扩频通信
扩频通信的概述
扩频通信，即扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication），它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。除此以外，扩频通信还具有如下特征：
2.1 是一种数字传输方式；
2.2 带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数（扩频函数）对被传信息进行调制实现的；
2.3 在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。
扩频通信的分类
1、直扩系统（DS）就是采用高码速率的直接序列（Direct Sequence）伪随机码在发端进行扩频，在收端采用相同的伪码（ＰＮ）进行相关解扩。
2、跳频系统（ＦＨ）就是采用跳频（Frequency Hopping）方式进行扩频，形象地说是采用特定的伪码控制的多频率移频键控。
3、跳时系统（ＴＨ）就是采用跳时（Time Hopping）方式进行扩频，形象地说是采用特定的伪码控制的多时片的时移键控。
4、混合系统就是直扩，跳频和跳时的相应组合即DS/FH/TH混合系统。
扩频通信的原理
扩频通信的理论基础
长期以来，人们总是想法使信号所占领谱尽量的窄，以充分利用十分宝贵的频谱资源。为什么要用这样宽频带的信号来传送信息呢？ 简单的回答就是主要为了通信的安全可靠。
扩频通信的基本特点，是传输信号所占用的频带宽度（W）远大于原始信息本身实际所需的最小（有效）带宽（DF），其比值称为处理增益Gp:
Gp = W/DF …… （1）
众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，如话音为1.7 --- 3.1kHz，电视图像则宽到数兆赫。为了充分利用有限的频率资源，增加通路数目，人们广泛选择不同调制方式，采用宽频信道（同轴电缆、微波和光纤等），和压缩频带等措施，同时力求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽。因现今使用的电话、广播系统中，无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式，Gp值一般都在十多倍范围内，统称为“窄带通信”。而扩频通信的Gp值，高达数百、上千，称为 “宽带通信”。
扩频通信的可行性， 是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。
信息论中关于信息容量的仙农（Shannon）公式为：
C ＝ WLog2（1十P/N） …… （2）
式中：
C --- 信道容量（用传输速率度量）
W --- 信号频带宽度
P --- 信号功率
N --- 白噪声功率
式（2）说明，在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比P／N是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比P／N（S／N）情况下，传输信息。
扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。
扩频通信可行性的另一理论基础，为柯捷尔尼可夫关于信息传输差错概率的公式：
Powj = f（E/N。） …… （3）
式中：
Powj --- 差错概率
E --- 信号能量
N。--- 噪声功率谱密度
因为，
信号功率 P＝E／T （T为信息持续时间）
噪声功率 N＝WN。 （W为信号频带宽度）
信息带宽 D F＝l／T
则式（3）可化为：
Powj ? f（TW.P/N） = f（P/N.W/D F ） …… （4）
式（4）说明，对于一定带宽 DF的信息而言，用Gp值较大的宽带信号来传输，可以提高通信抗干扰能力，保证强干扰条件下， 通信的安全可靠。 亦即式（4）与式（2）一样，说明信噪比和带宽是可以互换的。
总之，我们用信息带宽的100倍，甚至1000倍以上的宽带信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。
扩频通信的特点
1、抗干扰能力强
扩频信号的不可预测性，使扩频通信系统具有很强的抗干扰能力。扩频通信系统在传输过程中扩展了信号带宽，所以使信噪比很低，甚至在有用信号功率低于干扰信号功率的情况下，仍然能不受外界干扰。信号的频谱被扩展的越宽，处理增益越高，抗干扰能力就越强。此外，对于单频及多载波信号的干扰，其他伪随机调制信号的干扰，以及脉冲正弦信号的的干扰等，扩频系统都有抑制干扰提高信噪比的作用。简单的说，若将频带展宽 10 倍，在总功率不变的情况下，其干扰强度只是原来的 1/10。而一般频谱带宽至少是信息带宽的几十倍甚至更高。另外，由于接受端采用了伪随机序列进行相关检测，即使采用同类型信号进行干扰，如果不能检测出有用信号的伪随机序列，干扰也起不了太大作用。抗干扰性能强是扩频通信最突出的优点。
2、隐蔽性好、低截获性
由于扩频信号的频谱被展宽到很宽的频带上，单位带宽的功率也随之降低，信号功率密度很低，信号被淹没在噪声中、难以被发现，因而不易被敌方截获；加之扩频编码，就更难获取有用信号，而且扩频信号的功率密度极低，对周围的电信设备产生干扰的可能性极小。
3、保密性好
在一定的发射功率下，扩频信号分布在很宽的频带内，无线信道中有用信号功率 谱密度很低，有用信号被淹没在噪声下，而且不同的通信在发射时采用不同的扩频序列，只有接受方知道扩频序列的具体内容，其他不知道地接受方几乎不可能破译，因此扩频技术能很好的保证通信的可靠性。
4、抗多路径干扰性能好
多路径干扰是电波传输过程中因遇到各种非期望反射体（如电离层、高山、建筑物等）引起的反射或散射，在接受端的这些反射或散射信号与直接路径信号相互干扰。多路径干扰会严重影响通信。扩频通信系统中增加了扩频调制和解扩过程，从多径信号中分离出最强的有用信号，或者将多径信号中的相同码序列信号叠加，这样就可以有效消除无线通信中因多径干扰造成的信号衰落现象，是扩频通信系统具有良好的抗多径衰落特性。
5、易于实现码分多址
由于扩频通信要用伪随机序列进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的伪随机序列做相关的解扩才能恢复出信号，这就给频分复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型的伪随机序列之间的自相关特性和互相关特性，分配给不同用户不同的伪随机序列，就可以区别不同用户的信号，众多用户，只要配随使用自己的伪随机序列，就可以互不干扰的同时使用同一频率通信，从而实现了频分复用，使拥挤的频谱得到充分利用。发送者可用不同的伪随机序列，分别向不同的接收者发送数据。同样，接收者用不同的伪随机序列，就可以接收到不同发送方送来的数据，实现了多址通信。
6、能精确的定时和测距
我们知道电磁波在空间传播速度是固定不变的。人们自然会想到如果能够精确测量电磁波在两个物体之间传播的时间，也就等于测量两个物体之间的距离。在扩频通信中如果扩展频谱很宽，则意味着所采用的伪随机序列速率很高，每个码片所占用的时间就很短。当发射出去的扩频信号在被测物体反射回来，在接受端接跳出伪随机序列，然后比较收发两个码序列相位之差，就可以精确测出扩频信号往返的时间差，从而算出两者之间的距离。测量精度取决于码片的宽度，码片越窄，精度越高。
扩频通信的作用
1.扩频通信为接入网增添光彩：接入网是个新的技术概念，它是由传统的用户线，用户环路和用户接入系统逐步发展、演变和升级而形成的。现代电信网络分为3大部分：传输网、交换网和接入网。由于接入网发展较晚，往往成为电信发展规律的“瓶颈”，各国都很重视，接入网一天天变“热“，各类接入技术和系统应运而生。例如，有线接入系统， 包括铜线接入、光纤接入和光纤同轴混合接入等；无线接入分为移动接入和固定接入系统。其中光纤接入和无线固定接入成为“热网”中的两个“热点”。扩频通信的出现，使得无线通信旧貌换新颜。扩频微波与常规微波相比有三个优点：抗干扰强；频点问题好处理；价格比较便宜。因此，扩频微波接入系统将成为无线接入的一支新军，为接入网增添光彩。
2.语音接入（点对点）：现有的扩频微波，速率从64 kb/s~8Mb/s，可传1~120路（PCM）语音。特别是E1、2＊E1和4＊E1可取代常规的30路、60路和120路中小容量微波，抗干扰极强，误码率可低到1E-10 量级，准光纤水平。时分双工（TDD）E1，距离近些；频分双工（FDD）E1，距离还可远些，在视距通信范围，扩频微波可取代超短波（VHF/UHF），常规小微波，以及电缆和光纤（如没有，可不架设）。它可以单独或与各种复用设备结合，用于卫星通信最后“一公里”，局间中继，GMS系统基站到交换机间通信等很多场合。
3.数据接入：采用扩频Modem和复用器，可以实现点对点的数据通信，再逐级汇集，也可组成很大的专用数据网，例如银行的同城结算网；可应用于ISDN网和DDN网；
4.视频接入：采用N＊64kb/s或2Mb/s的扩频Modem加上会议电视终端可传会议电视信息。若将多个点对点扩频信道和MCU相连，可以组成良好的多点扩频会议电视系统。采用每秒可输出22~25帧的图像编解码器（CODEC），利用扩频E1，就可传送实时动态电视图像。
5.多媒体接入：采用复用器，可在扩频信道上同时传送语音、数据和视频图像等多媒体信息。现在已有的扩频Modem与当前的多媒体通信发展水平相适应，设备轻巧，易安装，是较好的无线多媒体接入手段。
6.国际互联网（Internet）接入：利用64kb/s~8Mb/s的扩频Modem直接接入Internet网已有很多实例了，它是专线而不是租用线，费用会省些。
扩频通信的优势
（1）扩频通信具有消息隐蔽性、低截获概率和抗干扰等能，对军事通信有很大应用潜力。国外军事通信已经装备使用 HF、VHF和UHF频段的跳频电台，直接序列扩频电台也开始进入实用阶段。
（2）利用不同的预定扩频码（地址码）序列，可以在相同频段实现码分多址（CDMA）和选址通信，在卫星通信和室内有线、无线通信中得到使用。
（3）直接序列扩频信号具有同距离无关的高分辨率测距能力，在全球定位系统（GPS）和深空探测中得到应用。
扩频通信的主要性能指标
处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。
处理增益G也称扩频增益（Spreading Gain）
它定义为频谱扩展前的信息带宽DF与频带扩展后的信号带宽W之比：
G＝W／DF
在扩频通信系统中。接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽为DF 的信息，而排除掉宽频带W中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。因此，处理增益G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。
抗干扰容限
是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为：
Mj = G － [（S/N）out + Ls]
其中：
Mj --- 抗干扰容
G --- 处理增益
（S／N）out --- 信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比
Ls --- 接收系统的工作损耗
处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。
处理增益G也称扩频增益（Spreading Gain）
它定义为频谱扩展前的信息带宽DF与频带扩展后的信号带宽W之比：
G＝W／DF
在扩频通信系统中。接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽为DF 的信息，而排除掉宽频带W中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。因此，处理增益G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。
抗干扰容限
是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为：
Mj = G － [（S/N）out + Ls]
其中：
Mj --- 抗干扰容
G --- 处理增益
（S／N）out --- 信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比
Ls --- 接收系统的工作损耗
更多精彩内容，请登入维库电子通（wiki.dzsc.com）