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扩频通信技术原理及应用
摘要：文中阐述了扩频通信技术的理论依据和工作原理，并结合分类介绍了扩频通 信的技术特点，最后介绍了扩频通信在实践中的应用及开展前景，可为今后抗干扰 技术的开展提供参考。
0引言
随着军事通信在现代战争中的作用和地位的不断提升，军事通信抗干扰问题也 日益突出。在未来的战场上要保证通信畅通，必须要开展新的抗干扰技术来应对敌 方的通信干扰。近些年来，为应对通信干扰，已经出现了许多成熟的无线通信抗干 扰技术，例如：实时选频、高频自适应、跳频技术、扩频等。
通过扩频技术，可以把通信信号隐藏在噪声中，而且只要对功率进行有效的调 整，就可对波状形的合成噪声实施编码和解码。作战中采用这种通信方式，敌方截 获和探测的概率就大大降低，即使侦收到了，也很难对信号进行分析利用。同时，由 于把通信信号淹没在噪声中，也解决了电磁干扰的问题。利用扩频技术，采用很宽 的频带形成伪噪声通信，这对窄带干扰会有很强的抗干扰能力。不过，由于频谱连 续，寻找合适频带也是一个问题。
1扩频通信的理论依据
根据香农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出来的信道容量公式，即香农公 式：C=Blog2(l+S/N)o式中C为信道容量，它是信道可能传输的最大信息速率，W 为信道带宽，S为有用信号的平均功率，N为白噪声的平均功率，S/N就是信噪比。 由该公式可以看出：为了提高信道容量C,可以从两种途径实现，即加大信道带宽 W或提高信噪比S/N。换句话说，当信道容量C 一定时，信号的带宽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。由此可以理解，当 带宽增加到一定程度时，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换取信噪比降低来实现 可靠性传输的，这就是扩频通信的基本思想。
L1扩频通信的工作原理
在发端输入的信息先调制形成数字信号，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。可见，一般的扩频通信系统都 要进行3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。与一般通信系统比拟，多 了扩频调制和解扩局部。
扩频通信应具备如下特征：（1）数字传输方式;（2）传输信号的带宽远大于被传 信息带宽;（3）带宽的展宽，是利用与被传信息无关的函数（扩频函数）对被传信息 的信元重新进行调制实现的；（4）接收端用相同的扩频函数进行相关解调（解扩）， 求解出被传信息的数据。用扩频函数（也称伪随机码）调制和对信号相关处理是扩 频通信有别于其他通信的两大特点。
1.2扩频通信的几种工作方式
（1）直接序列扩频（DS-SS, Direct Sequence SpreadSpect rum）
直接序列扩频（DS-SS）是直接利用具有高码率的扩频码序列采用各种调制方 式在发端扩展信号的频谱，而在收端用相同的扩频码序列去进行解码，把扩展宽的 扩频信号还原成原始的信息。它是一种数字调制方法。具体说，就是将信源与一定 的PN码（伪噪声码）进行模二加。例如在发射端将“1”用而将“0”用 去代替，就实现了扩频,而在接收机处把收到的恢复成1 00110010110恢复成/0,这就是解扩。这样信源速率被提高了 11倍，同时也使处理 增益到达10dB以上，有效地提高了整机信噪比。
（2）跳频扩频（FH-SS, Frequency Hopping SpreadSpect rum）
跳频扩频技术是通过伪随机码的调制，使载波工作的中心频率不断跳跃改变, 而噪音和干扰信号的中心频率却不会改变。这样，只要收、发信机之间按照固定的 数字算法产生相同的伪随机码，就可以到达同步,排除噪音和其他干扰信号。
（3 ）跳时扩频（TH-SS, Time Hopping SpreadSpect rum）
跳时是使发射信号在时间轴上跳变。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进行控制。可把跳时理解为：用一定码序列进行选择的 多时片的时移键控。由于采用窄得很多的时片去发送信号，相对说来，信号的频谱 也就展宽了。在发端，输入的数据先存储起来，由扩频码发生器的扩频码序列去控 制通)断开关，经二相或四相调制后再经射频调制后发射。在收端，由射频接收机输 出的中频信号经本地产生的与发端相同的扩频码序列控制通-断开关，再经二相或 四相解调器，送到数据存储器和再定时后输出数据。只要收、发两端在时间上严格 同步进行，就能正确地恢复原始数据。
跳时也可看成是一种时分系统，所不同的地方在于它不是在一帧中固定分配一 定位置的时片，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的时片。跳时系统的 处理增益等于一帧中所分的时片数。由于简单的跳时抗干扰性不强，很少单独使用。 跳时通常都与其他方式结合使用，组成各种混合方式。
(4)脉冲线性扩频(Chirp-SS, Chirp Spread Spectrum,简称切普扩频)
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。因其频率在 较宽的频带内变化，信号的带宽也被展宽了。由于这种线性调频信号占用的频带宽 度远大于信息带宽，所以也是一种扩频调制技术。它利用一系列短促的、可同步的 扫描频率chirps(线性调频波)作为载体，每个线性调频波一般持续100 Ls,它代表 了最基本的通信符号时间(UST)。这些chirps覆盖了 100-400 kHz的频带，并总 是以200 ~ 400kHz的频率开始，继而以100〜200 kHz的频率结束。由于chirps信 号的线性扫描带宽比信号带宽要大得多，其线性加速度是较高的，而等幅振荡波干 扰(Continuous-Wave Jamming)的频率加速度一般是稳定的，所以将滤波器设计成只 能通过具有特定角加速度的信号，就可以将CW干扰排除在外。另外，这种线性调 频波波形还具有很强的自相关特性，这种模糊逻辑的相关性决定了所有连接在网络 上的设备，可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形，并且不需要在发送 和接收设备间进行同步。
(5)混合扩频
是以上几种扩频的混合方式，如FH/DS、DS/TH等。
2扩频通信的特点
(1)抗干扰性强
扩频通信系统扩展的频谱越宽，处理增益越高，抗干扰能力就越强。简单地说, 如果信号频谱展宽10倍，那么干扰方面需要在更宽的频带上去进行干扰，分散了干 扰功率，从而在总功率不变的条件下，其干扰强度只有原来的1/ Wo另外，由于接 收端采用扩频码序列进行相关检测，空中即使有同类信号进行干扰，如果不能检测 出有用信号的码序列，干扰也起不了太大作用，因此抗干扰性能强是扩频通信的最 突出的优点。
(2)信息保密性好
由于扩频信号在很宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率就很小，即信号的 功率谱密度很低，所以应用扩频码序列扩展频谱的直接序列扩频系统，可在信道噪 声和热噪声的背景下，在很低的信号功率谱密度上进行通信。信号被湮没在噪声里, 很不容易被发现，想进一步检测出信号的参数就更加困难了。
(3)易于实现码分多址
由于扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，可充分利用各种不同码型扩频序 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，那么 在分配给不同用户不同码型的情况下，系统可以区分不同用户的信号，这样在同一 频带上许多用户可以同时通话而互不干扰。
(4)抗多径干扰
在无线电通信的各个频段，短波、超短波、微波和光波中存在大量的多径干扰。 一般方法是采用分集接收技术，或设法把不同路径的不同延迟信号在接收端从时间 上对齐相加，合并成较强的有用信号，这两种基本方法在扩频通信中都是很容易实 现的。
3扩频通信的典型应用(1)直接序列扩频技术与CDMA
如果把无线 系统按照它们的接入方式分类，我们可以将每个系统归到以 下三类：频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)。而 CD MA就是一种以直接序列扩频技术为基础的多址接入移动通信，这种通信模式 是通过给每个用户分配一个具有良好自相关性和弱互相关性的唯一扩频码片(也叫 伪随机序列PN码)，并用它对承载信息的信号进行编码而实现的。在接收端，接 收机使用相同扩频码片对收到的信号进行解码，并将其转换成原始带宽信号，而其 他用户的宽带信号却保持不变，这是因为该用户的伪随机码序列与其他用户伪随机 码序列的互相关性很小，由于扩频码片给要传送的信息比特增加了冗余位，这使得 接收机能够在一个或多个原始数据遭到破坏后仍能恢复数据，当然数据恢复能力取 决于扩频码片长度与被破坏的数据长度，如果能够恢复数据，就可以防止重传，如 果接收机不知道扩频码片，那么它就不能正确接收信息，接收信号表现为低功率的 宽带噪声，所以直接序列扩频适用于可靠平安的军事通信。现在，3G移动通信技 术已经悄然进入我们普通手机用户的视野，该技术以传统CDMA技术为基础。
(2)军用跳频电台
军用跳频电台按工作频段可分为短波跳频电台和超短波跳频电台。短波跳频电 台的通信距离可达数百至上千公里。上世纪70年代，短波跳频电台正式登上军事 舞台，目前已开展到第三代。具有代表性的主战装备有：美国S C140车载/背负 跳频电台，跳速为20跳/秒；英国BA1190通信系统，跳速为10跳/秒，10秒内 可建立通信；以色列HF2000跳频电台，跳速为15〜20跳/秒，可预置10张频率 表。
(3)微波扩频通信系统
微波通信是现代通信三大支柱之一，在通信网中占有较大比重。近年来采用扩 频的微波通信设备(系统)，SINCGARS RT 1523E型电台广泛应用于邮电专线连接、 蜂窝基站联网、计算机局域网、一点多址电力调度系统、Internet接入等领域。
异步传输模式(ATM, Asynchronous Transfer Mode)以固定格式、定长信元作为 传输和交换的基本单位，它根据业务类型和速率的需要，动态地分配有限资源，并 采用随机的时分复用，使多媒体通信的实现更加容易，其呼叫建立过程，是采用电 路交换的方式去建立虚通路，而信息传递过程，那么采用分组交换的方式来传递信元, 因此，ATM就是建立在电路交换和分组交换基础上的一种面向连接的快速分组交 换技术。
无线异步传输模式(WATM： Wireless AsynchronousTransfer Mode)就是将 ATM 网上的宽带业务延伸至宽带无线移动网，把ATM无缝隙地扩展到移动通信终端， 它用一种标准ATM信元提供网络级服务，把话音、数据、图像等不同业务综合在 一个通信网中传输，到达最正确统计复用、共享资源的目的。该组网模型选用Skypl ex II高速扩频电台，按FD MA方式组成最简单的点对多点通信系统。中心站可与各移动台双工通信，也可作为两移动台之间的中继转发。工作频率为2400MHz〜 2483.5M H z,信道带宽为 20MHz,调制方式：DBPSK(56kbit/s〜768kbit/s)或 DQPSK(1.544/2048M H z),发射功率为100M W(可调)，接收灵敏度为-91dBm( Pe =1x10-8时)，处理增益Gp=10dB〜17dB。室内M O D E M与室外R F单元之间， 用中频同轴电缆连接，该电缆既提供信号线，又为室外单元提供直流供电。
ATM是未来信息高速公路的核心技术，基于WAT M的移动接入系统，是移 动用户出入高速公路的重要组成局部，微波通信不受地理条件限制，信道频带相对 较宽，通信质量稳定可靠、功能齐全、组网灵活，投资省、建设快、技术成熟、经 济效益高，采用扩频码分多址技术，大大提高频谱利用率和通信容量，增强抗干扰、 抗多径、抗截获能力，因此，利用扩频调制的微波通信系统进行无线ATM传输， 是目前实现宽带综合业务无线ATM传输的最正确解决方案。
4结束语
扩频通信是通信领域中一个重要的开展方向，由于它具有抗干扰能力强、截获 概率低、信号保密性和隐蔽性好，以及易于组网等一系列特点，从它出现之日起， 就引起了世界各国的高度关注。在军事领域，它已经成为在复杂电磁环境下，提高 通信设备抗干扰能力的有效措施之一，并在现代战争中发挥着举足轻重的作用。目 前，扩频通信已经在我国的军事通信领域得到逐步推广，以取代原有的常规通信设 备，通信保障能力较以往有了显著的提升。但着眼未来，要在信息化条件下的高科 技战争中始终处于有利位置，就必须继续加强对扩频通信技术领域的深入研究，不 断挖掘扩频通信装备在数字化、小型化、模块化、网络化等方面的潜力。