扩频技术

电气化13 届《电力系统通信技术》
课程论文
浅谈扩频通信及应用
学生姓名段美锋
学号 8021209140
所属学院机械电气化工程学院
专业农业电气化与自动化
班级电气化13-1
日期 2011.11
塔里木大学教务处制
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浅谈扩频通信及应用
摘要：
扩展频谱通信是一种将信息的带宽扩展很多倍进行通信的技术，近年来在现代科技的许多领域中，得到了非常广泛的应用，通过介绍扩频通信基本理论基础、工作原理和特点，分析扩频通信的几种分类以及在军事通信、移动通信（CDMA ）、卫星通信、测距定位中的应用，来阐述扩频通信技术在通信中起到重要作用。

关键词： 扩频；通信技术；特点；应用；CDMA 系统
0 引言
传统的模拟无线通信一般采用调频（FM ）和调幅（AM ）两种方式，不能适应
高速数据通信的要求。

进入八十年代后，数字无线数据通信方式成为主流，其调制方式有振幅键控（ASK ）、移频键控（FSK ）和相移键控（PSK ），其优势是便于采用先进的数字信号处理技术，如均衡技术、编码技术等等，提高了数据传输速率和传输的可靠性。

实际的系统如GSM 、IS-54等。

但是这些系统也存在一些缺陷。

一方面，由于无线通信信道的开放性，通信环境不可避免地存在各种各样的突发干扰，使得信号传输的可靠性降低，同时，信道的时域和频域选择性衰落，使得数据传输速率的提高受到限制；另一方面，随着无线业务的快速增长，要求无线网络具备相当的灵活性，以适应业务的发展变化。

这些都是常规的无线数字通信难以解决的。

扩频通信在这一形势下应运而生。

扩频通信是指用来传输信息的射频带宽远
大于信息本身带宽的一种通信方式，扩频通信系统的出现，被誉为是通信技术的 一次重大突破。

1 扩频通信的理论基础和工作原理
信息论的创始人美国科学家香农
（Shannon ）在其信息论专著中有信道容量
的公式，即香农公式： 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
频谱宽度与功率谱密度示意图
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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。

在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。

展宽后的信号再调制到射频发送出去。

在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。

再经信息解调、恢复成原始信息输出。

由此可见，—般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。

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，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。

与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。

2 扩频通信的主要特点
由于扩频通信能大大扩展信号的频谱，发送端用扩频码序列进行扩频调制，以及在接收端用相关解调技术，使其具有许多窄带通信难以替代的优良性能，能在民用后，迅速推广到各种公用和专用通信网络之中，主要有以下几项特点：
（
1）易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率 。

（2）抗干扰性强，误码率低。

（3）隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小。

（4）可以实现码分多址，扩频通信提高了抗干扰性能，但付出了占用频带宽的代价。

（5）抗多径干扰。

（6）能精确地定时和测距。

扩频通信原理图
（7）适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务。

（8）安装简便，易于维护。

3 扩频通信的分类
（1）直接序列扩频（DS）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。

这种方式运用最为普遍，成为行业领域研究的热点。

（2）跳频扩频（TH）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。

频率跳变系统有称为"多频、码选、频移键控"系统，主要由码产生器和频率合成器两部分组成。

（3）跳时扩频（FS）与跳频相似，跳时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。

跳时扩频系统主要通过扩频码控制发射机的通断，可以减少时分复用系统之间的干扰。

（4）宽带线性调频，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领带内变化，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，但在通信中也有应用。

（5）混合方式
上述前三种基本扩频系统各有优缺点，单独使用一种系统有时难以满足要求，将以上集中扩频方法结合就构成了混合扩频系统，常见的有FH/DS、TH/DS、FH/TH等。

4 扩频通信的应用领域
扩频通信技术的发展是从测距开始的，20世纪80年代以来广泛应用于军事中，近年来在现代科技的许多领域中，得到了非常广泛的应用，并且应用范围不断扩大。

1)军事通信中的应用
在军事通信中，扩频通信是通信反对抗最重要的技术手段，它广泛应用于各种通信、信息系统，武器系统和C3I（通信、控制、指挥及情报）系统。

在地面、海、空战术通信中，通常采用扩频技术来提高通信电台的抗干扰能力，提高抗干扰性能和数字化将是战术电台发展的主流。

在海湾战争中，以美国为首的联军使用了采用扩频技术的全球定位系统（GPS）、联合战术信息分发系统（JTIDS）、定位报告系统（PLRS）以及大量的单信道地面与机载系统（SINCGARS）等系统。

实
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4
践应用充分证明了扩频技术在军事通信系统中的重要性。

2) 移动通信中的应用
在民用通信中，新一代数字蜂房移动通
信系统已广泛采用
扩频技术，其目
的是提高频谱利用率及减少共信道干扰的影响。

利用扩频技术的码分多址系统，对
每个移动台都分配一个特有的、随机的码序列，且彼此都不相关，以此来区分各个移动台的信号，因此，在一个信道中能容纳更多的用户，其频谱利用率是频分多址通信系统的20倍左右，每一小区容纳的用户数可达
2500个。

此外，在移动通信中多径效应产生的衰落较为严重，而采用扩
展频谱技术可以有效地克服多径
效应对移动通信
的影响。

例如CDMA 移动通信系统以其大容量、软容量、软切换、高音质低发射功率、语音激活、保密性好的特点，被许多专业公司列为最有应用前途的一种多址方式，世界各国都在着手研究这一系统。

CDMA 系统是以扩频通信为基础的调制和多址技术。

正因为扩频通信的发展与码分多址技术结合，可在可在系统中使用多种先进的信号处理技术，为系统带来许多优点。

3) 卫星通信中的应用
在军事卫星通信中直接序列扩频技术和跳频技术已经得到了广泛应用。

由于扩频码分多址系统组网灵活，以及当网内同时工作的用户数增多并超过设计的载荷时，具有承受过载的能力，所以在民用卫星通信中也得到了应用。

民用卫星通信采用扩频码分多址技术和伪随机序列直接扩展频谱的方法，对信号进行能量扩散，以减少卫星系统的干扰。

4) 测距定位中的应用
GPS （全球卫星定位系统）是多星共用两个载波频率发送导航定位信号的系统，需要采用扩频码分多址方式来区分各个卫星的地址。

每颗卫星分配有一个伪随机序列码型，伪随机序列的码片宽度越窄，测距精度就越高。

同时，采用直接序列扩频使得测距抗干扰能力大为增强。

又由于它采用无源定位方式，即在定位
载波
CDMA 扩频通信系统
过程中不需要用户终端发出应答信号，所以该系统可容纳的用户数目没有限制，这正像一个广播电台对收听节目的用户收音机数目没有限制一样。

中国军事和民用部门已广泛使用GPS接收设备，利用GPS定位系统进行定位工作。

5 结束语
21世纪将是扩频通信的时代，无论在军用或民用方面，扩频通信都将大有用武之地，技术将进一步成熟，应用将更为广泛。

在未来的军事通信中，扩频通信将在电子对抗（ECM）与反对抗（ECCM）中扮演重要角色。

在民用通信的应用与发展领域，主要有数字蜂房移动通信、个人通信网（PCN）、烟火匪情等报警及公安隐蔽通信、体育竞赛与证券交易通信、数字立体声广播与业余无线电通信等。

VLSI芯片及低功率发射技术，可以使扩频设备做到体积小、重量轻、价格低，它将成为未来城市无线通信的基本手段。

扩频通信受到的限制主要来自技术方面。

对直接序列扩频的限制在于用很高的PN码率进行扩频调制，采用CMOS使最大的时片率可达70Mchips／s，而采用砷化镓FET器件，则可高达2Gchips／s。

对跳频（FH）的限制在于频率合成器的高速转换而又无杂波产生，现在数字控制振荡器可以产生这样的信号，在20MHz带宽内跳频速率高达1M跳／秒。

此外，重叠在同一频带上的用户数对扩频通信也是一个限制，重叠越多，信噪比越低，差错概率增加，这就需要通过分配频带或制定法规来提高频带的利用率。

毋庸置疑，扩展频谱通信技术将在克服这些限制的过程中不断成熟、向前发展，为人类社会做出更大的贡献。

参考文献：
[1] 刘焕淋，代少升主编.扩展频谱通信教材，北京邮电大学出版社，2008年.
[2] 张淑娥，孔英会高强编著.电力通信系统通信技术, 中国电力出版社，2009年.
[3] /view/747964.htm
[4] /view/61191.htm
[5] 赵莉作者.浅谈扩频通信技术的特点及其应用，硅谷，2009年第五期.
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