擴頻通信

擴展頻譜技術(shù)又稱為擴頻技術(shù)是近年來發(fā)展很快的技術(shù)，不僅在軍事通信中發(fā)揮出不可取代的優(yōu)勢，而且廣泛的滲透到了通信的各個方面，如衛(wèi)星通信、移動通信、微波通信、無線定位系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)、全球個人通信等等。所謂的擴頻技術(shù)是指發(fā)送的信息被展擴到一個比信息帶寬寬的多的頻帶上去，接受端通過相關(guān)的接收，將其恢復(fù)到信息帶寬的一種技術(shù)。這樣的系統(tǒng)就稱為擴展頻譜系統(tǒng)或擴頻系統(tǒng)。

擴頻技術(shù)具有以下特點：

很強的抗干擾能力

由于將信號擴展到很寬的頻帶上，在接收端對擴頻信號進行相關(guān)處理既帶寬壓縮，恢復(fù)成窄帶信號。對干擾信號而言，由于與擴頻用的偽隨機碼相關(guān)，則被擴展到一很寬的頻帶上，使之進入信號通頻帶內(nèi)的干擾功率大大降低，相應(yīng)的增加了相關(guān)器的輸出信號/干擾比，因此具有很強的抗干擾能力。其抗干擾能力與其頻帶的擴頻倍數(shù)成正比，頻譜擴展的越寬，抗干擾的能力越強。

可進行多址通信

擴展頻譜通信本身就是一種多址通信方式，成為擴頻多址，實際上是碼分多址（CDMA）的一種，用不同的擴頻碼組成不同的網(wǎng)。雖然擴頻頻譜系統(tǒng)占用了很寬的頻帶，但由于各網(wǎng)可在同一時刻共用同一頻段，其頻譜利用率甚至比單路單載波系統(tǒng)還要高。CDMA是未來全球個人通信的一種主要通信方式。

安全保密

由于擴頻系統(tǒng)將傳輸?shù)男畔U展到很寬的頻帶上去，其功率密度隨著頻譜的展寬而降低，甚至可以將信號淹沒在噪音中。因此，其保密性很強，要截獲或竊聽、偵察這樣的信號是非常困難的，除非采用與發(fā)送端所用的擴頻碼且與之同步后進行相關(guān)的檢測，是否對擴頻信號是無能為力的。由于擴頻信號功率頻譜密度很低，在許多國家，如美、日、歐洲等國家對專用頻段，如ISM頻段，只要功率頻譜密度滿足一定的要求，就可以不經(jīng)批準使用頻段。在中國，原則上國家無線管理委員會沒有允許的自由頻段，任何無線頻段的使用都要經(jīng)過申請，但在2.4G~2.483G的頻段上，國家無線管理委員會是允許民用產(chǎn)品使用，一般申請都會同意，而且基本上不要費用。

擴頻技術(shù)包括以下幾種方式：

直接序列擴展頻譜，簡稱直擴，記為DS（Direct Sequence）
跳頻，記為　FH（Frequency Hopping）
跳時，記為TH（　Time Hopping）
線性跳頻，記為Chirp

除了以上四種基本擴頻方式以外，還有這些擴頻方式的組合方式，如FH/DS、TH/DS、FH/TH等。在通信中應(yīng)用較多的主要是DS、FH和FH/DS。

擴頻系統(tǒng)的基本調(diào)制解調(diào)原理

直接序列擴頻

直擴技術(shù)使用偽隨機碼（PN CODE）對信息比特進行模2加得到擴頻序列，然后將擴頻序列調(diào)制載波發(fā)射到空中，此時系統(tǒng)占用功率譜密度也大大降低。PN碼由偽隨機序列發(fā)生器產(chǎn)生，其碼速比原始信息碼速高的多，每一PN碼的長度（即切普CHIP寬度）很小?！?/p>

直擴系統(tǒng)的接收一般采用相關(guān)接收，分為兩步，即解擴和解調(diào)。在接收端，接收信號經(jīng)過放大混頻后，用于發(fā)射端相同且同步的偽隨機碼對中頻信號進行相關(guān)解擴，把擴頻信號恢復(fù)成窄帶信號，然后再解調(diào)，恢復(fù)原始信息序列。對于干擾和噪音，由于與偽隨機碼不相關(guān)，接收機的相關(guān)解擴相當(dāng)于一次擴頻，將干擾和噪音進行頻譜擴展，降低了進入頻帶內(nèi)的干擾功率，同時使得解調(diào)器的輸入信噪比和載干比提高，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。另外，采用不同PN碼即不相關(guān)的接收機很難發(fā)現(xiàn)和解出擴頻序列中的信息，由于不同構(gòu)造的PN碼之間相關(guān)性很低，碼分多址CDMA就是采用同樣原理區(qū)別不同的用戶。

對于直擴系統(tǒng)最好是先解擴再解調(diào)，因為無線信號在空間傳輸中會有很大的信號衰減。未解擴前的信噪比很低，甚至信號淹沒在噪聲中。一般解調(diào)器很難在很低的信噪比下正常解調(diào)，導(dǎo)致高誤碼。 但在室內(nèi)通信條件下，由于信號有較高的強度，可以先解調(diào)后解擴。當(dāng)信號達到一定電平時，簡單的解調(diào)器已經(jīng)能夠正常的工作，可以先將信號解調(diào)為一個數(shù)據(jù)流（未解擴），然后用普通的集成電路進行數(shù)字相關(guān)信號解擴。采用直擴的無線局域網(wǎng)卡一般采用這種方法，射頻單元的處理大為簡化，體積可以縮小很多，并且成本明顯下降。

在性能上，先解擴再解調(diào)明顯優(yōu)于先解調(diào)后解擴。先解擴可以通過解擴過程獲得擴頻增益（擴展的頻譜帶寬與原始信息的帶寬之比），提高接收信號信噪比。室外遠程（2、3公里以上的）擴頻通信必須采用這種方式，以保證通信質(zhì)量和可靠性。 　

直擴系統(tǒng)的同步

直擴系統(tǒng)采用先解擴時，首先只有在完成偽隨機碼（PN碼）的同步后才可能用同一碼序列對擴頻信號進行相關(guān)解擴。接收機本地PN碼的速率和相位要與接收到的高速擴頻序列保持一致。即使發(fā)射和接收端的相位差大于一個CHIP碼片時，它們的相關(guān)性就不存在。解擴的第一步就是要在接收信號中捕獲到一個與本地PN碼一致的相位狀態(tài)。 擴頻序列中的相位捕獲一般采用匹配濾波器或相位搜索電路實現(xiàn)，接收機在搜索同步過程中，通過改變本地PN碼的時鐘速率，使接收信號中的PN碼相位和本地PN碼相位在相關(guān)器內(nèi)相對滑動?；瑒舆^程中，當(dāng)相關(guān)峰值超過捕獲門限，標(biāo)志完成同步捕獲，此時收發(fā)雙方的PN碼的相位誤差已經(jīng)小于一個切普碼寬（Tc）。捕獲進入跟蹤狀態(tài)，相位差進一步縮小，相關(guān)性增大，獲得高的解擴信號信噪比，滿足以后的解調(diào)門限的要求。

直擴技術(shù)中還有一種更高級的接收技術(shù)，叫RAKE接收技術(shù)。RAKE接收技術(shù)可以實現(xiàn)多徑分集。由于大氣狀況，地理位置等各種組合因素影響，信號在空間的傳輸與只有直射波有很大不同，信號經(jīng)過多條路經(jīng)（直射，反射，折射，大氣波導(dǎo)）經(jīng)過不同時延到達接收端，各個信號到達的時間不同，相位不一致，造成最終信號的幅度相互抵消，引起信號大幅度衰落。 　

先解擴后解調(diào)的直擴系統(tǒng)具備了抗多徑的能力，在時間上將主通道（最大峰值）上的相關(guān)峰分離出來。從而降低多徑干擾。而RAKE接收技術(shù)實現(xiàn)多徑分集技術(shù)，可以將接收的各個多徑信號組合起來，獲得加權(quán)增益，轉(zhuǎn)化為合成的信號，達到更高的抗衰落性能。但由于　RAKE技術(shù)的接收加權(quán)合并實現(xiàn)復(fù)雜而且昂貴，目前只有美國少數(shù)幾家公司在其擴頻系統(tǒng)中實現(xiàn)了這一技術(shù)。

直擴中的“軟擴頻”

對于無線局域網(wǎng)等寬帶方式，要在近距離范圍內(nèi)達到速率每秒數(shù)兆比特時，若采用一般的直序擴頻技術(shù)，則系統(tǒng)擴展的頻譜帶寬甚至?xí)^開放ISM頻段規(guī)定的頻率范圍。與“真擴頻”方法不同，軟擴頻實際是采用編碼的方法完成頻率的擴展。軟擴頻是一種（N，K）編碼，K為信息碼由N位長的偽隨機序列來表示。用幾位信息元對應(yīng)一條偽隨機碼，擴展的倍數(shù)不大，而且不一定是整數(shù)。而對比“真擴頻”，每一位信息碼都與多個整數(shù)位的PN碼相模2加。在室內(nèi)距離通信的條件下，軟擴頻既滿足開放頻段的系統(tǒng)要求，也能達到很高的速率，成本也低。

跳頻技術(shù)

跳頻技術(shù)與直序擴頻技術(shù)完全不同，是另一種意義上的擴頻。跳頻的載頻受一個偽隨機碼的控制，在其工作帶寬范圍內(nèi)，其頻率合成器按PN碼的隨機規(guī)律不斷改變頻率。在接收端，接收機頻率合成器受偽隨機碼控制，并保持與發(fā)射端變化規(guī)律相同?！?/p>

跳頻是載波頻率在一定范圍內(nèi)不斷跳變意義上擴頻，而不是對被傳送信息進行擴譜，不會得到直序擴頻的處理增益。跳頻相當(dāng)于瞬時的窄帶通信系統(tǒng)，基本等同于常規(guī)通信系統(tǒng)，由于不能抗多徑，同時發(fā)射效率低，同樣發(fā)射功率的跳頻系統(tǒng)在有效傳輸距離上小于直擴系統(tǒng)。跳頻的優(yōu)點是抗干擾，定頻干擾只會干擾部分頻點。用于語音信息的傳輸，當(dāng)定頻干擾只占一部分時不會對語音通信造成很大的影響。

跳速的高低直接反映跳頻系統(tǒng)的性能，跳速越高抗干擾的性能越好，軍事上的跳頻系統(tǒng)可以達到每秒上萬跳。實際上移動通信GSM系統(tǒng)也是跳頻系統(tǒng)，其規(guī)定的跳速為每秒217跳。出于成本的考慮，商用跳頻系統(tǒng)跳速都很慢，一般在50跳/秒以下。由于慢跳跳頻系統(tǒng)可以簡單的實現(xiàn)，因此低速無線局域網(wǎng)產(chǎn)品常常采用這種技術(shù)?！?/p>

不同擴頻系統(tǒng)性能 以上描述了各種不同擴頻通信系統(tǒng)的原理和性能，擴頻通信設(shè)備的實現(xiàn)方法和難易程度，直接決定了其最終性能和成本。一般講慢跳跳頻系統(tǒng)的實現(xiàn)最簡單，成本最低，但性能最差。采用軟擴頻的編碼技術(shù)可以達到高速率，但限制到室內(nèi)近距離范圍內(nèi)應(yīng)用。先解調(diào)后解擴的直擴系統(tǒng)，可以采用集成電路直接對擴頻序列進行數(shù)字處理，但前提是有足夠高的信號強度。 擴頻系統(tǒng)中性能最好的是直接序列擴頻中的先解擴再解調(diào)的技術(shù)，這種擴頻系統(tǒng)對擴頻信號先相關(guān)，再相關(guān)解調(diào)，需要完成偽隨機碼的同步和載波恢復(fù)，大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。例如，一個速率64K的直擴系統(tǒng)，其偽隨機碼的速率要超過5Mbit/s左右，其實現(xiàn)方法比之于3M速率的跳頻系統(tǒng)還要復(fù)雜的多。因此，高性能的直序擴頻系統(tǒng)的成本很高。

信道特性對擴頻系統(tǒng)的影響

信道特性對無線信號的傳輸至關(guān)重要，信號通過不同的信道發(fā)生不同的失真和畸變。通信系統(tǒng)的收發(fā)設(shè)備必須依據(jù)信道特征來設(shè)計，采用不同技術(shù)的無線擴頻系統(tǒng)應(yīng)用定位也不相同。 在無線通信中由于氣候，環(huán)境，距離等各種因素的影響，接收到的信號幅度和相位是隨機起伏變化的，主要需要考慮的是慢衰落，快衰落，平衰落，頻率選擇性衰落。室內(nèi)信道的時間衰落特性是慢衰落的，同時時延擴展因素小，因而較為簡單的達到通信速率Mbps數(shù)量級以上。而室外無線傳輸信道的特征有很大不同。必須考慮各種快衰落，深度平衰落，長擴展時延等因素。通信速率高（占用帶寬大）時還要考慮頻率選擇性衰落等各種不確定因素。另外其接收靈敏度必須保障在信號衰減上百dB情況下的信號拾取。 為保證通信質(zhì)量和通信可靠性（用可用度表示）。常規(guī)微波頻段通信系統(tǒng)為了保證足夠的性能指標(biāo)（誤碼指標(biāo)）一般會預(yù)先在鏈路設(shè)計上予留30~50dB的鏈路裕度（或稱衰落儲備）。然而對于多徑傳輸和深度衰落等原因造成的誤碼，除了采用快速自動增益控制AGC等手段之外。必須采用抗多徑衰落的技術(shù)。正如前文所敘，采用直擴技術(shù)中高性能的實現(xiàn)手段（先解擴再解調(diào)）可以很好抵消多徑衰落的不利影響。更好的RAKE接收技術(shù)甚至可以實現(xiàn)多徑分集接收，進而抵消室外無線衰落信道系統(tǒng)中的性能嚴重惡化。另外由于直擴技術(shù)的頻譜很寬，部分頻帶的選擇性衰落不會影響整體接收。 一般不要將室內(nèi)擴頻設(shè)備用于室外，例如，即使利用高的鐵塔和好的傳輸路線空間，無線局域網(wǎng)擴頻產(chǎn)品實際上并不能解決由于信道特性引起的通信質(zhì)量迅速下降。一般無線局域網(wǎng)擴頻設(shè)備使用高增益天線在傳輸距離超過3，4公里后，誤碼率仍舊會迅速上升，并且隨氣候和環(huán)境的變化可用度很低。此時采用加入功率放大器等增加發(fā)射功率的措施是不現(xiàn)實的，考慮到深衰落和設(shè)備的非線形失真，誤碼率會出現(xiàn)平展，同時由于匹配非線形產(chǎn)生的寄生輻射甚至可能會影響常規(guī)微波頻段的其他設(shè)備正常通信。