擴頻通信的基本原理

　　所謂擴展頻譜通信，可簡單表述如下：“擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端則用同樣的碼進行相關(guān)同步接收、解擴及恢復所傳信息數(shù)據(jù)”。



　　擴頻通信的基本特點，是傳輸信號所占用的頻帶寬度（W）遠大于原始信息本身實際所需的最小帶寬（B），其比值稱為處理增益（Gp）：



　　總之，我們用擴展頻譜的寬帶信號來傳輸信息，就是為了提高通信的抗干擾能力，即在強干擾條件下保證可靠安全地通信。這就是擴展頻譜通信的基本思想和理論依據(jù)。



一、擴頻通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點



　　●易于重復使用頻率，提高了無線頻譜利用率



　　●抗干擾性強，誤碼率低。擴頻通信在空間傳輸時所占有的帶寬相對較寬，而接收端又采用相關(guān)檢測的辦法來解擴，使有用寬帶信息信號恢復成窄帶信號，而把非所需信號擴展成寬帶信號，然后通過窄帶濾波技術(shù)提取有用的信號。這祥，對于各種干擾信號，因其在收端的非相關(guān)性，解擴后窄帶信號中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干擾性強。



　　●保密性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小。由于擴頻信號在相對較寬的頻帶上被擴展了，單位頻帶內(nèi)的功率很小，信號湮沒在噪聲里，一般不容易被發(fā)現(xiàn)，而想進一步檢測信號的參數(shù)(如偽隨機編碼序列)就更加困難，因此說其保密性好。



　　●可以實現(xiàn)碼分多址。擴頻通信提高了抗干擾性能，代價是占用頻帶寬。但是如果許多用戶共用這一寬頻帶，則可提高頻帶的利用率。由于在擴頻通信中存在擴頻碼序列的擴頻調(diào)制，充分利用各種不同碼型的擴頻碼序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，在接收端利用相關(guān)檢測技術(shù)進行解擴，則在分配給不同用戶碼型的情況下可以區(qū)分不同用戶的信號，提取出有用信號。這樣在這一頻帶上許多對用戶可以同時通話而互不干擾。



　　●抗多徑干擾。在無線通信中，長期以來，多徑干擾始終是一個難以解決的問題之一。在擴頻通信中利用擴頻碼的自相關(guān)特性，在接收端從多徑信號中提取和分離出最強的有用信號，或把多個路徑來的同一碼序列的波形相加合成，都可以起到抗多徑干擾的作用。



按照擴展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴頻通信系統(tǒng)可以分為以下幾種：



　　●直接序列擴頻。直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum)工作方式，簡稱直擴(DSSS)方式。所謂直接序列擴頻，就是直接用具有高碼率的擴頻碼序列在發(fā)端去擴展信號的頻譜。而在接收端，用相同的擴頻碼序列去進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。



　　●跳頻(Frequency Hopping)。另外一種擴展信號頻譜的方式稱為跳頻(FH－Frequency Hopping)。所謂跳頻，比較確切的意思是：用一定碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變，所以稱為跳頻。



　　●跳時(Time Hopping)。與跳頻相似，跳時(TH－Time Hopping)是使發(fā)射信號在時間軸上跳變。首先把時間軸分成許多時片。在一幀內(nèi)哪個時片發(fā)射信號由擴頻碼序列去進行控制�？梢园烟鴷r理解為：用一定碼序列進行選擇的多時片的時移鍵控。由于采用了窄得很多的時片去發(fā)送信號，相對說來，信號的頻譜也就展寬了。



　　●寬帶線性調(diào)頻(Chirp Modulation)。寬帶線性調(diào)頻工作方式，簡稱Chirp方式。如果發(fā)射的射頻脈沖信號在一個周期內(nèi)，其載頻的頻率作線性變化，則稱為線性調(diào)頻。



二、直接序列擴頻系統(tǒng)



　　與一般模擬或數(shù)字通信系統(tǒng)比較，直接序列擴頻在信息識別與解調(diào)、射頻的上變頻和下變頻情況基本相同。直擴通信系統(tǒng)的主要特點在于直擴信號的產(chǎn)生，即擴頻調(diào)制和直擴信號的接收，即相關(guān)解擴。



　　擴頻調(diào)制是用高碼率的PN碼脈沖序列來進行調(diào)制從而擴展信號的頻譜的。通常采用的調(diào)制方式為BPSK，輸入信號與PN碼在平衡調(diào)制器調(diào)制而輸出展寬的擴頻信號。



　　直擴系統(tǒng)在發(fā)端用PN碼進行調(diào)制以擴展信號頻譜。在收端一般采用相關(guān)檢測或匹配濾波的方法來解擴。所謂相關(guān)檢測，一個簡單的譬喻就是用像片去對照找人。如果想在一群人中去尋找某個不相識的人，最簡單有效的方法就是手里有一張某人的照片，然后用照片一個一個的對比，這樣下去，自然能夠找到某人。同理，當你想檢測出所需要的有用信號，有效的方法是在本地產(chǎn)生一個相同的信號，然后用它與接收到的信號對比，求其相似性。換句話說，就是用本地產(chǎn)生的相同的信號與接收到的信號進行相關(guān)運算，其中相關(guān)函數(shù)最大的就最可能是所要的有用信號。



　　相關(guān)解擴在性能上固然很好，但是需要在接收端產(chǎn)生本地PN碼。這一點有時帶來許多不方便。例如，解決本地信號與接收信號的同步問題就很麻煩，還不能做到實時把有用信號檢測出來。因為匹配濾波和相關(guān)檢測的作用在本質(zhì)上是一樣的，我們可以用匹配濾波器來解擴直擴信號。



　　所謂匹配濾波器，就是與信號相匹配的濾波器，它能在多種信號或干擾中把與之匹配的信號檢測出來。這同樣是一種“用相片找人”的方法。對于視頻矩形脈沖序列來說，無源匹配濾波器就是抽頭延遲線上加上加法累加器。



三、跳頻系統(tǒng)



　　我們通常接觸到的無線通信系統(tǒng)都是載波頻率固定的通信系統(tǒng)，如移動電話等，所以也稱作定頻通信。這種定頻通信系統(tǒng)，一旦受到干擾就將使通信質(zhì)量下降，嚴重時甚至使通信中斷。



　　另外在敵我雙方的通信對抗中，敵方企圖發(fā)現(xiàn)我方的通信頻率，以便于截獲所傳送的信息內(nèi)容，或者發(fā)現(xiàn)我方通信機所在的方位。定頻通信系統(tǒng)容易暴露目標且易于被截獲，這時，采用跳頻通信就比較隱蔽也難以被截獲。



　　因此，跳頻通信具有抗干擾、抗截獲的能力，并能作到頻譜資源共享。所以在當前現(xiàn)代化的電子戰(zhàn)中跳頻通信已顯示出巨大的優(yōu)越性。另外，跳頻通信也應用到民用通信中以抗衰落、抗多徑、抗網(wǎng)間干擾和提高頻譜利用率。



　　為了不讓敵方知道我們通信使用的頻率，需要經(jīng)常改變載波頻率，即對載波頻率進行跳變，跳頻通信中載波頻率改變的規(guī)律，叫跳頻圖案。



　　定頻信號的接收設(shè)備中，一般都采用超外差式的接收方法，即接收機本地振蕩器的頻率比所接收的外來信號的載波頻率相差一個中頻，經(jīng)過混頻后產(chǎn)生一個固定的中頻信號和混頻產(chǎn)生的組合波頻率成分。經(jīng)過中頻帶通濾波器的濾波作用，濾除組合波頻率成分，而使中頻信號進入解調(diào)器。解調(diào)器的輸出就是所要傳送給收端的信息。



　　跳頻信號的接收，其過程與定頻相似。為了保證混頻后獲得中頻信號，要求頻率合成器的輸出頻率要比外來信號高出一個中頻。因為外來的信號載波頻率是跳變的，則要求本地頻率合成器輸出的頻率也隨著外來信號的跳變規(guī)律而跳變，這樣才能通過混頻獲得一個固定的中頗信號。



　　跳頻器是跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，而跳頻同步則是跳頻系統(tǒng)的核心技術(shù)。跳頻系統(tǒng)的同步包括以下幾項內(nèi)容：



　　●收端和發(fā)端產(chǎn)生的跳頻圖案相同，即有相同的跳頻規(guī)律。



　　●收、發(fā)端的跳變頻率應保證在接收端產(chǎn)生固定的中頻信號，即跳變的載波頻率與收端產(chǎn)生的本地跳變頻率相差一個中頻。



　　●頻率跳變的起止時刻在時間上同步，即同步跳變，或相位一致。



　　●在傳送數(shù)字信息時，還應做到幀同步和位同步。
　　



四、PN碼



　　PN碼也稱偽隨機序列。它具有近似隨機序列(噪聲)的性質(zhì)，而又能按一定規(guī)律(周期)產(chǎn)生和復制的序列。因為隨機序列是只能產(chǎn)生而不能復制的，所以稱其是“偽”的隨機序列。常用的偽隨機序列有m序列、M序列和R－S序列。



　　m序列發(fā)生器由帶反饋的m級移位寄存器構(gòu)成，其中由若干級經(jīng)過模二加反饋到第一級。它產(chǎn)生的序列最大長度(周期)是2n－1位，共有2m種不同的狀態(tài)，其中一種是全“0”狀態(tài)。只有當反饋邏輯滿足某種條件時，移位寄存器輸出的序列長度才是2n－1位，達到最大的長度。否則產(chǎn)生的序列就達不到2n－1位那樣長。所以也把m序列叫作最大長度線性移位寄存器序列。又稱為最大移位寄存器序列。



　　如果反饋邏輯中的運算含有乘法運算或其他邏輯運算，則稱作非線性反饋邏輯。由非線性反饋邏輯和移位寄存器構(gòu)成的序列發(fā)生器所能產(chǎn)生最大長度序列，就叫作最大長度非線性移位寄存器序列，或叫作M序列，M序列的最大長度是2n。


文章來源：賽迪網(wǎng)