遠程視頻監控系統中DS/FH混合擴頻技術研究

謝艷輝

(魯東大學電子與電氣工程學院,山東煙臺264025)

0 引言

遠程視頻監控系統是利用現有的先進技術和高科技產品,對生產、生活中的重要場所進行遠程監視和控制,以達到綜合防范的一種手段。隨著遠程視頻監控系統向數字化、智能化、網絡化和信息化方向的邁進,其對信號傳輸的可靠性和系統穩定性的要求也越來越高。

DS/FH混合擴頻通信技術兼備直接序列擴頻和跳頻的優點[1-3],具有良好的抗噪聲干擾、抗多徑效應和抗遠近干擾等方面的能力,可大大提高系統的通信效率和穩定性,因此研究基于DS/FH混合擴頻通信技術的遠程視頻監控系統具有重要意義。本文闡述了DS/FH混合擴頻通信技術在遠程視頻監控系統中的工作原理,詳細分析了寬帶阻塞干擾、多徑效應對系統性能的影響,通過SYSTEMVIEW仿真軟件進行了仿真分析,為實際系統的分析與設計提供了一定的依據。

1 DS/FH混合擴頻通信技術

擴頻技術是將要發送信號的頻譜擴展到很寬的頻帶上,然后在接收端利用相關技術進行解擴,恢復成原來的窄帶信號。常用的擴頻技術分為直接序列擴頻(DS-SS)、頻率跳變擴頻(FH-SS)、時間跳變擴頻(TH-SS)、線性脈沖調頻及各種混合擴頻系統[4]。直接序列擴頻和頻率跳變擴頻是應用最多的2種擴頻技術,將2種擴頻方法結合起來就構成了DS/FH混合擴頻技術。

DS/FH混合擴頻技術是在直接序列擴頻技術的基礎上增加載波頻率跳變的功能[5]。發送端發射的信號首先被偽隨機碼Ⅰ擴頻,然后去調制由偽隨機碼Ⅱ控制的頻率合成器產生的載頻,被放大后發送出去。在接收端,接收到的信號首先進行解跳,得到的固定頻率的直擴信號之后進行解擴,最后送至解調器將原始的信號恢復出來。

本文研究的系統采用BPSK調制方式,發射信號的表達式可以表示為:

式中,d(t)為信源產生的二進制雙極性碼流,d(t)∈ ±1;c(t)為PN序列產生器Ⅰ產生的偽隨機序列,c(t)∈ ±1_;fk為在PN序列產生器Ⅱ控制下的頻率合成器產生的載頻,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混合擴頻技術應用于遠程視頻監控系統中,由于實際的部分系統所處環境惡劣,地形復雜,而且監控區較大,監控點多而且分散,導致遠程視頻監控系統中無線通信的顯著特點之一為信號傳播的路徑非常長,信號在傳輸過程中除了有衰減之外,還會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系統性能的影響,并在SYSTEMVIEW環境下進行仿真。

2 寬帶阻塞干擾分析與仿真

與其他擴頻通信系統一樣,在本文研究的遠程視頻監控系統寬帶干擾為占據了整個混合擴頻帶寬(WDS/FH)的高斯白噪聲,且其在整個帶寬范圍內均勻分布。設寬帶的總功率為J,則其功率譜密度為:

若在接收端接收的信號功率為S,每比特信號的持續時間為Td=1/Rd(Rd為信息速率),則每比特信息的能量為:

從而得出整個混合擴頻通信系統的信噪比為:

式中,WDS/FH/Rd為整個混合擴頻系統的擴頻增益,其表達式為:

式中,GDS為系統中直接序列擴頻部分的增益;GFH為系統中跳頻部分的增益,且GFH=M(M為跳頻點數)。而對于BPSK調制系統其誤碼率為[6]:

對于混合擴頻通信系統由于寬帶干擾在整個帶寬范圍內均勻分布,所以其誤碼率表達式與式(7)相同。

根據以上分析,利用SYSTEMVIEW軟件在寬帶阻塞干擾下對系統進行仿真,仿真參數如下:

碼元速率:10 bit/s;

偽隨機碼1速率:50 bit/s;

跳頻速率:50跳/s;

跳頻點數:16;

信道間隔:100 Hz;

跳頻帶寬:1 500 Hz;

調制方式:BPSK。

仿真圖如圖1所示。

圖1 仿真結果

圖1中第1路信號為信號源經混合擴頻后的波形,原始信號頻譜被擴展,并且信號的頻率按一定的規律跳變,第2路信號為混合擴頻后的波形信道中高斯白噪聲的疊加,可以看出噪聲已經完全淹沒了有用信號。

圖1第3路、第4路為當信道中的有用信號被噪聲淹沒后,系統原始信號與接收信號。可以看出信號得到了完全恢復,說明DS/FH混合擴頻系統具有較高的抗干擾能力。

圖2為混合擴頻系統、BPSK系統BER-SNR曲線圖。

圖2 BPSK、混合擴頻系統 BER-SNR曲線圖

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

3 多徑干擾分析與仿真

遠程視頻監控系統地域廣闊,地形復雜,信號在傳播的過程中會遇到各種障礙物(高山、樹木、建筑物等)而引起不同程度的反射而產生多徑效應,導致接收端接收到的信號為具有不同衰減和時延的來自多條路徑的信號之和,即為直射分量與反射分量之和。若多徑干擾數為N,則接收端接收信號的表達式為:

式中,i=0表示接收的信號為直射分量;Ai為各條路徑的信號到達接收端之后信號的幅度;τi為各條路徑的信號到達接收端之后延遲的時間。

接收信號經過解跳、解擴、解調后,信號變為:

濾除高頻分量最終信號的輸出為:

式中,第1項為有用信號,第3項、第4項中n(t)、J(t)與信源端擴頻碼不相關且與系統中的跳頻部分載頻變化規律不一致,經過濾波器之后,其影響可以忽略。第2項為多徑干擾信號之和,從式中可以看出其對有用信號的影響與擴頻碼的自相關函數與加入調制信息之后的本地信號之間的互相關函數有關,對第2項進行簡化得:

對于擴頻碼(周期為P)的自相關函數為:

與式(10)中有用信號項比較可以看出,Tc≤≤(P-1)Tc時,多徑干擾信號的幅度變為原始信號的1/P,功率變為原來的1/P2,可以看出其具有很強的抗多徑干擾能力。

基于上述分析,利用SYSTEMVIEW軟件在多徑干擾下對系統進行仿真,系統原始發送信號與接收端接收信號比較圖如圖3所示。

圖3 多徑干擾下仿真結果

圖3中第1路、第2路為多徑干擾路數等于2,τ1=0.04 s,τ2=0.08 s時系統的原始信號與接收信號,第3路、第 4路為多徑干擾路數等于 2,τ1=0.002 s,τ2=0.01 s時系統的原始信號與接收信號。從圖3中可以看出,多徑干擾存在下,τi取值不同時,系統均能較好地恢復出原始信號,只是接收信號相對于原始信號具有一定的延遲時間而已,說明DS/FH混合擴頻技術可以使系統抗多徑干擾能力大大加強,使系統具有較好的穩定性。

以上分析表明,DS/FH混合擴頻技術應用于遠程視頻監控系統完全可行,將DS/FH混合擴頻技術應用于遠程視頻監控系統設計如下:整個系統由1個總控中心和n個分控中心組成。總控中心為系統的核心部分,實現整個系統視頻圖像的集中管理,分控中心實現對本地分控區域視頻圖像的處理功能。信號傳輸過程中總控中心和各分控中心均采用DS/FH混合擴頻技術,使用的頻段相同,但各自采用的PN碼不同。

4 結束語

隨著無線通信的發展及監控技術的進一步提高,DS/FH混合擴頻技術應用于遠程視頻監控系統將逐漸得到廣泛應用。本文對寬帶阻塞干擾、多徑干擾存在下的遠程視頻監控中的混合擴頻技術對系統性能的影響進行了詳細討論和SYSTEMVIEW仿真分析,實驗結果表明混合擴頻通信的較強的抗噪聲干擾和抗多徑干擾的能力,證實了采用混合擴頻技術的可行性,并對系統模型進行應用設計,具有重要的理論意義和實用價值。

[1]查光明.擴頻通信[M].西安:西安電子科技大學出版社,2004.

[2]鄭文秀.混合SFH/DS擴頻信號的跳頻頻率估計[J].系統仿真學報,2008,20(7):1852-1929.

[3]田日才.擴頻通信[M].北京:清華大學出版社,2007.

[4]談振輝.混合DS-SFH擴頻多址室內無線數字通信性能分析[J].通信學報,1996,17(4):1-8.

[5]李承恕.擴展頻譜通信[M].北京:人民郵電出版社,1993.

[6]沈允春.擴譜技術[M].北京:國防工業出版社,1995.