无线扩频通信技术基本原理及应用

・２００３天津ｒｒ、网络、信息技术、电子、仪器仪表创新学术会议

无线扩频通信技术基本原理及应用

晏小乔

（天津港通信导航公司３００４５６２５７０２９６５）

摘要本文重点介绍了扩频通信技术的基本原理和应用，并阐述了扩频通信技术为现代信息技术的发展提供了优

质的无线传输手段，解决了抗干扰性，保密性，可靠性，频率占用、传输带宽等多方面的问题。

关键词

长期以来，扩频通信主要用于军事保密通信和电子对抗系统，随着世界范围政治格局的变化和冷战的结束，该项技术才逐步转向”商业化”。我们知道，传输任何信息都需要一定的带宽。随着无线通信的广泛应用，无线频道变得非常拥挤，频道资源非常紧张，干扰多且很严重。扩频通信技术有很多优点可以克服这些问题，并且可以提供更高的保密技术，下面我们先来了解一下该技术的基本原理。

扩频通信技术基本原理

扩频通信的理论基础是仙农定理：Ｃ＝ｗ【ｏｇ２（１＋Ｓ／Ｎ）

式中：Ｃ一一一信道容量，ｗ一一一传输带宽，ｓ／Ｎ一一一信号功率／噪声功率

由上式可以看出：

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。

目前常用的扩频通信实现方法主要有：直接序列扩频、跳频、跳时、宽带线性调频等方式。其中最常用的是直接序列扩频和跳频。

１直接序列扩频技术

所谓直接序列扩频（ｏｓ—ＤｉｒｅｃｔＳｃｑｕｅｎｃｙ），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。

其原理框图如下：

直序扩频使用伪随机码（ＰＮｃｏａｅ）对信息比特进行模２加得到扩频序列。然后扩频序列去调制载波发射，由于ＰＮ码往往比较长，因此发射信号在比较低的功率上可以占用很宽的功率谱，即宽带低信噪比传输。ＰＮ码的长度决定了扩频系统的扩频增益，而扩频增益又反映了一个扩频系统的性能。

直序扩频系统的解扩采用相关解扩，这是它与常规无线通信解调方式的根本不同。在接收端，接收信号经过放大混频后，经过与发射端相同且同步的ＰＮ码进行相关解扩，把扩频信号恢复出窄带信号，再对窄带信号进行相关解调解出原始信息序列。用１１位码长的扩频码来说，直接序列扩频与解扩的过程简单说就是，如果采用的信源发出…１’，则扩频调制为一个序列单元，如“１１１０００１００１０”；信源发出…０’，则扩频调制为一个反相的序列单元，如与上面对应的反相序列“０００１１１０１１０１”。在接收端，收到序列“１１１０００１００１０”则恢复为…１，收到序列“０００１１１０１１０１”则恢复为…０’。

直序扩频技术的优点在于：

１．１抗干扰能力强

扩频解调器实际上是一个相关器，扩频信号通过相关器后能有效的恢复，干扰信号（包括瞄准性干扰和】０ｌ

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宽带干扰），由于与本地ＰＮ码不相关而被相关器抑制掉。

１．２具有强的抗多径干扰能力

无线电波在传播的过程中，除了直接到达接收天线的直射信号外，还会有各种反射体（如大气对流层、建筑物、高山、树木、水面、地面）等引起的反射和折射信号被接收天线接收。反射和折射信号的传播时间比直射信号长，它对直射信号产生的干扰称为多径干扰。多径干扰会造成通信系统的严重衰落甚至无法工作。由扩频序列的自相关函数的特性知道，当两个接收信号序列相对时间超过码元宽度时，相关器输出只为码长的倒数，故被很大程度的抑制掉。

１．３对其它电台干扰小，抗截获能力强

由于信息信号经过扩频调制后频谱被大大扩展，使信号的功率谱密度大大降低，接收端接收到的信号谱密度比接收机噪声低，即信号完全淹没在噪声中，这样对其它同频段电台的接收不会形成干扰，信号也就不容易被发现，进一步检测出信号就更难，所以有非常高的隐蔽性，非常适合保密通信，特别适合应用于军事领域的通信。

Ｉ．４可以同频工作

由于采用相关解调，只要每部通信机的扩频码（ＰＮ）不同，几部通信机就可以使用同一载频而不会有相互干扰，只是增加多一点背景噪声而已。

１．５便于实现多址通信

由于不同的扩频码是正交或接近正交的，彼此相互影响很小，所以可以把不同的扩频码作为用户的地址码，则很容易实现码分多址（ＣＤＩⅡＡ）通信。移动通信系统采用ＣＤＭＡ方式，理论上可以使通信容量比目前的蜂窝式通信容量提２０倍。

２跳频扩频通信技术

跳频扩频的实现方法是载频信号以一定的速度和顺序，在多个频率点上跳变传递，接收端以相应的速度和顺序接收并解调。这个预先设定的频率跳变的序列就是ＰＮ码。在ＰＮ码的控制下，收发双方按照设定的序列在不同的频点上进行通信。由于系统的工作频率在不停的跳变，在每个频率点上停留的时问仅为毫秒或微秒级，因此在一个相对的时间段内，就可以看作在一个宽的频段内分布了传输信号，也就是宽带传输。

跳频通信系统的频率跳频速度反映了系统的性能，好的跳频系统每秒的跳频次数可以达到上万跳。跳频通信系统在每个跳频点上的瞬时通信实际上还是窄带通信。

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原理框图如下所示：

跳频通信的关键部件是跳频器，它由频率合成器和跳频指令发生器两部分组成。频率合成器受跳频指令发生器的控制产生跳变的载频信号去调制信号或解调信号。跳频序列的同步是跳频通信的核心技术。

跳频扩频技术的优点在于：

２．１抗干扰能力强

由于在实际通信中。通信频率一直是变化不定的，控制跳频的ＰＮ码序列其周期可以长达数年，跳变的频率可以达到成千上万个，因此对于干扰信号来说基本上不可能捕捉到传输信号，对于固定频率干扰也可以跳变一个频点避开。相对于直序扩频。跳频技术具有更好的保密性和抗干扰性能。

２．２系统兼容性

兼容性是指，跳频通信系统可以与一个不跳频的定频窄带通信系统在某个固定频点上进行通信。也可以在定频通信电台上增加跳频模块使其具有跳频通信能力而与跳频电台进行通信。

２．３便于实现多址通信

应用跳频通信可以很容易地组建一个多址网络，网络内的各个用户都被分配了一个互不相同的地址码，就象电话号码一样。每个用户只能接收其他用户针对其地址码发送来的信息，对发送给其他用户的信息，则不会解调出来。

下面我们将直序扩频技术与跳频扩频技术做一下简单的比较，详见下表：

扩频技术直序扩频跳频扩频

同样发射功率通信距离远，较低输出功率就可以达几同样发射功率时传输距离相对较近，提高输出功率应用

十公里，民用产品比较丰富。可以获得比较远的传输距离。

抗多径能力强，可以保持长距离通信．传输数据速率高

优点。抗截获能力强，保密性好，通常不会对其他通信设备抗干扰能力最强。频谱利用率稍高。

造成干扰。

占用频率资源比较多，可以频率复用。但是相邻系统在近距离时，对其他窄带和直序扩频通信设备有干扰。

缺点

的背景噪音高。数据速率相对低，跳速低时容易被跟踪并干扰。

通过以上比较可以看出，跳频通信技术具有比较强的抗干扰能力，是特别适合于军事领域的通信手段。正是它独特的优点使得它符合了现代信息战争中电子对抗的需求，因此在现代军事通信中成为重要的通信手段。在海湾战争中，多国部队就大量的使用了采用跳频通信技术的通信设备。

当然通信干扰与反干扰是一对矛盾，互相制约叉互相促进发展。由于受到技术条件、元器件技术的限制，跳频速度也不可能不限制提高，今后的跳频通信应该会是跳频和直序扩频技术的综合，或者跳频直序扩频、跳时技术的综合。

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