扩频通信系统的基本原理和性能指标

扩频通信技术是一种信息传输方式，其系统占用的频带宽度远大于要传输的原始信号的带宽（或信息比特率），且与原始信号带宽无关。在发送端，频带的展宽是通过编码及调制（即扩频）来实现的；在接收端用与发送端完全相同的扩频码进行相关解调（即解扩）来恢复信息。系统占用带宽W与所传送信息的带宽B的比值称为系统处理增益（G_p），只有当系统处理增益值在100以上时才是扩频通信。当系统处理增益值在50以上为宽带通信，系统处理增益值在1～2时为窄带通信。

扩频通信系统用100倍以上的信息带宽来传输信息，最主要的目的是为了提高通信的抗干扰能力，即使系统在强干扰条件下也能安全可靠地通信。

1.扩频通信基本原理

扩频通信系统的扩频部分就是用一个带宽比信息带宽宽得多的伪随机码（PN码）对信息数据进行调制，解扩则是将接收到的扩展频谱信号与一个和发端PN码完全相同的本地码通过相关检测来实现的，当收到的信号与本地PN码相匹配时，所要的信号就会恢复到其扩展前的原始带宽，而不匹配的输入信号则被扩展到本地码的带宽或更宽的频带上。解扩后的信号经过一个窄带滤波器后，有用信号被保留，干扰信号被抑制，从而改善了信噪比，提高了抗干扰能力。扩频通信系统的基本原理框图如图2-3-3所示。

图2-3-3 扩频通信系统基本原理框图

信息数据经过信息调制器后，输出的是窄带信号，如图2-3-4a所示；经过扩频调制后频谱展宽如图2-3-4b所示，其中R_c>>R_i；在接收机的输入信号中加有干扰信号，如图2-3-4c所示；经过解扩后有用信号频谱变窄恢复出原始带宽，而干扰信号频谱变宽，如图2-3-4d所示；再经过窄带滤波，有用信号带外干扰信号被滤除，如图2-3-4e所示，从而降低了干扰信号的强度，改善了信噪比。在扩频通信系统中，经过对信息的信号带宽的扩展和解扩处理，获得系统处理增益G_p。系统处理增益G_p表示了扩频通信系统信噪比改善程度，是扩频通信系统一个重要的性能指标。

例如：某系统W=20MHz，B=10kHz，则G_p=2000（33dB），说明这个系统在接收机的射频输入端和基带滤波器输出端间有33dB的信噪比改善。扩频通信系统的抗干扰性能和系统处理增益成正比。系统处理增益增大，系统接收端解扩后，在单位带宽内干扰信号的功率与有用信号的功率值差值增大，抗干扰能力就增强。干扰容限是在保证系统正常工作的条件下（即保证输出端有一定的信噪比），接收机输入端能承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数，如图2-3-4d所示，直接反映了扩频系统接收机允许的极限干扰强度，往往能比系统处理增益更确切地表征系统的抗干扰能力。

干扰容限M_j=G_p-（L_s+（S/N）0） （2-3-2）

式中，L_s为系统损耗；（S/N）0为接收机的输出信噪比。

图2-3-4 扩频解扩频谱图

例如：某扩频通信系统的系统处理增益G_p=33dB，系统损耗L_s=3dB，接收机的输出信噪比（S/N）0≥10dB，则该系统的干扰容限M_j=20dB。这表明该系统最大能承受20dB（100倍）的干扰，即当干扰信号功率超过有用信号功率20dB时，该系统不能正常工作，而二者之差不大于20dB时，系统仍能正常工作。

2.扩频通信系统的特点

（1）抗干扰能力强

扩频通信系统扩展频谱越宽，处理增益越高，抗干扰能力越强，这是扩频通信的最突出的优点。

（2）保密性好

由于扩频后的有用信号被扩展在很宽的频带上，单位频带内的功率很小，即信号的功率谱密度很低，信号被淹没在噪声里，非法用户很难检测出信号。

（3）可以实现码分多址

扩频通信提高了抗干扰能力，但付出了占用频带宽度的代价，多用户共用这一宽频带，可提高频率利用率。在扩频通信中可利用扩频码的优良的自相关和互相关特性实现码分多址，提高频率利用率。

（4）抗多径干扰

利用扩频码序列的相关性，在接收端用相关技术从多径信号中提取和分离出最强的有用信号。或把多径信号合成，变害为利，提高接收信噪比。

（5）能精确定时和测距

利用电磁波的传播特性和伪随机码的相关性，可以比较正确地测出两个物体间的距离，GPS全球定位系统就是应用之一。另外，还可以应用到导航、雷达、定时等系统中。

3.扩频通信的种类

（1）直接序列（DS）系统

用一高速伪随机序列与信息数据相乘，由于伪随机序列的带宽远大于信息带宽，从而扩展了发射信号的频谱。

（2）跳频（FH）系统

在一伪随机序列的控制下，发射频率在一组预先指定的频率上按所规定的顺序离散地跳变，扩展发射信号的频谱。

采用跳频技术是为了确保通信的秘密性和抗干扰性，跳频功能主要是：改善衰落；改善处于多径环境中的慢速移动的移动台的通信质量。跳频相当于频率分集。(www.xing528.com)

与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽也难以被截获。只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截获我方的通信内容。同时，跳频通信也具有良好的抗干扰能力，即使有部分频点被干扰，仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信。由于跳频通信系统是瞬时窄带系统，它易于与其他的窄带通信系统兼容，也就是说，跳频电台可以与常规的窄带电台互通，有利于设备的更新。因为这些优点，跳频技术被广泛应用于对通信安全或者通信干扰具有较高要求的无线领域。

（3）脉冲线性调频（Chirp）系统

系统的载频在一给定的脉冲间隔内线性扫过一个宽频带，扩展发射信号频谱。

（4）跳时（TH）系统

与跳频系统类似，区别在于该系统是用一伪随机序列控制发射时间和发射时间的长短。

（5）混合系统

上面四种系统的组合。

实际扩频通信系统以前面三种为主流，民用系统一般只用前两种。

4.直接序列扩频通信系统

直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）通信系统是以直接扩频方式构成的扩展频谱通信系统，简称直扩（DS）系统，又称伪噪声（Pseudo-Noise，PN）扩频系统。系统工作原理如图2-3-5所示。

当接收侧PN序列与发送侧完全相同时，解扩可恢复到原来的窄带信号，如图2-3-5e所示。这里的“完全相同”是指收端的PN码不但在码型结构上与发端相同，而且相位上也要相同（即频率相同、相位一致）。若码型结构相同但不同步，也不能恢复成窄带信号，得不到所发的信息，如图2-3-5g所示。当接收端有干扰时，其频谱经解扩电路后也要被展宽，再经过与原始信息带宽相同的窄带滤波器后，干扰被抑制，达到抗干扰目的。图2-3-3中各点对应的波形和频谱如图2-3-5所示。

因为码分多址通信系统是自干扰系统，为了把干扰降到最低限度，码分多址必须与扩频技术相结合。码分多址与直接序列扩频技术相结合构成码分多址直接扩频通信系统，主要有以下两种形式。

第一种码分直扩系统构成如图2-3-6所示。在该系统中，发端的用户信息数据d_i首先与对应的地址码W_i相乘，进行地址调制，再与PN码相乘，进行扩频调制。在收端，扩频信号经本地产生的与发端PN码完全相同的PN码解扩后，再由相应的本地地址码（W_k=W_i）进行相关检测，得到所需的用户信息（r_k=d_i）。系统中地址码采用一组正交码（如Walsh码），各用户分配其中的一个；而PN码在系统中只有一个，用于扩频和解扩，以增强系统的抗干扰能力。

第二种码分直扩系统构成如图2-3-7所示。在该系统中，发端的用户信息数据d_i直接与对应的PN_i码相乘，进行地址调制的同时又进行扩频调制。在收端，扩频信号经过与发端完全相同的本地PN码（PN_k=PN_i）解扩，相关检测得到所需的用户信息（r_k=d_i）。系统中采用一组正交性良好的PN码，既作用户地址码，又用于扩频和解扩。

图2-3-5 扩频通信波形图

图2-3-6 码分直扩（一）

比较两种系统，第二种由于去掉单独的地址码组，用不同的PN序列代替，整个系统相对简单，但由于PN码不完全正交，而是准正交，各用户间的相互影响不能完全消除，整个系统的性能将受一定的影响。而第一种系统由于采用了完全正交的地址码组，各用户间的相互影响可以完全消除，提高了系统的性能，但整个系统变得很复杂，尤其是同步系统。

5.跳频扩频通信系统

（题外话：跳频技术专利的第一发明者为海蒂·拉玛，她是好莱坞巨星，曾被誉为全世界最美丽的女人。）跳频系统的载波频率在很宽频率范围内按预定的跳频序列进行跳变。在跳频扩频通信系统中，通信使用的载波频率受一组快速变化的PN码控制而随机跳变，系统的基本原理如图2-3-8所示。

图2-3-7 码分直扩（二）

图2-3-8 跳频扩频通信系统

图2-3-9 跳频通信系统

在发送端，信息经调制变成带宽为B的基带信号后，进入载波调制，产生载波的频率合成器在PN码发生器的控制下，产生的载波频率在带宽为W（W>>B）的频带内随机跳变，从而使基带信号由带宽B扩展到W，即在射频调制的同时完成频谱的扩展。在接收端，为了解出跳频信号，需要一个与发端完全相同的PN码去控制本地频率合成器，使本地频率合成器输出一个始终与收到的载波频率相差一个固定中频的本地跳频信号，然后与收到的跳频信号混频，得到不跳变的中频信号（Intermediate Frequency，IF），经信息解调得到所需的信息数据。信号波形如图2-3-9所示。

跳频扩频系统与直接序列扩频系统一样具有较强的抗干扰能力。但是，跳频系统是靠中频滤波器抑制带外的频谱分量，减少单频干扰和窄带干扰进入接收机的概率，从而提高系统的抗干扰性能。而直接序列扩频系统是通过展宽单频干扰和窄带干扰的频谱，降低干扰信号在单位频带的功率来实现抗干扰性能的提高。