无线通信 之 扩频通信

1.1 产生背景及历史回顾 扩频通信产生的背景—通信中的抗干扰 通信中的干扰类型 1）自然干扰： 大气噪声 热噪声 多址干扰 多径干扰 工业干扰 其他通信设备的同频干扰等

2）人为干扰 在军事应用中，敌对的双方为了降低对方的通信效能而人为释放的强干扰。

人为干扰主要有: 单频干扰, 或称为固频干扰。 这种干扰的干扰频率fJ正好对准对方的通信频率fs, 即 fJ=fs, 形成同频干扰。 窄带干扰。 这种干扰的干扰频率fJ对准对方的通信频率fs, 干扰信号的频带很窄, 可以与有用信号频带相比拟。

(3) 正弦脉冲干扰。 这种干扰类似于单频干扰, 不同点在于其发送是以脉冲形式发送的, 其峰值功率较强。 (4) 跟踪式干扰。 由一个频率跟踪系统和干扰机组成, 先测定通信频率, 然后将干扰机干扰信号频率对准通信频率进行干扰。

(5) 转发式干扰。 这种干扰首先把有用信号接收下来, 再经放大和噪声污染后发送出去, 对有用信号实施干扰。 (6) 宽带阻塞式干扰。这种干扰是在整个信号的通信频带内施放很强的干扰信号，其干扰功率与带宽成正比，使通信一方在整个通信频带内都无法保证正常的通信。

干扰与抗干扰技术的发展

通信抗干扰技术 当前采用的抗干扰技术主要有以下几种。 1) 扩展频谱技术 2) 开发强方向性的毫米波频段 扩展频谱技术具有很强的抗干扰能力, 可以抗击多种人为干扰, 是发展非常迅速的一种抗干扰技术。 2) 开发强方向性的毫米波频段 在毫米波波段，频段很宽，采用视距传播，方向性很强，有利于增加抗干扰性能。

3) 加密技术 加密技术用于防止传送的信息被敌方截获、 窃听, 它在保密通信中是一个重要的技术手段。 4) 猝发通信技术 这种通信方式在通信的时间上有很大的随机性, 在非常短的时间内, 将要发送的信号发送出去, 其它时间处于静止状态, 使干扰机很难捕捉到这种猝发信号, 因此具有很强的抗干扰的能力。

5) 天线零相技术 这种技术是将天线方向图的零点对准干扰机, 而将主瓣对准发信机, 这样, 对接收机而言, 既能接收到有用信号, 又可将干扰信号大大地衰减, 从而达到抗干扰的目的。 6) 分集技术 分集技术包括空间分集、 频率分集、 角度分集、 极化分集等。 其中扩频通信是其中发展较快应用广泛的一种技术。

什么是扩频通信 发送端将原信号展成带宽为原信号的成百上千倍的低功率谱密度的宽带信号，在接收端对接收信号进行解扩，恢复出原来的窄带信号。 信号带宽是信息带宽的几百倍至几千倍。 发送端扩频，接收端解扩，在做无用功吗？

扩频通信的发展经历 有关扩频通信技术的观点最早是在1941年由好莱坞女演员海蒂.拉玛(Hedy Lamarr)和钢琴家George Antheil提出的，并申请了美国专利#2.292.387。不过，当时该技术并没有引起美国军方的重视。

Hedy Lamarr

1949年美国的国家电话电报公司的子公司的联邦电信实验室，Derosa和Rogoff提出设想并生成出伪噪声信号和相干检测的通信系统，成功地工作在New Jersey和California之间的通信线路上。 1950年Basore首先提出把这种扩频系统称作NOMACS（Noise Modulation and Correlation Detection System）这个名称被使用相当长的时间。

1952年由林肯实验室研制出P9D型NOMACS 系统，并进行了试验。 1955年生产成功并通过了测试。之后，美国海军和空军开始验证各自的扩频系统，空军使用名称为“Phatom”（鬼怪，幻影）和 “Hush-Up”（遮掩），海军使用名称为“Blades”（浆叶），美国海军采用跳频扩频方案。

1976年第一部扩频通信的概述性专著：Spread Spectrum Systems发表。 1978年在日本举行的国际无线通信咨询委员会(CCIR)全会对扩频通信进行专门研究。

1982年美国第一次军事通信会议展示了扩频通信在军事通信中的主导作用，报告了扩频通信在军事通信各领域的应用，并开始民用扩频通信的调查。 同年第一部扩频通信的理论性专著Coherent Spread Spectrum 问世。 1985年之后民用扩频通信系统发展。

最近的二十几年扩频技术的应用： GPS 卫星通信系统 CDMA

1.2 扩频通信的理论基础 香农（Shannon）公式 信道容量是信道在无差错传输下所能达到的最大传输速率。 信道容量具有如下的意义： 当传输速率不大于信道容量时，总可以找到一种方法，实现无差错的传输。 但如果想要达到的传输速率大于信道容量，则无论用什么方法，都不可能实现无差错传输。 Shannon公式给出了信道容量与带宽和信噪比之间的关系。

克劳德. 艾尔伍德. 香农(Claude Elwood Shannon 1916—2001) 1948年6月到10月，香农在《贝尔系统技术杂志》上连载发表了《通讯的数学原理》。1949年，香农又在该杂志上发表了《噪声下的通信》。这两篇论文为信息论奠定了基础。 人们通常将香农于1948年10月发表的论文《通信的数学原理》作为现代信息论研究的开端。 由于在信息科学领域的卓越贡献，香农被称为 “信息论之父”。 克劳德. 艾尔伍德. 香农(Claude Elwood Shannon 1916—2001)

关于Shannon公式的讨论 1）(S/N) → ∞ 2） B → ∞

扩频通信的理论依据 根据shannon公式可得出 C≈1.44(S/N)B 这说明在一定的信道容量条件下, 可通过增加信号带宽来减小发送信号功率, 也可通过增加发送信号功率来减小信号带宽。也就是说, 在信道容量不变的条件下, 信号功率和信号带宽可以互换。

例 1 某一系统的信号带宽为8 kHz, 信噪比为7, 求信道容量C。 在C不变的情况下, 信号带宽分别增加一倍和减小一半, 求此信号功率的相对变化为多少？

例2.信噪比为S/N=-20dB，求带宽至少为多少时，信道容量可以达到3kb/s. 这道题的结论说明使用增大信号带宽的方法，即使在信号功率远远小于噪声功率的情况下，也完全可以实现无差错的传输。

1.3 扩频通信系统的基本结构与抗干扰原理 以直接序列扩频为例 扩展频谱通信系统模型

扩频系统的抗干扰原理

扩频信号并不能扩展噪声的频谱 但可以扩展干扰的频谱 Low Power Density Interference Rejection DS SIGNAL NOISE NOISE SIGNAL DS RECEIVER 扩频信号并不能扩展噪声的频谱 INTERFERENCE Interference Rejection SIGNAL NOISE SIGNAL NOISE INTERFERENCE DS RECEIVER 但可以扩展干扰的频谱

1.4 扩频通信系统的分类 1.直接序列扩频（direct sequence spread spectrum, DSSS） 2.跳频扩频（frequency hopping spread spectrum, FHSS） 3.跳时扩频（ time hopping spread spectrum, THSS ） 4.混合扩频

直接序列扩频 直扩系统组成框图(a) 发射 (b) 接收

直扩系统各点的波形

直扩系统的特点和用途 (1) 具有较强的抗干扰能力。 (2) 具有很强的隐蔽性和抗侦察、抗窃听、抗测向的能力。 (3)具有选址能力，可实现码分多址。 (4) 抗衰落，特别是抗频率选择性能好。 (5).抗多径干扰。 (6).可进行高分辨率的测向、定位。 直扩技术主要用于通信抗干扰、卫星通信、导航、保密通信、测距和定位等方面。

跳频扩频（frequency hopping spread spectrum, FHSS） 跳频扩频系统方框图

跳频扩频示意图

慢跳频系统跳频图案

快跳频系统跳频图案

跳频系统可根据跳频速率分为快速跳频(FFH)、中速频跳(MFH)和慢速跳频 (SFH)。　 SFH：Rh的范围是10～100h/s； 　　MFH：Rh的范围是100～500h/s； 　　FFH：Rh大于500h/s。

跳频系统的主要特点 (1)具有较强的抗干扰能力。跳频系统采用躲避干扰的方法来抗干扰，只有当干扰信号频率与跳频信号频率相同时，才能形成干扰，因而抗干扰能力较强。跳频频率数N越大，跳频速率越高，抗干扰性能越强。 (2)易于组网，实现码分多址，频谱利用率高。不同的码，可以得到不同的跳频图案，从而组成不同的网，频谱利用率比直扩系统略高。　

(3)易兼容。目前所有的跳频电台兼容性都很强，可在多种模式下工作，如定频和跳频、数字和模拟、话音和数据等。 (4)解决了“远—近”问题。“远—近”问题对直扩系统的影响很大，对跳频系统来说，这种影响就小得多，甚至可以完全克服。 (5)伪随机码速率比直扩系统的低得多，同步要求比直扩系统的低，因而时间短、入网快。

跳频系统的主要用途 　　目前，跳频系统主要用于军事通信，如战术跳频电台、抗干扰等，但也正在迅速地向民用通信渗透，如移动通信、数据传输、计算机无线数据传输、无线局域网等。

FH与DS的比较 (1)抗固频干扰。在抗强的固频干扰信号时，跳频优于直扩。这是因为直扩系统虽然具有一定的处理增益，但对超过干扰容限的干扰就无能为力了；而跳频系统是采用躲避的方法抗干扰。 (2)抗衰落特别是抗选择性衰落时直扩优于跳频，这是由于直扩系统的射频带宽很宽，小部分频谱衰落不会使信号产生严重畸变，而跳频系统将导致部分频率受到影响。

(3)抗多径。由于直扩系统要用伪随机码的相关接收，只要多径时延大于一个伪随机码的切普宽度，这种多径不会对直扩系统形成干扰；而跳频系统由于没有像直扩系统那样的保护措施，因而对多径无能为力。

(4)“远—近”效应。“远—近”效应对直扩系统影响很大，而对跳频系统的影响就小得多。 (5)同步。由于直扩系统的伪随机码速率比跳频的伪随机码速率要高得多，因此直扩系统的同步精度要求高，因而同步时间也长，入网慢。直扩同步时间一般在秒级，而跳频可以在毫秒级完成，因此在同步方面，跳频优于直扩。

(6)信号处理。直扩系统一般采用相干检测，而跳频系统由于频率不断变化，频率的跳变需要一定的时间，因而多采用非相干检测。因此从性能上看，直扩系统性能优于跳频；但从实现来看，相干检测需要恢复载波，必然增加系统的复杂程度，恢复载波的频率和相位的偏差，又会降低系统性能，在一些对设备要求严格的场合，如移动通信等，就难以满足要求。

(7)通信安全保密。直扩信号谱密度低，信号淹没在噪声之中，可防窃听、防测向，是不可见的。而跳频系统虽然在很宽的频带上跳变，但其瞬时功率谱是较大的，是可见的，因而性能不如直扩的。 (8)组网能力。跳频的组网能力较直扩的强，频谱利用率也较直扩的高。

(9)兼容。兼容是现代通信必须考虑的问题，而且是对系统提出的一个重要的性能指标，在这个问题上，跳频比直扩更为灵活。 (10)语言可懂度。跳频在频率转换时需调谐时间，不能传输信息。在相同的信息速率情况下，直扩优于跳频。

跳时扩频（ time hopping spread spectrum, THSS ） 跳时系统方框图

跳时示意图

跳时信号波形

混合扩频 前述的每一种扩频系统都有各自的优缺点，将两种以上的扩频系统组合在一起构成混合扩频系统则有可能得到只用其中一种方式得不到的特性。常见的混合扩频系统有 直接序列-跳频混合扩频（DS/FH）系统 直接序列-跳时混合扩频（DS/TH）系统 跳频-跳时混合扩频（FH/TH）系统等

直接序列-跳频混合扩频（DS/FH） 直接序列-跳频混合扩频系统可以看成是一个载波频率作随机跳变的直接序列扩频系统，通信隐蔽性更好。

DS/FH示意图

DS/FH系统就是一种中心频率在某一频带内跳变的直接序列扩频系统。一个DS扩频信号在一个更宽的频带范围内进行跳变。 DS/FH系统的处理增益为DS和FH处理增益的乘积。采用DS/FH比单独采用DS或FH能够获得更宽的频谱扩展和更大的处理增益。有时相对来说，其技术复杂性比单独用DS来展宽频谱或用FH在更宽的范围内实现频率的跳变还要容易些。

采用DS/FH混合扩频技术，有利于提高系统的抗干扰性能。干扰机要有效地干扰DS/FH混合扩频系统，需要同时满足两个条件：①干扰频率要跟上跳变频率的变化；②干扰电平必须超过直扩系统的干扰容限。否则，就不能对系统构成 威胁。这样，就加大了干扰机的干扰难度，从而达到混合系统更有效地抗干扰的目的。

直接序列-跳时混合扩频（DS/TH）

DS/TH方式，它相当于在DS扩频方式中加上时间复用。采用这种方式可以容纳更多的用户。在实现上，DS本身已有严格的收发两端扩频码的同步。加上跳时，只不过增加了一个通—断开关，并不增加太多技术上的复杂性。

1.5 扩频通信的基本性能参数 1.处理增益(Process Gain)（又称扩频增益） 定义：接收机解扩器的输出信噪比(S/N)out与接收机的输入信号信噪比(S/N)in的比值。 意义：经扩频接收机处理后，使有用信号增强的同时抑制输入到接收机的噪声和干扰能力的大小。 处理增益的计算

例3.有一个扩频通信系统，扩频后带宽为20MHz，原始信号带宽为20KHz，求系统的处理增益。

2.干扰容限 意义：一个扩频系统要正常工作时解扩器的输入端噪声功率与信号功率的比值不能超过的值。 干扰容限的计算

例4.一个扩频系统的处理增益是30dB，系统的解调器要求其输入信噪比最小为10dB，而系统损耗为4dB，求系统的干扰容限。

在实际工程应用中，扩频接收机的相关解扩和解调器都达不到理想的线性要求，其非线性及码元跟踪误差将导致信噪比损失。因此，实际工作中扩频接收机实际上容许的干扰与信号功率的比值比干扰容限还要低。在设计扩频接收机时，通常要留出至少1dB余量。

1.6 扩频通信系统的特点 1.抗干扰能力强 2.安全保密 3.可以实现码分多址（CDMA） 4.抗信道衰落能力强 5.可以实现精确测距和定时 6.能与传统通信系统共用频段