扩频通信技术的概念及优势

目前所有调制方案的一个主要设计思想就是最小化传输带宽，其目标是为了提高频带利用率。然而，由于带宽是一个有限的资源，随着窄带化调制接近极限，最后只有压缩信息本身的带宽了。于是调制技术又向着相反的方向发展──采用宽带调制技术。

扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据，即以信道带宽来换取信噪比的改善。

（一）扩频技术的概念

扩频就是将数据信号介入带有白噪声特性的伪随机序列进行传输，使传输带宽达到原数据所需最小带宽大到数百甚至上千万倍以上。

若W代表系统占用带宽或信号带宽，B代表信息带宽，则一般认为W/B＝1～2，为窄带通信；W/B＝50，为宽带通信；W/B≥100，即为扩频通信。扩频通信系统用100倍以上的信号带宽来传输信息，旨在有力地克服外来干扰，特别是故意干扰和无线多径衰落，即在强干扰条件下保证安全可靠的通信。

（二）扩频的分类

按结构和调制方式，大体分为以下几类：

（1）直接序列扩频（DS-SS）并包括CDMA（码分多址）。

（2）跳频（FH），并包括慢跳频（SFH）CDMA和快跳频（FFH）系统。

（3）时跳扩频（TH）。

（4）混合扩频方式。

（三）扩频通信系统的组成

扩频通信系统的基本组成框如图2-23所示，扩频通信系统除了具有一般通信系统所具有的信息调制和射频调制外，还增加了扩频调制，即增加了扩频调制和解扩部分。信号在扩频通信系统中的处理流程如下：

图2-23　扩频通信系统基本组成框图

1.发送端

信息调制：输入的窄带有用信号先经过信息调制，形成数字信号。

扩频调制：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，形成扩频信号。

射频调制：为适应无线传播信道的要求，射频调制器对扩频信号进行调制，然后成为射频调制信号发送到无线信道。

2.在无线信道

射频调制信号被加入宽带噪声（在CDMA系统中还有其他用户产生的多址干扰）和窄带强脉冲干扰，变为混合信号。

3.接收端

射频解调：通过收端变频器后对接收到的混合信号进行载波解调，将混合信号中心频率从射频降到一个适合接收系统工作的中频频率。

扩频解调：通过扩频解调器，用与发送端相同的本地扩频码（PN码）对接收信号进行相关解扩，产生解扩信号。在解扩过程，有用信号因与扩频码相关被解扩提取；窄带干扰信号因不相关反而被扩频码扩频，降低了功率谱密度，宽带噪声与扩频码不相关，不能被解扩提取。

窄带滤波：解扩信号通过中频窄带滤波输出窄带信号，包括在带内的有用信号、宽带噪声和窄带干扰。

信息解调：通过中频窄带滤波输出的窄带信号经过信息解调，恢复成原始信息输出。

（四）扩频通信系统的主要指标

衡量扩频通信系统的主要性能指标是系统的处理增益和抗干扰容限。

1.扩频处理增益（Gp）

扩频处理增益（Spread Process Gain）或称为处理增益，是指扩频信号的带宽（即扩展后的信号带宽）与信息带宽（即扩展前的信息带宽）之比。扩频处理增益如式（2.14）、（2.15）表示(www.xing528.com)

在工程上常中，以分贝（dB）表示

式中　W——扩频信号的带宽，单位为Hz；

B——信息带宽，单位为Hz；

例如，某扩频系统，W＝20 MHz，B＝10 kHz，则Gp＝33 dB。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之间有33dB的信噪比增益改善程度。

2.抗干扰容限（Mj）

抗干扰容限是在保证系统正常工作的条件下，接收机输入端能承受的干扰信号比有用信号高出的分贝（dB）数。即扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力。抗干扰容限表示为

式中　Mj──系统的抗干扰容限，单位为dB；

(S/N)out──接收机的输出信噪比，单位为dB；

Ls──系统的损耗，单位为dB。

例如，某扩频系统的处理增益为30 dB，接收机的输出信噪比≥10 dB，系统损耗为3 dB，由式（2.16）可以求得抗干扰容限

Mj=30-(10 +3)=17（dB）

它表明如果干扰输入功率超过信号功率17 dB，系统就不能正常工作；否则，在二者之差不大于18 dB时，即使信号被一定的噪声或干扰淹没，该系统仍能正常工作。换句话说，该系统能够在接收输入信噪比大于或等于－17 dB的环境下正常工作。

保证通信系统要正常工作，必须在输出端有一定的信噪比，如：GSM蜂窝移动通信系统为蜂窝10 dB，CDMA蜂窝移动通信系统为－7 dB，并且还需扣除系统内部信噪比的损耗，因此需引入抗干扰容限。抗干扰容限直接反映了扩频通信系统接收机允许的极限干扰强度，它往往能比处理增益更确切地表征系统的抗干扰能力。

（五）扩频通信系统的主要特点

扩频通信在发送端以扩频编码进行扩频调制，在接收端以扩频码序列进行扩频解调，这一过程使其具有诸多优良特性。

1.抗干扰能力强

扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，在接收端采用相关检测的方法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信息信号。而对于各种形式的干扰，只要波形、时间和码元稍有差异，解扩后仍然保持其宽带性，然后通过窄带滤波技术提取出有用的信息信号。这样对于各种干扰信号，因其在接收端的非相关性，解扩后在窄带中只有很微弱的成分。因此信噪比高，抗干扰能力强。

2.提高了频率利用率

由于系统本身的抗干扰能力强，所以扩频通信的发送功率可以很低（1～650 mW），系统可以工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率，也可与现今各种窄带通信共享同一频率资源，大大提高了频率利用率。

3.保密性好

由于扩频信号在很宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率很小，即信号功率谱密度很低。所以，在信道噪声和热噪声的背景下，信号被淹没在噪声之中，敌方一般很难发现有信号存在，再加上不知道扩频编码，就很难进一步检测出有用信号。因此，扩频信号具有很低的被截获概率。

4.可以实现码分多址

许多用户共享同一宽频带，则可提高频带的利用率。正是扩频通信给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型扩频编码之间的相关特性，给不同用户分配不同的扩频编码，就可以区分不同用户的信号。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进行通信，从而实现频率复用和码分多址。

5.抗衰落、抗多径干扰

扩频信号的频带扩展，信号分布在很宽的频带内，信号的功率谱密度降低，而多径效应产生的频率选择性衰落只会造成传输的小部分频谱衰落，不会造成信号严重变形，扩频系统具有抗频率选择性衰落的能力。在移动通信中，多径干扰是一个是很严重的、非解决不可的问题。系统常采用分集技术和梳状滤波器的方法来提高抗多径干扰的能力。

6.能精确定时和测距

利用电磁波的传播特性和扩频通信PN码的相关性，可以精确测出二物体之间距离，使精确定时和测距得以广泛应用。