扩频通信期末

几种扩频系统的比较

摘要

扩频通信技术以其所表现出的抗干扰性能、传输保密性和选址随意性等显著优势，被普遍应用于移动通信、卫星通信以及个人通信等多个领域。本文主要介绍直接序列（DS）扩频系统（SS）、跳频、线性调频扩频系统、混合扩频系统的工作原理及应用，并对各个系统的优缺点进行了比较，最后给出了扩频系统未来的发展趋势。

关键词：扩频直序列跳频线性调频混合扩频

1引言

扩频通信就是将要传送的信息数据用伪随机码进行调制，实现频谱扩展后再进行传输。接收端采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复出原始数据信息。扩频通信具有抗干扰能力强、抗截获、抗多径和多址能力强、保密性好及测距精度高等特点。因此在无线局域网、皮网、2G和3G移动通信、全球卫星定位、军用通信、航天通信等众多领域都有所发展。

扩频技术是当今信息社会最为先进的无线通信技术之一，它的历史可以追溯到20世纪50年代中期，因为其具有良好的性能而迅速发展起来。在早期研究这种技术的主要目的是为提高军事通信的保密和抗干扰的性能，因此这种技术的开发和应用一直是处于保密状态。扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，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。面对全世界范围内对移动通信日益增加的要求，CDMA将是无线通信中最主要的多址介入手段。在本世纪，扩频技术将得到更加广泛的应用。军事通信抗干扰的驱动以及个人通信业务的驱动使得扩频技术的抗干扰性能和码分多址能力得到最大限度的挖掘。第四代移动通信系统(4G)的驱动无疑会使扩频技术传输高速数据的能力得到更大的拓展。

2扩频通信简介

2.1 扩频通信的含义

扩频通信技术是一种信息传输方式，在发送端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远远大于所传信息所需的带宽；在接收端采用相同的扩频码进行相关解调来解扩以恢复所传信息数据。这一定义包括三个方面的含义：信号的频谱被展宽；采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱；在接收端用相关解调来解扩。

2.2扩频通信的理论基础

香农公式是其理论基础：

C=B lb(1+S/N)

式中，C为信道容量，意指单位时间内信道中无差错传输的最大信息量，其单位是b/s；B为信号频带宽度，单位为Hz；S为信号功率，单位为W；N为噪声功率，单位为W；S/N为输入功率与噪声功率之比，简称信噪比。

香农公式的原意是说，在给定信号功率S和噪声功率N的情况下，只要采用某种编码系统，就能以任意小的差错概率，以接近于C的信息传输速率来传送信息。这个公式还表示在保持信息传输速率不变的条件下，可以用不同频带宽度B 和信噪比来传输信息。这说明，采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱的方法可以换取信噪比上的好处。

2.3扩频通信的发展历程

扩频通信技术最初是在军事抗干扰通信中发展起来的[3],后来又在移动通信中得到广泛的应用[4]。

1.在军事通信中的应用

扩频通信系统是在50年代中期产生的,其最初的应用包括军事抗干扰通信、导航系统、抗多径实验系统以及其它方面[5]。它的最初构想是在第二次世界大战期间形成的，跳频通信的思路也是在这段时期出现的，但是真正实用的扩频通信系统是在50年代中期发展起来的。麻省理工学院林肯实验室开发的扩频通信系统F9C-A/Rake系统是第一个成功的扩频通信系统,该系统也是第一个真正实用的宽带通信系统。自从扩频通信的概念在50年代开始成熟以后,此后的二十多

年扩频通信技术仍得到很大的发展,但都只是局部的发展,如硬件的改进和应用领域的拓展。而个人通信业务(PCS)的发展终于使扩频技术迎来了另一次大发展的机遇。

2.在民用通信中的应用

80年代初期，扩频技开始用于民用通信，美国联邦通信委员会(FCC)于1985年5月发布了一份关于将扩频技术应用到民用通信的报告[6]。从此,扩频通信技术获得了更加广阔的应用空间。90年代初,在第一代模拟蜂窝通信系统的基础上,出现了PCS研究的热潮。要实现PCS并考虑其长期发展,需要FCC为其分配100～200 MHz的带宽,而与频谱分配相关的一个重要技术因素就是多址技术。当时采用的方法就是让PCS与其它用户共享一段频谱[7]，这样扩频技术为共享频谱提供了可能。为了实现与传统用户共享频谱，PCS首选的技术是CDMA。随着PCS 以及蜂窝移动通信的发展,CDMA技术已经成为不可或缺的关键技术。扩频通信技术也在民用通信中找到更为广阔的应用空间,而关于CDMA技术的研究热潮也一直延续到现在。

3扩频系统的几种工作方式

扩频系统包括下面几种扩频方式：直接序列扩频、跳频、跳时、线性跳频、混合扩频系统（频率跳变-直接序列混合系统、时间跳变-频率跳变混合系统、时间跳变-直接序列混合系统）

3.1直接序列扩频

直扩系统的组成原理框图如图1所示。由信源输出的信号a(t)是码元持续时间Ta的信息流，伪随机码产生器产生的伪随机码为c(t)，每一伪随机码码元宽度为Tc，将信码a(t)与伪随机码c(t)进行模2加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样就得到已扩频调制的射频信号。

在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频后，用与发端同步的伪随机序列对中频的扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息序列a(t)的频带，即为中频调制信号；然后再进行解调，恢复出所传输的信号a(t)，从而完成信息传输。对于干扰信号和噪声而言，由于与伪随机序列不相关，在相关解调

器的作用下，相当于进行了一次扩频。干扰信号和噪声频带被扩展后，其谱密度降低，这样就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪比和信干比提高，从而提高了系统的抗干扰能力。

直扩系统组成原理框图1所示：

图1直扩系统组成原理框图

（a）发射（b）接受

3.2调频

跳频系统的组成如图2所示。用信源产生的信息流a(t)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控制，按一定规律跳变。在接收端，接收到的信号与干扰经高放滤波器后送至混频器。接收机的本振信号也是一种频率跳变信号，发端的本振和收端的本振的跳变规律相同。两个合成器产生的频率相对应，但对应的频率有一频差为f I，正好为接收机的中频。只要收发双方的伪随机码同步，就可以得到一不变的中频信号，再对中频信号进行解调，就可以恢复出发送的信息。

图2 跳频系统的组成原理框图

3.3线性调频

线性调频信号的产生方法, 可由一个锯齿波信号控制压控振荡器(VCO)来实