1扩频技术的发展

1.扩频技术的发展

在各种通信技术中，扩频通信比常规通信具有更强的抗干扰、抗截获能力，因此得到了越来越广泛的应用。目前，采用扩频技术的CDMA蜂窝通信系统、CDMA无限用户环等都已

经进入了实用化阶段。直接序列扩频（Direct SequenceSpreadSpectrum，即DSSS）[1-4]通信是扩频通信的一种主要方式。直接序列扩频通信功率谱低，频带宽，伪噪声编码保密能力强，信号的相关处理性能好，因此具有抗干扰能力强、抗多径干扰能力强、抗截获能力强、可以同频工作及便于实现多址通信等一系列的优点，在军事通信中应用广泛。但是这些特点也给扩频通信的检测和识别带来新的挑战。因此对直接扩频信号的存在性进行判定、检测，对直接扩频信号进行参数估计，成为当前通信对抗领域的一个重大课题。扩频技术到目前为止，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统，而跳频系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而言，跳频系统主要在军事通信中对抗故意干扰，在卫星通信中也用于保密通信，而直扩系统则主要是一种民用技术。对跳频系统的分析，现在仍集中在其对抗各种干扰的性能方面，如对抗部分边带干扰以及多频干扰等。而直扩系统在移动通信系统中的应用则成为扩频技术的主流。码捕获同步的实现是直扩系统中一个关键问题。只有在接收机将本地产生的伪码和接收信号中调制信息的伪码实现同步以后，才有可能实现直序扩频通信的各种优点。同步过程分为两步来实现：首先是捕获阶段，实现对接收信号中伪码的粗跟踪；然后是跟踪阶段，实现对伪码的精确跟踪。

2 扩频通信的理论基础[1]

扩展频谱通信(Spread SpectrumCommuncation,简称扩频通信),是基于信息论和抗干扰理论的信息传输方式,它与光纤通信、卫星通信一同被誉为信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信的可行性,可由信息论中的相关公式中引申而来的。信息论中关于信息容量的香农(Shannon)公式为:

式中,C为信道容量;B为信号频带宽度;S为信号功率;N为白噪声功率。由Shan-non公式可以看出:要增加系统的信息传输速率,则要求增加信道容量。信道容量C为常数时,带宽B与信噪比S／N可以互换,即可以通过增加带宽B来降低系统对信噪比S／N的要求;也可以通过增加信号功率,降低信号的带宽,这就为那些要求小的信号带宽的系统或对信号功率要求严格的系统找到了一个减小带宽或降低功率的有效途径。当B增加到一定程度后,信道容量C不可能无限地增加。

3 扩频技术的几种基本工作方式

随着通信技术的发展,扩频通信的方式也在不断更新,按照扩展频谱的方式不同,可以将其归结为直接序列扩频(DS)、跳频(FH)、跳时(TH)、脉冲调频(chirp调制)及混合扩频等。

3.1直接序列扩频

直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）通信系统是以直接扩频方式构成的扩频通信系统，通常简称为（DS）系统，是最典型的扩频通信系统。直接扩频系统的发射机结构和接收机结构分别如下图所示

从发射机和接收机的原理框图可以看出，作为输入的数据信息A，经过信息调制变成了宽度为B1的调频或调相的信号，再由伪随机扩频序列调制成带宽为B2的带宽信号发射。接收机接收到发射信号后，首先通过捕捉发送来的伪随机扩频序列的准确相位，由此产生与发送来的伪随机扩频序列相位完全一致并用于接收用的PN码，作为解扩本地信号，以便恢复为窄带信号，以便估计发送来的信息数据A，如此，便完成了接收。

直接序列扩频通信的优点是：

(1)编码信号容易产生；

(2)只有一个载波频率，频率合成器（载波发生器）简单；

(3)接收机可采用相干解调；

(4)用户间无须同步。

直接序列扩频通信的缺点：

(1)获取和保持本地生成编码与接收信号的同步困难；

(2)消除基站与用户距离间的远近效应困难。

3.2跳频扩频

用信源产生的信息流去调制频率合成器产生的载频,得到射频信号。频率合成器产生的载频受伪随机码的控制,按一定规律跳变。频率跳变系统的发射机在一个预定的频率集中由码序列控制频率合成器使发射频率随机地由一个跳到另一个。接收机中的频率合成器也按相同的顺序跳变,产生一个和发射频率只差一个中频的本振频率,经混频后得到一个频率固定的中频信号。这一中频信号经放大后送到解调器取出传送的信息。

3.3跳时扩频

跳时系统是用伪随机码去控制信号发送时刻及发送时间的长短。它和跳频的差别在于一个控制的是频率,而另一个控制的是时间。在时间跳变中,将一个信号分为若干个时隙,由伪随机码控制在哪个时隙发送信码。[3]时隙选择、持续时间的长短也是由伪随机码控制的。

3.4脉冲调频

脉冲调频又称为Chirp系统,其发射脉冲信号的载频在信息脉冲持续时间T内作线性变化,其瞬时频率随时间线性变化线性调频信号的频率在信息脉冲持续时间T内随时间线性变化,由此可得其瞬时频率与时间的关系为,式中为载波频率,为一常数。

3.5混合扩频系统

(1)FH/DS系统

跳频和直扩系统都具有很强的抗干扰能力是用得最多的两种扩频技术。由前面的分析可知,这两种方式都有自己的独到之处,但也存在着各自的不足,将两者有机地结合起来,可以大大改善系统性能,提高抗干扰能力。FH/DS和FH、DS一样,是用得最多的扩频方式之一。干扰机要有效地干扰FH／DS混合扩频系统,需要同时满足两个条件:a.干扰频率要跟上跳变频率的变化;b.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,从而达到更有效地抗干扰的目的。

(2)TH／DS系统

这种系统是时分复用加上直接序列扩频,可以增加多址通信的地址数。由于直扩系统中收发两端之间已有准确的时间同步(码元同步),即已经有很好的定时,足以保证时分复用正常工作,这就为增加跳时技术带来了方便。

(3)TH/FH系统

这种系统是解决“远-近”问题的几种富有生命力的方法之一。对于在同一条射频链路上距离和发射功率有很大变化的双工、无线电话交换网,如果以随机选呼离散地址作为基本的通信方式,则比较适合采用TH/FH系统。

4各种扩频方式的比较

4.1特性分析

下面就直扩、跳频和跳时的特性进行