擴(kuò)頻通信

擴(kuò)展頻譜技術(shù)又稱為擴(kuò)頻技術(shù)是近年來發(fā)展很快的技術(shù)，不僅在軍事通信中發(fā)揮出不可取代的優(yōu)勢(shì)，而且廣泛的滲透到了通信的各個(gè)方面，如衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、微波通信、無線定位系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)、全球個(gè)人通信等等。所謂的擴(kuò)頻技術(shù)是指發(fā)送的信息被展擴(kuò)到一個(gè)比信息帶寬寬的多的頻帶上去，接受端通過相關(guān)的接收，將其恢復(fù)到信息帶寬的一種技術(shù)。這樣的系統(tǒng)就稱為擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)或擴(kuò)頻系統(tǒng)。

擴(kuò)頻技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

很強(qiáng)的抗干擾能力

由于將信號(hào)擴(kuò)展到很寬的頻帶上，在接收端對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理既帶寬壓縮，恢復(fù)成窄帶信號(hào)。對(duì)干擾信號(hào)而言，由于與擴(kuò)頻用的偽隨機(jī)碼相關(guān)，則被擴(kuò)展到一很寬的頻帶上，使之進(jìn)入信號(hào)通頻帶內(nèi)的干擾功率大大降低，相應(yīng)的增加了相關(guān)器的輸出信號(hào)/干擾比，因此具有很強(qiáng)的抗干擾能力。其抗干擾能力與其頻帶的擴(kuò)頻倍數(shù)成正比，頻譜擴(kuò)展的越寬，抗干擾的能力越強(qiáng)。

可進(jìn)行多址通信

擴(kuò)展頻譜通信本身就是一種多址通信方式，成為擴(kuò)頻多址，實(shí)際上是碼分多址（CDMA）的一種，用不同的擴(kuò)頻碼組成不同的網(wǎng)。雖然擴(kuò)頻頻譜系統(tǒng)占用了很寬的頻帶，但由于各網(wǎng)可在同一時(shí)刻共用同一頻段，其頻譜利用率甚至比單路單載波系統(tǒng)還要高。CDMA是未來全球個(gè)人通信的一種主要通信方式。

安全保密

由于擴(kuò)頻系統(tǒng)將傳輸?shù)男畔U(kuò)展到很寬的頻帶上去，其功率密度隨著頻譜的展寬而降低，甚至可以將信號(hào)淹沒在噪音中。因此，其保密性很強(qiáng)，要截獲或竊聽、偵察這樣的信號(hào)是非常困難的，除非采用與發(fā)送端所用的擴(kuò)頻碼且與之同步后進(jìn)行相關(guān)的檢測(cè)，是否對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)是無能為力的。由于擴(kuò)頻信號(hào)功率頻譜密度很低，在許多國(guó)家，如美、日、歐洲等國(guó)家對(duì)專用頻段，如ISM頻段，只要功率頻譜密度滿足一定的要求，就可以不經(jīng)批準(zhǔn)使用頻段。在中國(guó)，原則上國(guó)家無線管理委員會(huì)沒有允許的自由頻段，任何無線頻段的使用都要經(jīng)過申請(qǐng)，但在2.4G~2.483G的頻段上，國(guó)家無線管理委員會(huì)是允許民用產(chǎn)品使用，一般申請(qǐng)都會(huì)同意，而且基本上不要費(fèi)用。

擴(kuò)頻技術(shù)包括以下幾種方式：

直接序列擴(kuò)展頻譜，簡(jiǎn)稱直擴(kuò)，記為DS（Direct Sequence）

跳頻，記為　FH（Frequency Hopping）

跳時(shí)，記為TH（　Time Hopping）

線性跳頻，記為Chirp

除了以上四種基本擴(kuò)頻方式以外，還有這些擴(kuò)頻方式的組合方式，如FH/DS、TH/DS、FH/TH等。在通信中應(yīng)用較多的主要是DS、FH和FH/DS。

擴(kuò)頻系統(tǒng)的基本調(diào)制解調(diào)原理

直接序列擴(kuò)頻

直擴(kuò)技術(shù)使用偽隨機(jī)碼（PN CODE）對(duì)信息比特進(jìn)行模2加得到擴(kuò)頻序列，然后將擴(kuò)頻序列調(diào)制載波發(fā)射到空中，此時(shí)系統(tǒng)占用功率譜密度也大大降低。PN碼由偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生，其碼速比原始信息碼速高的多，每一PN碼的長(zhǎng)度（即切普CHIP寬度）很小。

直擴(kuò)系統(tǒng)的接收一般采用相關(guān)接收，分為兩步，即解擴(kuò)和解調(diào)。在接收端，接收信號(hào)經(jīng)過放大混頻后，用于發(fā)射端相同且同步的偽隨機(jī)碼對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，把擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)成窄帶信號(hào)，然后再解調(diào)，恢復(fù)原始信息序列。對(duì)于干擾和噪音，由于與偽隨機(jī)碼不相關(guān)，接收機(jī)的相關(guān)解擴(kuò)相當(dāng)于一次擴(kuò)頻，將干擾和噪音進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，降低了進(jìn)入頻帶內(nèi)的干擾功率，同時(shí)使得解調(diào)器的輸入信噪比和載干比提高，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。另外，采用不同PN碼即不相關(guān)的接收機(jī)很難發(fā)現(xiàn)和解出擴(kuò)頻序列中的信息，由于不同構(gòu)造的PN碼之間相關(guān)性很低，碼分多址CDMA就是采用同樣原理區(qū)別不同的用戶。

對(duì)于直擴(kuò)系統(tǒng)最好是先解擴(kuò)再解調(diào)，因?yàn)闊o線信號(hào)在空間傳輸中會(huì)有很大的信號(hào)衰減。未解擴(kuò)前的信噪比很低，甚至信號(hào)淹沒在噪聲中。一般解調(diào)器很難在很低的信噪比下正常解調(diào)，導(dǎo)致高誤碼。 但在室內(nèi)通信條件下，由于信號(hào)有較高的強(qiáng)度，可以先解調(diào)后解擴(kuò)。當(dāng)信號(hào)達(dá)到一定電平時(shí)，簡(jiǎn)單的解調(diào)器已經(jīng)能夠正常的工作，可以先將信號(hào)解調(diào)為一個(gè)數(shù)據(jù)流（未解擴(kuò)），然后用普通的集成電路進(jìn)行數(shù)字相關(guān)信號(hào)解擴(kuò)。采用直擴(kuò)的無線局域網(wǎng)卡一般采用這種方法，射頻單元的處理大為簡(jiǎn)化，體積可以縮小很多，并且成本明顯下降。

在性能上，先解擴(kuò)再解調(diào)明顯優(yōu)于先解調(diào)后解擴(kuò)。先解擴(kuò)可以通過解擴(kuò)過程獲得擴(kuò)頻增益（擴(kuò)展的頻譜帶寬與原始信息的帶寬之比），提高接收信號(hào)信噪比。室外遠(yuǎn)程（2、3公里以上的）擴(kuò)頻通信必須采用這種方式，以保證通信質(zhì)量和可靠性。

直擴(kuò)系統(tǒng)的同步

直擴(kuò)系統(tǒng)采用先解擴(kuò)時(shí)，首先只有在完成偽隨機(jī)碼（PN碼）的同步后才可能用同一碼序列對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)。接收機(jī)本地PN碼的速率和相位要與接收到的高速擴(kuò)頻序列保持一致。即使發(fā)射和接收端的相位差大于一個(gè)CHIP碼片時(shí)，它們的相關(guān)性就不存在。解擴(kuò)的第一步就是要在接收信號(hào)中捕獲到一個(gè)與本地PN碼一致的相位狀態(tài)。 擴(kuò)頻序列中的相位捕獲一般采用匹配濾波器或相位搜索電路實(shí)現(xiàn)，接收機(jī)在搜索同步過程中，通過改變本地PN碼的時(shí)鐘速率，使接收信號(hào)中的PN碼相位和本地PN碼相位在相關(guān)器內(nèi)相對(duì)滑動(dòng)。滑動(dòng)過程中，當(dāng)相關(guān)峰值超過捕獲門限，標(biāo)志完成同步捕獲，此時(shí)收發(fā)雙方的PN碼的相位誤差已經(jīng)小于一個(gè)切普碼寬（Tc）。捕獲進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，相位差進(jìn)一步縮小，相關(guān)性增大，獲得高的解擴(kuò)信號(hào)信噪比，滿足以后的解調(diào)門限的要求。

直擴(kuò)技術(shù)中還有一種更高級(jí)的接收技術(shù)，叫RAKE接收技術(shù)。RAKE接收技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多徑分集。由于大氣狀況，地理位置等各種組合因素影響，信號(hào)在空間的傳輸與只有直射波有很大不同，信號(hào)經(jīng)過多條路經(jīng)（直射，反射，折射，大氣波導(dǎo)）經(jīng)過不同時(shí)延到達(dá)接收端，各個(gè)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間不同，相位不一致，造成最終信號(hào)的幅度相互抵消，引起信號(hào)大幅度衰落。

先解擴(kuò)后解調(diào)的直擴(kuò)系統(tǒng)具備了抗多徑的能力，在時(shí)間上將主通道（最大峰值）上的相關(guān)峰分離出來。從而降低多徑干擾。而RAKE接收技術(shù)實(shí)現(xiàn)多徑分集技術(shù)，可以將接收的各個(gè)多徑信號(hào)組合起來，獲得加權(quán)增益，轉(zhuǎn)化為合成的信號(hào)，達(dá)到更高的抗衰落性能。但由于　RAKE技術(shù)的接收加權(quán)合并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而且昂貴，目前只有美國(guó)少數(shù)幾家公司在其擴(kuò)頻系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了這一技術(shù)。

直擴(kuò)中的“軟擴(kuò)頻”

對(duì)于無線局域網(wǎng)等寬帶方式，要在近距離范圍內(nèi)達(dá)到速率每秒數(shù)兆比特時(shí)，若采用一般的直序擴(kuò)頻技術(shù)，則系統(tǒng)擴(kuò)展的頻譜帶寬甚至?xí)^開放ISM頻段規(guī)定的頻率范圍。與“真擴(kuò)頻”方法不同，軟擴(kuò)頻實(shí)際是采用編碼的方法完成頻率的擴(kuò)展。軟擴(kuò)頻是一種（N，K）編碼，K為信息碼由N位長(zhǎng)的偽隨機(jī)序列來表示。用幾位信息元對(duì)應(yīng)一條偽隨機(jī)碼，擴(kuò)展的倍數(shù)不大，而且不一定是整數(shù)。而對(duì)比“真擴(kuò)頻”，每一位信息碼都與多個(gè)整數(shù)位的PN碼相模2加。在室內(nèi)距離通信的條件下，軟擴(kuò)頻既滿足開放頻段的系統(tǒng)要求，也能達(dá)到很高的速率，成本也低。

跳頻技術(shù)

跳頻技術(shù)與直序擴(kuò)頻技術(shù)完全不同，是另一種意義上的擴(kuò)頻。跳頻的載頻受一個(gè)偽隨機(jī)碼的控制，在其工作帶寬范圍內(nèi)，其頻率合成器按PN碼的隨機(jī)規(guī)律不斷改變頻率。在接收端，接收機(jī)頻率合成器受偽隨機(jī)碼控制，并保持與發(fā)射端變化規(guī)律相同。

跳頻是載波頻率在一定范圍內(nèi)不斷跳變意義上擴(kuò)頻，而不是對(duì)被傳送信息進(jìn)行擴(kuò)譜，不會(huì)得到直序擴(kuò)頻的處理增益。跳頻相當(dāng)于瞬時(shí)的窄帶通信系統(tǒng)，基本等同于常規(guī)通信系統(tǒng)，由于不能抗多徑，同時(shí)發(fā)射效率低，同樣發(fā)射功率的跳頻系統(tǒng)在有效傳輸距離上小于直擴(kuò)系統(tǒng)。跳頻的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾，定頻干擾只會(huì)干擾部分頻點(diǎn)。用于語(yǔ)音信息的傳輸，當(dāng)定頻干擾只占一部分時(shí)不會(huì)對(duì)語(yǔ)音通信造成很大的影響。

跳速的高低直接反映跳頻系統(tǒng)的性能，跳速越高抗干擾的性能越好，軍事上的跳頻系統(tǒng)可以達(dá)到每秒上萬(wàn)跳。實(shí)際上移動(dòng)通信GSM系統(tǒng)也是跳頻系統(tǒng)，其規(guī)定的跳速為每秒217跳。出于成本的考慮，商用跳頻系統(tǒng)跳速都很慢，一般在50跳/秒以下。由于慢跳跳頻系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)，因此低速無線局域網(wǎng)產(chǎn)品常常采用這種技術(shù)。

不同擴(kuò)頻系統(tǒng)性能 以上描述了各種不同擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的原理和性能，擴(kuò)頻通信設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方法和難易程度，直接決定了其最終性能和成本。一般講慢跳跳頻系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單，成本最低，但性能最差。采用軟擴(kuò)頻的編碼技術(shù)可以達(dá)到高速率，但限制到室內(nèi)近距離范圍內(nèi)應(yīng)用。先解調(diào)后解擴(kuò)的直擴(kuò)系統(tǒng)，可以采用集成電路直接對(duì)擴(kuò)頻序列進(jìn)行數(shù)字處理，但前提是有足夠高的信號(hào)強(qiáng)度。 擴(kuò)頻系統(tǒng)中性能最好的是直接序列擴(kuò)頻中的先解擴(kuò)再解調(diào)的技術(shù)，這種擴(kuò)頻系統(tǒng)對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)先相關(guān)，再相關(guān)解調(diào)，需要完成偽隨機(jī)碼的同步和載波恢復(fù)，大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。例如，一個(gè)速率64K的直擴(kuò)系統(tǒng)，其偽隨機(jī)碼的速率要超過5Mbit/s左右，其實(shí)現(xiàn)方法比之于3M速率的跳頻系統(tǒng)還要復(fù)雜的多。因此，高性能的直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的成本很高。

信道特性對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)的影響

信道特性對(duì)無線信號(hào)的傳輸至關(guān)重要，信號(hào)通過不同的信道發(fā)生不同的失真和畸變。通信系統(tǒng)的收發(fā)設(shè)備必須依據(jù)信道特征來設(shè)計(jì)，采用不同技術(shù)的無線擴(kuò)頻系統(tǒng)應(yīng)用定位也不相同。 在無線通信中由于氣候，環(huán)境，距離等各種因素的影響，接收到的信號(hào)幅度和相位是隨機(jī)起伏變化的，主要需要考慮的是慢衰落，快衰落，平衰落，頻率選擇性衰落。室內(nèi)信道的時(shí)間衰落特性是慢衰落的，同時(shí)時(shí)延擴(kuò)展因素小，因而較為簡(jiǎn)單的達(dá)到通信速率Mbps數(shù)量級(jí)以上。而室外無線傳輸信道的特征有很大不同。必須考慮各種快衰落，深度平衰落，長(zhǎng)擴(kuò)展時(shí)延等因素。通信速率高（占用帶寬大）時(shí)還要考慮頻率選擇性衰落等各種不確定因素。另外其接收靈敏度必須保障在信號(hào)衰減上百dB情況下的信號(hào)拾取。 為保證通信質(zhì)量和通信可靠性（用可用度表示）。常規(guī)微波頻段通信系統(tǒng)為了保證足夠的性能指標(biāo)（誤碼指標(biāo)）一般會(huì)預(yù)先在鏈路設(shè)計(jì)上予留30~50dB的鏈路裕度（或稱衰落儲(chǔ)備）。然而對(duì)于多徑傳輸和深度衰落等原因造成的誤碼，除了采用快速自動(dòng)增益控制AGC等手段之外。必須采用抗多徑衰落的技術(shù)。正如前文所敘，采用直擴(kuò)技術(shù)中高性能的實(shí)現(xiàn)手段（先解擴(kuò)再解調(diào)）可以很好抵消多徑衰落的不利影響。更好的RAKE接收技術(shù)甚至可以實(shí)現(xiàn)多徑分集接收，進(jìn)而抵消室外無線衰落信道系統(tǒng)中的性能嚴(yán)重惡化。另外由于直擴(kuò)技術(shù)的頻譜很寬，部分頻帶的選擇性衰落不會(huì)影響整體接收。 一般不要將室內(nèi)擴(kuò)頻設(shè)備用于室外，例如，即使利用高的鐵塔和好的傳輸路線空間，無線局域網(wǎng)擴(kuò)頻產(chǎn)品實(shí)際上并不能解決由于信道特性引起的通信質(zhì)量迅速下降。一般無線局域網(wǎng)擴(kuò)頻設(shè)備使用高增益天線在傳輸距離超過3，4公里后，誤碼率仍舊會(huì)迅速上升，并且隨氣候和環(huán)境的變化可用度很低。此時(shí)采用加入功率放大器等增加發(fā)射功率的措施是不現(xiàn)實(shí)的，考慮到深衰落和設(shè)備的非線形失真，誤碼率會(huì)出現(xiàn)平展，同時(shí)由于匹配非線形產(chǎn)生的寄生輻射甚至可能會(huì)影響常規(guī)微波頻段的其他設(shè)備正常通信。