淺談擴(kuò)頻通信技術(shù)的特點(diǎn)及其應(yīng)用

趙　莉

[摘要]擴(kuò)展頻譜通信是一種將信息的帶寬擴(kuò)展很多倍進(jìn)行通信的技術(shù)，近年來(lái)在現(xiàn)代科技的許多領(lǐng)域中，得到了非常廣泛的應(yīng)用，著重?cái)⑹鰯U(kuò)頻技術(shù)的特點(diǎn)及其應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]擴(kuò)頻 通信技術(shù) 特點(diǎn) 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TN91文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0310022－01

擴(kuò)展頻譜通信（SpreadSpectrum Communications）簡(jiǎn)稱“擴(kuò)頻通信”，是一種信息傳輸方式，它是將信息的帶寬擴(kuò)展很多倍（通常為100～1000倍）進(jìn)行通信的技術(shù)。傳輸?shù)男盘?hào)帶寬遠(yuǎn)大于信息信號(hào)本身的帶寬。頻帶的展寬是通過(guò)編碼及調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)；在接收端則用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)的解調(diào)來(lái)解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。

一、擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)及實(shí)現(xiàn)方法

（一）擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)

信息論的創(chuàng)始人美國(guó)科學(xué)家仙農(nóng)（Shannon）在其信息論專著中有信道容量的公式：

Ｃ＝Wlog2（１＋Ｐ／Ｎ）

式中，C為信道容量，W為頻帶寬度，P為信號(hào)功率，N為白噪聲功率。在保持信息容量C不變的條件下，可以用不同頻帶寬度W和信噪功率比P／N來(lái)傳輸信息。如果增加頻帶寬度，就可以在較低的信噪比的情況下用相同的信息率保持可靠地通信。這就是擴(kuò)展頻譜通信的基本思想和理論依據(jù)。這一公式指明了采用擴(kuò)展頻譜信號(hào)進(jìn)行通信的優(yōu)越性，即提高了通信的抗干擾能力，在強(qiáng)干擾條件下保證可靠安全地通信。

（二）擴(kuò)頻通信的實(shí)現(xiàn)方法

擴(kuò)頻通信與一般的通信系統(tǒng)相比有很大差別，圖1為擴(kuò)頻通信的一般原理框圖。由方框圖可以看出，一般的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)都要進(jìn)行信息調(diào)制、擴(kuò)頻調(diào)制、射頻調(diào)制，以及相應(yīng)的信息解調(diào)、擴(kuò)頻解調(diào)和射頻解調(diào)，構(gòu)成上更加復(fù)雜，技術(shù)上也更為先進(jìn)。特別是采用了擴(kuò)頻碼序列的擴(kuò)頻調(diào)制與解調(diào)，不同的用戶分配有不同的碼型，這樣，在同一寬頻帶上許多對(duì)用戶可以同時(shí)通話而互不干擾。由于是利用不同的碼型進(jìn)行分割，所以稱為碼分多址。

二、擴(kuò)頻通信的特點(diǎn)

擴(kuò)頻通信與其他通信手段相比，具有下列一些特點(diǎn)：

（一）隱蔽性好

由于擴(kuò)頻信號(hào)的功率譜密度很低，傳輸時(shí)信號(hào)大多淹沒(méi)在噪聲譜之中，敵方很難在背景噪聲中檢測(cè)到該信號(hào)，因此擴(kuò)頻信號(hào)具有很低的被截獲概率。這在軍事通信上十分有用，可以進(jìn)行隱蔽通信。

（二）抗干擾性能強(qiáng)

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)擴(kuò)展的頻譜越寬，增益越高，抗干擾性能越強(qiáng)。擴(kuò)頻通信對(duì)于單頻及多頻載波信號(hào)的干擾、其他偽隨機(jī)調(diào)制信號(hào)的干擾以及脈沖正弦信號(hào)的干擾，都有抑制干擾提高輸出信噪比的作用，特別在對(duì)抗敵方人為干擾方面，效果更為突出。簡(jiǎn)單地說(shuō)，如果信號(hào)頻帶展寬10倍，則在干擾總功率不變的條件下，其干擾強(qiáng)度只有原來(lái)的1／10。而要保持原有的干擾強(qiáng)度，則必須加大10倍總的功率，這在實(shí)際的戰(zhàn)場(chǎng)條件下，有時(shí)是難以實(shí)現(xiàn)的。另外，由于在接收端采用了利用擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)或匹配濾波的方法來(lái)提取信號(hào)，因此，即使采用同類型信號(hào)進(jìn)行干擾，若不能檢測(cè)出有用信號(hào)的碼序列，干擾也起不了太大的作用。

（三）抑制多徑衰減

在無(wú)線電通信的各個(gè)頻段，都不同程度的存在各種類型的多徑衰減，成為多年難以解決的問(wèn)題之一。在擴(kuò)頻通信中，可以采用分集技術(shù)和梳狀濾波器技術(shù)來(lái)有效地解決這一問(wèn)題：前者是設(shè)法把最強(qiáng)的有用信號(hào)分離出來(lái)，而排除其他路徑來(lái)的干擾信號(hào)；后者是設(shè)法把不同路徑來(lái)的不同延遲的信號(hào)在接收端從時(shí)間上對(duì)齊相加，合并成較強(qiáng)的有用信號(hào)。

（四）多址能力

用多個(gè)偽隨機(jī)碼序列分別作為不同用戶的地址碼，可以使多個(gè)用戶共用一個(gè)頻段來(lái)實(shí)現(xiàn)碼分多址通信，故擴(kuò)頻信號(hào)具有多址能力。

（五）精確定時(shí)及測(cè)距

在擴(kuò)頻通信中如果擴(kuò)展頻譜很寬，則意味著所采用的擴(kuò)頻碼速率很高，每個(gè)碼片占用的時(shí)間就很短。當(dāng)發(fā)射出去的擴(kuò)頻信號(hào)被所測(cè)物體反射回來(lái)后，在接收端解調(diào)出擴(kuò)頻碼序列，然后比較收發(fā)碼序列的相位之差，就可以精確測(cè)出擴(kuò)頻信號(hào)往返的時(shí)間差，進(jìn)而算出距離。測(cè)量的精度決定于碼片的寬度，碼片越窄，擴(kuò)展的頻譜越寬，精度越高。

三、擴(kuò)頻通信的應(yīng)用

擴(kuò)頻通信技術(shù)的發(fā)展是從測(cè)距開(kāi)始的，20世紀(jì)80年代以來(lái)廣泛應(yīng)用于軍事中，近年來(lái)在現(xiàn)代科技的許多領(lǐng)域中，得到了非常廣泛的應(yīng)用，并且應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。

（一）軍事通信中的應(yīng)用

在軍事通信中，擴(kuò)頻通信是通信反對(duì)抗最重要的技術(shù)手段，它廣泛應(yīng)用于各種通信、信息系統(tǒng)，武器系統(tǒng)和C3I（通信、控制、指揮及情報(bào)）系統(tǒng)。在地面、海、空戰(zhàn)術(shù)通信中，通常采用擴(kuò)頻技術(shù)來(lái)提高通信電臺(tái)的抗干擾能力，提高抗干擾性能和數(shù)字化將是戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)發(fā)展的主流。在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，以美國(guó)為首的聯(lián)軍使用了采用擴(kuò)頻技術(shù)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)（JTIDS）、定位報(bào)告系統(tǒng)（PLRS）以及大量的單信道地面與機(jī)載系統(tǒng)（SINCGARS）等系統(tǒng)。實(shí)踐應(yīng)用充分證明了擴(kuò)頻技術(shù)在軍事通信系統(tǒng)中的重要性。

（二）移動(dòng)通信中的應(yīng)用

在民用通信中，新一代數(shù)字蜂房移動(dòng)通信系統(tǒng)已廣泛采用擴(kuò)頻技術(shù)，其目的是提高頻譜利用率及減少共信道干擾的影響。利用擴(kuò)頻技術(shù)的碼分多址系統(tǒng)，對(duì)每個(gè)移動(dòng)臺(tái)都分配一個(gè)特有的、隨機(jī)的碼序列，且彼此都不相關(guān)，以此來(lái)區(qū)分各個(gè)移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)，因此，在一個(gè)信道中能容納更多的用戶，其頻譜利用率是頻分多址通信系統(tǒng)的20倍左右，每一小區(qū)容納的用戶數(shù)可達(dá)2500個(gè)。此外，在移動(dòng)通信中多徑效應(yīng)產(chǎn)生的衰落較為嚴(yán)重，而采用擴(kuò)展頻譜技術(shù)可以有效地克服多徑效應(yīng)對(duì)移動(dòng)通信的影響。

（三）衛(wèi)星通信中的應(yīng)用

在軍事衛(wèi)星通信中直接序列擴(kuò)頻技術(shù)和跳頻技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。由于擴(kuò)頻碼分多址系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，以及當(dāng)網(wǎng)內(nèi)同時(shí)工作的用戶數(shù)增多并超過(guò)設(shè)計(jì)的載荷時(shí)，具有承受過(guò)載的能力，所以在民用衛(wèi)星通信中也得到了應(yīng)用。民用衛(wèi)星通信采用擴(kuò)頻碼分多址技術(shù)和偽隨機(jī)序列直接擴(kuò)展頻譜的方法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行能量擴(kuò)散，以減少衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾。

（四）測(cè)距定位中的應(yīng)用

GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）是多星共用兩個(gè)載波頻率發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào)的系統(tǒng)，需要采用擴(kuò)頻碼分多址方式來(lái)區(qū)分各個(gè)衛(wèi)星的地址。每顆衛(wèi)星分配有一個(gè)偽隨機(jī)序列碼型，偽隨機(jī)序列的碼片寬度越窄，測(cè)距精度就越高。同時(shí)，采用直接序列擴(kuò)頻使得測(cè)距抗干擾能力大為增強(qiáng)。又由于它采用無(wú)源定位方式，即在定位過(guò)程中不需要用戶終端發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，所以該系統(tǒng)可容納的用戶數(shù)目沒(méi)有限制，這正像一個(gè)廣播電臺(tái)對(duì)收聽(tīng)節(jié)目的用戶收音機(jī)數(shù)目沒(méi)有限制一樣。目前，我國(guó)軍事和民用部門已廣泛使用GPS接收設(shè)備，利用GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行定位工作。

四、擴(kuò)頻通信的發(fā)展趨勢(shì)與限制

21世紀(jì)將是擴(kuò)頻通信的時(shí)代，無(wú)論在軍用或民用方面，擴(kuò)頻通信都將大有用武之地，技術(shù)將進(jìn)一步成熟，應(yīng)用將更為廣泛。在未來(lái)的軍事通信中，擴(kuò)頻通信將在電子對(duì)抗（ECM）與反對(duì)抗（ECCM）中扮演重要角色。在民用通信的應(yīng)用與發(fā)展領(lǐng)域，主要有數(shù)字蜂房移動(dòng)通信、個(gè)人通信網(wǎng)（PCN）、煙火匪情等報(bào)警及公安隱蔽通信、體育競(jìng)賽與證券交易通信、數(shù)字立體聲廣播與業(yè)余無(wú)線電通信等。VLSI芯片及低功率發(fā)射技術(shù)，可以使擴(kuò)頻設(shè)備做到體積小、重量輕、價(jià)格低，它將成為未來(lái)城市無(wú)線通信的基本手段，如：個(gè)人通信PCN、無(wú)線商務(wù)通信PBX以及無(wú)線ISDN等。

擴(kuò)頻通信受到的限制主要來(lái)自技術(shù)方面。對(duì)直接序列擴(kuò)頻的限制在于用很高的PN碼率進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，目前采用CMOS使最大的時(shí)片率可達(dá)70Mchips／s，而采用砷化鎵FET器件，則可高達(dá)2Gchips／s。對(duì)跳頻（FH）的限制在于頻率合成器的高速轉(zhuǎn)換而又無(wú)雜波產(chǎn)生，現(xiàn)在數(shù)字控制振蕩器可以產(chǎn)生這樣的信號(hào)，在20MHz帶寬內(nèi)跳頻速率高達(dá)1M跳／秒。此外，重疊在同一頻帶上的用戶數(shù)對(duì)擴(kuò)頻通信也是一個(gè)限制，重疊越多，信噪比越低，差錯(cuò)概率增加，這就需要通過(guò)分配頻帶或制定法規(guī)來(lái)提高頻帶的利用率。毋庸置疑，擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)將在克服這些限制的過(guò)程中不斷成熟、向前發(fā)展，為人類社會(huì)做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]何非常，軍事通信現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，國(guó)防工業(yè)出版社，2000.2.

[2]黃令國(guó)，跳頻通信，計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2003年19期.

作者簡(jiǎn)介：

趙莉，女，海軍飛行學(xué)院教研部航空電子教研室，碩士，講師，主要研究方向：無(wú)線電通信。