扩频通信技术及应用

摘 要：扩频通信，即扩展频谱通信（Spread Spectrum Communication），它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。随着无线通信的广泛应用，无线频道变得非常拥挤，频道资源非常紧张，干扰繁多、严重。由于扩频通信技术有很多优点可以克服这些问题，并且可以提供更高的保密技术，因此，从80年代末，美国联邦通信委员会（FCC）规划了ISM波段并批准扩频通信使用该频段，扩频通信技术得到了快速的发展和广泛的应用。

关键词：扩频通信，伪随机编码调制

一、扩频通信的特点

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

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。

2、扩频技术的理论基础

扩频通信是扩展频谱通信的简称，频谱是电信号的频域描述，承载各种信息（如语音、图象、数据等）的信号一般都是以时域来表示的，即信号可表示为一个时间的函数f（t）。信号的时域表示式f（t）可以用傅立叶变换得到其频域表示式F（f）。频域和时域的关系由下式确定：

函数f（t）的傅立叶变换存在的充分条件是f（t）满足狄里赫莱条件，或在区间（-∞，+∞）内绝对可积，即 必须为有限值。

扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息信号f（t）无关）扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而到达传输信息目的的通信系统。也就是说在传输同样信息信号时所需要的射频带宽，远远超过被传输信息信号所必需的最小的带宽。扩展频谱后射频信号的带宽至少是信息信号带宽的几百倍、几千倍甚至几万倍。信息已不再是决定射频信号带宽的一个重要因素，射频信号的带宽主要由扩频函数来决定。

由此可见，扩频通信系统有以下两个特点：

（1） 传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽；

（2） 传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常是伪随机（伪噪声）编码信号。

扩频通信与一般的无线电通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接收端增加了扩频解调的过程。在发射端利用一组速率远高于信号速率的伪随机噪声码（Pseudo Noise Code，PN码）对原信号码进行扩频调制，一般是将信号扩展至几兆宽的频带上，然后将扩频后的信息调制到空间传输的载频上进行发送，通常发射的载频是千兆的数量级，在接收端经解调后，利用相同的PN码进行解扩，把铺开的信号能量从宽带上收拢回来，凡与PN码相关的宽带信号经解调还原为原来的窄带信号，而其它与PN码不相关的宽带噪声仍维持宽带，解调后的窄带信号再经窄带滤波后，分离出有用信号，而大部分噪声信号则被滤掉，这样使信噪比得以极大的提高，误码率大大降低。

3、扩频通信的分类

目前常用的扩频通信实现方法主要有：直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）、跳频（Frequency Hopping）、跳时（Time Hopping）、宽带线性调频（Chip Modulation）等方式。

1） 直接序列扩频技术

直接序列扩频，就是用高码率的扩频码序列在发端直接去扩展信号的频谱，在收端直接使用相同的扩频码序列对扩展的信号频谱进行解调，还原出原始的信息。直序扩频系统的解扩采用相关解扩，这是它与常规无线通信解调方式的根本不同。在接收端，接收信号经过放大混频后，经过与发射端相同且同步的PN码进行相关解扩，把扩频信号恢复出窄带信号，再对窄带信号进行相干解调解出原始信息序列。

2）跳频扩频通信技术

跳频扩频通信技术的实现方法是载频信号以一定的速度和顺序，在多个频率点上跳变传递，接收端以相应的速度和顺序接收并解调。这个预先设定的频率跳变的序列就是PN码。在PN码的控制下，收发双方按照设定的序列在不同的频点上进行通信。由于系统的工作频率在不停地跳变，在每个频率点上停留的时间仅为毫秒或微秒级，因此在一个相对的时间段内，就可以看作在一个宽的频段内分布了传输信号，也就是宽带传输。跳频通信系统的频率跳频速度反映了系统的性能，好的跳频系统每秒的跳频次数可以达到上万跳。跳频通信系统在每个跳频点上的瞬时通信实际上还是窄带通信。其中，跳频通信的关键部件是跳频器，它又由频率合成器和跳频指令发生器两部分组成。频率合成器受跳频指令发生器的控制产生跳变的载频信号去调制信号或解调信号。跳频序列的同步是跳频通信的核心技术。

3）跳时扩频技术

与跳频系统相似，跳时是使发射信号在时间轴上离散地跳变。我们先把时间轴分成许多时隙，这些时隙在跳时扩频通信中通常称为时片，若干时片组成一跳时时间帧。在一帧内哪个时隙发射信号由扩频码序列去进行控制。在发送端，输入的数据先存储起来，由扩频码发生器产生的扩频码序列去控制通-断开关，经二相或四相调制后再经射频调制后发射。在接收端，当接收机的伪码发生器与发端同步时，所需信号就能每次按时通过开关进入解调器。解调后的数据也经过一缓冲存储器，以便恢复原来的传输速率，不间断地传输数据，提供给用户均匀的数据流。只要收发两端在时间上严格同步进行，就能正确地恢复原始数据。

4、扩频通信的应用

扩频通信是通信的一个重要分支和信道通信系统的发展方向。近年来，随着超大规模集成电路技术、微处理器技术的飞速发展，以及一些新型元器件的应用，扩频通信在技术上已迈上了一个新的台阶，不仅在军事通信中占有重要地位，而且正迅速地渗透到了个人通信和计算机通信等民用领域，成为新世纪最有潜力的通信技术之一。■

参考文献

1. 谢希仁，计算机网络（第4版）[M].北京：电子工业出版社，2003.

2. 王秉钧，居谧，孙学军，沈宝锁.扩频通信[M].天津：天津大学出版社，1993.

3. 冯爱国. 扩频通信技术的特点及其应用[J]. 现代通信. 2000（02）

4. 查光明，熊贤祚编著.扩频通信[M]. 西安电子科技大学出版社， 1990