2004-06-18

　　長(zhǎng)期以來，擴(kuò)頻通信主要用于軍事保密通信和電子對(duì)抗系統(tǒng)，隨著世界范圍政治格局的變化和冷戰(zhàn)的結(jié)束，該項(xiàng)技術(shù)才逐步轉(zhuǎn)向"商業(yè)化"。數(shù)年前擴(kuò)頻通信在我國(guó)通信領(lǐng)域仍鮮為人知，有關(guān)資料介紹也比較少，一九九三年開始, 吉隆公司即致力于向我國(guó)引進(jìn)擴(kuò)頻產(chǎn)品, 已經(jīng)在電力、金融、公安、交通等行業(yè)收到了明顯的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，引起國(guó)內(nèi)通信界人士的廣泛注意。

第一章 擴(kuò)展頻譜通信簡(jiǎn)介
　　我們知道，傳輸任何信息都需要一定的帶寬，稱為信息帶寬。例如語音信息的帶寬大約為20Hz~20000Hz、普通電視圖像信息帶寬大約為6MHz。為了充分利用頻率資源，通常都是盡量壓縮傳輸帶寬。如電話是基帶傳輸，人們通常把帶寬限制在3400Hz左右。如使用調(diào)幅信號(hào)傳輸，因?yàn)檎{(diào)制過程中將產(chǎn)生上下兩個(gè)邊帶，信號(hào)帶寬需要達(dá)到信息帶寬的兩倍，而在實(shí)際傳輸中，人們采用壓縮限幅技術(shù)，把廣播語音的帶寬限制在大約為2×4500Hz=9KHz左右；采用邊帶壓縮技術(shù)，把普通電視信號(hào)包括語音信號(hào)一起限制在1.2×6.5MHz=8MHz左右。即使在普通的調(diào)頻通信上，人們最大也只把信號(hào)帶寬放寬到信息帶寬的十幾倍左右，這些都是采用了窄帶通信技術(shù)。擴(kuò)頻通信屬于寬帶通信技術(shù)，通常的擴(kuò)頻信號(hào)帶寬與信息帶寬之比將高達(dá)幾百甚至幾千倍。有人要問為什么要這么做？這樣是不是太浪費(fèi)頻率資源了？這些問題可以用信息論和抗干擾理論來解釋。

第二章 擴(kuò)頻通信的定義
　　擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)（Spread Spectrum Communication），它的基本特點(diǎn)是其傳輸信息所用信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬。除此以外，擴(kuò)頻通信還具有如下特征:

2.1 是一種數(shù)字傳輸方式；
2.2 帶寬的展寬是利用與被傳信息無關(guān)的函數(shù)(擴(kuò)頻函數(shù))對(duì)被傳信息進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)的；
2.3 在接收端使用相同的擴(kuò)頻函數(shù)對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，還原出被傳信息。

第三章 擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)
　　根據(jù)仙農(nóng)(C.E.Shannon)在信息論研究中總結(jié)出的信道容量公式，即仙農(nóng)公式：
　　C = W×Log2(1+S/N)
　　式中：C--信息的傳輸速率 S--有用信號(hào)功率 W--頻帶寬度 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(shí)現(xiàn)，既加大帶寬W或提高信噪比S/N。換句話說，當(dāng)信號(hào)的傳輸速率C一定時(shí)，信號(hào)帶寬W和信噪比S/N是可以互換的，即增加信號(hào)帶寬可以降低對(duì)信噪比的要求，當(dāng)帶寬增加到一定程度，允許信噪比進(jìn)一步降低，有用信號(hào)功率接近噪聲功率甚至淹沒在噪聲之下也是可能的。擴(kuò)頻通信就是用寬帶傳輸技術(shù)來換取信噪比上的好處，這就是擴(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù)。

第四章 擴(kuò)頻增益和抗干擾容限
　　擴(kuò)頻通信系統(tǒng)由于在發(fā)送端擴(kuò)展了信號(hào)頻譜，在接收端解擴(kuò)還原了信息，這樣的系統(tǒng)帶來的好處是大大提高了抗干擾容限。理論分析表明，各種擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能與信息頻譜擴(kuò)展后的擴(kuò)頻信號(hào)帶寬比例有關(guān)。一般把擴(kuò)頻信號(hào)帶寬W與信息帶寬△F之比稱為處理增益GP，即：

　　它表明了擴(kuò)頻系統(tǒng)信噪比改善的程度。除此之外，擴(kuò)頻系統(tǒng)的其他一些性能也大都與GP有關(guān)。因此，處理增益是擴(kuò)頻系統(tǒng)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。
　　系統(tǒng)的抗干擾容限MJ定義如下：　　
　　式中：（S/N）。= 輸出端的信噪比，

LS = 系統(tǒng)損耗

　　由此可見，抗干擾容限MJ與擴(kuò)頻處理增益GP成正比，擴(kuò)頻處理增益提高后，抗干擾容限大大提高，甚至信號(hào)在一定的噪聲湮沒下也能正常通信。通常的擴(kuò)頻設(shè)備總是將用戶信息(待傳輸信息)的帶寬擴(kuò)展到數(shù)十倍、上百倍甚至千倍，以盡可能地提高處理增益。

第五章 頻譜的擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)和直接序列擴(kuò)頻
　　頻譜的擴(kuò)展是用數(shù)字化方式實(shí)現(xiàn)的。在一個(gè)二進(jìn)制碼位的時(shí)段內(nèi)用一組新的多位長(zhǎng)的碼型予以置換，新碼型的碼速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出原碼的碼速率，由傅立葉分析可知新碼型的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出原碼的帶寬，從而將信號(hào)的帶寬進(jìn)行了擴(kuò)展。這些新的碼型也叫偽隨機(jī)（PN）碼，碼位越長(zhǎng)系統(tǒng)性能越高。通常，商用擴(kuò)頻系統(tǒng)PN碼碼長(zhǎng)應(yīng)不低于12位，一般取32位，軍用系統(tǒng)可達(dá)千位。

目前常見的碼型有以下三種：
　　· M序列，即最長(zhǎng)線性偽隨機(jī)系列；
　　· GOLD序列；
　　· WALSH函數(shù)正交碼。

　　當(dāng)選取上述任意一個(gè)序列后，如M序列，將其中可用的編碼，即正交碼，兩兩組合，并劃分為若干組，各組分別代表不同用戶，組內(nèi)兩個(gè)碼型分別表示原始信息"1"和"0"。系統(tǒng)對(duì)原始信息進(jìn)行編碼、傳送，接收端利用相關(guān)處理器對(duì)接收信號(hào)與本地碼型相關(guān)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，解出基帶信號(hào)( 即原始信息)實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)，從而區(qū)分出不同用戶的不同信息。微波無線擴(kuò)頻通信的原理見圖1：

圖1：擴(kuò)頻通信原理

　　由圖可見，一般的無線擴(kuò)頻通信系統(tǒng)都要進(jìn)行三次調(diào)制。一次調(diào)制為信息調(diào)制，二次調(diào)制為擴(kuò)頻調(diào)制，三次調(diào)制為射頻調(diào)制。接收端有相應(yīng)的射頻解調(diào)，擴(kuò)頻解調(diào)和信息解調(diào)。根據(jù)擴(kuò)展頻譜的方式不同，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可分為：直接序列擴(kuò)頻（DS）、跳頻（FH）、跳時(shí)（TH）、線性調(diào)頻以及以上幾種方法的組合。

圖2：信息的頻譜擴(kuò)展過程

　　所謂直接序列擴(kuò)頻（DS-Direct Scquency），就是用高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端直接去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，在收端直接使用相同的擴(kuò)頻碼序列對(duì)擴(kuò)展的信號(hào)頻譜進(jìn)行解調(diào)，還原出原始的信息。直接序列擴(kuò)頻的頻譜擴(kuò)展和解擴(kuò)過程見圖2和圖3所示：

圖3：擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò)過程

在圖上我們可以看出：
　　在發(fā)端，信息碼經(jīng)碼率較高的PN碼調(diào)制以后，頻譜被擴(kuò)展了。在收端，擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)同樣的PN碼解調(diào)以后，信息碼被恢復(fù)；
　　信息碼經(jīng)調(diào)制、擴(kuò)頻傳輸、解調(diào)然后恢復(fù)的過程，類似與PN碼進(jìn)行了二次"模二相加"的過程。
　　在以下的圖4中我們還可以用能量面積圖示概念看出：
　　待傳信息的頻譜被擴(kuò)展了以后，能量被均勻地分布在較寬的頻帶上，功率譜密度下降；
　　擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)以后，寬帶信號(hào)恢復(fù)成窄帶信息，功率譜密度上升；
　　相對(duì)與信息信號(hào)，脈沖干擾只經(jīng)過了一次被模二相加的調(diào)制過程，頻譜被擴(kuò)展，功率譜密度下降，從而使有用信息在噪聲干擾中被提取出來。

第六章 擴(kuò)頻通信的主要特點(diǎn)

圖4：擴(kuò)頻通信中，頻譜寬度與功率譜密度示意

　　擴(kuò)頻通信具有許多窄帶通信難以替代的優(yōu)良性能， 使得它能迅速推廣到各種公用和專用通信網(wǎng)絡(luò)之中。簡(jiǎn)單來說主要有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn):

6.1 抗干擾性強(qiáng)，誤碼率低
　　如上所述，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)由于在發(fā)送端擴(kuò)展信號(hào)頻譜，在接收端解擴(kuò)還原信息，產(chǎn)生了擴(kuò)頻增益，從而大大地提高了抗干擾容限。根據(jù)擴(kuò)頻增益不同，甚至在負(fù)的信噪比條件下，也可以將信號(hào)從噪聲的淹沒中提取出來，在目前商用的通信系統(tǒng)中，擴(kuò)頻通信是唯一能夠工作于負(fù)信噪比條件下的通信方式。
　　各種形式人為的干擾(如電子對(duì)抗中)或其他窄帶或?qū)拵?擴(kuò)頻)系統(tǒng)的干擾，只要波形、時(shí)間和碼元稍有差異，解擴(kuò)后仍然保持其寬帶性，而有用信號(hào)將被壓縮。從圖4可以看出，對(duì)于脈沖干擾， 由于在信號(hào)的接收過程中，它是一個(gè)被一次"模二相加"過程，可以看成是一個(gè)被擴(kuò)頻過程，其帶寬將被擴(kuò)展，而有用信號(hào)卻是一個(gè)被二次"模二相加"過程，是一個(gè)解擴(kuò)過程，其信號(hào)被恢復(fù)(壓縮)后，保證高于干擾。由于擴(kuò)頻系統(tǒng)這一優(yōu)良性能，其誤碼率很低，正常條件下可達(dá)10-10，最差條件下也可達(dá)10-6，遠(yuǎn)高于普通的微波通信（如通常所說的一點(diǎn)多址）的效果，完全能滿足目前國(guó)內(nèi)SCADA系統(tǒng)對(duì)通信傳輸質(zhì)量的要求。應(yīng)該說，抗干擾性能強(qiáng)是擴(kuò)頻通信的最突出的優(yōu)點(diǎn)；

6.2 易于同頻使用，提高了無線頻譜利用率
　　無線頻譜十分寶貴，雖然從長(zhǎng)波到微波都已得到開發(fā)利用，仍然滿足不了社會(huì)的需求。為此，世界各地都設(shè)計(jì)了頻譜管理機(jī)構(gòu)， 用戶只能使用申請(qǐng)獲得的頻率，依靠頻道劃分來防止信道之間發(fā)生干擾。
　　由于擴(kuò)頻通信采用了相關(guān)接收這一高技術(shù)，信號(hào)發(fā)送功率極低（<1W，一般為1~100mW），且可工作在信道噪聲和熱噪聲背景中，易于在同一地區(qū)重復(fù)使用同一頻率，也可以與現(xiàn)今各種窄帶通信共享同一頻率資源；

6.3 抗多徑干擾
　　在無線通信中，抗多徑干擾問題一直是難以解決的問題，利用擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性；在接收端可以用相關(guān)技術(shù)從多徑信號(hào)中提取分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，也可把多個(gè)路徑來的同一碼序列的波形相加使之得到加強(qiáng)，從而達(dá)到有效的抗多徑干擾。

6.4 擴(kuò)頻通信是數(shù)字通信，特別適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸，擴(kuò)頻通信自身具有加密功能，保密性強(qiáng)，便于開展各種通信業(yè)務(wù)。擴(kuò)頻通信容易采用碼分多址、語音壓縮等多項(xiàng)新技術(shù)，更加適用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)字化的話音、圖像信息傳輸；

6.5 擴(kuò)頻通信絕大部分是數(shù)字電路，設(shè)備高度集成，安裝簡(jiǎn)便，易于維護(hù)，也十分小巧可靠，便于安裝，便于擴(kuò)展，平均無故障率時(shí)間也很長(zhǎng)；

6.6 另外，擴(kuò)頻設(shè)備一般采用積木式結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)方式靈活，方便統(tǒng)一規(guī)劃，分期實(shí)施，利于擴(kuò)容，有效地保護(hù)前期投資。