擴頻技術

擴展頻譜通信（Spread Spectrum Communication）簡稱擴頻通信，其特點是傳輸信息所用的頻寬遠大於信息本身頻寬。擴頻通信技術在發端以擴頻編碼進行擴頻調製，在收端以相關解調技術收信息，這一過程使其具有諸多優良特性。擴頻通信技術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：擴頻技術
• 外文名：Spread Spectrum Communication
• 套用學科：通信
• 特點：強抗干擾、強隱蔽性
• 作用：易於實現碼分多址、數模兼容
• 簡稱：擴頻通信

背景信息

擴頻通信技術在傳送端以擴頻編碼進行擴頻調製，在收端以相關解調技術收信。由於擴頻通信要用擴頻編碼進行擴頻調製傳送，而信號接收需要用相同的擴頻編碼之間的相關解擴才能得到，這就給頻率復用和多址通信提供了基礎。充分利用不同碼型的擴頻編碼之間的相關特性，分配給不同用戶不同的擴頻編碼，可以區別不同的用戶的信號，並且不受其他用戶的干擾，實現頻率復用。

常用的擴頻技術主要有三種方法，即直序擴頻、跳頻擴頻、跳時擴頻以及線性調製。但是在實際使用的過程中，常採用它們的混合。

直序擴頻

直序擴頻(DS-SS)是通過將偽噪聲序列(PN序列)直接與基帶脈衝數據相乘來擴展基帶數據，偽噪聲序列由偽噪聲生成器產生。圖1描述了經常使用的二進制相移調製的DS-SS系統發射機的框圖。

同步的數據信號可能是比特或是二進制信道編碼符號，以模2加的方式形成碼片，然後再進行相移調製。收到的單用戶的擴頻信號可以表示為：

式中：m(t)是數據序列，p(t)是PN擴頻序列。數據波形是時間序列上無交迭的矩形脈衝，每一脈衝的幅度等於+1或－1,m(t)序列中每一個符號代表一個數據符號，周期是T_s。p(t)序列中的每一個脈衝代表一個碼片，通常是幅度等於+1或－1的矩形，周期為T_c。數據符號與碼片的邊沿變換相一致，因此，T_s和T_c的比率為整數2－1，其輸出波形如圖2所示。

接收方接收原理如圖3所示。

在接收方，假設接收機已經達到同步，接收到的信號通過寬頻濾波器，然後與本地產生的PN序列p(t)相乘。如果p(t)=±1，有 =1，經乘法運算得到解擴信號 ， 作為解調器的輸入。由於 是BPSK信號，相應地可以解調出數據序列m(t)。

跳頻擴頻

跳頻擴頻是載波頻率按一個編碼序列產生的圖形以離散增量變動。所有可能的載波頻率的集合稱為跳頻集。數字信息與二進制偽碼序列模2相加後，去離散地控制射頻載波振盪器的輸出頻率，使發射信號的頻率隨偽碼的變化而跳變，其輸出波形如圖4所示。

跳頻信號可以視為一系列數據調製數據的突發，它具有時變、偽隨機的載頻。跳頻發生在若干個信道的頻帶上。數據以發射機載波頻率跳變的方式傳送到隨機的信道中，而只有相應的接收機才能接收。

每個信道的中心頻率定義在跳頻集中的頻譜區域，頻譜區域應大得足以包括一個相應載頻上的窄帶調製突發的絕大部分功率。跳頻集中使用的信道頻寬稱為瞬時頻寬。跳頻發生的頻譜頻寬稱為總跳頻頻寬。

單信道調製是指每次跳頻只使用一個載波頻率(單信道)。圖5給出了一個單信道的FH-SS發射機的原理。

從接收到的信號中去掉跳頻稱為解跳。其原理如圖6所示。

接收機合成器生成的頻率和接收到的信號的頻率同頻，則混頻器的輸出就是一個固定差頻處的解跳信號。解跳前，解跳信號輸入到傳統的接收機。跳頻過程中，當一個不需要信號占據了一個特定的跳頻信道時，這個信道中的噪聲和干擾就可以進入解調器。這時，非預想的用戶和預想用戶同時在同一信道中會產生碰撞。

FH-SS可分為快跳頻和慢跳頻系統。所謂快跳頻是指跳頻發生的速率比訊息比特率高的跳頻系統。所謂慢跳頻是指跳頻發生的速率比訊息比特率低的跳頻系統。

FH-SS系統的跳頻速率取決於接收機合成器的頻率靈敏度、發射信息的類型、抗碰撞的編碼冗餘度以及最近的潛在干擾距離等因素。

跳時擴頻

跳時擴頻系統(Time Hopping，簡稱TH-SS)。跳時是用偽碼序列來啟閉信號的發射時刻和持續時間，發射信號的“有”、“無”同偽碼序列一樣是偽隨機的。在這種方式中，將傳輸時間劃分成稱為幀的時間段，每個幀的時間段再劃分成時隙，如圖7所示。在每幀內，一個時隙調製一個信息。幀的所有信息比特累積傳送。

跳時擴頻技術一般與跳頻結合起來使用，可以一起構成一種稱為“時頻跳變”的系統。

線性調頻

線上性調頻中，射頻脈衝信號在一個周期內，其載頻的頻率作線性變化。

除了上述的四種跳頻方式外，在實際使用時，經常使用它們的組合，如FH/DS、TH/DS、FH/TH等。一般採用混合方式看起來在技術上要求複雜一些，實現起來也要困難一些，但它們比單一的直擴、跳頻、跳時體制具有更優良的性能。

發展現狀

研究現狀

擴頻技術由於其本身具備的優良性能而得到廣泛套用，到目前為止，其最主要的兩個套用領域仍是軍事抗干擾通信和移動通信系統,而跳頻系統與直擴系統則分別是在這兩個領域套用最多的擴頻方式。一般而言，跳頻系統主要在軍事通信中對抗故意干擾，在衛星通信中也用於保密通信，而直擴系統則主要是一種民用技術。

對跳頻系統的分析，現在仍集中在其對抗各種干擾的性能方面，如對抗部分邊帶干擾以及多頻干擾等。而直擴系統，即DS-CDMA系統，在移動通信系統中的套用則成為擴頻技術的主流。歐洲的GSM標準和北美的以CDMA技術為基礎的IS-95都在第二代移動通信系統（2G）的套用中取得了巨大的成功。而在目前所有建議的第三代移動通信系統（3G）標準中（除了EDGE）都採用了某種形式的CDMA。因此CDMA技術成為目前擴頻技術中研究最多的對象，其中又以碼捕獲技術和多用戶檢測（MUD）技術代表了目前擴頻技術研究的現狀。

多用戶檢測

CDMA系統容量受到來自其他用戶的多址干擾的限制，多用戶檢測能夠利用這些多址干擾來改善接收機的性能，因此是一種提高系統容量的有效方法。傳統的CDMA接收機是由一系列單用戶檢測器組成，每個檢測器都是與特定擴頻碼對應的相關器，它並沒有考慮多址干擾的結構，而是把來自其它用戶的干擾當成加性噪聲，因此當用戶數量增加時，其性能急劇下降。通過對所有用戶的聯合解碼可以極大地改善CDMA系統的性能。但是最優的多用戶接收機，其複雜度隨用戶數量成指數增長，因此在實際通信系統中幾乎不可能實現。這樣尋找在性能和複雜度之間折中的次最優多用戶檢測器成為研究的熱點。

目前研究的次最優多用戶檢測器主要可分為兩大類：線性檢測器和反饋檢測器。前者包括解相關檢測器、最小均方誤差序列檢測器等；後者則包括多級檢測器、判決反饋檢測器、順序干擾撤銷和並行干擾撤銷檢測器等。考慮信道編碼的多用戶接收機又可以分為非疊代接收機和疊代接收機。這些檢測器的實現都需要知道預期用戶的擴頻碼、定時信息以及信道衝擊回響，有時還需要知道多用戶干擾。這些信息可以通過傳送導頻序列獲得，但使用導頻序列就降低了系統的頻譜利用效率，因此不使用導頻序列的多用戶檢測方法，又稱為盲多用戶檢測器，也正在得到深入的研究。

碼捕獲

同步的實現是直擴系統中一個關鍵問題。只有在接收機將本地產生的偽碼和接收信號中調製信息的偽碼實現同步以後，才有可能實現直序擴頻通信的各種優點。同步過程分為兩步來實現:首先是捕獲階段，實現對接收信號中偽碼的粗跟蹤；然後是跟蹤階段，實現對偽碼的精確跟蹤。目前的研究主要集中在碼捕獲過程。

目前對碼捕獲的研究主要集中在對周期較長的碼實現捕獲的問題，也就是快速捕獲的問題。以前採用的主要是串列捕獲方法，這種方案實現簡單，但捕獲速度不能滿足要求。而現在大規模積體電路的套用使並行捕獲方案成為可能，但系統的複雜度很高，因此研究的目標就是實現碼捕獲時間性能和系統複雜度之間的折衷。在串列捕獲方案中，雙停頓時間搜尋法和序貫檢測法都是縮短捕獲時間的有效方法，利用一些新的搜尋算法進一步改進這些系統的性能成為研究的熱點。此外以前主要研究的是高斯信道下的捕獲性能，現在則考慮到非高斯信道下的捕獲性能，以及在有頻偏等影響條件下捕獲性能。

特性

採用擴頻技術的通信系統具有以下優點：

（1）抗干擾性能好，它具有極強的抗人為寬頻干擾、窄帶瞄準式干擾、中繼轉髮式干擾的能力，有利於電子反對抗。如果再採用自適應對消、自適應天線、自適應濾波，可以使多徑干擾消除，這對軍用和民用移動通信是很有利的。

（2）隱蔽性強、干擾小，因信號在很寬的頻帶上被擴展，單位頻寬上的功率很小，即信號功率譜密度很低。信號淹沒在白噪聲之中，難以發現信號的存在，再加上擴頻編碼，就更難拾取有用信號。擴頻通信技術把被傳送的信號頻寬展寬，從而降低了系統在單位頻寬內的電波“通量密度”，這對空間通信大有好處。

（3）易於實現碼分多址，擴頻通信占用寬頻頻譜資源，改善了抗干擾能力，提高了頻帶的利用率。

擴頻系統的缺點 ：

（1）系統用頻頻寬。

（2）相對於FDMA、TDMA多址方式，採用擴頻技術的CDMA多址方式在移動通信的系統實現更為複雜。

抗干擾性能

擴頻系統的抗干擾性能通常用處理增益(G_p，Processing Gain)來描述，它定義為接收機解擴(跳)器輸出信噪功率比與接收機的輸入信噪功率比之比。即如圖8所示。

它表示經擴頻接收系統處理後，使信號增強的同時抑制輸入接收機的干擾信號能力的大小。處理增益表明了採用擴展頻譜技術後，該系統接收信號的信噪比在相關處理後與相關處理前的數值差異。根據香農定理，在保持信息容量不變時，可以把系統輸入與輸出信號噪聲功率比之比，轉換為系統擴頻頻寬(B_RF)與信息頻寬(B_b)之比，或轉換為偽碼速率(R_c)與信息速率(R_b)之比。用數學表示式表示為：

R為信號數據的速率；B_RF為信號的射頻頻寬。

對BPSK、QPSK、OQPSK、PAM調製，B_RF=0.88Rc(Rc為偽碼速率(chip rate))，或稱PN碼時鐘速率(code clock rate)；對典型的MSK調製，B_RF=0.66Rc。

若沒有以上參數，可按G_p(dB)：10lg[PN碼長]來估算。

對於FH(跳頻)系統，G_p(dB)=10lgNdB(不考慮相鄰跳躍頻率交叉干擾的情況下)，N為跳躍頻率的總數。

擴展頻譜系統的處理增益的大小，決定了系統抗干擾能力的強弱。目前國外在工程上能實現的處理增益對於DS-SS可以達到70dB。對於FH-SS在工程套用上限制在40～50dB以內(相當於系統能提供10000到100000個可使用的跳頻頻率)。

並不是說當干擾信號的功率電平與有用信號的功率電平之比，等於系統的處理增益時，相關處理後還能實現通信功能。例如，設系統處理增益為50dB時，而輸入到接收機的干擾功率電平為信號電平的10倍，即信噪比為－50dB時，顯然此時系統就不能正常工作了。一般採用“干擾容限”來表示擴展頻譜系統在干擾環境中的工作能力。