遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中DS/FH混合擴(kuò)頻技術(shù)研究

謝艷輝

(魯東大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院,山東煙臺(tái)264025)

0 引言

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是利用現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)和高科技產(chǎn)品,對(duì)生產(chǎn)、生活中的重要場(chǎng)所進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制,以達(dá)到綜合防范的一種手段。隨著遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化方向的邁進(jìn),其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院拖到y(tǒng)穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高。

DS/FH混合擴(kuò)頻通信技術(shù)兼?zhèn)渲苯有蛄袛U(kuò)頻和跳頻的優(yōu)點(diǎn)[1-3],具有良好的抗噪聲干擾、抗多徑效應(yīng)和抗遠(yuǎn)近干擾等方面的能力,可大大提高系統(tǒng)的通信效率和穩(wěn)定性,因此研究基于DS/FH混合擴(kuò)頻通信技術(shù)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。本文闡述了DS/FH混合擴(kuò)頻通信技術(shù)在遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的工作原理,詳細(xì)分析了寬帶阻塞干擾、多徑效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響,通過(guò)SYSTEMVIEW仿真軟件進(jìn)行了仿真分析,為實(shí)際系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)提供了一定的依據(jù)。

1 DS/FH混合擴(kuò)頻通信技術(shù)

擴(kuò)頻技術(shù)是將要發(fā)送信號(hào)的頻譜擴(kuò)展到很寬的頻帶上,然后在接收端利用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò),恢復(fù)成原來(lái)的窄帶信號(hào)。常用的擴(kuò)頻技術(shù)分為直接序列擴(kuò)頻(DS-SS)、頻率跳變擴(kuò)頻(FH-SS)、時(shí)間跳變擴(kuò)頻(TH-SS)、線性脈沖調(diào)頻及各種混合擴(kuò)頻系統(tǒng)[4]。直接序列擴(kuò)頻和頻率跳變擴(kuò)頻是應(yīng)用最多的2種擴(kuò)頻技術(shù),將2種擴(kuò)頻方法結(jié)合起來(lái)就構(gòu)成了DS/FH混合擴(kuò)頻技術(shù)。

DS/FH混合擴(kuò)頻技術(shù)是在直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的基礎(chǔ)上增加載波頻率跳變的功能[5]。發(fā)送端發(fā)射的信號(hào)首先被偽隨機(jī)碼Ⅰ擴(kuò)頻,然后去調(diào)制由偽隨機(jī)碼Ⅱ控制的頻率合成器產(chǎn)生的載頻,被放大后發(fā)送出去。在接收端,接收到的信號(hào)首先進(jìn)行解跳,得到的固定頻率的直擴(kuò)信號(hào)之后進(jìn)行解擴(kuò),最后送至解調(diào)器將原始的信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。

本文研究的系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制方式,發(fā)射信號(hào)的表達(dá)式可以表示為:

式中,d(t)為信源產(chǎn)生的二進(jìn)制雙極性碼流,d(t)∈ ±1;c(t)為PN序列產(chǎn)生器Ⅰ產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列,c(t)∈ ±1_;fk為在PN序列產(chǎn)生器Ⅱ控制下的頻率合成器產(chǎn)生的載頻,且fk∈{f1,f2,…,fn};A為載波的幅度。

在接收端接收的信號(hào)為:

式中,n(t)為信道中的高斯白噪聲分量;J(t)為信道中的干擾噪聲分量。

DS/FH混合擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,由于實(shí)際的部分系統(tǒng)所處環(huán)境惡劣,地形復(fù)雜,而且監(jiān)控區(qū)較大,監(jiān)控點(diǎn)多而且分散,導(dǎo)致遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中無(wú)線通信的顯著特點(diǎn)之一為信號(hào)傳播的路徑非常長(zhǎng),信號(hào)在傳輸過(guò)程中除了有衰減之外,還會(huì)受到各種干擾的影響,這些干擾包括寬帶阻塞干擾、部分頻帶干擾、單頻多頻連續(xù)波干擾、脈沖干擾和多徑干擾等。本文主要討論寬帶和多徑干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響,并在SYSTEMVIEW環(huán)境下進(jìn)行仿真。

2 寬帶阻塞干擾分析與仿真

與其他擴(kuò)頻通信系統(tǒng)一樣,在本文研究的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)寬帶干擾為占據(jù)了整個(gè)混合擴(kuò)頻帶寬(WDS/FH)的高斯白噪聲,且其在整個(gè)帶寬范圍內(nèi)均勻分布。設(shè)寬帶的總功率為J,則其功率譜密度為:

若在接收端接收的信號(hào)功率為S,每比特信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為T(mén)d=1/Rd(Rd為信息速率),則每比特信息的能量為:

從而得出整個(gè)混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的信噪比為:

式中,WDS/FH/Rd為整個(gè)混合擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益,其表達(dá)式為:

式中,GDS為系統(tǒng)中直接序列擴(kuò)頻部分的增益;GFH為系統(tǒng)中跳頻部分的增益,且GFH=M(M為跳頻點(diǎn)數(shù))。而對(duì)于BPSK調(diào)制系統(tǒng)其誤碼率為[6]:

對(duì)于混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)由于寬帶干擾在整個(gè)帶寬范圍內(nèi)均勻分布,所以其誤碼率表達(dá)式與式(7)相同。

根據(jù)以上分析,利用SYSTEMVIEW軟件在寬帶阻塞干擾下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,仿真參數(shù)如下:

碼元速率:10 bit/s;

偽隨機(jī)碼1速率:50 bit/s;

跳頻速率:50跳/s;

跳頻點(diǎn)數(shù):16;

信道間隔:100 Hz;

跳頻帶寬:1 500 Hz;

調(diào)制方式:BPSK。

仿真圖如圖1所示。

圖1 仿真結(jié)果

圖1中第1路信號(hào)為信號(hào)源經(jīng)混合擴(kuò)頻后的波形,原始信號(hào)頻譜被擴(kuò)展,并且信號(hào)的頻率按一定的規(guī)律跳變,第2路信號(hào)為混合擴(kuò)頻后的波形信道中高斯白噪聲的疊加,可以看出噪聲已經(jīng)完全淹沒(méi)了有用信號(hào)。

圖1第3路、第4路為當(dāng)信道中的有用信號(hào)被噪聲淹沒(méi)后,系統(tǒng)原始信號(hào)與接收信號(hào)?？梢钥闯鲂盘?hào)得到了完全恢復(fù),說(shuō)明DS/FH混合擴(kuò)頻系統(tǒng)具有較高的抗干擾能力。

圖2為混合擴(kuò)頻系統(tǒng)、BPSK系統(tǒng)BER-SNR曲線圖。

圖2 BPSK、混合擴(kuò)頻系統(tǒng) BER-SNR曲線圖

從圖2中可以看出,混合DS/FH擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾能力大大加強(qiáng)。在滿足相同誤碼率的條件下,混合DS/FH擴(kuò)頻系統(tǒng)的信噪比比傳統(tǒng)BPSK系統(tǒng)低約19 dB(等于混合擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益)。曲線的誤差是由于仿真過(guò)程中受計(jì)算機(jī)硬件及仿真軟件本身的制約,由于不能取得足夠的采樣點(diǎn)數(shù)造成的結(jié)果。

3 多徑干擾分析與仿真

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)地域廣闊,地形復(fù)雜,信號(hào)在傳播的過(guò)程中會(huì)遇到各種障礙物(高山、樹(shù)木、建筑物等)而引起不同程度的反射而產(chǎn)生多徑效應(yīng),導(dǎo)致接收端接收到的信號(hào)為具有不同衰減和時(shí)延的來(lái)自多條路徑的信號(hào)之和,即為直射分量與反射分量之和。若多徑干擾數(shù)為N,則接收端接收信號(hào)的表達(dá)式為:

式中,i=0表示接收的信號(hào)為直射分量;Ai為各條路徑的信號(hào)到達(dá)接收端之后信號(hào)的幅度;τi為各條路徑的信號(hào)到達(dá)接收端之后延遲的時(shí)間。

接收信號(hào)經(jīng)過(guò)解跳、解擴(kuò)、解調(diào)后,信號(hào)變?yōu)?

濾除高頻分量最終信號(hào)的輸出為:

式中,第1項(xiàng)為有用信號(hào),第3項(xiàng)、第4項(xiàng)中n(t)、J(t)與信源端擴(kuò)頻碼不相關(guān)且與系統(tǒng)中的跳頻部分載頻變化規(guī)律不一致,經(jīng)過(guò)濾波器之后,其影響可以忽略。第2項(xiàng)為多徑干擾信號(hào)之和,從式中可以看出其對(duì)有用信號(hào)的影響與擴(kuò)頻碼的自相關(guān)函數(shù)與加入調(diào)制信息之后的本地信號(hào)之間的互相關(guān)函數(shù)有關(guān),對(duì)第2項(xiàng)進(jìn)行簡(jiǎn)化得:

對(duì)于擴(kuò)頻碼(周期為P)的自相關(guān)函數(shù)為:

與式(10)中有用信號(hào)項(xiàng)比較可以看出,Tc≤≤(P-1)Tc時(shí),多徑干擾信號(hào)的幅度變?yōu)樵夹盘?hào)的1/P,功率變?yōu)樵瓉?lái)的1/P2,可以看出其具有很強(qiáng)的抗多徑干擾能力。

基于上述分析,利用SYSTEMVIEW軟件在多徑干擾下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,系統(tǒng)原始發(fā)送信號(hào)與接收端接收信號(hào)比較圖如圖3所示。

圖3 多徑干擾下仿真結(jié)果

圖3中第1路、第2路為多徑干擾路數(shù)等于2,τ1=0.04 s,τ2=0.08 s時(shí)系統(tǒng)的原始信號(hào)與接收信號(hào),第3路、第 4路為多徑干擾路數(shù)等于 2,τ1=0.002 s,τ2=0.01 s時(shí)系統(tǒng)的原始信號(hào)與接收信號(hào)。從圖3中可以看出,多徑干擾存在下,τi取值不同時(shí),系統(tǒng)均能較好地恢復(fù)出原始信號(hào),只是接收信號(hào)相對(duì)于原始信號(hào)具有一定的延遲時(shí)間而已,說(shuō)明DS/FH混合擴(kuò)頻技術(shù)可以使系統(tǒng)抗多徑干擾能力大大加強(qiáng),使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

以上分析表明,DS/FH混合擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)完全可行,將DS/FH混合擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下:整個(gè)系統(tǒng)由1個(gè)總控中心和n個(gè)分控中心組成?？偪刂行臑橄到y(tǒng)的核心部分,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)視頻圖像的集中管理,分控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)本地分控區(qū)域視頻圖像的處理功能。信號(hào)傳輸過(guò)程中總控中心和各分控中心均采用DS/FH混合擴(kuò)頻技術(shù),使用的頻段相同,但各自采用的PN碼不同。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著無(wú)線通信的發(fā)展及監(jiān)控技術(shù)的進(jìn)一步提高,DS/FH混合擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)將逐漸得到廣泛應(yīng)用。本文對(duì)寬帶阻塞干擾、多徑干擾存在下的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控中的混合擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)討論和SYSTEMVIEW仿真分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明混合擴(kuò)頻通信的較強(qiáng)的抗噪聲干擾和抗多徑干擾的能力,證實(shí)了采用混合擴(kuò)頻技術(shù)的可行性,并對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì),具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

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