扩频通信原理

1、扩频通信原理技术背景：传统的模拟无线通信一般采用调频（ FM） 和调幅（ AM ）两种方式，不能适应高速数据通信的要求。进入八十年代后，数字无线数据通信方式成为主流，其调制方式有振幅键控（ ASK） 、 移频键控 （ FSK ） 和相移键控（ PSK） ，其优势是便于采用先进的数字信号处理技术，如均衡技术、编码技术等等，提高了数据传输速率和传输的可靠性。实际的系统如GSM 、 IS-54 等。但是这些系统也存在一些缺陷。一方面，由于无线通信信道的开放性，通信环境不可避免地存在各种各样的突发干扰，使得信号传输的可靠性降低，同时，信道的时域和频域选择性衰落，使得数据传输速率的提高受到限制；另一方面

2、，随着无线业务的快速增长，要求无线网络具备相当的灵活性，以适应业务的发展变化。这些都是常规的无线数字通信难以解决的。这些因素促成了对采用新技术的需求，以提高数据传输速率并进一步提高传输的可靠性。扩频通信的基本原理和优势：扩频通信就其调制方式而言，与传统的数据通信没有什么差别，也包括 ASK 、FSK、 PSK 以及最近得到迅速发展的QAM ，不同之处是在调制之前增加了一个扩频处理环节，把待传送符号用特征码进行扩展，扩展后的符号称为码片；在接收端同样增加了一个解扩处理的环节，将 N 个码片恢复为一个符号。这即是扩频通信的基本原理。扩频通信的优势是由扩频操作所使用的特征码伪随机序列(PN CODE

3、 )带来的。伪随机码具有双值自相关特性，它保证了同步相关操作获得的输出远大于非同步相关的输出值。这样就大大降低了当两条传播路径的时差在一个码片以上时彼此之间的干扰。这即是通常所说的扩频抗多径原理。同时，相关解扩处理还能够大大降低窄带脉冲干扰，如一般的工业噪声、环境噪声等等。特别值得一提的是， 由于解扩处理是对N 个码片的能量进行累加，因此，可以允许接收的信号电平在噪声以下，只要保证累加获得的能量满足信号判决的要求即可。这一性能使得扩频通信技术首先在军队保密通信系统中获得了广泛的应用。扩频通信抗多径的性能使得移动通信信道的相关带宽不再成为限制通信速率的障碍，因此在扩频通信方式下可以实现高速数据通

4、信。传输速率的限制取决于信号处理的速度。可见，扩频技术在提高数据通信速率和改善数据通信的可靠性方面，大大优于常规数字通信。同时， 由于所有用户可以共用同一频带，大大简化了网络系统的规划，使得系统在适应不断增长变化的业务方面，具有很高的灵活性。扩频通信是传输信息使用的射频带宽是信息带宽的10倍至 100 倍以上的通信体制。信息本身不再是决定传输带宽的决定因素，传输带宽主要由发信机和对应收信机预先制定的扩频码(又称地址码)序列确定。扩频通信的特点是具有常规通信体制所不具备的许多优势：(1)扩频通信具有消息隐蔽性、低截获概率和抗干扰等能，对军事通信有很大应用潜力。国外军事通信已经装备使用HF、 VH

5、F 和 UHF 频段的跳频电台，直接序列扩频电台也开始进入实用阶段。(2)利用不同的预定扩频码(地址码)序列，可以在相同频段实现码分多址(CDMA) 和选址通信，在卫星通信和室内有线、无线通信中得到使用。(3)直接序列扩频信号具有同距离无关的高分辨率测距能力，在全球定位系统(GPS) 和深空探测中得到应用。另,从即计算机网络角度的解释参考：随着计算机应用技术的普及和国民经济信息化的发展，客户/服务器计算、分布式处理、国际互连网(Internet ) 、内部网 ( Intranet ) 等技术被广泛接受和应用，计算机的联网需求迅速扩大。在诸多计算机联网技术中，无线网(WirelessNetwor

6、k )以其无需布线、在一定区域漫游、运行费用低廉等优点，在许多应用场合有其他联网技术不可替代的作用，而在无线通信技术中，基于扩频技术的计算机无线网具有抗干扰能力强、易于实现码分多址、安全保密、无须申请频率资源等特点，近年来在计算机联网的各个领域都得到了广泛地应用。扩频通信具有其他方式不可比拟的优点，近年来在无线通信中得到越来越广泛地应用。扩频通信 ( Spread Spectrum Communications )开始出现在第二次世界大战，作为美军使用的无线保密通信技术。现在扩频技术被广泛应用于包括计算机无线网等许多领域。扩频通信是一种信息传递方式，其信号所占用的频带宽度远大于所传信息必需的最

7、小带宽；频带的展宽是通过编码及调制的方法来实现的，与所传的信息无关；在接收端采用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息。扩频通信具有如下特点：1 、抗干扰性强：抗干扰是扩频通信主要特性之一，比如信号扩频宽度为100 倍，窄带干扰基本上不起作用，而宽带干扰的强度降低了 100 倍，如要保持原干扰强度，则需加大100 倍总功率，这实质上是难以实现的。因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰，在不知道信号的扩频码的情况下，由于不同扩频编码之间的不同的相关性，干扰也不起作用。正因为扩频技术抗干扰性质，美国军方在海湾战争等处广泛采用扩频无线网桥来连接分布在不同区

8、域的计算机网络。2、隐蔽性好：因为信号在很宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低，信号淹没在白噪声之中，别人难以发现信号的存在，加之不知扩频编码，很难拾取有用信号，而极低的功率谱密度，也很少对于其他电讯设备构成干扰。3、易于实现码分多址（CDMA ） ：扩频通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，是否浪费了频段？其实正相反，扩频通信提高了频带的利用率。正是由于扩频通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码作相关解扩才能得到，这就给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性，分配给不同用户不同的扩频编码，就可以区别不同的

9、用户的信号，众多用户，只要配对使用自己的扩频编码，就可以互不干扰地同时使用同一频率通信，从而实现了频率复用，使拥挤的频谱得到充分利用。发送者可用不同的扩频编码，分别向不同的接收者发送数据；同样，接收者用不同的扩频编码，就可以收到不同的发送者送来的数据，实现了多址通信。美国国家航天管理局（NASA） 的技术报告指出：采用扩频通信提高了频谱利用率。另外，扩频码分多址还易于解决随时增加新用户的问题。4、 抗多径干扰：在无线通信中，抗多径问题一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性，在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，

10、从而达到有效的抗多径干扰。5、 扩频通信的其他优点：扩频通信速率高（ 2M ，8M ， 11Mbps ） ， 无须申请频率资源，建网简单，网络性能好。与 X.25 和 DDN 相比， 无线扩频网具有速率高（ 2Mbps ，8Mbps ， 11Mbps ） ,安装简单，运行费用低（无须租费，仅投入少量维护费用），无须申请频率资源，容易扩展投资少等优点。另外，如使用X.25 或 DDN 作为网间互连的链路，在链路两端要使用路由器、多路复用器等设备，而无线扩频产品有网桥、路由器、调制解调器等多种选择，节省设备和投资， 因此无线扩频网比X.25 和 DDN 在数百公里范围内联网要有明显的优势。跳频通信

11、是扩频通信的一个分支，它的突出优点是抗干扰性强，因而很适用于军事领域。当 70年代末第一部跳频电台问世以后，就预示着其发展势头锐不可挡。到了80 年代，世界各国军队普遍装备跳频电台。这十年是跳频电台发展速度最快的十年。广泛使用跳频电台曾被誉为 80 年代 VHF 频段无线电通信发展的主要特征。90年代，跳频通信如虎添翼，在军用跳频通信领域已相当成熟的同时， 跳频通信的应用又拓宽到民用领域。业内人士指出，跳频通信是对抗无线电干扰的有效手段，称其为无线电通信的 杀手锏。跳频通信是如此的神奇，以致于自其问世至今的短短 30 年间，倍受世界各国，特别是几大军事强国的青睐。2 跳频通信的基本概念定义我们

12、在用收音机收听某电台，当电台在中波和短波两个波段上播放同一个节目时，有这样的体会：若中波波段信号不好，则随即换到短波波段收听；当短波波段信号不好，则又换回到中波波段收听。这种以更换波段的手段来改善收听效果的方法，就是跳频的通俗含义。只不过这种跳频仅在接收端发生，而且是由人工干预来实施跳频的。我们假设，当广播电台发送的频段也能紧跟 收音机用户更换的话，那么，这种通信方式就是跳频通信。因此，跳频通信可这样描述：通信收发双方同步地改变频率的通信方式称为跳频通信。无线电通信由于它的灵活性，常常被用作战时通信。但是，传统的无线电通信都是在某一固定频率下工作的，很容易被敌方截获或施加电子干扰，从而使这种通

13、信方式失去“灵验”。“跳频通信”就是针对上述传统无线电通信的弊端，使原先固定不变的无线电发信频率按一定的规律和速度来回跳变，而让约定对方也按此规律同步跟踪接收。由于敌方不了解我方无线电信号的跳变规律，很难将信息截获。尽管它亦可以采用“跟踪干扰”的方式来干扰我方电台，但由于跳频频谱变化无常，往往是敌方刚搜索到某发送频率，它立即又变了，很难做到紧跟不舍。可能有人会提出全面实行干扰（即“宽带阻塞干扰”） 的方法， 但这样做不仅会耗费巨大功率，而且还可能因此而暴露自己和对己方通信造成严重干扰。跳频通信不仅是抗御外来干扰的能手，而且对于抑制远距离无线电通信本身所造成的“多径干扰”也十分有效。因为 多径干扰是由于短波无线电信号在传输过程中所经过的路径不尽相同，有的是经电离层一次反射到达对方的，有的则经多次反射后到达对方，而且上述情况还很不稳定，因而造成信号的时强时弱以致失真。采用跳频通信后，由于在主波波束已被接收，而其它径向波束尚未到达接收机时，发送和接收载频早已跳到别的频率点上去了，这样就避免了“多径效应”对通信质量的影响。 跳频通信的原理说来也并不复杂。它是在普通无线电短波通信基础上增加一个“码控跳频器”。它的主要作用是使跳频通信发射的载波按一定规则的随机跳变序列发生变化。实现跳频通信的关键是，收发双方受伪随机码控制的、用来改变载频频