扩频通信原理

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扩频通信与扩频调制技术

作者：李宇涵

来源：《中国新通信》2016年第14期

【摘要】 扩频通信全称扩展频谱通信，最初在军事领域有着较为广泛的应用。随着社会的不断向前发展，人们的物质生活水平极大的提高，对于电子通信也提出了更高的要求。因扩频通信具有许多现代人生活中所需要的高保密性能、接收信号能力强等优点，而受到人们的广泛关注，一些军事通讯方法也逐渐在民用通信中有了一定的应用。文章主要对扩频通信系统的相关理论及其主要工作方式进行简要介绍，并对扩频通信系统中数字调制方式及其仿真实现进行相关研究和讨论。

【关键词】 扩频通信 发展概况 基本原理 扩频调制方案

作为三大核心通信技术之一的扩频通信，最早出现在军事领域，即二战中美军运用扩频通信对本国军事通信机密进行加密。该通信技术在军事领域主要应用于军事计划通信，指挥通信以及一些军事情报的加密。其中最典型的例子当数海湾战争中所使用的电子战，借扩频通信技术对敌军通信实施干扰，使其电子通信瘫痪，进而命令无法传送至前线，导致战局的失利及人员的伤亡。电子战中扩频通信的合理运用对这场战争胜负起着重大的作用。现代战争中，扩频通信被更加广泛的应用于军事对抗中，体现了极大的价值。除军事领域的有效应用外，扩频通信更在雷达探测、远距离遥控、电子导航及电子测距等多方面有着较为广泛的应用，并逐渐成为通信传输方式向前发展的重要方向。随着时代的发展，计算机技术的不断成熟，对扩频通信的进一步发展提供技术支持，也为扩频通信的平民化奠定了坚实的基础。

回想自扩频通信出现以来，自有线通信到后来的无线通信直至现在的光纤通信，通信技术可谓日新月异。特别是随着近代科技的不断向前发展，大规模集成电路与通信技术的有效结合使得扩频通信技术有了更加实质的突破。

一、扩频通信的理论基础

扩展频谱通信技术，说到底还是一种通信技术，其本质还是用来进行信息的传输。其主要特点是通信所需最小宽带与信号占据宽带相比，应有十分大的差距。另外，频带的拓展不需要像其他通信方式一般，通过多个码序列相互配合完成，该通信方式仅需一个独立的码序列便可完成。该通信具有三大基本特征，首先，扩频通信传输方式须为数字传输；其次，接收端的扩频函数需与扩频信号一致，最后，无关扩频函数对频带的宽度进行调制，进而完成整个通信过程。扩频通信系统原理图如图1所示。 龙源期刊网

LoRa的扩频技术：LoRa是基于扩频的调制方案，通过扩频将信号扩展到宽带

噪声，以获得扩频增益。

扩频的概念和原理

扩频通信(SSC)或扩频通信技术具有其用于传输信息的信号带宽远远大于其本身带宽的

基本特征。信号带宽较大可以降低信噪比的要求。如果带宽增加到一定水平，则可进一步降

低信噪比。扩频通信的优点是利用宽带传输技术交换信噪比，是扩频通信的基本思想和理论

基础。

扩频技术是将信息信号的带宽进行多次扩展来进行通信的技术。传输信号的带宽远大于

信息信号的带宽。例如，如果发送64Kbps的数据流，则基带带宽约为64KHz，但是在使

用扩频技术的情况下，它占用的信道带宽可以被增加到5MHz和10MHz以上。同时，发射到宇宙的无线功率谱(单位带宽内的功率)也大幅度减少。扩频信号的解扩过程信息的频谱扩展过程

常规数字数据通信的原理是使用适配于数据率的最小可能的带宽。这是因为带宽数量有

限，很多用户共享。扩频通信的原理是尽可能多地使用最大带宽，并且相同能量分布在宽带

宽上。

另外，扩频通信具有以下特征

数字传输方式

使用与要发送的信息无关的功能(扩展功能)对要发送的信息进行调制，从而实现带宽的扩大

在接收侧使用相同扩频功能来解调扩频信号，恢复传输到的信息

扩频通信的优点

发送功率密度低，不易对其他设备造成干扰。

机密性很高，被监听的可能性极低。

具有较强的抗干扰能力，和很强的抑制同频噪声和各种噪声的能力。

具有良好的抗多径衰落能力。

LoRa跳频通信(FHSS)原理

FHSS跳频方式的工作原理是，各LoRa分组的内容的一部分在MCU管理中设定的跳

频信道中发送，而所需的“跳频”频率(基于跳频表)在规定的跳频周期中发送。前导码和报

头部分首先在信道0上发送。每次开始发送包时，信道计数器

fhsspresentchannel(reghopchannel)的读取值增加，生成实现跳频的中断信号FhssChangeChannel。

当与FHSS、跳频spreadspectrum同步时，两端都是在特定类型的窄带载波上传输信号的。

无线通信技术:扩频LoRa跳频扩频通信(FHSS)的原理

LoRa的扩频技术：LoRa是基于扩频的调制方案，通过扩频将信号扩展到宽带噪声，

以获得扩频增益。

扩频的概念和原理

扩频通信(SSC)或扩频通信技术具有其用于传输信息的信号带宽远远大于其本身带

宽的基本特征。信号带宽较大可以降低信噪比的要求。如果带宽增加到一定水平，则可

进一步降低信噪比。扩频通信的优点是利用宽带传输技术交换信噪比，是扩频通信的基

本思想和理论基础。

扩频技术是将信息信号的带宽进行多次扩展来进行通信的技术。传输信号的带宽远

大于信息信号的带宽。例如，如果发送64Kbps的数据流，则基带带宽约为64KHz，但是

在使用扩频技术的情况下，它占用的信道带宽可以被增加到5MHz和10MHz以上。同时，发射到宇宙的无线功率谱(单位带宽内的功率)也大幅度减少。扩频信号的解扩过程

信息的频谱扩展过程常规数字数据通信的原理是使用适配于数据率的最小可能的带宽。这是因为带宽数量有

限，很多用户共享。扩频通信的原理是尽可能多地使用最大带宽，并且相同能量分布在

宽带宽上。

另外，扩频通信具有以下特征

数字传输方式

使用与要发送的信息无关的功能(扩展功能)对要发送的信息进行调制，从而实现带

宽的扩大

在接收侧使用相同扩频功能来解调扩频信号，恢复传输到的信息

扩频通信的优点

发送功率密度低，不易对其他设备造成干扰。

机密性很高，被监听的可能性极低。

具有较强的抗干扰能力，和很强的抑制同频噪声和各种噪声的能力。

具有良好的抗多径衰落能力。

LoRa跳频通信(FHSS)原理

FHSS跳频方式的工作原理是，各LoRa分组的内容的一部分在MCU管理中设定的跳频

信道中发送，而所需的“跳频”频率(基于跳频表)在规定的跳频周期中发送。前导码和

报头部分首先在信道0上发送。每次开始发送包时，信道计数器

fhsspresentchannel(reghopchannel)的读取值增加，生成实现跳频的中断信号

扩频通信的理论基础1.1扩频通信的基本概念

通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。

通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。

通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。由于信息在传输过程中受到干扰，收到的信息与发出的信息并不完全相同。可靠性就是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度。因此，可靠性决定于系统抵抗干扰的性能，也就是说，通信系统的可靠性决定于通信系统的抗干扰性能。在模拟通信系统中，传输的可靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。在数字通信系统中，传输的可靠性是用信息传输的差错率来描述的。

扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了应用。近年来，扩展频谱通信技术的理论和应用发展非常迅速，在民用通信系统中也得到了广泛的应用。

扩频通信是扩展频谱通信的简称。我们知道，频谱是电信号的频域描述。承载各种信息（如语音、图象、数据等）的信号一般都是以时域来表示的，即信息信号可表示为一个时间的函数)(tf。信号的时域表示式)(tf可以用傅立叶变换得到其频域表示式)(fF。频域和时域的关系由式(1-1)确定：

tetffFftjd)()(π2

fefFtfftjd)()(π2 (1-1)

函数)(tf的傅立叶变换存在的充分条件是)(tf满足狄里赫莱(Dirichlet)条件，或在区间(-∞，+∞)内绝对可积，即ttfd)(必须为有限值。

扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息信号)(tf无关）扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而到达传输信息目的的通信系统。也就是说在传输同样信息信号时所需要的射频带宽，远远超过被传输信息信号所必需的最小的带宽。扩展频谱后射频信号的带宽至少是信息信号带宽的几百倍、几千倍甚至几万倍。信息已不再是决定射频信号带宽的一个重要因素，射频信号的带宽主要由扩频函数来决定。