 码序列长度只能固定，并且序列的数量有限。
（4）混沌序列的保密性要好于PN 序列。混沌序列具有确定的、随机的和不可预测的特征，并且具有连续宽频谱特征。混沌系列没有周期，类似于一个随机过程，且任意截取一段序列，均不能预测出整个序列，不同于普通扩频系统中的伪随机序列。
可见，混沌序列用于扩频调制，理论上可以进一步改善其性能。
3 MATLAB/SIMULINK 简介
MATLAB 是美国Mathworks 公司生产的一个为科学和工程计算专门设计的交互式大型软件，是一个可以完成各种精确计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。MATLAB软件包括两大部分：数值计算和工程仿真。其数值计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功能；在工程仿真方面，MATLAB 提供的软件支持几乎遍布各个工程领域，并且不断加以完善。SIMULINK 是基于框图的仿真平台，它挂接在MATLAB 环境上，以MATLAB 强大的计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算。在SIMULINK 环境下使用通信系统仿真模块库中的模块，可以很方便的进行通信系统的仿真，直观的图形输出让我们可以很清楚地看到仿真结果。
4 混频扩频系统的建模与实现
4.1 混沌扩频通信系统的仿真模型设计
在 simulink 环境下，在通信系统仿真模块库中选择本系统仿真所需要的各个模块，搭建仿真模型，如图3 所示。
4.2 系统仿真结果与性能分析
5 结论
本文给出了一种基于MATLAB/SIMULINK 的混沌扩频通信系统的仿真模型，验证了基于混沌序列的扩频通信系统的工作机理。从仿真的结果中的误码率和信号波形两个方面都可以验证利用混沌序列进行扩频通信是一种更为优良、可靠的通信传输手段。本文所设计的仿中国科技论文在线真框图，具有良好的性能和可视化的优点，下一步可以研究具有自适应特性的、对调制方式、载波数、扩频码的参数可以适时更改的、更加智能化和实用化的混沌序列扩频通信系统。随着第三代通信的发展，保密传输变得越来越重要了，混沌序列直接扩频提供了比传统的扩频系统更好安全性[7].比如非周期性、对初始值及参数的敏感性、非二元性、伪随机性等都在传输安全中有更好的优越性，再加上混沌序列具有无穷的多样性，从而为通信质量和系统容量的提高奠定了理论基础[8, 9]。
[2] 胡健栋，郑朝辉等。码分多址与个人通信[M].北京人民邮电出版社，1996.
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目前，我国大型石化企业在厂内的通讯方式，一般仍然采用传统的有线传输方式，即依靠有线通讯电缆来传输信号，配合以传统的程控交换机和防爆电话，防爆扬声器等等设备终端来实现在防爆区与非防爆区之间的通讯。这样的通讯系统庞大，线缆众多不易于人员维护，加之厂区内部腐蚀性气体，工作环境，自然环境等经年累月极容易造成设备的线缆损坏，影响通讯，由于是有线电缆连接在事故发生时更加容易遭受破坏。一旦通讯中断，对企业的事故救援，员工的人身安全，都造成巨大的损失。所以要大力发展无线通讯网络在企业的应用。 1、无线通讯技术的重要作用
石化工厂厂区面积大，人员分布散，防爆区内移动作业人员和零散作业人员众多。无线通讯系统对满足人员通讯需要，加强防爆区内分布人员的动态管理，优化厂区网路结构，实现企业安全生产，调度指挥的有线，无线互联互通，相互结合的信息传递，保证企业安全高效的生产具有十分重大的现实意义。
2、常用的无线通讯技术分析
目前广泛应用的无线通讯技术主要有GPRS/CDMA、数传电台、扩频微波、无线网桥及卫星通信、短波通信技术等。 2.1 数字电台用于点对点或点对多点的工作环境，能够提供标准RS-232接口，可直接与计算机、RTU、PLC等数据终端连接，实现透明传输。数传电台的传输速率从1200～19.2Kbit，传输距离20～50公里。具有抗干扰能力强、接收灵敏度高等特点。数传电台技术比较成熟，标准统一。但随着GPRS/CDMA技术的日渐成熟，相应的设备价格的降低，使得在很多应用场合中数传电台被GPRS/CDMA所取代。但同时，数传电台的相关技术也在不断发展，智能化、网络化、高带宽的数传电台也不断涌现。
2.2 扩频微波和无线网桥技术是近几年兴起的一门数据传输技术。扩频微波最大优点在于较强的抗干扰能力，以及保密、多址、组网、抗多径等，同时具有传输距离远、覆盖面广等特点，特别适合野外联网应用。而无线网桥是无线射频技术和传统的有线网桥技术相结合的产物。无线网桥是为使用无线（微波）进行远距离数据传输的点对点网间互联而设计。它是一种在链路层实现LAN互联的存储转发设备，可用于固定数字设备与其他固定数字设备之间的远距离（可达50km）、高速（可达百Mbps）无线组网。这两项技术都可以用来传输对带宽要求相当高的视频监控等大数据量信号传输业务。
3、短距离无线通讯技术简介
“蓝牙（Bluetooth）”是一个开放性的、短距离无线通讯技术标准，也是目前国际上最新的一种公开的无线通讯技术规范。它可以在较小的范围内，通过无线连接的方式安全、低成本、低功耗的网络互联，使得近距离内各种通讯设备能够实现无缝资源共享，也可以实现在各种数字设备之间的语音和数据通讯。由于蓝牙技术可以方便地嵌入到单一的CMOS芯片中，因此特别适用于小型的移动通讯设备，使设备去掉了连接电缆的不便，通过无线建立通讯。 蓝牙技术以低成本的近距离无线连接为基础，采用高速跳频(Frequency Hopping)和时分多址(Time Division Multi-access—TDMA)等先进技术，为固定与移动设备通讯环境建立一个特别连接。作为一个新兴技术，蓝牙技术的应用还存在许多问题和不足之处，如成本过高、有效距离短及速度和安全性能也不令人满意等。但毫无疑问，蓝牙技术已成为近年应用最快的无线通讯技术，它必将在不久的将来渗透到生活的各个方面。
4、超宽带(UWB)技术研究
超宽带(Ultra-wideband—UWB)技术起源于20世纪50年代末，此前主要作为军事技术在雷达等通讯设备中使用。随着无线通讯的飞速发展，人们对高速无线通讯提出了更高的要求，超宽带技术又被重新提出，并倍受关注。UWB是指信号带宽大于500MHz或者是信号带宽与中心频率之比大于25%的无线通讯方案。与常见的使用连续载波通讯方式不同，UWB采用极短的脉冲信号来传送信息，通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间。因此脉冲所占用的带宽甚至高达几GHz，因此最大数据传输速率可以达到几百分之一。在高速通讯的同时，UWB设备的发射功率却很小，仅仅是现有设备的几百分之一，对于普通的非UWB接收机来说近似于噪声，因此从理论上讲，UWB可以与现有无线电设备共享带宽。UWB是一种高速而又低功耗的数据通讯方式，它有望在无线通讯领域得到广泛的应用。UWB的特点如下：
4.1 抗干扰性能强：UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。 4.2 传输速率高：UWB的数据速率可以达到几十Mbit/s到几百Mbit/s，有望高于蓝牙100倍。 4.3 带宽极宽：UWB使用的带宽在1GHz以上，高达几个GHz。超宽带系统容量大，并且可以和目前的窄带通讯系统同时工作而互不干扰。 4.4 消耗电能少：通常情况下，无线通讯系统在通讯时需要连续发射载波，因此要消耗一定电能。而UWB不使用载波，只是发出瞬间脉冲电波，也就是直接按0和1发送出去，并且在需要时才发送脉冲电波，所以消耗电能少。 4.5 保密性好：UWB保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法接收。 4.6 发送功率非常小：UWB系统发射功率非常小，通讯设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通讯。低发射功率大大延长了系统电源工作时间。 4.7 成本低，适合于便携型使用：由于UWB技术使用基带传输，无需进行射频调制和解调，所以不需要混频器、过滤器、RF/TF转换器及本地振荡器等复杂元件，系统结构简化，成本大大降低，同时更容易集成到CMOS电路中。
5、结束语
总之，无线通讯方式由于其建立物理链路简单易行，成本低，可以根据现场需求及时调整项目方案，灵活性好，系统的功能扩展方便，因此特别适合石化行业对通信链路的要求。
参考文献
[1]方旭明，何蓉.短距离无线与移动通讯网络[M].北京：人民邮电出版社，2004.
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一、 超短波通信技术发展的现状
超短波电台在开始发展的时候体积较大，主要应用于机载、车载、舰载或固定通信台站。在现代，超短波电台一般使用的是电子管，只有VHF频段，通过电容或电感调谐放大，激励器通过转接多个倍频和滤波，促进多波道的实现。在器件和技术的限制下，超短波电台在使用过程中存在的问题比较多，例如可靠性差、维护检修困难等问题。
随着电子元器件技术的发展，超短波电台具有以下几点更加显著的优势：一是采用频率合成器和电子存储等先进设备，从而提高了稳定性;二是采用合成射频功率，发射功率可以提高;三是采用自动增益、自动电压等控制电路可以使整机的可靠性得以提高。目前随着大量通信新技术的发展，超短波的应用也越来越广泛，并在应用中不断完善，逐步实现了全频段和模块化结构以及大规模集成，并可以进行传输保密性信息。现在已经研制出新一代的电台，具有体积更小、集成化更高以及重量轻的优势，并且使频段得到了扩展，促进了通信技术的进一步发展。
二、 超短波通信新技术的概述
无线通信技术已经在我国的各个领域得到了越来越广泛的应用，其电磁信号的密度大量增加，导致电磁环境变得复杂，这需要超短波具有更强的抗干扰性功能。以下介绍了几种超短波通信新技术：
1、 扩频通信技术
扩频通信技术就是将频谱通信进行扩展，它是通过扩展函数将传输信息的频谱扩展为宽频信号，接收端接收到信号之后把频谱进行还原，以此来获得信息的一种通信方式。这种通信方式可以把相关信息隐藏在噪声电平中，这样很难使敌方发现信号，实现了抗干扰性的目的。在扩频通信中需要对扩频方式进行合理的选择，一般采用的是混合扩频方式与混沌直接序列扩频方式。混合扩频方式的优点是可以不受宽带、单频和中继转发干扰;混沌直接序列扩频方式的优点是，可以有效控制系统的误差，在保持其误差不变的前提下，可以抵抗对二进制混沌直接序列扩频信号进行检测的解扩方式，确保信息传输的安全性。
2、 跳频通信技术
为了使通信的抗干扰性功能进一步提高，研发了跳频通信技术，并被广泛使用。跳频通信技术就是通信双方的载波频率与伪随机码同步变化[1]。使用这种技术可以发挥抗干扰的作用，同时还可以使信息被截获的概率有效降低。如果采用的是稳定性较强的视距传播方式的超短波技术，可以实现宽频段或全频段跳频。另外，为了在通信中获得有效的对抗效果，可以选择折中方式，可以有效获取最好的系统性能。例如为了使反应速度更快，可以增大发射功率，为了加强跳频对抗性能，可以增加信号宽带。跳频通信技术还有跳速高频段集全等优势，它是抗干扰性通信中主要采用的技术。
3、 通信反对抗技术
随着微电子技术的不断发展，微处理器在通信系统中的应用也越来越广泛。由于目前的病毒程序逐渐猖獗，给通信系统带来了很大干扰，并可以通过无保护通信进入指挥控制中心，所以一些发达国家正在研制潜伏式进攻装备。为了阻止病毒入侵，超短波电台采取了辅助天线对抗的对策，即零位天线调整器，它可以对传输信号与干扰信号进行自动识别，从而使其抗干扰性能得到了有效提高。
4、 自适应通信技术
通信的最基本的要求就是在短时间内建立联络，自适应通信技术的实施可使超短波具备自适应的能力，可以不受环境影响而进行有效地通信。自适应通信技术主要有两个环节，就是检测预置信道(自动信道检测)与对最佳的工作效率进行自动选择(自动频率选择)。不受外界因素的干扰，并可以增强抗干扰能力，同时还可以对中断的线路进行自动接通和恢复。自适应通信技术可根据信道质量的好坏来对传输速率进行合理选择，同时还可以使误码率得到有效降低。自动调整输出功率，以此来提升通信的效率[2]。
三、 超短波通信新技术的发展趋势
随着人们对通信需求的提高，超短波通信技术也跟着进一步发展起来[3]。使其通信设备在原有基础上不断智能化、模块化、微型化和综合化的方向发展。
1、 智能化
超短波电台采用微控制器作为主控单元，使结构简单化，也提高了可靠性。在其功能中增加了智能化，使超短波电台实现地址、工作方式和频率以及密钥等通信参数的预制和静噪自动调整、故障自动检测和定位、工作方式自动调换和天线参数自动匹配以及自适应通信等。
2、 模块化
超短波电台的型号及种类有很多，这给电磁频谱管理等方面带来了一定的不便，所以需要超短波技术在发展中做好合理的规划。其中功率合成技术是目前较为成熟的技术，按照功率等级将各种功率设计成积木式模块，在通信时可按需求形成各种功率的电台，促进在不同距离中无线通信联络任务的顺利完成。
3、 微型化
近年来较为成熟的新技术主要包括表面安装技术和微带技术以及片状元件。其中微带技术中的微带线具有频带宽、器件匹配合理、体积小和成本低等优势;片状元件的体积比较小，重量比较轻;表面安装技术可对片状元件进行快速安装的一种技术，它可以通过一条自动化流水线而完成任务。根据这些超短波通信新技术的优势，可以使电台的频率提高、安装速度加快、降低成本、功能消耗减小、便于辅助设计及制造等。
4、 综合化
在通信中通过各种业务多样化的需求，也对超短波功能有了综合化的需求。随着超短波综合化的迫切需求，指出了一部超短波电台需要具备通话和电报以及图像的功能。各种通信业务，同时可以采用调频、数据、调幅、单边带以及保密话等多样化的工作形式。
结束语
随着超短波通信业务量的不断增加，也推动了超短波新技术的发展，而且其应用也越来越广泛，在无线电通信领域中的地位也跟着逐步提高。超短波通信新技术在发展中不断完善，使其新技术开始逐步走向成熟，在未来的超短波通信技术的应用中，必将在各个通信领域中发挥其越来越大的作用。
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在油田偏远油区生产过程中，对相关生产参数及油井视频进行远程监控对偏远油井的安全生产起着至关重要的作用。但由于偏远油区装置远离油田总部，应用有线的通讯方式，施工困难且周期长、灵活性差。而无线通讯方式由于其建立物理链路简单易行，成本低，可以根据现场需求及时调整项目方案，灵活性好，系统的功能扩展方便，因此特别适合偏远油区对通信链路的要求。
2常用的无线通讯技术
目前在油田现场广泛应用的无线通讯技术主要有GPRS/CDMA、数传电台、扩频微波、无线网桥及卫星通信、短波通信技术等。
其中GPRS和CDMA技术中国移动和中国联通公司的主营数据传输业务，在数据传输方面有着很强的优势，即信号覆盖范围广。对于陆上油田生产区域基本完全覆盖。但由于海上油田地理位置特殊，远离陆地的基站，因此很多海上生产平台还无法为GPRS/CDMA信号完全覆盖。此外经过测试，GPRS的平均速率为20kbit/s～40kbit/s，CDMA的平均速率为80kbit/s～100kbit/s，可以满足传输小数据量的生产数据要求，但无法满足大数据量的信号（例如视频信号）远程无线传输。虽然有利用CDMA技术进行视频信号传输的案例，但效果并不理想。
数字电台用于点对点或点对多点的工作环境，能够提供标准RS-232接口，可直接与计算机、RTU、PLC等数据终端连接，实现透明传输。数传电台的传输速率从1200～19.2Kbit，传输距离20～50公里。具有抗干扰能力强、接收灵敏度高等特点。数传电台技术比较成熟，标准统一，一直以来广泛用于油田的数据遥测/数据采集与监控(SCADA)项目中。但随着GPRS/CDMA技术的日渐成熟，相应的设备价格的降低，使得在很多应用场合中数传电台被GPRS/CDMA所取代。但同时，数传电台的相关技术也在不断发展，智能化、网络化、高带宽的数传电台也不断涌现。结合数传电台误码率低、信道可靠的特点，数传电台必将成为海上油田通信技术应用的可靠选择。
扩频微波和无线网桥技术是近几年兴起的一门数据传输技术。扩频微波最大优点在于较强的抗干扰能力，以及保密、多址、组网、抗多径等，同时具有传输距离远、覆盖面广等特点，特别适合野外联网应用。而无线网桥是无线射频技术和传统的有线网桥技术相结合的产物。无线网桥是为使用无线（微波）进行远距离数据传输的点对点网间互联而设计。它是一种在链路层实现LAN互联的存储转发设备，可用于固定数字设备与其他固定数字设备之间的远距离（可达50km）、高速（可达百Mbps）无线组网。这两项技术都可以用来传输对带宽要求相当高的视频监控等大数据量信号传输业务。
例如，对于远离陆地且无法进行中继的海上平台，通讯链路只能通过卫星通信和短波通讯。其中卫星通信范围大，只要卫星发射的波束覆盖进行的范围均可进行通信。不易受陆地灾害影响，建设速度快，易于实现广播和多址通信等等优点。但其运行费用相对昂贵，且系统维护要求高。短波通讯以往只在军事通信、专业通信、业余通信中发挥着极为重要的作用，因其传输速率低、噪声大，电离层反射天波为主，通常不能稳定的使用固定频率工作等缺点，因此在其他领域已慢慢淡出人们的视线。尽管短波通信存在一些缺陷，但对于海上油田而言，短波通讯作为可靠性高、覆盖区域广的通信方式，用于海上平台的紧急通信及小数据量传输应该是一个比较好的选择。
3环境因素对技术应用的影响
偏远油区的环境因素以以海上油田最为特殊。海上油田除了考虑信道带宽，传输数率，传输距离，发射功率，天线要求等通信设备本身的技术参数外，在应用无线通讯技术的过程中，还必须全面地考虑海上平特的地理环境与地理条件对无线通信技术应用的影响。
3.1对信号传输的影响
可以通过选取性能好的设备或应用抗干扰措施以减少甚至避免干扰。但无线通信过程中的信号衰落问题则是普遍存在的，而且是不可避免的。由于海上油田远离陆地，与陆地之间的广阔的海域、多变的气候使得在陆上应用效果很好的技术在海上应用时没有了用武之地。
微波在空间传播中将受到大气效应和地面效应的影响，导致接受机接受的电平随着时间的变化而不断起伏变化，我们把这种现象称为衰落。从衰落的物理因素来看，可以分成以下几类：吸收衰落、雨雾衰落、K型衰落、波导型衰落、闪烁衰落等等。在各种衰落因素中，吸收衰落、雨雾衰落及K型衰落对海上油田的无线通信应用影响较大。
3.2对技术应用的影响
各项通信技术在海上油田应用中还存在的另外一个问题就是其独特的现场环境。海上平台一般空间狭小，还要考虑海上多风，平台最高点一般较低的特点。
首先是对天线安装的限制。海上微波通信受地形地貌影响，相同的通信距离要求两端天线的高度更高。对于卫星通信、扩频微波、短波通信等天线体积较大的应用，由于海上风力较大，抗风性的要求也使得设备在小平台的安装变得十分困难。
此外，对于无人值守的平台，设备必须具有高可靠性、可自动维护、参数远程设置等功能。而对于卫星通信、短波通信等要求平台上配备专业管理操作人员进行设备的管理维护，这一特点也为技术的应用带来一定的限制。
4无线网桥技术在海上平台视频监控中的应用
在实际的现场应用中，我们选取了基于5.8G无线网桥设备进行了现场应用测试。测试地点为浅海油井，测试内容为4路视频监控图像的传输。该系统具体解决方案是利用摩托罗拉Canopy5.8G无线网桥建立通信链路。在平台一侧首先通过视频服务器将模拟视频信号转化为可在网络传输的IP数据流，之后由无线网桥将信号传输到陆地端。陆地端一侧通过无线网桥进行接收后由视频监控服务器处理后，对视频信号进行录像存储及Web。相关用户可依据相应权限在局域网内进行视频图像的浏览、录像等操作。
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本论文主要针对移动业务运营支撑系统在面向3G多媒体业务平台时所需要进行的转变及设计展开分析讨论，以期给出一些可供借鉴的平台建设方案和技术指导，并与同行分享。
2 3G多媒体业务支撑平台要求分析
3G网络所支持的业务与2G网络相比有较大的变化，从基本的语音业务拓展到多媒体业务，新业务的特点对业务支撑系统提出了新的要求：
2．1 业务捆绑
3G业务众多，针对用户的消费习惯细分客户群，推出各种捆绑业务和服务营销包，业务支撑系统需要支持业务捆绑打包销售。
2．2 更灵活的计费方式
3G业务增加了对QoS的要求，除了要实现传统的实时计费和按内容计费模式外，业务支撑系统还需要将QoS作为计费要素之一。业务支撑系统还需要根据不同业务采用按时长、流量和使用次数等方式计费。3G的计费采集点众多，协议复杂。业务支撑系统应该能够统一而不失灵活性地计费。
3 移动业务运营支撑系统的设计及实现分析
3．1 基于软交换技术的业务支撑平台开发
3．1．1 平台的软交换开发
随着计算机和通信技术的不断发展，通过在一个公共的分组网络中承载话音、数据、图像已经被越来越多的运营商和设备制造商所认同。在这样的业务驱动和网络融合的趋势下，诞生了NGN(Next Generation Network)下一代网络模型，实现在分组网络中，采用分布式网。
网管中心软交换综合网管系统遵循TMN系列规范设计，分为网元管理层、网络管理层和业务管理层等功能层次。软交换体系各种设备都提供相应的管理器，实现设备的本地操作维护功能，同时在网管系统中可基于SNMP管理协议与TELNET实现对各设备的集中管理，包括相关参数的指配。
3．1．2 多媒体业务的平台实现
在对3G多媒体业务平台的设计布置中，采用WCDMA3G平台协议，其中WCDMA系统设置了WAP网关、LCS定位服务平台、MMS、Java平台、短信中心和网关、流媒体服务器；CDMA2000系统设置了定位平台、Java平台、多媒体邮件平台、流媒体平台、WAP平台、可视电话平台、BREW平台以及短信中心和网关。其中的多数业务平台对于不同的3G技术是可以共用的，具体情况如下：
短信系统通过信令网与3{3网络相连。WCDMA中，短信系统可以与核心网MSC相连，也可以通过Gd接口与SGSN相连。CDMA2000中，短信系统只与核心网MSC相连，由于WCDMA与CDMA2000所支持的信令协议不同，2种技术应分别设置短信系统。
定位业务既可以通过信令网也可以通过IP网连接3G网络。由于WCDMA与CDMA2000网络所支持的协议不同，而且WCDMA、TD-SCDMA与CDMA2000在无线定位的实现方式上各不相同，3种技术应分别设置。
WAP、Java、彩信、流媒体等同属于口网上开展的业务，它们对不同技术的网络所支持的IP协议是通用的，只要承载在同一个IP平台上，3种技术能够实现业务平台共享。
3．2 运营平台对多媒体业务的接入设计
3G时代相比于2G时代，移动多媒体业务成为了应用的主流，这也是3G的魅力所在。然而，要实现多媒体数据业务与平台的接入，在目前的3G网络平台中也不是那么容易实现的。为此，本论文主要讨论HSDPA(高速下行分组接入)多媒体数据的接入，从而实现3G平台的多媒体业务运营支撑。
HSDPA的基本原理是在R99的空中接口体系中，数据重传方式是由RNC来负责完成的，数据重传需要绕经Iub接口。数据重传的周期较长~NodeB仅仅起到一个根据RNC的指令完成物理层编码、传输的功能，NodeB本身基本不具有对物理资源的控制和调度能力，而在HSDPA中，为了在空中接口上实现更大的吞吐能力，对NodeB的功能进行了增强，在NodeB的层面引入了物理层重传和快速资源调度的概念，通过在更靠近空中接口的NodeB上引入这些原本只RNC才具有的功能，加快了重传以及对空中资源调度的效率。
为了实现HSDPA的功能特性，以及更好的完善移动多媒体数据在平台上的介入，需要在物理层规范中引入设计三种新的物理信道：
3．2．1 高速下行链路共享信道(HS-DSCH)
在下行链路上，传输用户的业务数据。采用固定的扩频因子，由于需要给公共信道、HS-SCCH及相关的DCH预留可用的信道码，所以最大可用信道数为15。传输时间间隔定义为2 ms(3个时隙)，远小于R99中规定的10 ms、20 ms等长度。从而大大缩短了数据重传时终端和NodeB之间的往返时延。
3．2．2 高速下行共享控制信道(HS-SCCH)
在下行链路上，传送HSDPA的专用信令，如传输格式和系统资源指示等；采用固定的扩频因子SF=128，每个终端最多可以同时监测4个HS-SCCH。
3．2．3 高速专用物理控制信道(HS-DPCCH)