扩频通信技术简介

扩频通信的理论基础
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
扩频通信的理论基础
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。
扩频通信的基本特点
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。
扩频通信的特征
扩频通信具有如下特征: 1. 它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； 2.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。
扩频通信的理论基础
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。
扩频增益和抗干扰容限
扩频通信系统由于在发送端扩展了信号 频谱，在接收端解扩还原了信息，这样的系 统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。理 论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能与 信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。
扩频增益和抗干扰容限
一般把扩频信号带宽W与信息带宽△F 之比称为处理增益GP，即：
它表明了扩频系统信噪比改善的程度。 除此之外，扩频系统的其他一些性能也大都 与GP有关。因此，处理增益是扩频系统的一 个重要性能指标。
扩频增益和抗干扰容限
系统的抗干扰容限MJ定义如下：
式中：（S/N）= 输出端的信噪比， LS = 系统损耗
扩频通信属于宽带通信技术，通常的扩 频信号带宽与信息带宽之比将高达几百甚至 几千倍。有人要问为什么要这么做？这样是 不是太浪费频率资源了？这些问题可以用信 息论和抗干扰理论来解释。
扩展频谱通信的定义
所谓扩展频谱通信（Spread Spectrum Communication），可简单表述如下：“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”。
频谱的扩展的实现和直接序列扩频
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。
频谱的扩展的实现和直接序列扩频
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。
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。
图2：信息的频谱扩展过程
图3：扩频信号的解扩过程
在图上我们可以看出：在发端，信息码 经码率较高的 PN 码调制以后，频谱被扩展 了。在收端，扩频信号经同样的PN码解调以 后，信息码被恢复；信息码经调制、扩频传 输、解调然后恢复的过程，类似与PN码进行 了二次"模二相加"的过程。
扩展频谱通信简介
2010 年 5月
我们知道，传输任何信息都需要一定的 带宽，称为信息带宽。例如语音信息的带宽 大约为20Hz～20000Hz、普通电视图像信息 带宽大约为6MHz。为了充分利用频率资源， 通常都是尽量压缩传输带宽。如电话是基带 传输，人们通常把带宽限制在3400Hz左右。
如使用调幅信号传输，因为调制过程中 将产生上下两个边带，信号带宽需要达到信 息带宽的两倍，而在实际传输中，人们采用 压缩限幅技术，把广播语音的带宽限制在大 约为2×4500Hz=9KHz左右；采用边带压缩 技术，把普通电视信号包括语音信号一起限 制在1.2×6.5MHz=8MHz左右。即使在普通 的调频通信上，人们最大也只把信号带宽放 宽到信息带宽的十几倍左右，这些都是采用 了窄带通信技术。
扩频通信的主要特点
图4：扩频通信中，频谱宽度与功率谱密度示意
从图4中我们还可以用能量面积图示概 念看出：
待传信息的频谱被扩展了以后，能量被 均匀地分布在较宽的频带上，功率谱密度下 降；
扩频增益和抗干扰容限
由此可见，抗干扰容限MJ与扩频处理增 益GP成正比，扩频处理增益提高后，抗干扰 容限大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没 下也能正常通信。通常的扩频设备总是将用 户信息(待传输信息)的带宽扩展到数十倍、上 百倍甚Байду номын сангаас千倍，以尽可能地提高处理增益。
频谱的扩展的实现和直接序列扩频
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，由傅立叶分析可知新码型的 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。
无线扩频通信原理图
由图可见，一般的无线扩频通信系统都 要进行三次调制。一次调制为信息调制，二 次调制为扩频调制，三次调制为射频调制。 接收端有相应的射频解调，扩频解调和信息 解调。
根据扩展频谱的方式不同，扩频通信系 统可分为：直接序列扩频方式(DS)、跳变频率 方式(FH)、跳变时间方式（TH）、宽带线性 调频方式以及以上几种方式的组合。