試論擴(kuò)頻通信技術(shù)和發(fā)展趨勢

鮑玉亭

【摘 要】擴(kuò)頻通信是信息傳輸方式的一種，其實(shí)質(zhì)是將傳輸信息的信號(hào)帶寬展寬很多倍（一般在100～1000倍），使得傳輸信息的信號(hào)帶寬遠(yuǎn)大于信息本身帶寬的一種通信方式。本文主要介紹了擴(kuò)頻通信技術(shù)的基本理論和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式及其特點(diǎn)，并從該技術(shù)的發(fā)展歷史中，探索擴(kuò)頻通信技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵字】擴(kuò)頻通信 技術(shù)概述 發(fā)展趨勢

【中圖分類號(hào)】TN9l4. 4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1672-5158（2013）03-0085-01

1 引言

擴(kuò)頻通信技術(shù)是20世紀(jì)40～50年代逐漸發(fā)展起來的一種通信技術(shù)[1]，從字面意思理解，擴(kuò)頻通信，即是擴(kuò)展頻譜通信（Spread Spectrum Communication）的簡稱。擴(kuò)頻通信以其獨(dú)有的信號(hào)傳輸方式克服了傳統(tǒng)通信傳輸技術(shù)中的缺陷，因而在通信領(lǐng)域占據(jù)重要的地位，值得有關(guān)領(lǐng)域科技工作者的深入研究和思考。本文從擴(kuò)頻通信技術(shù)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)特點(diǎn)等方面展開論述，并對擴(kuò)頻通信的發(fā)展歷史和未來的發(fā)展方向做出了一點(diǎn)思考，希望能為有關(guān)研究人員提供一點(diǎn)有益的借鑒。

2 擴(kuò)頻通信技術(shù)概述

2.1擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)

在信息論的研究中，香農(nóng)（C.E.Shannon）曾經(jīng)給出了信道容量公式，即香農(nóng)公式：（）

N

。式中有關(guān)字母解釋如下：C—信道容量，也即信道可能傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾?，W—信道頻帶寬度，S—有用信號(hào)的平均功率，N—白噪聲的平均功率，S/N—信噪比。由該公式可以分析得出以下結(jié)論：通過以下兩種方法，可以提高信道容量C，即增加信道帶寬W或提高信噪比S/N。當(dāng)信道容量C的大小一定時(shí)，信號(hào)的帶寬W和信噪比S/N成反向關(guān)系，即提高信號(hào)帶寬值可以降低對信噪比S/N的要求[2]。

2.2擴(kuò)頻通信技術(shù)的分類

按照數(shù)據(jù)頻譜被擴(kuò)展方式的不同，擴(kuò)頻通信技術(shù)一般有以下幾種擴(kuò)頻方式：直接序列擴(kuò)頻、跳頻擴(kuò)頻、跳時(shí)擴(kuò)頻、混合擴(kuò)頻等，本文重點(diǎn)講述前面三種擴(kuò)頻通信方式。

1、直接序列擴(kuò)頻

直接序列擴(kuò)頻（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum）方式是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的擴(kuò)頻技術(shù)方式。其基本原理是在發(fā)射端，將數(shù)據(jù)比特流用高速率的偽隨機(jī)（PN）序列擴(kuò)展成新的復(fù)合碼，并用該數(shù)據(jù)碼控制信道中的參數(shù)。在信息的接收端，用與發(fā)送端相同的偽隨機(jī)序列碼對接收到的寬頻信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)處理，并進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)調(diào)制，過濾干擾信號(hào)，獲得原始的數(shù)據(jù)信號(hào)。

2、跳頻擴(kuò)頻

跳頻擴(kuò)頻（FHSS，F(xiàn)requency Hopping Spread Spectrum）技術(shù)方式的原理是發(fā)射機(jī)的射頻載波振蕩器的輸出受一個(gè)偽隨機(jī)序列碼控制，隨機(jī)離散地發(fā)生變化。跳頻擴(kuò)頻技術(shù)方式的主體是由PN 隨機(jī)碼產(chǎn)生器和頻率合成器所構(gòu)成[4]，頻率合成器是頻率跳變系統(tǒng)最重要的部分，它主要的任務(wù)在于快速響應(yīng)。接收機(jī)中的頻率合成器也按相同的順序跳變，產(chǎn)生一個(gè)本振頻率，經(jīng)混頻后得到中頻信號(hào)，然后將該中頻信號(hào)放大后，并送到解調(diào)器中解調(diào)，恢復(fù)原始的數(shù)據(jù)信息。

3、跳時(shí)擴(kuò)頻

跳時(shí)擴(kuò)頻（THSS，Time Hopping Spread Spectrum）方式采用偽隨機(jī)碼控制信號(hào)發(fā)送時(shí)刻及發(fā)送時(shí)間的長短，它與跳頻方式的差別在于前者控制發(fā)射的頻率，后者控制發(fā)射的時(shí)間。在時(shí)間跳變中，將一個(gè)待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)分割為若干個(gè)時(shí)間片，由偽隨機(jī)碼控制在哪個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)送信號(hào)。因此，信號(hào)是在很短的間隔中以較高的峰值功率傳輸，其優(yōu)點(diǎn)是縮小了占空比，缺點(diǎn)是要保證接收端和發(fā)送端信號(hào)的時(shí)刻必須一致。跳時(shí)擴(kuò)頻技術(shù)方式的抗干擾效果并不十分理想，很少單獨(dú)使用，一般與其他方式結(jié)合使用，組成混合擴(kuò)頻技術(shù)方式。

2.3擴(kuò)頻通信的技術(shù)特點(diǎn)

擴(kuò)頻信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)大于信道中傳輸數(shù)據(jù)的帶寬，因此擴(kuò)頻通信技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

1、抗干擾性強(qiáng)

擴(kuò)頻通信技術(shù)在傳輸過程中大幅度提高了信號(hào)帶寬，能高質(zhì)量的完成通信傳輸任務(wù)，擴(kuò)展的頻譜越寬，抗干擾性能越強(qiáng)。此外，擴(kuò)頻通信技術(shù)中包含擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)過程，能識(shí)別最強(qiáng)功率的有用信號(hào)，克服了多路徑干擾造成的信號(hào)衰弱現(xiàn)象，提高了信號(hào)傳輸質(zhì)量。

2、低截獲性

由于數(shù)據(jù)通信頻帶被擴(kuò)展到很寬的范圍，而擴(kuò)頻信號(hào)功率分散在整個(gè)頻帶上，因而其功率密度很低，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)被第三方截獲數(shù)據(jù)的概率較低，數(shù)據(jù)保密性好。

3、易于實(shí)現(xiàn)碼分多址

擴(kuò)頻技術(shù)為共享頻譜提供了可能，在無線通信技術(shù)中，為了實(shí)現(xiàn)碼分多址，可以使用擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)展頻帶，當(dāng)多個(gè)用戶共同處在同一個(gè)通信系統(tǒng)中，可以給每個(gè)用戶分配不同的偽隨機(jī)碼以示區(qū)分，從而實(shí)現(xiàn)多址通信。

3、擴(kuò)頻通信技術(shù)的發(fā)展

3.1擴(kuò)頻通信技術(shù)的發(fā)展歷史

擴(kuò)頻通信技術(shù)在20世紀(jì)50年代中期應(yīng)運(yùn)而生，最初主要運(yùn)用在軍事指揮通信技術(shù)領(lǐng)域，擴(kuò)頻技術(shù)的抗干擾機(jī)制成為決定戰(zhàn)爭勝負(fù)的關(guān)鍵因素。真正實(shí)用的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是在20世紀(jì)50年代中期在美國發(fā)展起來的。美國麻省理工學(xué)院第一個(gè)開發(fā)出真正的寬帶通信系統(tǒng)。直到80年代初期，擴(kuò)頻通信技術(shù)才發(fā)展到民用通信領(lǐng)域。從此，擴(kuò)頻通信技術(shù)迎來了新的發(fā)展時(shí)期。從無繩電話使用到碼分多址（CDMA）的應(yīng)用，在到后來的模擬蜂窩通信系統(tǒng)的研究，始終伴隨著擴(kuò)頻通信技術(shù)的身影。隨著個(gè)人通訊服務(wù)以及移動(dòng)通信的發(fā)展，擴(kuò)頻通信技術(shù)在民用通信中發(fā)揮著越來越重要的作用，頻通信技術(shù)所引發(fā)的技術(shù)產(chǎn)品也如雨后春筍，日益走進(jìn)人們的日常生活。

3.2擴(kuò)頻通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

1、在4G移動(dòng)通信技術(shù)中的應(yīng)用

第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)可稱為廣帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)傳輸速率比3G高幾十倍，是多功能的集成寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，在4G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)中，部分技術(shù)實(shí)質(zhì)就是擴(kuò)頻技術(shù)的延伸，4G技術(shù)的發(fā)展能夠很好地與擴(kuò)頻技術(shù)融合，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能家居的發(fā)展，擴(kuò)頻技術(shù)在4G技術(shù)推廣中也將會(huì)得到更加廣泛和徹底的應(yīng)用。因此，4G新技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)著擴(kuò)頻技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

2、在超寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的應(yīng)用

超寬帶（UWB）技術(shù)是將傳輸帶寬大幅度擴(kuò)展，從而獲得數(shù)據(jù)傳輸速率顯著提升的一種擴(kuò)頻技術(shù)。將脈沖發(fā)射機(jī)和接收機(jī)前端集成到一個(gè)芯片上，再加上時(shí)鐘振蕩器和中央控制器，就可以構(gòu)成一部UWB通信設(shè)備。因此，UWB技術(shù)的物理硬件結(jié)構(gòu)簡單、輕便，成本低，信號(hào)的處理也很方便，系統(tǒng)的頻率魯棒性強(qiáng)。UWB信號(hào)是在跳時(shí)擴(kuò)頻技術(shù)方式的基礎(chǔ)上，提高其射頻帶寬，此外，它的發(fā)射功率頻譜密度較低，因此系統(tǒng)的安全性能得到提高，可以預(yù)見，擴(kuò)頻通信技術(shù)在未來寬帶網(wǎng)上將得到廣泛應(yīng)用。

3、在軟件無線電技術(shù)中的應(yīng)用

軟件無線電技術(shù)實(shí)質(zhì)是一種利用軟件來控制模擬或數(shù)字硬件電路的通信方式。擴(kuò)頻通信是基于抗干擾的機(jī)制設(shè)計(jì)，采用了偽隨機(jī)編碼擴(kuò)展頻譜以及相關(guān)解擴(kuò)調(diào)制接收技術(shù)使其具有很強(qiáng)的抗干擾性能，因而，基于軟件無線電進(jìn)行擴(kuò)頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有設(shè)計(jì)方式靈活、調(diào)試方便、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有與軟件兼容的特點(diǎn)，是未來的另一發(fā)展趨勢。

4 結(jié)束語

擴(kuò)頻通信技術(shù)是現(xiàn)代通信技術(shù)領(lǐng)域中的的重要組成部分[5]，是擴(kuò)頻技術(shù)與通信相結(jié)合的產(chǎn)物。本文主要論述了擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)、實(shí)現(xiàn)方式和技術(shù)特點(diǎn)。擴(kuò)頻通信的強(qiáng)抗干擾性、低截獲性、保密性等特點(diǎn)，使其應(yīng)用領(lǐng)域從傳統(tǒng)軍事指揮通信發(fā)展到到民用通信技術(shù)中，展望未來，擴(kuò)頻通信技術(shù)將與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合，將逐漸走進(jìn)我們的生活，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] 查光明. 擴(kuò)頻通信[M]. 西安電子科技大學(xué)出版社，1992.

[2] 朱近康. 擴(kuò)展頻譜通信及其應(yīng)用[M]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1993.

[3] 曾一凡，李暉. 擴(kuò)頻通信原理[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2005 年.

[4] 王淑君等. 淺談擴(kuò)頻通信技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 山東電子，2004（1）.

[5] 何世彪，譚曉橫. 擴(kuò)頻技術(shù)及其實(shí)現(xiàn). 電子工業(yè)出版社[M]. 2007年1 月.