擴頻通訊技術

擴頻通信技術發明人海蒂·拉瑪（1914年11月9日-2000年1月19日）曾在30年代初，10多歲時因為驚人的美麗被一位美國導演發掘，從此便踏入好萊塢。作為出身顯赫、與各國軍方高層私交甚好的好萊塢巨星，曾被譽為是全世界最美麗的女人。

我們知道，傳輸任何信息都需要一定的帶寬，稱為信息帶寬。例如語音信息的帶寬大約為3KHZ~3400KHZ、普通電視圖像信息帶寬大約為6MHz。為了充分利用頻率資源，通常都是儘量壓縮傳輸帶寬。如電話是基帶傳輸，人們通常把帶寬限制在3400Hz左右。如使用調幅信號傳輸，因為調製過程中將產生上下兩個邊帶，信號帶寬需要達到信息帶寬的兩倍，而在實際傳輸中，人們採用壓縮限幅技術，把廣播語音的帶寬限制在大約為2×4500Hz=9KHz左右；採用邊帶壓縮技術，把普通電視信號包括語音信號一起限制在1.2×6.5MHz=8MHz左右。即使在普通的調頻通信上，人們最大也只把信號帶寬放寬到信息帶寬的十幾倍左右，這些都是採用了窄帶通信技術。擴頻通信屬於寬帶通信技術，通常的擴頻信號帶寬與信息帶寬之比將高達幾百甚至幾千倍。有人要問為什麼要這麼做？這樣是不是太浪費頻率資源了？這些問題可以用信息論和抗干擾理論來解釋。

擴頻通信，即擴展頻譜通信技術（Spread Spectrum Communication），它的基本特點是其傳輸信息所用信號的帶寬遠大於信息本身的帶寬。除此以外，擴頻通信還具有如下特徵:

2.1 是一種數字傳輸方式；

2.2 帶寬的展寬是利用與被傳信息無關的函數(擴頻函數)對被傳信息進行調製實現的；

2.3 在接收端使用相同的擴頻函數對擴頻信號進行相關解調，還原出被傳信息。

根據香農(C.E.Shannon)在信息論研究中總結出的信道容量公式，即香農公式：

C = W×Log2(1+S/N)

式中：C--信息的傳輸速率 S--有用信號功率 W--頻帶寬度 N--噪聲功率

由式中可以看出：

為了提高信息的傳輸速率C，可以從兩種途徑實現，既加大帶寬W或提高信噪比S/N。換句話説，當信號的傳輸速率C一定時，信號帶寬W和信噪比S/N是可以互換的，即增加信號帶寬可以降低對信噪比的要求，當帶寬增加到一定程度，允許信噪比進一步降低，有用信號功率接近噪聲功率甚至淹沒在噪聲之下也是可能的。擴頻通信就是用寬帶傳輸技術來換取信噪比上的好處，這就是擴頻通信的基本思想和理論依據。

擴頻通信系統由於在發送端擴展了信號頻譜，在接收端解擴還原了信息，這樣的系統帶來的好處是大大提高了抗干擾容限。理論分析表明，各種擴頻系統的抗干擾性能與信息頻譜擴展後的擴頻信號帶寬比例有關。一般把擴頻信號帶寬W與信息帶寬△F之比稱為處理增益GP，即：

它表明了擴頻系統信噪比改善的程度。除此之外，擴頻系統的其他一些性能也大都與GP有關。因此，處理增益是擴頻系統的一個重要性能指標。處理增益越高，信號的覆蓋距離越遠。

系統的抗干擾容限MJ定義如下：

式中：（S/N）。= 輸出端的信噪比，

LS = 系統損耗

由此可見，抗干擾容限MJ與擴頻處理增益GP成正比，擴頻處理增益提高後，抗干擾容限大大提高，甚至信號在一定的噪聲湮沒下也能正常通信。通常的擴頻設備總是將用户信息(待傳輸信息)的帶寬擴展到數十倍、上百倍甚至千倍，以儘可能地提高處理增益。

頻譜的擴展是用數字化方式實現的。在一個二進制碼位的時段內用一組新的多位長的碼型予以置換，新碼型的碼速率遠遠高出原碼的碼速率，由傅立葉分析可知新碼型的帶寬遠遠高出原碼的帶寬，從而將信號的帶寬進行了擴展。這些新的碼型也叫偽隨機（PN）碼，碼位越長系統性能越高。通常，商用擴頻系統PN碼碼長應不低於12位，一般取32位，軍用系統可達千位。

目前常見的碼型有以下三種：

l M序列，即最長線性偽隨機系列；

l GOLD序列；

l WALSH函數正交碼。

當選取上述任意一個序列後，如M序列，將其中可用的編碼，即正交碼，兩兩組合，並劃分為若干組，各組分別代表不同用户，組內兩個碼型分別表示原始信息"1"和"0"。系統對原始信息進行編碼、傳送，接收端利用相關處理器對接收信號與本地碼型相關進行相關運算，解出基帶信號( 即原始信息)實現解擴，從而區分出不同用户的不同信息。微波無線擴頻通信的原理見圖1：

由圖可見，一般的無線擴頻通信系統都要進行三次調製。一次調製為信息調製，二次調製為擴頻調製，三次調製為射頻調製。接收端有相應的射頻解調，擴頻解調和信息解調。根據擴展頻譜的方式不同，擴頻通信系統可分為：直接序列擴頻（DS）、跳頻（FH）、跳時（TH）、線性調頻以及以上幾種方法的組合。

所謂直接序列擴頻（DS-Direct Scquency），就是用高碼率的擴頻碼序列在發端直接去擴展信號的頻譜，在收端直接使用相同的擴頻碼序列對擴展的信號頻譜進行解調，還原出原始的信息。直接序列擴頻的頻譜擴展和解擴過程見圖2和圖3所示：

在圖上我們可以看出：

在發端，信息碼經碼率較高的PN碼調製以後，頻譜被擴展了。在收端，擴頻信號經同樣的PN碼解調以後，信息碼被恢復；

信息碼經調製、擴頻傳輸、解調然後恢復的過程，類似與PN碼進行了二次"模二相加"的過程。

在以下的圖4中我們還可以用能量面積圖示概念看出：

待傳信息的頻譜被擴展了以後，能量被均勻地分佈在較寬的頻帶上，功率譜密度下降；

擴頻信號解擴以後，寬帶信號恢復成窄帶信息，功率譜密度上升；

相對與信息信號，脈衝干擾只經過了一次被模二相加的調製過程，頻譜被擴展，功率譜密度下降，從而使有用信息在噪聲干擾中被提取出來.

擴頻通信具有許多窄帶通信難以替代的優良性能， 使得它能迅速推廣到各種公用和專用通信網絡之中。簡單來説主要有以下幾項優點:

6.1 抗干擾性強，誤碼率低

如上所述，擴頻通信系統由於在發送端擴展信號頻譜，在接收端解擴還原信息，產生了擴頻增益，從而大大地提高了抗干擾容限。根據擴頻增益不同，甚至在負的信噪比條件下，也可以將信號從噪聲的淹沒中提取出來，在目前商用的通信系統中，擴頻通信是唯一能夠工作於負信噪比條件下的通信方式。

各種形式人為的干擾(如電子對抗中)或其他窄帶或寬帶(擴頻)系統的干擾，只要波形、時間和碼元稍有差異，解擴後仍然保持其寬帶性，而有用信號將被壓縮。從圖4可以看出，對於脈衝干擾， 由於在信號的接收過程中，它是一個被一次"模二相加"過程，可以看成是一個被擴頻過程，其帶寬將被擴展，而有用信號卻是一個被二次"模二相加"過程，是一個解擴過程，其信號被恢復(壓縮)後，保證高於干擾。由於擴頻系統這一優良性能，其誤碼率很低，正常條件下可達10-10，最差條件下也可達10-6，遠高於普通的微波通信（如通常所説的一點多址）的效果，完全能滿足目前國內SCADA系統對通信傳輸質量的要求。應該説，抗干擾性能強是擴頻通信的最突出的優點；

6.2 易於同頻使用，提高了無線頻譜利用率

無線頻譜十分寶貴，雖然從長波到微波都已得到開發利用，仍然滿足不了社會的需求。為此，世界各地都設計了頻譜管理機構，用户只能使用申請獲得的頻率，依靠頻道劃分來防止信道之間發生干擾。

由於擴頻通信採用了相關接收這一高技術，信號發送功率極低

6.3 抗多徑干擾

在無線通信中，抗多徑干擾問題一直是難以解決的問題，利用擴頻編碼之間的相關特性；在接收端可以用相關技術從多徑信號中提取分離出最強的有用信號，也可把多個路徑來的同一碼序列的波形相加使之得到加強，從而達到有效的抗多徑干擾。

6.4 擴頻通信是數字通信，特別適合數字話音和數據同時傳輸，擴頻通信自身具有加密功能，保密性強，便於開展各種通信業務。擴頻通信容易採用碼分多址、語音壓縮等多項新技術，更加適用於計算機網絡以及數字化的話音、圖像信息傳輸；

6.5 擴頻通信絕大部分是數字電路，設備高度集成，安裝簡便，易於維護，也十分小巧可靠，便於安裝，便於擴展，平均無故障率時間也很長；

6.6 另外，擴頻設備一般採用積木式結構，組網方式靈活，方便統一規劃，分期實施，利於擴容，有效地保護前期投資。