[分享]扩频通信

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扩频通信，即扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication），它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。除此以外，扩频通信还具有如下特征:
1 是一种数字传输方式；
2 带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息进行调制实现的；
3 在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。
根据仙农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出的信道容量公式，即仙农公式：　　C = W×Log2(1+S/N)
　　式中：C--信息的传输速率 S--有用信号功率 W--频带宽度 N--噪声功率
由式中可以看出：
　　为了提高信息的传输速率C，可以从两种途径实现，既加大带宽W或提高信噪比S/N。换句话说，当信号的传输速率C一定时，信号带宽W和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。

       频谱的扩展是用数字化方式实现的。在一个二进制码位的时段内用一组新的多位长的码型予以置换，新码型的码速率远远高出原码的码速率，新码型的带宽远远高出原码的带宽，从而将信号的带宽进行了扩展。这些新的码型也叫伪随机（PN）码，码位越长系统性能越高。通常，商用扩频系统PN码码长应不低于12位，一般取32位，军用系统可达千位。
目前常见的码型有以下三种：
1） M序列，即最长线性伪随机系列；
2）GOLD序列；
3） WALSH函数正交码。
      当选取上述任意一个序列后，如M序列，将其中可用的编码，即正交码，两两组合，并划分为若干组，各组分别代表不同用户，组内两个码型分别表示原始信息"1"和"0"。系统对原始信息进行编码、传送，接收端利用相关处理器对接收信号与本地码型相关进行相关运算，解出基带信号( 即原始信息)实现解扩，从而区分出不同用户的不同信息。
      根据扩展频谱的方式不同，扩频通信系统可分为：直接序列扩频（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）、线性调频以及以上几种方法的组合。
      1）直接序列扩频
      所谓直接序列扩频（DS-Direct Scquency），就是用高码率的扩频码序列在发端直接去扩展信号的频谱，在收端直接使用相同的扩频码序列对扩展的信号频谱进行解调，还原出原始的信息。

       直扩技术使用伪随机码（PN CODE）对信息比特进行模2加得到扩频序列，然后将扩频序列调制载波发射到空中，此时系统占用功率谱密度也降低。PN码由伪随机序列发生器产生，其码速比原始信息码速高的多，每一PN码的长度（即切普CHIP宽度）很小。　
直扩系统的接收一般采用相关接收，分为两步，即解扩和解调。在接收端，接收信号经过放大混频后，用于发射端相同且同步的伪随机码对中频信号进行相关解扩，把扩频信号恢复成窄带信号，然后再解调，恢复原始信息序列。对于干扰和噪音，由于与伪随机码不相关，接收机的相关解扩相当于一次扩频，将干扰和噪音进行频谱扩展，降低了进入频带内的干扰功率，同时使得解调器的输入信噪比和载干比提高，提高了系统的抗干扰能力。另外，采用不同PN码即不相关的接收机很难发现和解出扩频序列中的信息，由于不同构造的PN码之间相关性很低，码分多址CDMA就是采用同样原理区别不同的用户。
对于直扩系统最好是先解扩再解调，因为无线信号在空间传输中会有很大的信号衰减。未解扩前的信噪比很低，甚至信号淹没在噪声中。一般解调器很难在很低的信噪比下正常解调，导致高误码。
但在室内通信条件下，由于信号有较高的强度，可以先解调后解扩。当信号达到一定电平时，简单的解调器已经能够正常的工作，可以先将信号解调为一个数据流（未解扩），然后用普通的集成电路进行数字相关信号解扩。采用直扩的无线局域网卡一般采用这种方法，射频单元的处理大为简化，体积可以缩小很多，并且成本明显下降。
在性能上，先解扩再解调明显优于先解调后解扩。先解扩可以通过解扩过程获得扩频增益（扩展的频谱带宽与原始信息的带宽之比），提高接收信号信噪比。室外远程（2、3公里以上的）扩频通信必须采用这种方式，以保证通信质量和可靠性。
       2）跳频
       跳频技术与直序扩频技术完全不同，是另一种意义上的扩频。跳频的载频受一个伪随机码的控制，在其工作带宽范围内，其频率合成器按PN码的随机规律不断改变频率。在接收端，接收机频率合成器受伪随机码控制，并保持与发射端变化规律相同。跳频是载波频率在一定范围内不断跳变意义上扩频，而不是对被传送信息进行扩谱，不会得到直序扩频的处理增益。跳频相当于瞬时的窄带通信系统，基本等同于常规通信系统，由于不能抗多径，同时发射效率低，同样发射功率的跳频系统在有效传输距离上小于直扩系统。跳频的优点是抗干扰，定频干扰只会干扰部分频点。用于语音信息的传输，当定频干扰只占一部分时不会对语音通信造成很大的影响。跳速的高低直接反映跳频系统的性能，跳速越高抗干扰的性能越好，军事上的跳频系统可以达到每秒上万跳。实际上移动通信GSM系统也是跳频系统，其规定的跳速为每秒217跳。出于成本的考虑，商用跳频系统跳速都很慢，一般在50跳/秒以下。由于慢跳跳频系统可以简单的实现，因此低速无线局域网产品常常采用这种技术。　
       3）跳时
       跳时(TH－Time Hopping)是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。由于采用了窄得很多的时片去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。下图是跳时系统的原理方框图。在发端，输入的数据先存储起来，由扩频码发生器的扩频码序列去控制通－断开关，经二相或四相调制后再经射频调制后发射。在收端，由射频接收机输出的中频信号经本地产生的与发端相同的扩频码序列控制通－断开关，再经二相或四相解调器，送到数据存储器和再定时后输出数据。只要收发两端在时间上严格同步进行，就能正确地恢复原始数据。
      以下是三种扩频方式的比较：  

扩频通信具有许多窄带通信难以替代的优良性能， 使得它能迅速推广到各种公用和专用通信网络之中。简单来说主要有以下几项优点:
1 ）抗干扰性强，误码率低
　　如上所述，扩频通信系统由于在发送端扩展信号频谱，在接收端解扩还原信息，产生了扩频增益，从而地提高了抗干扰容限。根据扩频增益不同，甚至在负的信噪比条件下，也可以将信号从噪声的淹没中提取出来，在目前商用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作于负信噪比条件下的通信方式。
　　各种形式人为的干扰(如电子对抗中)或其他窄带或宽带(扩频)系统的干扰，只要波形、时间和码元稍有差异，解扩后仍然保持其宽带性，而有用信号将被压缩。从图4可以看出，对于脉冲干扰， 由于在信号的接收过程中，它是一个被一次"模二相加"过程，可以看成是一个被扩频过程，其带宽将被扩展，而有用信号却是一个被二次"模二相加"过程，是一个解扩过程，其信号被恢复(压缩)后，保证高于干扰。由于扩频系统这一优良性能，其误码率很低，正常条件下可达10-10，最差条件下也可达10-6，远高于普通的微波通信（如通常所说的一点多址）的效果，完全能满足目前国内SCADA系统对通信传输质量的要求。应该说，抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点；
2） 易于同频使用，提高了无线频谱利用率
　　无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波都已得到开发利用，仍然满足不了社会的需求。为此，世界各地都设计了频谱管理机构， 用户只能使用申请获得的频率，依靠频道划分来防止信道之间发生干扰。
　　由于扩频通信采用了相关接收这一高技术，信号发送功率极低（<1W，一般为1~100mW），且可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，也可以与现今各种窄带通信共享同一频率资源；
3）抗多径干扰
　　在无线通信中，抗多径干扰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，从而达到有效的抗多径干扰。
4）扩频通信是数字通信，特别适合数字话音和数据同时传输，扩频通信自身具有加密功能，保密性强，便于开展各种通信业务。扩频通信容易采用码分多址、语音压缩等多项新技术，更加适用于计算机网络以及数字化的话音、图像信息传输；
5）扩频通信绝大部分是数字电路，设备高度集成，安装简便，易于维护，也十分小巧可靠，便于安装，便于扩展，平均无故障率时间也很长；
6） 另外，扩频设备一般采用积木式结构，组网方式灵活，方便统一规划，分期实施，利于扩容，有效地保护前期投资。