扩频通讯原理及运用

1 扩频通信简介

扩频通信 (Spread Spectrum Communication) 是将待传的信息数据被扩频序列（Spread Sequence 又称Pseudo Noise Code，即 PN 码）编码调制，实现频谱扩展后再传输；接收端采用同样的编码进行解调及相关处理，恢复原始数据。扩频通信系统发端简化为调制和扩频，收端简化为解和解调，收发端两侧各有一个完全相同的伪随机码发生器，要求收发端的PN 码精确同步，系统的其他环节合并到信道中。扩频通信从电磁波角度来看，是与一般现有的常规方法完全不同的。常规的通信是在频段上细分（频分多址）或时间上细分（时分多址）给通信用户，彼此互不干扰的分别使用。而扩频通信用伪随机编码把基带信号的频谱进行扩展，形成相当带宽的低功率谱密度信号发射。使用不同的伪随机编码，不同通信用户可在同一频段、同一时间工作，互相影响极小。因此，扩频通信在调制、解调上也与众不同。信息数据经通常的数据调制后变成带宽为 B1 的信号（B1 为数字频带信号带宽），用扩频序列发生器产生的伪随机编码去对数字频带信号作扩频调制，形成带宽为 B2(B2>>B1),功率谱密度极低的扩频信号发射。众多的通信用户，使用各自不同的伪随机编码，可以同时使用带宽为 B2 的同一频带。在接收端，首先使用与扩频信号发送者相同的伪随机编码作扩频解调处理，把带宽信号恢复成通常的数字频带信号，再使用通常的通信处理手段解调出发送来的信息数据。显然，若接收端不知道发送的扩频信号所使用的伪随机编码时，要进行扩频调制是非常困难的甚至是不可能的。这就实现了信息数据的保密通信。如果接收端用某一伪随机编码在接收某一发送来的信号时，通信信道中的另一些伪随机编码调制的扩频信号不能在该接收端的扩频解调处理器中形成明显的信号输出，即不会对接收端的扩频处理形成干扰或干扰极小。这样，接收端使用不同发送者使用的不同伪随机编码作扩频解调，就可得到不同发送者发送来的信息数据，实现多用户（多址）通信。

2 扩频通信技术的应用研究

扩频技术到目前为止，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统，而跳频系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而言，跳频系统主要在军事通信中对抗故意干扰，在卫星通信中也用于保密通信，而直扩系统则主要是一种民用技术。对跳频系统的分析，现在仍集中在其对抗各种干扰的性能方面，如对抗部分边带干扰以及多频干扰等。而直扩系统在移动通信系统中的应用则成为扩频技术的主流。

码捕获同步的实现是直扩系统中一个关键问题。只有在接收机将本地产生的伪码和接收信号中调制信息的伪码实现同步以后，才有可能实现直序扩频通信的各种优点。同步过程分为两步来实现：首先是捕获阶段，实现对接收信号中伪码的粗跟踪；然后是跟踪阶段，实现对伪码的精确跟踪。目前的研究主要集中在码捕获过程。目前对码捕获的研究主要集中在对周期较长的码实现捕获的问题，也就是快速捕获的问题。以前采用的主要是串行捕获方法，这种方案实现简单，但捕获速度不能满足要求。而现在大规模集成电路的应用使并行捕获方案成为可能，但系统的复杂度很高，因此研究的目标就是实现码捕获时间性能和系统复杂度之间的折衷。在串行捕获方案中，双停顿时间搜索法和序贯检测法都是缩短捕获时间的有效方法，利用一些新的搜索算法进一步改进这些系统的性能成为研究的热点。

在解扩的方法上，解扩主要有相干和非相干两种方式，非相干解扩适合于信噪比低的情况，它不需要载波同步即可进行解扩，消除残余载波对数据解调的影响在解扩后进行，此时的信噪比较高，载波解调易于进行，而相干解扩，是在载波相位锁定后进行解扩处理，要求精确载波相位同步，适合于信噪比较高的情况。解调的方法主要针对不同的调制方式，总的来说，有非相干解调和相干解调两种，在某些场合利用非相干解调的主要原因是其解调电路简单，在解调需要硬件电路实现的时代，有其存在的理由，其不足之处是存在门限效应。对软件无线电的解调，一般都是采用相干解调的方法，其模型一般均采用正交模型，因为从理论上讲，其对所有的正交调制的信号都可进行解调。对于 QPSK信号，一般采用正交相干检测和正交差分检测两种方法，虽然在相同误比特率的情况下，相干检测比差分检测有 2db 左右的好处，但差分检测无须载波恢复及相位跟踪，且回避了低采样率下数字锁相的困难，因而计算量小的多。有一种全数字差分解调的方案，此方案属纯软件方式，且运算量小，速度快。对于相干检测提取载波的方法主要有平方环法和 costas 环法。 DSSS-QPSK 信号相干载波的全数字 costas 环提取方法，这种方法易于软件实现，对数字化软件锁相有好的借鉴作用。在载波相位同步和位同步上，还有一种基于最大似然算法，但这种算法需要处理大量的采样数据后才能得出所需参数的估计值，无法进行时实的估计，且算法步骤复杂，具体实现难度大。

3 直接序列扩频通信系统的工作原理

直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）通信系统是以直接扩频方式构成的扩频通信系统，通常简称为（DS）系统，是最典型的扩频通信系统。直接扩频系统的发射机结构和接收机结构分别如图 1 所示。从发射机和接收机的原理框图可以看出，作为输入的数据信息 A，经过信息调制变成了宽度为 B1 的调频或调相的信号，再由伪随机扩频序列调制成带宽为 B2 的带宽信号发射。接收机接收到发射信号后，首先通过捕捉发送来的伪随机扩频序列的准确相位，由此产生与发送来的伪随机扩频序列相位完全一致并用于接收用的 PN 码，作为解扩本地信号，以便恢复为窄带信号，以便估计发送来的信息数据 A，如此，便完成了接收。直接序列扩频通信的优点是：1）编码信号容易产生；2）只有一个载波频率，频率合成器（载波发生器）简单；3）接收机可采用相干解调；4）用户间无须同步。直接序列扩频通信的缺点：1）获取和保持本地生成编码与接收信号的同步困难；2）消除基站与用户距离间的远近效应困难。

4 伪随机编码

在扩频通信系统中，信号频谱的扩展是通过扩频码实现的。扩频系统的性能和扩频码的性能有很大关系。对扩频码，通常有下列的要求：1）易于产生；2）具有随机性；3）具有尽可能长的周期，使干扰者难以从扩频码的一小段去重建整个码序列；4）具有双值自相关函数和良好的互相关特性，以有利于接收时的截获和跟踪，以及多用户应用。

从理论上说，用纯随机序列去扩展信号频谱是最理想的。但在接收机中为了 解扩应当有一个同发射端扩频码同步的副本。因此，在实际中，我们只能用伪随机或伪噪声（PN）序列作扩频码。伪随机序列具有类似噪声的性质，但它又是周期的有规律的，既易于产生，又可以加工和复制的序列。伪随机序列应当具有类似随机序列的性质，而随机序列具有的性质归纳起来有以下三点：1）随机序列中的 0 和 1 的个数接近相等。2）把随机序列中连续出现 0 或 1 的子序列称为游程，连续的 0 或 1 的个数称为游程长度。随机序列长度为 1 的游程约占游程总数的 1/ 2，长度为 2 的游程约占游程总数的 1/ 22 , 长度为 3 的游程约占游程总数的 1/ 23 ，…。在同长度的游程中，0 游程数和 1 游程数大致相等。3）随机序列的自相关函数具有类似于白噪声自相关函数的性质。伪随机序列具有类似随机序列的性质，但它的结构或形式预先可以确定，并且可以重复的产生和复制。

在直扩系统中，常见的扩频码有 m 序列、M序列、Gold 序列等。这几种序列都具有前面提到的伪随机码特性。而由于 m 序列易于产生、规律性强、有许多优良的特性，在各种扩频码中最早得到广泛应用，且理论研究最深入。m 序列，是最长线性移位寄存器序列的简称。顾名思义，它是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。线性反馈移位寄存器的结构图如图 2 所示。在二进制移位寄存器中，若为 n 级数，则所能产生的最大长度的码序列为 2n-1 位。因此，m 序列的最大长度决定于移位寄存器的级数，而码的结构决定于反馈抽头的位置和数量。

m 序列有下列一些基本性质：1）m 序列中一个周期内 1 的数目比 0 的数目多 1 位。2）一般来说，m 序列中长为 R（1 ≤ R ≤ n-2 ）的游程数占游程总数的 1/2R 。3）m 序列的自相关函数由下式计算：（其中 A 为 0 的位数，D 为 1 的位数）令 p ＝ A ＋ D ＝ 2n-1，则：从公式可以看出，m 序列具有双值自相关函数特性。4）m 序列和其移位后的序列逐位模二相加，所得的序列还是 m 序列，只是相移不同而已。5）m 序列发生器中移位寄存器的各种状态，除全 0 状态外，其他状态只在 m 序列中出现一次。

由于 m 序列具有均衡性、游程的分布、自相关特性与随机序列的基本性质相同，且 m 序列具有一定的随机性和一定的周期性，故它是一种伪随机序列。由非线性反馈移位寄存器产生的周期最长的序列简称为 M 序列。非线性移位寄存器的结构如图 3 所示。由 n 级非线性反馈移位寄存器产生的 M 序列的长度为 2n 。在实际中，M 序列是由m 序列（n-1）个“0”后面加一个“0”而构成的Gold 序列是 m 序列的组合码，它是由同步时钟控制的两个 m 序列逐位模 2 加得到的。这两个码发生器的周期相同，速率也相同，因而二者保持一定的相位关系，这样产生的组合码与这两个子码序列是相同的。当改变两个 m 序列的相对位移时，又会得到一新的 Gold 码。

5 结束语

扩频通信以其较强的抗干扰、抗衰落、抗多径性能而成为第三代通信的核心技术，这种技术有着广阔的发展前景。随着越来越广泛的应用和研究，新技术将会不断涌现。