擴頻通信

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擴頻通信(Spread Spectrum Communication)

　　擴頻通信是指用來傳輸信息的射頻信號帶寬遠遠大於信息本身帶寬的一種通信方式．例如一個二進位數據流的速率為64kb／s，其基帶帶寬只有64kHz，但用擴頻技術傳輸時。它的帶寬可以被擴展到4MHz，26MHz，甚至12OMHz或更多。

　　在髮端輸人的信息先調製形成數字信號，然後由擴頻碼發生器產生的擴頻碼序列去調製數字信號以展寬信號的頻譜，展寬後的信號再調製到射頻發送出去。在接收端收到的寬頻射頻信號，變頻至中頻，然後由本地產生的與髮端相同的擴頻碼序列去相關解擴，再經信息解調，恢覆成原始信息輸出。可見，一般的擴頻通信系統都要進行3次調製和相應的解調。一次調製為信息調製，二次調製為擴頻調製，三次調製為射頻調製，以及相應的信息解調、解擴和射頻解調。與一般通信系統比較，多了擴頻調製和解擴部分。

　　擴頻通信應具備如下特征：(1)數字傳輸方式；(2)傳輸信號的帶寬遠大於被傳信息帶寬；(3)帶寬的展寬，是利用與被傳信息無關的函數(擴頻函數)對被傳信息的信元重新進行調製實現的；(4)接收端用相同的擴頻函數進行相關解調(解擴)，求解出被傳信息的數據。用擴頻函數(也稱偽隨機碼)調製和對信號相關處理是擴頻通信有別於其他通信的兩大特點。

　　(1)抗干擾性強

　　擴頻通信系統擴展的頻譜越寬，處理增益越高，抗干擾能力就越強。簡單地說，如果信號頻譜展寬10倍，那麼干擾方面需要在更寬的頻帶上去進行干擾．分散了干擾功率，從而在總功率不變的條件下，其干擾強度只有原來的1／10。另外，由於接收端採用擴頻碼序列進行相關檢測，空中即使有同類信號進行干擾，如果不能檢測出有用信號的碼序列，干擾也起不了太大作用，因此抗干擾性能強是擴頻通信的最突出的優點。

　　(2)信息保密性好

　　由於擴頻信號在很寬的頻帶上被擴展了，單位頻帶內的功率就很小，即信號的功率譜密度很低，所以應用擴頻碼序列擴展頻譜的直接序列擴頻系統，可在通道雜訊和熱雜訊的背景下，在很低的信號功率譜密度上進行通信。信號被湮沒在雜訊里，很不容易被髮現，想進一步檢測出信號的參數就更加困難了。

　　(3)易於實現碼分多址

　　由於擴頻通信中存在擴頻碼序列的擴頻調製，可充分利用各種不同碼型擴頻序列之間優良的自相關特性和互相關特性，在接收端利用相關檢測技術進行解擴，則在分配給不同用戶不同碼型的情況下，系統可以區分不同用戶的信號，這樣在同一頻帶上許多用戶可以同時通話而互不幹擾。

　　(4)抗多徑干擾

　　在無線電通信的各個頻段，短波、超短波、微波和光波中存在大量的多徑干擾。一般方法是採用分集接收技術，或設法把不同路徑的不同延遲信號在接收端從時間上對齊相加，合併成較強的有用信號，這兩種基本方法在擴頻通信中都是很容易實現的。

　　擴頻通信分為以下幾種類型：

　　(1)跳頻擴頻(FHSS)就是採用跳頻(FrequencyHopping)方式進行擴頻，形象地說是採用特定的偽碼控制的多頻率移頻鍵控。

　　(2)跳時擴頻(FHSS)就是採用跳時(Time Hopping)方式進行擴頻。

　　(3)直接序列擴頻(DSSS)就是採用高碼速率的直接序列(Direct Sequence)偽隨機碼在髮端進行擴頻，在收端採用相同的偽碼(PN)進行相關解擴。

　　(4)混合擴頻就是採用跳頻和跳時等的相應組合，即Ds／FH／TH構成混合系統。

　　一般說來，民用系統採用直擴系統(DSSS)的居多；其它3種多為軍用。根據香農定理，在系統信息速率一定時。可在不同的信號帶寬和信噪比之進行取捨，用不同的信號帶寬和相應的信噪比來實現傳輸，即信號帶寬越寬，可傳信噪比越低，甚至在信號被雜訊淹沒的情況下也可以實現可靠通信．因此，將信號的頻譜擴展，用擴展頻譜通信技術實現低信噪比信號傳輸，保證信號傳輸有較好的抗干擾性和較高的保密性。

　　在過去由於技術的限制，人們一直在走增加信號功率，減少雜訊，提高信噪比的道路．即使到了7o年代，偽碼技術已經出現，但作為相關器的“碼環”的鐘頻只能做到幾千赫茲也無助於事．近幾年，由於大規模集成電路的發展，幾十兆赫茲，甚至幾百兆赫茲的偽碼發生器及其相關部件都已成為現實，擴頻通信獲得極其迅速的發展．通信的發展史又到了一個轉折點，由用信噪比換帶寬的年代進入了用寬頻換信噪比的年代。

　　從最佳通信系統的角度看擴頻通信．最佳通信系統一最佳發射機+最佳接收機．幾十年來，最佳接收理論已經很成熟，但最佳發射問題一直沒有很好解決，偽碼擴頻是一種最佳的信號形式和調製制度，構成了最佳發射機．因此，有了最佳通信系統一偽碼擴頻+相關接收這種認識，人們就不難預測擴頻通信的未來前景。

　　從9O年代無線通信開始步人擴頻通信和自適應通信的年代．擴頻通信的熱浪已經波及短波、超微波、微波通信和衛星通信，碼分多址(CDMA)已開始廣泛用於未來的峰窩通信、無繩通信和個人通信以及各種無線本地環路，發揮越來越大的作用。

　　接入網是由傳統的用戶線、用戶環路和用戶接入系統，逐步發展、演變和升級而形成的．現代電信網路分為3部分：傳輸網、交換網和接入網．由於接入網發展較晚，往往成為電信發展的“瓶頸”，各國都很重視接入網的發展，因此各類接人技術和系統應運而生。

　　由於ISM(Industry Scientific Medica1)頻段的開放性，經營者和用戶不需申請授權就可以自由地使用這些頻段，而無線擴頻技術所使用的頻段(2．400～2．483)正是全世界通用的ISM頻段，包括IEEE802．11協議架構的無線區域網也大部分選用此頻段。

　　在無線接人系統中，擴頻微波與常規微波相比有著3個顯著的優點：抗干擾性強、頻點問題容易處理、價格比較便宜．而且，擴頻微波接入技術相對有線接入技術來說，有成本低、使用靈活、建設快捷的優勢，在接入網中起著不可替代的作用。

　　擴頻微波主要應用在以下幾個方面．語音接入(點對點)；數據接入；視頻接入；多媒體接入；網際網路(Internet)接人。

　　(1)在CDMA中的應用

　　CDMA採用直接序列擴頻系統。完成解擴功能的相關器有直接式和外差式兩種。直接式相關器是在高頻下直接解擴信號，即收、發兩端載波的中心頻率相同，這就使得一些窄帶干擾信號繞過相關器而泄漏出去。造成碼泄漏。而外差式相關器在解擴時是將高頻信號經混頻變為中頻基帶載波信號，減少了碼泄漏現象的發生，因而解擴質量較高。在多數擴頻通信系統中都採用外差式相關器擴頻通信的同步主要是時鐘同步、PN碼同步和載波同步。為了實現同步，在接收系統要有相應的時間跟蹤環、PN碼搜索和跟蹤環以及鎖相環其中，PN碼搜索和跟蹤環是擴頻通信所特有的碼同步環，它是擴頻信號得以正確解調的關鍵要實現PN碼同步，首先要捕獲PN碼，再對其進行跟蹤。

　　現結合滑動相關法和順序估計快速截獲法(RASE系統)來對PN碼的捕獲和跟蹤進行說明。可看出，滑動相關是通過順序改變PN碼的相位周而複始地來檢測信號，雖然這樣耗時較長，但由於其結構簡單且可靠性高，所以被用於實驗電路或在實際應用中與其他方法結合工作。在RASE系統中，先對接收信號的相位進行估算，然後在此相位附近進行搜索，因此此方法所需時間較短，但該系統一般要求在輸入信噪比較高的情況下使用。當PN碼被捕獲後，就要對其進行跟蹤。碼跟蹤迴路分為兩種，一種為相干碼跟蹤迴路，另一種為非相干碼跟蹤迴路。RASE系統進入碼跟蹤階段後，轉換開關保持閉合，m序列發生器已正常工作，它產生兩路有相對時延的PN碼序列來與接收信號進行相關運算，得到的結果進行比較後經濾波器送人壓控振蕩器(vco)，由壓控振蕩器對m序列發生器的相位進行調整，從而實現對接收信號的跟蹤。對於非相干碼跟蹤迴路，則要用到帶通濾波器和平方器，其結構比相干碼跟蹤迴路要複雜。

　　(2)微波擴頻

　　微波擴頻通信目前在國內的重要應用領域之一是企事業單位組建Intranet並接入ISP。一般接入速率為64kb／s-2Mb/s，使用頻段為2．4—2．4835GHz。該頻段屬於工業自由輻射頻段，也是國內目前惟一不需要無委會批准的自由頻段微波擴頻通信技術的特點是利用偽隨機碼對輸入信息進行擴展頻譜編碼處理，然後在某個載頻進行調製以便傳輸，屬於中程寬頻通信方式。微波擴頻通信技術來源於軍事領域，主要開發目的是對抗電子戰干擾。

　　微波擴頻通信具有以下特點：建設無線微波擴頻通信系統目前無需申請，帶寬較高，建設周期短；一次性投資、建設簡便、組網靈活、易於管理，設備可再次利用，但相連單位距離不能太遠，並且兩點直線範圍內不能有阻擋物；抗雜訊和干擾能力強，具極強的抗窄帶瞄準式干擾能力，適應軍事電子對抗；能與傳統的調製方式共用頻段；信息傳輸可靠性高；保密性強，偽隨機雜訊使不易發現信號的存在而有利於防止竊聽；多址復用，可採用碼分復用實現多址通信；設備使用壽命較長。

　　微波擴頻系統按接人方式分為點對點、點對多點兩種點對點方式是指連接的雙方用一對微波擴頻傳輸設備相連。採用點對點方式的微波系統主要使用802．3協議，傳輸效率高於802．11協議一般通信速率為64kb／s-2Mb，另外，可將若幹點對點微波設備的通信通道進行複合，使得通信速率達到10Mb／s。點對多點方式是指擴頻系統含一個中心點和若幹分佈接人點，若幹分佈接人點以競爭方式或固定分配方式分享中心點提供的總通道帶寬，主要使用802．11協議。系統各分佈接人點所分享的帶寬一般為64～128kb(總帶寬一般為1～2Mb)。競爭方式可根據接人用戶實時需要分配總帶寬，但缺點是競爭時將浪費帶寬、造成擁擠；而以固定方式分享帶寬可以保證傳輸帶寬，但缺乏帶寬實時分配的靈活性。

　　微波擴頻產品已經廣泛應用於中國的電信、移動、金融、證券、稅務，電力、公安、水利、交通、油田、衛生、廣電等部門，並已安裝了上萬套的微波擴頻設各。