[科普中国]-扩展频谱通信

扩展频谱通信，简称扩频通信，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（一般是伪随机码）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。

定义扩展频谱通信与光纤通信、卫星通信一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。

理论基础根据香农（C.E.Shannon）在信息论研究中总结出的信道容量公式，即香农公式：

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。1

工作原理在扩频发信机中，射频载波通常经过两次调制过程：一次同常规调制一样，被信息信号所调制；另一次由码序列进行扩频调制，相应地在收信机中先用约定的码序列做相关处理（解扩），然后再进行信息信号的解调。

在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再调制到射频发送出去。

在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。再经信息解调、恢复成原始信息输出。

由此可见，—般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。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，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。

与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。2

系统分类扩频系统包括以下几种扩频方式：

（1）直接序列扩频

简称DS（DirectSequence）：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。直接序列扩频信号由于将信息信号扩展成很宽的频带，它的功率频谱密度比噪声还要低，使它能隐蔽在噪声之中，不容易被检测出来。对于干扰信号，收信机的码序列将对它进行非相关处理，使干扰电平显著下降而被抑制。这种方式运用最为普遍，成为行业领域研究的热点。

（2）跳频扩频

简称FH（FrequencyHopping）：所谓跳频，比较确切的意思是：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。频率跳变系统有称为"多频、码选、频移键控"系统，主要由码产生器和频率合成器两部分组成。一般选取的频率数为十几个至几百个，频率跳变的速率为10～105跳/秒。信号在许多随机选取的频率上迅速跳频，可以避开跟踪干扰或有干扰的频率点。

（3）跳时扩频

简称TH（TimeHopping）：与跳频相似，跳时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。跳时扩频系统主要通过扩频码控制发射机的通断，可以减少时分复用系统之间的干扰。

（4）宽带线性调频

简称Chirp（ChirpModulation）：如果发射的射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化，则称为线性调频。因为其频率在较宽的领带内变化，信号的频带也被展宽了。这种扩频调制方式主要用在雷达中，但在通信中也有应用。

（5）混合方式

上述几种基本扩频系统各有优缺点，单独使用一种系统有时难以满足要求，将以上集中扩频方法结合就构成了混合扩频系统，常见的有FH/DS、TH/DS、FH/TH等2。

特点由于扩频通信能大大扩展信号的频谱，发送端用扩频码序列进行扩频调制，以及在接收端用相关解调技术，使其具有许多窄带通信难以替代的优良性能，能在民用后，迅速推广到各种公用和专用通信网络之中，主要有以下几项特点：

（1）易于重复使用频率，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得到了开发利用，仍然满足不了社会的需求。在窄带通信中，主要依靠波道划分来防止信道之间发生干扰。为此，世界各国都设立了频率管理机构，用户只能使用申请获准的频率。扩频通信发送功率极低，采用了相关接收技术，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，也可与各种窄道通信共享同一频率资源。所以，在美国及世界绝大多数国家，扩频通信无须申请频率，任何个人与单位都可以无执照使用。

（2）抗干扰性强，误码率低

扩频通信在空间传输时所占用的带宽相对较宽，而接收端又采用相关检测的办法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。这样，对于各种干扰信号，因其在接收端的非相关性，解扩后窄带信号中只有很微弱的成分，信噪比很高，因此抗干扰性强。当处理增益Gp35dB时，抗干扰容限Mj22dB，即在负信噪声比（22dB）条件下，可以将信号从噪声中提取出来。在商用的通信系统中，扩频通信是能够工作在负信噪比条件下的通信方式。

（3）隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小

由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率很小，信号湮没在噪声里，一般不容易被发现，而想进一步检测信号的参数如伪随机编码序列就更加困难，因此说其隐蔽性好。再者，由于扩频信号具有很低的功率谱密度，它对使用的各种窄带通信系统的干扰很小。国外军事通信已经装备使用HF、VHF和UHF频段的跳频电台，直接序列扩频电台也开始进入实用阶段。

（4）可以实现码分多址

扩频通信提高了抗干扰性能，但付出了占用频带宽的代价。如果让许多用户共用这一宽频带，则可大大提高频带的利用率。由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。这样一来，在一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。

（5）抗多径干扰

在无线通信的各个频段，长期以来，多径干扰始终是一个难以解决的问题。在以往的窄带通信中，采用以下两种方法来提高抗多径干扰的能力：一是把最强的有用信号分离出来，排除其他路径的干扰信号，即采用分集接收技术；二是设法把不同路径来的不同延迟、不同相位的信号在接收端从时域上对齐相加，合并成较强的有用信号，即采用梳状滤波器的方法。

这两种技术在扩频通信中都易于实现。利用扩频码的自相关特性，在接收端从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或把多个路径来的同一码序列的波形相加合成，这相当于梳状滤波器的作用。另外，在采用频率跳变扩频调制方式的扩频系统中，由于用多个频率的信号传送同一个信息，实际上起到了频率分集的作用。

（6）能精确地定时和测距

电磁波在空间的传播速度是固定不变的光速，人们自然会想到如果能够精确测量电磁波在两个物体之间的传播时间，也就等于测量两个物体之间的距离。在扩频通信中如果扩展频谱很宽，则意味着所采用的扩频码速率很高，每个码片占用的时间就很短。当发射出去的扩频信号在被测量物体反射回来后，在接收端解调出扩频码序列，然后比较收发两个码序列相位之差，就可以精确测出扩频信号往返的时间差，从而算出两者之间的距离。测量的精度决定于码片的宽度，也就是扩展频谱的宽度。码片越窄，扩展的频谱越宽，精度越高。

（7）适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务

扩频通信一般都采用数字通信、码分多址技术，适用于计算机网络，适合于数据和图像传输。

（8）安装简便，易于维护

扩频通信设备是高度集成，采用了现代电子科技的尖端技术，因此，十分可靠、小巧，大量运用后成本低，安装便捷，易于推广应用。

应用范围扩频通信技术的发展是从测距开始的，20世纪80年代以来广泛应用于军事中，近年来在现代科技的许多领域中，得到了非常广泛的应用，并且应用范围不断扩大。

（1）军事通信中的应用

在军事通信中，扩频通信是通信反对抗最重要的技术手段，它广泛应用于各种通信、信息系统，武器系统和C3I（通信、控制、指挥及情报）系统。在地面、海、空战术通信中，通常采用扩频技术来提高通信电台的抗干扰能力，提高抗干扰性能和数字化将是战术电台发展的主流。在海湾战争中，以美国为首的联军使用了采用扩频技术的全球定位系统（GPS）、联合战术信息分发系统（JTIDS）、定位报告系统（PLRS）以及大量的单信道地面与机载系统（SINCGARS）等系统。实践应用充分证明了扩频技术在军事通信系统中的重要性。

（2）移动通信中的应用

在民用通信中，新一代数字蜂房移动通信系统已广泛采用扩频技术，其目的是提高频谱利用率及减少共信道干扰的影响。利用扩频技术的码分多址系统，对每个移动台都分配一个特有的、随机的码序列，且彼此都不相关，以此来区分各个移动台的信号，因此，在一个信道中能容纳更多的用户，其频谱利用率是频分多址通信系统的20倍左右，每一小区容纳的用户数可达2500个。此外，在移动通信中多径效应产生的衰落较为严重，而采用扩展频谱技术可以有效地克服多径效应对移动通信的影响。

（3）卫星通信中的应用

在军事卫星通信中直接序列扩频技术和跳频技术已经得到了广泛应用。由于扩频码分多址系统组网灵活，以及当网内同时工作的用户数增多并超过设计的载荷时，具有承受过载的能力，所以在民用卫星通信中也得到了应用。民用卫星通信采用扩频码分多址技术和伪随机序列直接扩展频谱的方法，对信号进行能量扩散，以减少卫星系统的干扰。

（4）测距定位中的应用

GPS（全球卫星定位系统）是多星共用两个载波频率发送导航定位信号的系统，需要采用扩频码分多址方式来区分各个卫星的地址。每颗卫星分配有一个伪随机序列码型，伪随机序列的码片宽度越窄，测距精度就越高。同时，采用直接序列扩频使得测距抗干扰能力大为增强。又由于它采用无源定位方式，即在定位过程中不需要用户终端发出应答信号，所以该系统可容纳的用户数目没有限制，这正像一个广播电台对收听节目的用户收音机数目没有限制一样。中国军事和民用部门已广泛使用GPS接收设备，利用GPS定位系统进行定位工作。3

发展趋势21世纪将是扩频通信的时代，无论在军用或民用方面，扩频通信都将大有用武之地，技术将进一步成熟，应用将更为广泛。在未来的军事通信中，扩频通信将在电子对抗（ECM）与反对抗（ECCM）中扮演重要角色。在民用通信的应用与发展领域，主要有数字蜂房移动通信、个人通信网（PCN）、烟火匪情等报警及公安隐蔽通信、体育竞赛与证券交易通信、数字立体声广播与业余无线电通信等。VLSI芯片及低功率发射技术，可以使扩频设备做到体积小、重量轻、价格低，它将成为未来城市无线通信的基本手段，如：个人通信PCN、无线商务通信PBX以及无线ISDN等。

扩频通信受到的限制主要来自技术方面。对直接序列扩频的限制在于用很高的PN码率进行扩频调制，采用CMOS使最大的时片率可达70Mchips/s，而采用砷化镓FET器件，则可高达2Gchips/s。对跳频（FH）的限制在于频率合成器的高速转换而又无杂波产生，数字控制振荡器可以产生这样的信号，在20MHz带宽内跳频速率高达1M跳/秒。此外，重叠在同一频带上的用户数对扩频通信也是一个限制，重叠越多，信噪比越低，差错概率增加，这就需要通过分配频带或制定法规来提高频带的利用率。毋庸置疑，扩展频谱通信技术将在克服这些限制的过程中不断成熟、向前发展，为人类社会做出更大的贡献2。

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学