[科普中国]-处理增益

简介

增益在电子学上，通常为一个系统的讯号输出与讯号输入的比率。如5倍的增益，即是指系统令电压或功率增加了5倍。增益主要应用于放大电路中。在通信领域，处理增益是指接收机输出信噪比与输入信噪比之比。对于一个时空接收系统，处理增益分时间处理增益和空间处理增益两种。当信号中噪音较多，信号进行互相关处理时，样本中的噪声会抬高相关后的噪声基底，导致处理增益下降，最终会对接收机的灵敏度 ，测量精度等指标产生较大影响。

发展加性白高斯噪声信道(AWGN)中，扩频信号的处理增益等效于扩频增益，当扩频码片数无限增加时，扩频增益无限增大，扩频信号实际获得的处理增益也会无限增大。考虑信号带宽是原始符号扩频后的信号总带宽，符号长度是原始符号扩频后的总持续时间，若给定符号长度，扩频码片数无限增加等价于信号带宽无限增大；若给定信号带宽，扩频码片数无限增加等价于符号长度无限增大。由此，当信号带宽无限增大或符号长度无限增大时，扩频信号的处理增益会无限增大，即处理增益不存在上限。针对 AWGN 信道中的直接序列扩频系统，给定信号带宽与比特速率，存在单音或宽带干扰时，二进制相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)以及16值正交幅移键控(16QASK)调制信号的扩频增益与误比特率，其中，16QASK 处理增益最大，QPSK 误比特率最低。到目前为止，对于多径衰落信道中扩频信号的处理增益，业界已有了一些研究。针对不同的扩频因子，多径信道中二维扩频信号经过信道均衡后的误码率性能，随着扩频因子的增大，误码率不会一直降低。针对直接序列扩频与快速跳频混合的码分多址信号(DS/FHH-CDMA)，给定信号功率与带宽并且采用最大比合并，以最大化频谱利用率为准则，多径衰落信道中直序扩频的最优处理增益，随着信噪比的提高、用户数的减少以及跳频点数的增加，直序扩频的最优处理增益会降低。考虑多径衰落信道中的时频二维扩频系统，针对导引辅助的相干检测，在一个扩频符号所占用的信号时频二维区域等于信道的时频相干区域时，扩频信号的处理增益取得最大值。然而，对于非相干检测时扩频信号处理增益的最大值。

信噪比通信系统接收端信号平均功率电平与噪声平均功率电平的差值，或信号平均功率与噪声平均功率之比的对数值，单位为dB (分贝)。通信系统中的噪声是对通信有用信号的一种干扰。它导致淹没电话信号，减小话音强弱的动态范围，降低清晰度，对数据信号则增加信号失真。进行通信电路设计时，信噪比是一项重要指标。必须保证信噪比达到一定水平，否则通信难以正常进行。噪声的来源：①通信设备的固有噪声，如导体、电阻的热噪声，电源噪声等；②其他电路引起的噪声，如无线电、电力线载波电路、广播线或电力线的干扰等；③雷电、磁暴、风沙等自然现象的感应噪声;④电力线绝缘子不规则放电引起的电晕噪声；⑤断路器、隔离开关操作引起的脉冲噪声等。其中电晕噪声和脉冲噪声属于电力线噪声。这种噪声电平比一般通信传输介质引入的噪声电平高得多。对信噪比的要求，在不良天气及工作环境下，对于电话信号，按标称电平计算，信噪比最小设计值可取25 dB；对于移频键控的数据信号，信噪比最低设计值可取15 dB。这样，在大部分正常天气及工作环境下，实际的信噪比可以分别达到35 dB及25 dB，保证了良好的传输质量。人耳对不同频率的信号具有不同的灵敏度。对于电话通路的噪声常用带有加权网络的噪声计测量。加权网络具有与人耳及受话器相同的频率衰减特性。因此所测得的电压或电平可以近似地代表噪声对人耳的影响，称为噪声计电压(电平)。电话通路的信噪比一般均按噪声计电压(电平)考虑。

扩频扩频是一种利用信息处理改善传输性能的技术。这种技术的目的和作用是在传输信息之前，先对所传信号进行频谱的扩宽处理，以便利用宽频谱获得较强的抗干扰能力、较高的传输速率，同时由于在相同频带上利用不同码型可以承载不同用户的信息，因此扩频也提高了频带的复用率。

原理在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号，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。由此可见，—般的扩频通信系统都要进行三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，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。

发送端

1）发送端输入的信息经过信息调制形成数字信号。

2）由扩频码发生器产生的扩频码序列对数字信号进行扩展频谱。

3）射频发生器数字信号转换成模拟信号，并通过射频信号发送出去。

接收端

1）在接收端，将收到的射频信号由高频变频至电子器件可以处理的中频，并把模拟信号转化成数字信号。

2）由扩频码发生器产生的和发送端相同的扩频码对数字信号进行解扩。

3）将数字信号解调成原始信息输出。

主要特点扩频的原理是使用与被传输数据无关的码进行传输信号的频谱扩展，使得传输带宽远大于被传输数据所需的最小带宽，因此经过扩频的信号具有三个特点：

扩频信号是不可预测的随机的信号。

扩频信号带宽远大于欲传输数据(信息)带宽。

扩频信号具有更强的抗干扰能力、更强的码分多址能力以及更强的高速可扩展能力。