扩频通信技术在通信中的应用

扩频通信技术在通信中的应用
邵芳
（中国人民解放军西安通信学院 710106）
摘要：扩频通信技术是扩展频谱通信（Spread Spectrum Communication）的简称，它是指用来传输信息的射频信号带宽远远大于信息本身带宽的一种通信方式。

扩频通信系统的出现，是通信技术的一次重大突破。

扩频通信的基本思想和理论依据是美国著名的信息理论学家 Shannon 在信息论的研究中得出了信道容量的公式：C= W log2(1+P/N)。

这个公式指出：如果信息传输速率C不变，则带宽W和信噪比P/N是可以互换的，就是说增加带宽就可以在较低的信噪比的情况下以相同的信息传输率来可靠的传输信息，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，仍然能够保持可靠的通信，也就是可以用扩频方法以宽带传输信息来换取信噪比上的好处。

关键字：扩频通信；无线扩频技术；无线局域网；蓝牙技术
The application of spreading spectrum communication
technology in communication
Shao Fang
（The Chinese People’s Liberation Army Xi’an Communication College 710106）
Abstract：Spread-spectrum communication technology is called spread spectrum communications, which is used to transmit information that the RF signal bandwidth far greater than the information itself a bandwidth of communication。

The emergence of spread-spectrum communication systems is a major breakthrough in communication technology. Spread Spectrum Communication Theory and the basic idea is based on well-known American scientist Shannon Information Theory in the study of information theory that the channel capacity of the equation: C = W log2 (1 + P / N). if the information transfer rate C isn’t changed, bandwidth W and SNR P / N is interchangeable, meaning the bandwidth can be increased at a lower SNR circumstances to the same information transmission rate to reliable transmission of information, as long as the corresponding increase in signal bandwidth, it was able to maintain reliable communication, which is spreading method can be used to transmit information in exchange for the broadband signal to noise ratio on the benefits.
Keyword：Spread spectrum communication; Wireless spread spectrum technology; Wireless Local Area Networks; Blue tooth technology
1 引言
扩频通信是当今国际上高新科技的热点之一。

几十年来，通信技术不断发展和演变，从有线到无线基本上是媒质和信道的变化，而突破性的进展并不多。

扩频通信系统的出现，是通信技术的一次重大突破。

通常的超短波（VHF/UHF）通信，10W电台能通20~30km远；而伪码扩频设备，10mW能通30~50km，也就是说扩频系统能
带来30dB以上的信噪比改善。

几十年来，人们为信噪比的改善付出了极大的努力，30分贝甚至50多分贝（GPS）的信噪比改善已成为现实，这确实是一次巨大的飞跃，只就这一点，已经可以说扩频通信是当代通信技术的重大突破，何况扩频通信带来的突破还远远不止这一点。

2 扩频通信技术的理论依据
扩频通信技术是扩展频谱通信（Spread Spectrum Communication ）的简称，它是指用来传输信息的射频信号带宽远远大于信息本身带宽的一种通信方式。

例如：一个二进制数据流的速率为64kb/s，其基带带宽只有64kHz，但用扩频技术传输时，它的带宽可以被扩展到4MHz、26MHz，甚至120MHz或更多。

它的基本特征是使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码把载有信息数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带的低功率频谱密度的信号来发射。

美国著名的信息理论学家Shannon在信息论的研究中得出了信道容量的公式：C= W log2(1 +P / N )。

这个公式指出：如果信息传输速率C不变，则带宽W和信噪比P/N是可以互换的，就是说增加带宽就可以在较低的信噪比的情况下以相同的信息传输率来可靠的传输信息，甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应地增加信号带宽，仍然能够保持可靠的通信，即用扩频方法以宽带传输信息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。

3 扩频通信系统概述
3.1 扩频通信系统的原理
扩谱通信系统是一种信息处理传输系统，在这个系统中对被传输信号扩展其频谱，使之占有超过被传送信息所必须的最小带宽，在接收机中利用发射码的副本对接收信号进行同步相关处理来恢复原始信息。

直接序列码分多址扩频通信基本原理是，用高速率的正交伪地址码调制基带信息，调制后的信息被扩展到很宽的频带上，功率谱密度极低，信号基本上淹没在噪声中，一般不相关的接收机是很难发现和解出其中的信息，这是由于不同结构伪码之间的互相关值极低缘故。

3.2 扩频通信的几种工作方式
按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为以下几种。

3.2.1 直接序列扩频工作方式，简称直扩（DS）方式
所谓直接序列（DS，Direct Sequency）扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。

而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。

3.2.2 跳变频率工作方式，简称跳频（FH）方式
所谓跳频，比较确切的意思是用一定码序列进行选择的多频率频移键控。

也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。

3.2.3 跳变时间工作方式，简称跳时（TH）方式
与跳频相似，跳时（TH，Time Hopping）是使发射信号在时间轴上跳变。

首先把时间轴分成许多时片，在一帧内哪个时片发射信号就由扩频码序列去进行控制。

可以把跳时理解为用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。

跳时也可以看成是一种时分系统，所不同的地方在于它不是在一帧中固定分配一定位置的时片，而是由扩
频码序列控制的按一定规律跳变位置的时片。

跳时系统的处理增益等于一帧中所分的时片数。

由于简单的跳时抗干扰性不强，因此，它通常与其他方式结合使用，组成各种混合方式。

3.2.4 宽带线性调频工作方式，简称Chirp方式
如果发射的射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化，则称为线性调频。

因为其频率在较宽的频带内变化，信号的频带也被展宽了。

这种扩频调制方式主要用在雷达中。

3.2.5 各种混合方式
在上述几种基本的扩频方式的基础上，可以组合起来，构成各种混合方式。

例如，DS／FH、DS／TH、DS ／FH／TH等等。

一般说来，采用混合方式看起来在技术上要复杂一些，实现起来也要困难一些。

但是，不同方式结合起来的优点是有时能得到只用其中一种方式得不到的特性。

因此，对于需要同时解决诸如抗干扰、多址组网、定时定位、抗多径和远近问题时，就不得不同时采用多种扩频方式。

4 无线扩频技术的典型应用
4.1 无线局域网
无线局域网（WLAN，Wireless Local Area Networks）是相当便利的数据传输系统，它是局域网技术和无线技术相结合的产物，采用的是微波扩频通信技术。

它不仅提供了传统LAN技术（如以太网和令牌网）的所有功能和好处，而且消除了线缆的限制，使传统的局域网扩大到了几十公里的超长距离，并且非常完美地解决了原局域网的移动和频繁布线问题。

无线局域网技术利用无线技术来实现点对点或点对多点之间的跨空间无线传输，然后，利用特殊设备来实现无线和有线网络之间的数据转换，从而将无线与有线网络很好地联系了起来并继承了两者的优势。

4.2 “蓝牙”传输技术
现代通信的新领域——“蓝牙”（短距离高速、互通式信息传输）传输技术，它是基于扩频通信体制的通信方式。

4.2.1 技术特点
蓝牙技术采用跳频技术，抗信号衰落；采用快跳频和短分组技术，减少同频干扰，保证传输的可靠性；采用前向纠错编码技术，减少远距离传输时的随机噪声影响；使用2.4GHz的ISM频段，无须申请许可证；采用FM 调制方式，降低设备的复杂性。

该技术的传输速率设计为1MHz，以时分方式进行全双工通信，其基带协议是电路交换和分组交换的组合。

一个跳频频率发送一个同步分组，每个分组占用一个时隙，也可扩展到5个时隙。

蓝牙技术支持1个异步数据通道或3个并发的同步话音通道，或1个同时传送异步数据和同步话音的通道。

每一个话音通道支持64kb/s的同步话音；异步通道支持最大速率为721kb/s、反向应答速率为57.6kb/s的非对称连接，或是432.6kb/s的对称连接。

4.2.2 协议
（1）建立连接
在微微网建立之前，所有设备都处于就绪状态。

在该状态下，未连接的设备每隔1.28s监听一次消息，设备一旦被唤醒，就在预先设定的32个跳频频率上监听信息。

跳频数目因地区而异，但32个跳频频率为绝大多数国家所采用。

连接进程由主设备初始化。

如果一个设备的地址已知，就采用页信息（Page message）建立连接；如
果地址未知，就采用紧随页信息的查询信息（Inquiry message）建立连接。

在微微网中，无数据传输的设备转入节能工作状态。

主设备可将从设备设置为保持方式，此时，只有内部定时器工作；从设备中也可以要求转入保持方式。

设备由保持方式转出后，可以立即恢复数据传输。

连接几个微微网或管理低功耗器件时，常使用保持方式。

监听方式和休眠方式是另外两种低功耗工作方式。

蓝牙基带技术支持两种连接方式：面向连接（SCO）方式，主要用于语音传输；无连接（ACL）方式，主要用于分组数据传输。

（2）差错控制
基带控制器采用3种检错纠错方式：1/3前向纠错编码（FEC）；2/3前向纠错编码；自动请求重传（ARQ）。

（3）认证与加密
认证与加密服务由物理层提供。

认证采用口令－应答方式，在连接过程中，可能需要一次或两次认证，或者无需认证。

认证对任何一个蓝牙系统都是重要的组成部分，它允许用户自行添加可信任的蓝牙设备。

例如：只有用户的笔记本电脑才可以通过用户自己的手机进行通信。

蓝牙安全机制的目的在于提供适当级别的保护，如果用户有更高级别的保密要求，可以使用有效的传输层和应用层安全机制。

（4）软件结构
蓝牙设备应具有互操作性。

对于某些设备，从无线电兼容模块和空中接口，直到应用层协议和对象交换格式，都要实现互操作性；对另外一些设备（如头戴式设备等）的要求则宽松得多。

蓝牙计划的目标就是要确保任何带有蓝牙标记的设备都能进行互换性操作。

软件的互操作性始于链路级协议的多路传输、设备和服务的发现，以及分组的分段和重组。

蓝牙设备必须能够彼此识别，并通过安装合适的软件识别出彼此支持的高层功能。

互操作性要求采用相同的应用层协议栈。

不同类型的蓝牙设备对兼容性有不同的要求，用户不能奢望头戴式设备内含有地址簿。

蓝牙的兼容性是指它具有无线电兼容性，有语音收发能力及发现其他蓝牙设备的能力，更多的功能则要由手机、手持设备及笔记本电脑来完成。

为实现这些功能，蓝牙软件构架将利用现有的规范，如OBEX、HID（人性化接口设备）及TCP/IP等，设备的兼容性要求能够适应蓝牙规范和现有的协议。

4.2.3 优点和缺点
一方面，蓝牙传输是通过RF（2.4GHZ）载波进行的，因此它具有电磁波的基本特征，有较大的功率，可以增加传送距离，而且没有角度及方向性限制，具有穿墙性，可在物体之间反射、镜设、绕射。

蓝牙主要用于短距离传输（最多10米）数据和语音（1Mbps），功耗非常低能，同时能连接许多元件，传输速度快。

另一方面，蓝牙成本很高；RF技术容易受频率干扰；穿墙特点对资料安全性的保护设定问题；蓝牙起步比较晚，目前，还没有一个明确和统一的标准，相容性问题尚未解决。

5 结束语
文章提出了扩频通信技术应用在通信技术中的思想，根据扩频通信技术的基本理论，无线扩频技术广泛应用于通信领域，比如：无线局域网、“蓝牙”传输技术。

扩频通信技术并不是十全十美的，不但有它的优点和特性，而且也存在它的局限性。

我们要结合不同的技术来架构通信网络，发挥它们的优势，摒弃它们的局限性。

同时我们还要密切注意当今技术的发展形势，不断地将新技术（如DWDM、LMDS、3G等）吸收、应用到我们的网络来，为用户提供更优良的服务，为企业创造更大的经济利润。

参考文献
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