浅谈扩频通信技术的特点及其应用
[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，着重叙述扩频技术的特点及其应用。
[关键词]扩频 通信技术 特点 应用
中图分类号：TN91文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0310022－01
扩展频谱通信（SpreadSpectrum Communications）简称“扩频通信”，是一种信息传输方式，它是将信息的带宽扩展很多倍（通常为100～1000倍）进行通信的技术。传输的信号带宽远大于信息信号本身的带宽。频带的展宽是通过编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关的解调来解扩及恢复所传信息数据。
一、扩频通信的理论基础及实现方法
（一）扩频通信的理论基础
信息论的创始人美国科学家仙农（Shannon）在其信息论专著中有信道容量的公式：
Ｃ＝Wlog2（１＋Ｐ／Ｎ）
式中，C为信道容量，W为频带宽度，P为信号功率，N为白噪声功率。在保持信息容量C不变的条件下，可以用不同频带宽度W和信噪功率比P／N来传输信息。如果增加频带宽度，就可以在较低的信噪比的情况下用相同的信息率保持可靠地通信。这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。这一公式指明了采用扩展频谱信号进行通信的优越性，即提高了通信的抗干扰能力，在强干扰条件下保证可靠安全地通信。
（二）扩频通信的实现方法
扩频通信与一般的通信系统相比有很大差别，图1为扩频通信的一般原理框图。由方框图可以看出，一般的扩频通信系统都要进行信息调制、扩频调制、射频调制，以及相应的信息解调、扩频解调和射频解调，构成上更加复杂，技术上也更为先进。特别是采用了扩频码序列的扩频调制与解调，不同的用户分配有不同的码型，这样，在同一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。由于是利用不同的码型进行分割，所以称为码分多址。
二、扩频通信的特点
扩频通信与其他通信手段相比，具有下列一些特点：
（一）隐蔽性好
由于扩频信号的功率谱密度很低，传输时信号大多淹没在噪声谱之中，敌方很难在背景噪声中检测到该信号，因此扩频信号具有很低的被截获概率。这在军事通信上十分有用，可以进行隐蔽通信。
（二）抗干扰性能强
扩频通信系统扩展的频谱越宽，增益越高，抗干扰性能越强。扩频通信对于单频及多频载波信号的干扰、其他伪随机调制信号的干扰以及脉冲正弦信号的干扰，都有抑制干扰提高输出信噪比的作用，特别在对抗敌方人为干扰方面，效果更为突出。简单地说，如果信号频带展宽10倍，则在干扰总功率不变的条件下，其干扰强度只有原来的1／10。而要保持原有的干扰强度，则必须加大10倍总的功率，这在实际的战场条件下，有时是难以实现的。另外，由于在接收端采用了利用扩频码序列进行相关检测或匹配滤波的方法来提取信号，因此，即使采用同类型信号进行干扰，若不能检测出有用信号的码序列，干扰也起不了太大的作用。
（三）抑制多径衰减
在无线电通信的各个频段，都不同程度的存在各种类型的多径衰减，成为多年难以解决的问题之一。在扩频通信中，可以采用分集技术和梳状滤波器技术来有效地解决这一问题：前者是设法把最强的有用信号分离出来，而排除其他路径来的干扰信号；后者是设法把不同路径来的不同延迟的信号在接收端从时间上对齐相加，合并成较强的有用信号。
（四）多址能力
用多个伪随机码序列分别作为不同用户的地址码，可以使多个用户共用一个频段来实现码分多址通信，故扩频信号具有多址能力。
（五）精确定时及测距
在扩频通信中如果扩展频谱很宽，则意味着所采用的扩频码速率很高，每个码片占用的时间就很短。当发射出去的扩频信号被所测物体反射回来后，在接收端解调出扩频码序列，然后比较收发码序列的相位之差，就可以精确测出扩频信号往返的时间差，进而算出距离。测量的精度决定于码片的宽度，码片越窄，扩展的频谱越宽，精度越高。
三、扩频通信的应用
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。
（一）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。实践应用充分证明了扩频技术在军事通信系统中的重要性。
（二）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。
（三）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。
（四）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。目前，我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。
四、扩频通信的发展趋势与限制
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，如：个人通信PCN、无线商务通信PBX以及无线ISDN等。
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，目前采用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]何非常，军事通信现代战争的神经网络，国防工业出版社，2000.2.
[2]黄令国，跳频通信，计算机与网络，2003年19期.
作者简介：
赵莉，女，海军飞行学院教研部航空电子教研室，硕士，讲师，主要研究方向：无线电通信。