擴展頻譜通信(信息傳輸方式)

擴展頻譜通信，簡稱擴頻通信，是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻頻寬度遠大於所傳信息必需的最小頻寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列（一般是偽隨機碼）來完成，用編碼及調製的方法來實現的，與所傳信息數據無關；在接收端則用同樣的碼進行相關同步接收、解擴及恢復所傳信息數據。

基本介紹

• 中文名：擴展頻譜通信
• 外文名：spread sprectrum communications
• 簡稱：擴頻通信
• 領域：信息科學

定義

擴展頻譜通信與光纖通信、衛星通信一同被譽為進入資訊時代的三大高技術通信傳輸方式。

理論基礎

根據香農（C.E.Shannon）在資訊理論研究中總結出的信道容量公式，即香農公式：

C=W×Log2（1+S/N）

式中：C--信息的傳輸速率S--有用信號功率W--頻頻寬度N--噪聲功率

由式中可以看出：

為了提高信息的傳輸速率C，可以從兩種途徑實現，既加大頻寬W或提高信噪比S/N。換句話說，當信號的傳輸速率C一定時，信號頻寬W和信噪比S/N是可以互換的，即增加信號頻寬可以降低對信噪比的要求，當頻寬增加到一定程度，允許信噪比進一步降低，有用信號功率接近噪聲功率甚至淹沒在噪聲之下也是可能的。擴頻通信就是用寬頻傳輸技術來換取信噪比上的好處，這就是擴頻通信的基本思想和理論依據。

工作原理

在擴頻發信機中，射頻載波通常經過兩次調製過程：一次同常規調製一樣，被信息信號所調製；另一次由碼序列進行擴頻調製，相應地在收信機中先用約定的碼序列做相關處理（解擴），然後再進行信息信號的解調。

在發端輸入的信息先經信息調製形成數位訊號，然後由擴頻碼發生器產生的擴頻碼序列去調製數位訊號以展寬信號的頻譜。展寬後的信號再調製到射頻傳送出去。

在接收端收到的寬頻射頻信號，變頻至中頻，然後由本地產生的與發端相同的擴頻碼序列去相關解擴。再經信息解調、恢復成原始信息輸出。

由此可見，—般的擴頻通信系統都要進行三次調製和相應的解調。一次調製為信息調製，二次調製為擴頻調製，三次調製為射頻調製，以及相應的信息解調、解擴和射頻解調。

與一般通信系統比較，擴頻通信就是多了擴頻調製和解擴部分。

系統分類

擴頻系統包括以下幾種擴頻方式：

（1）直接序列擴頻

簡稱DS（DirectSequence）：就是用高碼率的擴頻碼序列在發端直接去擴展信號的頻譜，在收端直接使用相同的擴頻碼序列對擴展的信號頻譜進行解調，還原出原始的信息。直接序列擴頻信號由於將信息信號擴展成很寬的頻帶，它的功率頻譜密度比噪聲還要低，使它能隱蔽在噪聲之中，不容易被檢測出來。對於干擾信號，收信機的碼序列將對它進行非相關處理，使干擾電平顯著下降而被抑制。這種方式運用最為普遍，成為行業領域研究的熱點。

（2）跳頻擴頻

簡稱FH（FrequencyHopping）：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製，使載波頻率不斷地跳變，所以稱為跳頻。頻率跳變系統有稱為"多頻、碼選、頻移鍵控"系統，主要由碼產生器和頻率合成器兩部分組成。一般選取的頻率數為十幾個至幾百個，頻率跳變的速率為10～105跳/秒。信號在許多隨機選取的頻率上迅速跳頻，可以避開跟蹤干擾或有干擾的頻率點。

（3）跳時擴頻

簡稱TH（TimeHopping）：與跳頻相似，跳時是使發射信號在時間軸上跳變。首先把時間軸分成許多時片。在一幀內哪個時片發射信號由擴頻碼序列去進行控制。可以把跳時理解為：用一定碼序列進行選擇的多時片的時移鍵控。跳時擴頻系統主要通過擴頻碼控制發射機的通斷，可以減少時分復用系統之間的干擾。

（4）寬頻線性調頻

簡稱Chirp（ChirpModulation）：如果發射的射頻脈衝信號在一個周期內，其載頻的頻率作線性變化，則稱為線性調頻。因為其頻率在較寬的領帶內變化，信號的頻帶也被展寬了。這種擴頻調製方式主要用在雷達中，但在通信中也有套用。

（5）混合方式

上述幾種基本擴頻系統各有優缺點，單獨使用一種系統有時難以滿足要求，將以上集中擴頻方法結合就構成了混合擴頻系統，常見的有FH/DS、TH/DS、FH/TH等。

特點

由於擴頻通信能大大擴展信號的頻譜，傳送端用擴頻碼序列進行擴頻調製，以及在接收端用相關解調技術，使其具有許多窄帶通信難以替代的優良性能，能在民用後，迅速推廣到各種公用和專用通信網路之中，主要有以下幾項特點：

（1）易於重複使用頻率，提高了無線頻譜利用率

無線頻譜十分寶貴，雖然從長波到微波都得到了開發利用，仍然滿足不了社會的需求。在窄帶通信中，主要依靠波道劃分來防止信道之間發生干擾。為此，世界各國都設立了頻率管理機構，用戶只能使用申請獲準的頻率。擴頻通信傳送功率極低，採用了相關接收技術，且可工作在信道噪聲和熱噪聲背景中，易於在同一地區重複使用同一頻率，也可與各種窄道通信共享同一頻率資源。所以，在美國及世界絕大多數國家，擴頻通信無須申請頻率，任何個人與單位都可以無執照使用。

（2）抗干擾性強，誤碼率低

擴頻通信在空間傳輸時所占用的頻寬相對較寬，而接收端又採用相關檢測的辦法來解擴，使有用寬頻信息信號恢復成窄帶信號，而把非所需信號擴展成寬頻信號，然後通過窄帶濾波技術提取有用的信號。這樣，對於各種干擾信號，因其在接收端的非相關性，解擴後窄帶信號中只有很微弱的成分，信噪比很高，因此抗干擾性強。當處理增益Gp35dB時，抗干擾容限Mj22dB，即在負信噪聲比（22dB）條件下，可以將信號從噪聲中提取出來。在商用的通信系統中，擴頻通信是能夠工作在負信噪比條件下的通信方式。

（3）隱蔽性好，對各種窄帶通信系統的干擾很小

由於擴頻信號在相對較寬的頻帶上被擴展了，單位頻帶內的功率很小，信號湮沒在噪聲里，一般不容易被發現，而想進一步檢測信號的參數如偽隨機編碼序列就更加困難，因此說其隱蔽性好。再者，由於擴頻信號具有很低的功率譜密度，它對使用的各種窄帶通信系統的干擾很小。國外軍事通信已經裝備使用HF、VHF和UHF頻段的跳頻電台，直接序列擴頻電台也開始進入實用階段。

（4）可以實現碼分多址

擴頻通信提高了抗干擾性能，但付出了占用頻頻寬的代價。如果讓許多用戶共用這一寬頻帶，則可大大提高頻帶的利用率。由於在擴頻通信中存在擴頻碼序列的擴頻調製，充分利用各種不同碼型的擴頻碼序列之間優良的自相關特性和互相關特性，在接收端利用相關檢測技術進行解擴，則在分配給不同用戶碼型的情況下可以區分不同用戶的信號，提取出有用信號。這樣一來，在一寬頻帶上許多對用戶可以同時通話而互不干擾。

（5）抗多徑干擾

在無線通信的各個頻段，長期以來，多徑干擾始終是一個難以解決的問題。在以往的窄帶通信中，採用以下兩種方法來提高抗多徑干擾的能力：一是把最強的有用信號分離出來，排除其他路徑的干擾信號，即採用分集接收技術；二是設法把不同路徑來的不同延遲、不同相位的信號在接收端從時域上對齊相加，合併成較強的有用信號，即採用梳狀濾波器的方法。

這兩種技術在擴頻通信中都易於實現。利用擴頻碼的自相關特性，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，這相當於梳狀濾波器的作用。另外，在採用頻率跳變擴頻調製方式的擴頻系統中，由於用多個頻率的信號傳送同一個信息，實際上起到了頻率分集的作用。

（6）能精確地定時和測距

電磁波在空間的傳播速度是固定不變的光速，人們自然會想到如果能夠精確測量電磁波在兩個物體之間的傳播時間，也就等於測量兩個物體之間的距離。在擴頻通信中如果擴展頻譜很寬，則意味著所採用的擴頻碼速率很高，每個碼片占用的時間就很短。當發射出去的擴頻信號在被測量物體反射回來後，在接收端解調出擴頻碼序列，然後比較收發兩個碼序列相位之差，就可以精確測出擴頻信號往返的時間差，從而算出兩者之間的距離。測量的精度決定於碼片的寬度，也就是擴展頻譜的寬度。碼片越窄，擴展的頻譜越寬，精度越高。

（7）適合數字話音和數據傳輸，以及開展多種通信業務

擴頻通信一般都採用數字通信、碼分多址技術，適用於計算機網路，適合於數據和圖像傳輸。

（8）安裝簡便，易於維護

擴頻通信設備是高度集成，採用了現代電子科技的尖端技術，因此，十分可靠、小巧，大量運用後成本低，安裝便捷，易於推廣套用。

套用範圍

擴頻通信技術的發展是從測距開始的，20世紀80年代以來廣泛套用于軍事中，近年來在現代科技的許多領域中，得到了非常廣泛的套用，並且套用範圍不斷擴大。

（1）軍事通信中的套用

在軍事通信中，擴頻通信是通信反對抗最重要的技術手段，它廣泛套用於各種通信、信息系統，武器系統和C3I（通信、控制、指揮及情報）系統。在地面、海、空戰術通信中，通常採用擴頻技術來提高通信電台的抗干擾能力，提高抗干擾性能和數位化將是戰術電台發展的主流。在海灣戰爭中，以美國為首的聯軍使用了採用擴頻技術的全球定位系統（GPS）、聯合戰術信息分發系統（JTIDS）、定位報告系統（PLRS）以及大量的單信道地面與機載系統（SINCGARS）等系統。實踐套用充分證明了擴頻技術在軍事通信系統中的重要性。

（2）移動通信中的套用

在民用通信中，新一代數字蜂房移動通信系統已廣泛採用擴頻技術，其目的是提高頻譜利用率及減少共信道干擾的影響。利用擴頻技術的碼分多址系統，對每個移動台都分配一個特有的、隨機的碼序列，且彼此都不相關，以此來區分各個移動台的信號，因此，在一個信道中能容納更多的用戶，其頻譜利用率是頻分多址通信系統的20倍左右，每一小區容納的用戶數可達2500個。此外，在移動通信中多徑效應產生的衰落較為嚴重，而採用擴展頻譜技術可以有效地克服多徑效應對移動通信的影響。

（3）衛星通信中的套用

在軍事衛星通信中直接序列擴頻技術和跳頻技術已經得到了廣泛套用。由於擴頻碼分多址系統組網靈活，以及當網內同時工作的用戶數增多並超過設計的載荷時，具有承受過載的能力，所以在民用衛星通信中也得到了套用。民用衛星通信採用擴頻碼分多址技術和偽隨機序列直接擴展頻譜的方法，對信號進行能量擴散，以減少衛星系統的干擾。

（4）測距定位中的套用

GPS（全球衛星定位系統）是多星共用兩個載波頻率傳送導航定位信號的系統，需要採用擴頻碼分多址方式來區分各個衛星的地址。每顆衛星分配有一個偽隨機序列碼型，偽隨機序列的碼片寬度越窄，測距精度就越高。同時，採用直接序列擴頻使得測距抗干擾能力大為增強。又由於它採用無源定位方式，即在定位過程中不需要用戶終端發出應答信號，所以該系統可容納的用戶數目沒有限制，這正像一個廣播電台對收聽節目的用戶收音機數目沒有限制一樣。中國軍事和民用部門已廣泛使用GPS接收設備，利用GPS定位系統進行定位工作。

發展趨勢

21世紀將是擴頻通信的時代，無論在軍用或民用方面，擴頻通信都將大有用武之地，技術將進一步成熟，套用將更為廣泛。在未來的軍事通信中，擴頻通信將在電子對抗（ECM）與反對抗（ECCM）中扮演重要角色。在民用通信的套用與發展領域，主要有數字蜂房移動通信、個人通信網（PCN）、煙火匪情等報警及公安隱蔽通信、體育競賽與證券交易通信、數字立體聲廣播與業餘無線電通信等。VLSI晶片及低功率發射技術，可以使擴頻設備做到體積小、重量輕、價格低，它將成為未來城市無線通信的基本手段，如：個人通信PCN、無線商務通信PBX以及無線ISDN等。

擴頻通信受到的限制主要來自技術方面。對直接序列擴頻的限制在於用很高的PN碼率進行擴頻調製，採用CMOS使最大的時片率可達70Mchips/s，而採用砷化鎵FET器件，則可高達2Gchips/s。對跳頻（FH）的限制在於頻率合成器的高速轉換而又無雜波產生，數字控制振盪器可以產生這樣的信號，在20MHz頻寬內跳頻速率高達1M跳/秒。此外，重疊在同一頻帶上的用戶數對擴頻通信也是一個限制，重疊越多，信噪比越低，差錯機率增加，這就需要通過分配頻帶或制定法規來提高頻帶的利用率。毋庸置疑，擴展頻譜通信技術將在克服這些限制的過程中不斷成熟、向前發展，為人類社會做出更大的貢獻。