扩频通信课程总结

《扩频通信技术及应用》

课程总结

院 系： 计算机科学与技术学院 专 业： 通信工程 年级班级： 0804 学 号： 310809020426 姓 名： 张程毅

一、 引言

长期以来，扩频通信主要用于军事保密通信和电子对抗系统，随着世界范围政治格局的变化和冷战的结束，该项技术才逐步转向\"商业化\"。数年前扩频通信在我国通信领域仍鲜为人知，有关资料介绍也比较少，一九九三年开始, 吉隆公司即致力于向我国引进扩频产品, 已经在电力、金融、、交通等行业收到了明显的社会、经济效益，引起国内通信界人士的广泛注意。

二、 扩频通信的简介

我们知道，传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。例如语音信息的带宽大约为20Hz~20000Hz、普通电视图像信息带宽大约为6MHz。为了充分利用频率资源，通常都是尽量压缩传输带宽。如电话是基带传输，人们通常把带宽在3400Hz左右。如使用调幅信号传输，因为调制过程中将产生上下两个边带，信号带宽需要达到信息带宽的两倍，而在实际传输中，人们采用压缩限幅技术，把广播语音的带宽在大约为2×4500Hz=9KHz左右；采用边带压缩技术，把普通电视信号包括语音信号一起在1.2×6.5MHz=8MHz左右。即使在普通的调频通信上，人们最大也只把信号带宽放宽到信息带宽的十几倍左右，这些都是采用了窄带通信技术。扩频通信属于宽带通信技术，通常的扩频信号带宽与信息带宽之比将高达几百甚至几千倍。至于为什么要浪费资源这样做呢，主要目的就是用来保证信息安全和抗干扰用！

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: 1. 是一种数字传输方式；

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；

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。 4.抗干扰能力强。这是扩频通信的基本特点，是所有通信方式无法比拟的。 5.宽带传输，抗衰落能力强。

6.由于采用宽带传输，在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得多，因此信号好像隐蔽在噪声中；即功率话密度比较低，有利于信号隐蔽。 7.利用扩频码的相关性来获取用户的信息，抗截获的能力强。

三、 扩频通信的理论基础

根据仙农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出的信道容量公式，即仙农公式：

C = W×Log2(1+S/N)

式中：C--信息的传输速率 S--有用信号功率 W--频带宽度 N--噪声功率 由式中可以看出：

为了提高信息的传输速率C，可以从两种途径实现，既加大带宽W或提高信

噪比S/N。换句话说，当信号的传输速率C一定时，信号带宽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，当带宽增加到一定程度，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来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。

四、 频谱的扩展的实现和直接序列扩频

频谱的扩展是用数字化方式实现的。在一个二进制码位的时段内用一组新的多位长的码型予以置换，新码型的码速率远远高出原码的码速率，由傅立叶分析可知新码型的带宽远远高出原码的带宽，从而将信号的带宽进行了扩展。这些新的码型也叫伪随机（PN）码，码位越长系统性能越高。通常，商用扩频系统PN码码长应不低于12位，一般取32位，军用系统可达千位。 目前常见的码型有以下三种：

l M序列，即最长线性伪随机系列； l GOLD序列；

l WALSH函数正交码。

当选取上述任意一个序列后，如M序列，将其中可用的编码，即正交码，两两组合，并划分为若干组，各组分别代表不同用户，组内两个码型分别表示原始信息\"1\"和\"0\"。系统对原始信息进行编码、传送，接收端利用相关处理器对接收信号与本地码型相关进行相关运算，解出基带信号( 即原始信息)实现解扩，从而区分出不同用户的不同信息。微波无线扩频通信的原理见图1：

图1：扩频通信原理

由图可见，一般的无线扩频通信系统都要进行三次调制。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。接收端有相应的射频解调，扩频解调和信息解调。根据扩展频谱的方式不同，扩频通信系统可分为：直接序列扩频（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）、线性调频以及以上几种方法的组合。

图2：信息的频谱扩展过程

所谓直接序列扩频（DS-Direct Scquency），就是用高码率的扩频码序列在发端直接去扩展信号的频谱，在收端直接使用相同的扩频码序列对扩展的信号频谱进行解调，还原出原始的信息。直接序列扩频的频谱扩展和解扩过程见图2和图3所示：

图3：扩频信号的解扩过程

在图上我们可以看出：

i. 在发端，信息码经码率较高的PN码调制以后，频谱被扩展了。在收端，扩

频信号经同样的PN码解调以后，信息码被恢复；

ii. 信息码经调制、扩频传输、解调然后恢复的过程，类似与PN码进行了二次\"

模二相加\"的过程。

在以下的图4中我们还可以用能量面积图示概念看出：

iii. 待传信息的频谱被扩展了以后，能量被均匀地分布在较宽的频带上，功

率谱密度下降

iv. 扩频信号解扩以后，宽带信号恢复成窄带信息，功率谱密度上升；

v. 相对与信息信号，脉冲干扰只经过了一次被模二相加的调制过程，频谱被扩

展，功率谱密度下降，从而使有用信息在噪声干扰中被提取出来.

五、 扩频通信的作用

扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了应用。近年来，扩展频谱通信技术的理论和应用发展非常迅速，在民用通信系统中也得到了广泛的应用。

扩频通信是扩展频谱通信的简称。我们知道，频谱是电信号的频域描述。承载各种信息（如语音、图象、数据等）的信号一般都是以时域来表示的，即信息信号可表示为一个时间的函数f(t)。信号的时域表示式f(t)可以用傅立叶变换得到其频域表示式F(f)。频域和时域的关系由式(1-1)确定：

F(f)f(t)ej2πftdt

f(t)F(f)ej2πftdf (1-1)

函数f(t)的傅立叶变换存在的充分条件是f(t)满足狄里赫莱(Dirichlet)条件，或在区间(-∞，+∞)内绝对可积，即f(t)dt必须为有限值。

扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息信号f(t)无关）扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而到达传输信息目的的通信系统。也就是说在传输同样信息信号时所需要的射频带宽，远远超过被传输信息信号所必需的最小的带宽。扩展频谱后射频信号的带宽至少是信息信号带宽的几百倍、几千倍甚至几万倍。信息已不再是决定射频信号带宽的一个重要因素，射频信号的带宽主要由扩频函数来决定。

由此可见，扩频通信系统有以下两个特点：

(1) 传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽；

(2) 传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常是伪随机（伪噪声）编码信号。

以上两个特点有时也称为判断扩频通信系统的准则。

扩频通信系统最大的特点是其具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的能力。这里我们先定性地说明一下扩频通信系统具有抗干扰能力的理论依

据。

扩频通信的基本理论根据是信息理论中香农(C·E·Shannon)的信道容量公式

SCBlog21

N (1-2)

式中： C——信道容量，b/s；

B——信道带宽，Hz； S——信号功率，W； N——噪声功率，W。

香农公式表明了一个信道无差错地传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。

令C是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，对(1-2)式进行变换

CS1.44ln1 BN (1-3)

对于干扰环境中的典型情况，当高次项得

S1时，用幂级数展开(1-3)式，并略去NCS1.44 BN (1-4)

或

N (1-5) S由式(1-4)和(1-5)可看出，对于任意给定的噪声信号功率比N/S，只要增加用于传输信息的带宽B，就可以增加在信道中无差错地传输信息的速率C。或者说在信道中当传输系统的信号噪声功率比S/N下降时，可以用增加系统传输带宽B的办法来保持信道容量C不变。或者说对于任意给定的信号噪声功率比S/N，可以用增大系统的传输带宽来获得较低的信息差错率。

若N/S100(20dB)，C3kb/s，则当B0.71003210kHz时，就可以正常的传送信息，进行可靠的通信了。

这就说明了增加信道带宽B，可以在低的信噪比的情况下，信道仍可在相同的容量下传送信息。甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号带宽也能保持可靠的通信。如系统工作在干扰噪声比信号大100倍的信道上，信息速率R＝C＝3kb/s，则信息必须在B210kHz带宽下传输，才能保证可靠的通信。

扩频通信系统正是利用这一原理，用高速率的扩频码来扩展待传输信息信号带宽的手段，来达到提高系统抗干扰能力的目的。扩频通信系统的带宽比常规通信系统的带宽大几百倍乃至几万倍，所以在相同信息传输速率和相同信号功率的条件下，具有较强的抗干扰的能力。

香农在其文章中指出，在高斯噪声的干扰情况下，在受限平均功率的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。这是因为高斯白噪声信号具有理想的自相关特性，其功率谱密度函数为

B0.7CS(f)N0 -∞< f <∞ (1-6) 2对应的自相关函数为

R(τ)S(f)ej2πfτdfN0δ(τ) (1-7) 2其中：为时延，()定义为

τ0 (1-8) δ(τ)0τ0白噪声的自相关函数具有()函数的特点，说明它具有尖锐的自相关特性。但是对于白噪声信号的产生、加工和复制，迄今为止仍存在着许多技术问题和困

难。然而人们已经找到了一些易于产生又便于加工和控制的伪噪声码序列，它们的统计特性近似于或逼近于高斯白噪声的统计特性。

伪噪声序列的理论在本书以后的章节中要专门讲述，这里仅简略引用其统计特性，借以说明扩频通信系统的实质。

通常伪噪声序列是一周期序列。假设某种伪噪声序列的周期(长度)为N，且码元ci都是二元域1,1上的元素。一个周期（或称长度）为N，码元为ci的伪噪声二元序列ci的归一化自相关函是一周期为N的周期函数，可以表示为

R()Rc()k(kN) (1-9)

其中Rc()为伪噪声二元序列ci一个周期内的表示式

1Rc(τ)Ncci1Nii11Nτ0τ0 (1-10)

式中0，1，2，3，…N。当伪噪声序列周期(长度)N取足够长或N→∞时，式

(1-10)可简化为

τ011 (1-11) Rc(τ)0τ0N比较式(1-7)和式(1-11)，看出它们比较接近，当序列周期(长度)足够长时，式(1-11)就逼近式(1-7)。（式(1-10)是自相关函数归一化的形式，乘周期N后就是一般表达式，在一般表达式中R(0)N）。所以伪噪声序列具有和白噪声相类似的统计特性，也就是说它很接近于高斯信道要求的最佳信号形式。因此用伪噪声码扩展待传输信息信号频谱的扩频通信系统，优于常规通信系统。

哈尔凯维奇(А·А·Харкевич)早在上世纪50年代，就已从理论上证明：要

克服多径衰落干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式应该是具有白噪声统计特性的信号形式。采用伪噪声码的扩频函数很接近白噪声的统计特性，因而扩频通信系统又具有抗多径干扰的能力。

六、 关于码分多址与频分多址

码分多址（ＣＤＭＡ，Code－DivisionMultiple Access）通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个ＣＤＭＡ信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个ＣＤＭＡ信号中选出其中使用预定码型的信号。其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声和干扰，通常称之为多址干扰。

在ＣＤＭＡ蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输是由基站进行转发和控制的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分双工。无论正向传输或反向传输，除去传输业务信息外，还必须传送相应的控制信息。为了传送不同的信息，需要设置相应的信道。但是，ＣＤＭＡ通信系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。 类似的信道属于逻辑信道，这些逻辑信道无论从频域或者时域来看都是相互重叠的，或者说它们均占用相同的频段和时间

频分多址FDMA有许多不同的技术可以用来实现信道共享。把信道频带分割为若干更窄的互不相交的频带（称为子频带），把每个子频带分给一个用户专用（称为地址）。这种技术被称为“频分多址”技术。

频分复用（FDM）是指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号的一种技术。FDM 用于模拟传输过程。信道传输速率为 30kHz。所有信道都可以作为单信号被扩大、控制，并转换为频带传送至目的地，该技术主要优点在于经济实用。接收终端的接收者隔离复用信号取决于接收频带传送还是拒绝过滤操作，并进行适合于特定波段或波段组调制方式的解调检波过程。WDM 和 FDM（频分复用）基本上都基于相同原理，所不同的是， WDM 应用于光纤信道上的数字化光波传输过程，而 FDM 应用于模拟传输，诸如双绞线话路传输、电缆接入、峰窝、无线电以及 TV 通信等。一直以来 TDMA 和 CDMA 都是结合 FDMA 共同作用，也就是说，特定频带可以用于其它频带的 TDMA 或 CDMA 信号。 频分复用技术下，多个用户可以共享一个物理通信信道，该过程即为频分多址复用（FDMA）。FDMA 模拟传输是效率最低的网络，这主要体现在

模拟信道每次只能供一个用户使用，使得带宽得不到充分利用。此外 FDMA 信道大于通常需要的特定数字压缩信道，且对于通信沉默过程 FDMA 信道也是浪费的。模拟信号对噪声较为敏感，并且额外噪声不能被过滤出去。

七、 个人心得

通过对《扩频通信技术及应用》的学习以及通过媒介对扩频技术的了解，深刻体会到应用的驱动一直是扩频技术发展的强大动力，在军事抗干扰和个人通信业务中的应用是驱动扩频技术发展的两个里程碑，而在移动通信系统中的应用无疑又将成为扩频技术发展的又一转折点。扩频技术在发展的初始阶段，就已经实现了理论和技术上的重大突破；在此后的发展过程中主要是硬件的改善和性能的提高；发展到现在，则主要从系统的角度考虑总体性能，即各项指标之间的折中，这也体现了目前的研究更加精细和深入。扩频技术自身的理论和技术都已趋于完善，其再一次实现大发展的机遇存在于与其它新技术的结合之中。新技术的发展以及现有无线系统的集成是4G系统发展的两个方向，而扩频技术在这两方面都大有可为之处，因此只有在4G系统这个大背景下，才能更好地把握扩频技术的发展方向。