扩频通信

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扩频通信(Spread Spectrum Communication)

　　扩频通信是指用来传输信息的射频信号带宽远远大于信息本身带宽的一种通信方式．例如一个二进制数据流的速率为64kb／s，其基带带宽只有64kHz，但用扩频技术传输时。它的带宽可以被扩展到4MHz，26MHz，甚至12OMHz或更多。

　　在发端输人的信息先调制形成数字信号，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。可见，一般的扩频通信系统都要进行3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，多了扩频调制和解扩部分。

　　扩频通信应具备如下特征：(1)数字传输方式；(2)传输信号的带宽远大于被传信息带宽；(3)带宽的展宽，是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息的信元重新进行调制实现的；(4)接收端用相同的扩频函数进行相关解调(解扩)，求解出被传信息的数据。用扩频函数(也称伪随机码)调制和对信号相关处理是扩频通信有别于其他通信的两大特点。

　　(1)抗干扰性强

　　扩频通信系统扩展的频谱越宽，处理增益越高，抗干扰能力就越强。简单地说，如果信号频谱展宽10倍，那么干扰方面需要在更宽的频带上去进行干扰．分散了干扰功率，从而在总功率不变的条件下，其干扰强度只有原来的1／10。另外，由于接收端采用扩频码序列进行相关检测，空中即使有同类信号进行干扰，如果不能检测出有用信号的码序列，干扰也起不了太大作用，因此抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点。

　　(2)信息保密性好

　　由于扩频信号在很宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率就很小，即信号的功率谱密度很低，所以应用扩频码序列扩展频谱的直接序列扩频系统，可在信道噪声和热噪声的背景下，在很低的信号功率谱密度上进行通信。信号被湮没在噪声里，很不容易被发现，想进一步检测出信号的参数就更加困难了。

　　(3)易于实现码分多址

　　由于扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，可充分利用各种不同码型扩频序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则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，这样在同一频带上许多用户可以同时通话而互不干扰。

　　(4)抗多径干扰

　　在无线电通信的各个频段，短波、超短波、微波和光波中存在大量的多径干扰。一般方法是采用分集接收技术，或设法把不同路径的不同延迟信号在接收端从时间上对齐相加，合并成较强的有用信号，这两种基本方法在扩频通信中都是很容易实现的。

　　扩频通信分为以下几种类型：

　　(1)跳频扩频(FHSS)就是采用跳频(FrequencyHopping)方式进行扩频，形象地说是采用特定的伪码控制的多频率移频键控。

　　(2)跳时扩频(FHSS)就是采用跳时(Time Hopping)方式进行扩频。

　　(3)直接序列扩频(DSSS)就是采用高码速率的直接序列(Direct Sequence)伪随机码在发端进行扩频，在收端采用相同的伪码(PN)进行相关解扩。

　　(4)混合扩频就是采用跳频和跳时等的相应组合，即Ds／FH／TH构成混合系统。

　　一般说来，民用系统采用直扩系统(DSSS)的居多；其它3种多为军用。根据香农定理，在系统信息速率一定时。可在不同的信号带宽和信噪比之进行取舍，用不同的信号带宽和相应的信噪比来实现传输，即信号带宽越宽，可传信噪比越低，甚至在信号被噪声淹没的情况下也可以实现可靠通信．因此，将信号的频谱扩展，用扩展频谱通信技术实现低信噪比信号传输，保证信号传输有较好的抗干扰性和较高的保密性。

　　在过去由于技术的限制，人们一直在走增加信号功率，减少噪声，提高信噪比的道路．即使到了7o年代，伪码技术已经出现，但作为相关器的“码环”的钟频只能做到几千赫兹也无助于事．近几年，由于大规模集成电路的发展，几十兆赫兹，甚至几百兆赫兹的伪码发生器及其相关部件都已成为现实，扩频通信获得极其迅速的发展．通信的发展史又到了一个转折点，由用信噪比换带宽的年代进入了用宽带换信噪比的年代。

　　从最佳通信系统的角度看扩频通信．最佳通信系统一最佳发射机+最佳接收机．几十年来，最佳接收理论已经很成熟，但最佳发射问题一直没有很好解决，伪码扩频是一种最佳的信号形式和调制制度，构成了最佳发射机．因此，有了最佳通信系统一伪码扩频+相关接收这种认识，人们就不难预测扩频通信的未来前景。

　　从9O年代无线通信开始步人扩频通信和自适应通信的年代．扩频通信的热浪已经波及短波、超微波、微波通信和卫星通信，码分多址(CDMA)已开始广泛用于未来的峰窝通信、无绳通信和个人通信以及各种无线本地环路，发挥越来越大的作用。

　　接入网是由传统的用户线、用户环路和用户接入系统，逐步发展、演变和升级而形成的．现代电信网络分为3部分：传输网、交换网和接入网．由于接入网发展较晚，往往成为电信发展的“瓶颈”，各国都很重视接入网的发展，因此各类接人技术和系统应运而生。

　　由于ISM(Industry Scientific Medica1)频段的开放性，经营者和用户不需申请授权就可以自由地使用这些频段，而无线扩频技术所使用的频段(2．400～2．483)正是全世界通用的ISM频段，包括IEEE802．11协议架构的无线局域网也大部分选用此频段。

　　在无线接人系统中，扩频微波与常规微波相比有着3个显著的优点：抗干扰性强、频点问题容易处理、价格比较便宜．而且，扩频微波接入技术相对有线接入技术来说，有成本低、使用灵活、建设快捷的优势，在接入网中起着不可替代的作用。

　　扩频微波主要应用在以下几个方面．语音接入(点对点)；数据接入；视频接入；多媒体接入；因特网(Internet)接人。

　　(1)在CDMA中的应用

　　CDMA采用直接序列扩频系统。完成解扩功能的相关器有直接式和外差式两种。直接式相关器是在高频下直接解扩信号，即收、发两端载波的中心频率相同，这就使得一些窄带干扰信号绕过相关器而泄漏出去。造成码泄漏。而外差式相关器在解扩时是将高频信号经混频变为中频基带载波信号，减少了码泄漏现象的发生，因而解扩质量较高。在多数扩频通信系统中都采用外差式相关器扩频通信的同步主要是时钟同步、PN码同步和载波同步。为了实现同步，在接收系统要有相应的时间跟踪环、PN码搜索和跟踪环以及锁相环其中，PN码搜索和跟踪环是扩频通信所特有的码同步环，它是扩频信号得以正确解调的关键要实现PN码同步，首先要捕获PN码，再对其进行跟踪。

　　现结合滑动相关法和顺序估计快速截获法(RASE系统)来对PN码的捕获和跟踪进行说明。可看出，滑动相关是通过顺序改变PN码的相位周而复始地来检测信号，虽然这样耗时较长，但由于其结构简单且可靠性高，所以被用于实验电路或在实际应用中与其他方法结合工作。在RASE系统中，先对接收信号的相位进行估算，然后在此相位附近进行搜索，因此此方法所需时间较短，但该系统一般要求在输入信噪比较高的情况下使用。当PN码被捕获后，就要对其进行跟踪。码跟踪回路分为两种，一种为相干码跟踪回路，另一种为非相干码跟踪回路。RASE系统进入码跟踪阶段后，转换开关保持闭合，m序列发生器已正常工作，它产生两路有相对时延的PN码序列来与接收信号进行相关运算，得到的结果进行比较后经滤波器送人压控振荡器(vco)，由压控振荡器对m序列发生器的相位进行调整，从而实现对接收信号的跟踪。对于非相干码跟踪回路，则要用到带通滤波器和平方器，其结构比相干码跟踪回路要复杂。

　　(2)微波扩频

　　微波扩频通信目前在国内的重要应用领域之一是企事业单位组建Intranet并接入ISP。一般接入速率为64kb／s-2Mb/s，使用频段为2．4—2．4835GHz。该频段属于工业自由辐射频段，也是国内目前惟一不需要无委会批准的自由频段微波扩频通信技术的特点是利用伪随机码对输入信息进行扩展频谱编码处理，然后在某个载频进行调制以便传输，属于中程宽带通信方式。微波扩频通信技术来源于军事领域，主要开发目的是对抗电子战干扰。

　　微波扩频通信具有以下特点：建设无线微波扩频通信系统目前无需申请，带宽较高，建设周期短；一次性投资、建设简便、组网灵活、易于管理，设备可再次利用，但相连单位距离不能太远，并且两点直线范围内不能有阻挡物；抗噪声和干扰能力强，具极强的抗窄带瞄准式干扰能力，适应军事电子对抗；能与传统的调制方式共用频段；信息传输可靠性高；保密性强，伪随机噪声使不易发现信号的存在而有利于防止窃听；多址复用，可采用码分复用实现多址通信；设备使用寿命较长。

　　微波扩频系统按接人方式分为点对点、点对多点两种点对点方式是指连接的双方用一对微波扩频传输设备相连。采用点对点方式的微波系统主要使用802．3协议，传输效率高于802．11协议一般通信速率为64kb／s-2Mb，另外，可将若干点对点微波设备的通信信道进行复合，使得通信速率达到10Mb／s。点对多点方式是指扩频系统含一个中心点和若干分布接人点，若干分布接人点以竞争方式或固定分配方式分享中心点提供的总信道带宽，主要使用802．11协议。系统各分布接人点所分享的带宽一般为64～128kb(总带宽一般为1～2Mb)。竞争方式可根据接人用户实时需要分配总带宽，但缺点是竞争时将浪费带宽、造成拥挤；而以固定方式分享带宽可以保证传输带宽，但缺乏带宽实时分配的灵活性。

　　微波扩频产品已经广泛应用于中国的电信、移动、金融、证券、税务，电力、公安、水利、交通、油田、卫生、广电等部门，并已安装了上万套的微波扩频设各。