远程视频监控系统中DS/FH混合扩频技术研究

谢艳辉

(鲁东大学电子与电气工程学院,山东烟台264025)

0 引言

远程视频监控系统是利用现有的先进技术和高科技产品,对生产、生活中的重要场所进行远程监视和控制,以达到综合防范的一种手段。随着远程视频监控系统向数字化、智能化、网络化和信息化方向的迈进,其对信号传输的可靠性和系统稳定性的要求也越来越高。

DS/FH混合扩频通信技术兼备直接序列扩频和跳频的优点[1-3],具有良好的抗噪声干扰、抗多径效应和抗远近干扰等方面的能力,可大大提高系统的通信效率和稳定性,因此研究基于DS/FH混合扩频通信技术的远程视频监控系统具有重要意义。本文阐述了DS/FH混合扩频通信技术在远程视频监控系统中的工作原理,详细分析了宽带阻塞干扰、多径效应对系统性能的影响,通过SYSTEMVIEW仿真软件进行了仿真分析,为实际系统的分析与设计提供了一定的依据。

1 DS/FH混合扩频通信技术

扩频技术是将要发送信号的频谱扩展到很宽的频带上,然后在接收端利用相关技术进行解扩,恢复成原来的窄带信号。常用的扩频技术分为直接序列扩频(DS-SS)、频率跳变扩频(FH-SS)、时间跳变扩频(TH-SS)、线性脉冲调频及各种混合扩频系统[4]。直接序列扩频和频率跳变扩频是应用最多的2种扩频技术,将2种扩频方法结合起来就构成了DS/FH混合扩频技术。

DS/FH混合扩频技术是在直接序列扩频技术的基础上增加载波频率跳变的功能[5]。发送端发射的信号首先被伪随机码Ⅰ扩频,然后去调制由伪随机码Ⅱ控制的频率合成器产生的载频,被放大后发送出去。在接收端,接收到的信号首先进行解跳,得到的固定频率的直扩信号之后进行解扩,最后送至解调器将原始的信号恢复出来。

本文研究的系统采用BPSK调制方式,发射信号的表达式可以表示为:

式中,d(t)为信源产生的二进制双极性码流,d(t)∈ ±1;c(t)为PN序列产生器Ⅰ产生的伪随机序列,c(t)∈ ±1_;fk为在PN序列产生器Ⅱ控制下的频率合成器产生的载频,且fk∈{f1,f2,…,fn};A为载波的幅度。

在接收端接收的信号为:

式中,n(t)为信道中的高斯白噪声分量;J(t)为信道中的干扰噪声分量。

DS/FH混合扩频技术应用于远程视频监控系统中,由于实际的部分系统所处环境恶劣,地形复杂,而且监控区较大,监控点多而且分散,导致远程视频监控系统中无线通信的显著特点之一为信号传播的路径非常长,信号在传输过程中除了有衰减之外,还会受到各种干扰的影响,这些干扰包括宽带阻塞干扰、部分频带干扰、单频多频连续波干扰、脉冲干扰和多径干扰等。本文主要讨论宽带和多径干扰对系统性能的影响,并在SYSTEMVIEW环境下进行仿真。

2 宽带阻塞干扰分析与仿真

与其他扩频通信系统一样,在本文研究的远程视频监控系统宽带干扰为占据了整个混合扩频带宽(WDS/FH)的高斯白噪声,且其在整个带宽范围内均匀分布。设宽带的总功率为J,则其功率谱密度为:

若在接收端接收的信号功率为S,每比特信号的持续时间为Td=1/Rd(Rd为信息速率),则每比特信息的能量为:

从而得出整个混合扩频通信系统的信噪比为:

式中,WDS/FH/Rd为整个混合扩频系统的扩频增益,其表达式为:

式中,GDS为系统中直接序列扩频部分的增益;GFH为系统中跳频部分的增益,且GFH=M(M为跳频点数)。而对于BPSK调制系统其误码率为[6]:

对于混合扩频通信系统由于宽带干扰在整个带宽范围内均匀分布,所以其误码率表达式与式(7)相同。

根据以上分析,利用SYSTEMVIEW软件在宽带阻塞干扰下对系统进行仿真,仿真参数如下:

码元速率:10 bit/s;

伪随机码1速率:50 bit/s;

跳频速率:50跳/s;

跳频点数:16;

信道间隔:100 Hz;

跳频带宽:1 500 Hz;

调制方式:BPSK。

仿真图如图1所示。

图1 仿真结果

图1中第1路信号为信号源经混合扩频后的波形,原始信号频谱被扩展,并且信号的频率按一定的规律跳变,第2路信号为混合扩频后的波形信道中高斯白噪声的叠加,可以看出噪声已经完全淹没了有用信号。

图1第3路、第4路为当信道中的有用信号被噪声淹没后,系统原始信号与接收信号。可以看出信号得到了完全恢复,说明DS/FH混合扩频系统具有较高的抗干扰能力。

图2为混合扩频系统、BPSK系统BER-SNR曲线图。

图2 BPSK、混合扩频系统 BER-SNR曲线图

从图2中可以看出,混合DS/FH扩频系统抗干扰能力大大加强。在满足相同误码率的条件下,混合DS/FH扩频系统的信噪比比传统BPSK系统低约19 dB(等于混合扩频系统的扩频增益)。曲线的误差是由于仿真过程中受计算机硬件及仿真软件本身的制约,由于不能取得足够的采样点数造成的结果。

3 多径干扰分析与仿真

远程视频监控系统地域广阔,地形复杂,信号在传播的过程中会遇到各种障碍物(高山、树木、建筑物等)而引起不同程度的反射而产生多径效应,导致接收端接收到的信号为具有不同衰减和时延的来自多条路径的信号之和,即为直射分量与反射分量之和。若多径干扰数为N,则接收端接收信号的表达式为:

式中,i=0表示接收的信号为直射分量;Ai为各条路径的信号到达接收端之后信号的幅度;τi为各条路径的信号到达接收端之后延迟的时间。

接收信号经过解跳、解扩、解调后,信号变为:

滤除高频分量最终信号的输出为:

式中,第1项为有用信号,第3项、第4项中n(t)、J(t)与信源端扩频码不相关且与系统中的跳频部分载频变化规律不一致,经过滤波器之后,其影响可以忽略。第2项为多径干扰信号之和,从式中可以看出其对有用信号的影响与扩频码的自相关函数与加入调制信息之后的本地信号之间的互相关函数有关,对第2项进行简化得:

对于扩频码(周期为P)的自相关函数为:

与式(10)中有用信号项比较可以看出,Tc≤≤(P-1)Tc时,多径干扰信号的幅度变为原始信号的1/P,功率变为原来的1/P2,可以看出其具有很强的抗多径干扰能力。

基于上述分析,利用SYSTEMVIEW软件在多径干扰下对系统进行仿真,系统原始发送信号与接收端接收信号比较图如图3所示。

图3 多径干扰下仿真结果

图3中第1路、第2路为多径干扰路数等于2,τ1=0.04 s,τ2=0.08 s时系统的原始信号与接收信号,第3路、第 4路为多径干扰路数等于 2,τ1=0.002 s,τ2=0.01 s时系统的原始信号与接收信号。从图3中可以看出,多径干扰存在下,τi取值不同时,系统均能较好地恢复出原始信号,只是接收信号相对于原始信号具有一定的延迟时间而已,说明DS/FH混合扩频技术可以使系统抗多径干扰能力大大加强,使系统具有较好的稳定性。

以上分析表明,DS/FH混合扩频技术应用于远程视频监控系统完全可行,将DS/FH混合扩频技术应用于远程视频监控系统设计如下:整个系统由1个总控中心和n个分控中心组成。总控中心为系统的核心部分,实现整个系统视频图像的集中管理,分控中心实现对本地分控区域视频图像的处理功能。信号传输过程中总控中心和各分控中心均采用DS/FH混合扩频技术,使用的频段相同,但各自采用的PN码不同。

4 结束语

随着无线通信的发展及监控技术的进一步提高,DS/FH混合扩频技术应用于远程视频监控系统将逐渐得到广泛应用。本文对宽带阻塞干扰、多径干扰存在下的远程视频监控中的混合扩频技术对系统性能的影响进行了详细讨论和SYSTEMVIEW仿真分析,实验结果表明混合扩频通信的较强的抗噪声干扰和抗多径干扰的能力,证实了采用混合扩频技术的可行性,并对系统模型进行应用设计,具有重要的理论意义和实用价值。

[1]查光明.扩频通信[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.

[2]郑文秀.混合SFH/DS扩频信号的跳频频率估计[J].系统仿真学报,2008,20(7):1852-1929.

[3]田日才.扩频通信[M].北京:清华大学出版社,2007.

[4]谈振辉.混合DS-SFH扩频多址室内无线数字通信性能分析[J].通信学报,1996,17(4):1-8.

[5]李承恕.扩展频谱通信[M].北京:人民邮电出版社,1993.

[6]沈允春.扩谱技术[M].北京:国防工业出版社,1995.