无线扩频通信技术及其应用

 
一、 无线扩频通信技术简介

1、无线扩频通信技术简介

　　扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)技术(以下简称扩频通信)，早在第二次世界大战期间就已提出，其发展也基本上是在军事领域随着电子对抗发展起来的。

　　随着无线通信的广泛应用，无线频道变得非常拥挤，频道资非常源紧张，干扰繁多、严重。由于扩频通信技术有很多优点可以克服这些问题，并且可以提供更高的保密技术，因此，从80年代末，美国联邦通信委员会（FCC）规划了ISM波段并批准扩频通信使用该频段来，扩频通信技术得到了快速的发展和广泛的应用。

2、扩频通信技术基本原理

　　扩频通信的理论基础是仙农定理：C=W Log 2 (1+S / N )

　　式中: C---信道容量，W---传输带宽，S / N ---信号功率/噪声功率

　　由此可得：在信息速率一定时，可以用不同的信号带宽和相应的信噪比来实现传输，即信号带宽越宽则传信噪比可以越低，甚至在信号被噪声淹没的情况下也可以实现可靠通信。因此，将信号的频谱扩展，则可以实现低信噪比传输，并且可以保证信号传输有较好的抗扰干性和较高的保密性。

　　目前常用的扩频通信实现方法主要有: 直接序列扩频( Direct Sequence Spread Spectrum)、跳频(Frequency Hopping)、跳时(Time Hopping)、宽带线性调频(Chip Modulation)等方式。以上方法中最常用的是直接序列扩频和跳频。

　　直接序列扩频技术

　　直序扩频使用伪随机码（PN Code）对信息比特进行模2加得到扩频序列，然后扩频序列去调制载波发射，由于PN码往往比较长，因此发射信号在比较低的功率上可以占用很宽的功率谱，即宽带低信噪比传输。PN码的长度决定了扩频系统的扩频增益，而扩频增益又反映了一个扩频系统的性能。

　　直序扩频系统的解扩采用相关解扩，这是它与常规无线通信解调方式的根本不同。在接收端，接收信号经过放大混频后，经过与发射端相同且同步的PN码进行相关解扩，把扩频信号恢复出窄带信号，再对窄带信号进行相干解调解出原始信息序列。

　　用11位码长的扩频码来说，直接序列扩频与解扩的过程简单说就是，如果采用的信源发出“1”，则扩频调制为一个序列单元，如“11100010010”；信 源发出“0”，则扩频调制为一个反相的序列单元，如与上面对应的反相序列“00011101101”。在接收端，收到序列“11100010010”则恢复为“1”，收到序列“00011101101”则恢复为“0”。

其原理框图如下：



直序扩频技术的有点在于：

　　?抗干扰能力强

　　扩频解调器实际上是一个相关器，扩频信号通过相关器后能有效的恢复，干扰信号(包括瞄准性干扰和宽带干扰)，由于与本地PN码不相关而被相关器抑制掉。如下图所示：



图1.3-1 扩频系统的抗瞄准性干扰能力 图1.3-2 扩频系统的抗宽带干扰能力

　　具有强的抗多径干扰能力

　　无线电波在传播的过程中，除了直接到达接收天线的直射信号外，还会有各种反射体(如大气对流层、建筑物、高山、树木、水面、地面)等引起的反射和折射信号被接收天线接收。反射和折射信号的传播时间比直射信号长，它对直射信号产生的干扰称为多径干扰。多径干扰会造成通信系统的严重衰落甚至无法工作。由扩频序列的自相关函数的特性知道，当两个接收信号序列相对时间超过码元宽度时，相关器输出只为码长的倒数，故被很大程度的抑制掉。

　　直序扩频技术还一有一种更先进的接收技术，叫RAKE接收技术，它可以实现多径分集接收。即将各种路径来的信号，包括直接、折射、反射绕射信号解扩后在相位上根据峰值校齐并进行叠加，使信号强度更高，不仅避免了多径干扰还增强了接收信号强度。但是RAKE接收技术的实现比较复杂且昂贵。

　　对其它电台干扰小，抗截获能力强

　　由于信息信号经过扩频调制后频谱被大大扩展，使信号的功率谱密度大大降低, 接收端接收到的信号谱密度比接收机噪声低，即信号完全淹没在噪声中，这样对其它 同频段电台的接收不会形成干扰，信号也就不容易被发现，进一步检测出信号就更难，所以有非常高的隐蔽性，非常适合保密通信，特别适合应用于军事领域的通信。正因为有此特点，FCC规定使用扩频通信机不必申请专用频率。

　　可以同频工作

　　由于采用相关解调，只要每部通信机的扩频码(PN)不同，几部通信机就可以使用同一载频而不会有相互干扰，只是增加多一点背景噪声而已。

…便于实现多址通信

　　由于不同的扩频码是正交或接近正交的，彼此相互影响很小，所以可以把不同的 扩频码作为用户的地址码，则很容易实现码分多址(CDMA)通信。移动通信系统采用 CDMA方式，理论上可以使通信容量比目前的蜂窝式通信容量提20倍。

　　跳频扩频通信技术

　　另一种常用的扩频技术是跳频扩频，其实现方法是载频信号以一定的速度和顺序，在多个频率点上跳变传递，接收端以相应的速度和顺序接收并解调。这个预先设定的频率跳变的序列就是PN码。在PN码的控制下，收发双方按照设定的序列在不同的频点上进行通信。由于系统的工作频率在不停的跳变，在每个频率点上停留的时间仅为毫秒或微秒级，因此在一个相对的时间段内，就可以看作在一个宽的频段内分布了传输信号，也就是宽带传输。

　　跳频通信系统的频率跳频速度反映了系统的性能，好的跳频系统每秒的跳频次数可以达到上万跳。

　　跳频通信系统在每个跳频点上的瞬时通信实际上还是窄带通信。

参见原理框图如下所示：



　　其中，跳频通信的关键部件是跳频器，它又频率合成器和跳频指令发生器两部分组成。频率合成器受跳频指令发生器的控制产生跳变的载频信号去调制信号或解调信号。跳频序列的同步是跳频通信的核心技术。

　　跳频扩频技术的有点在于：

　　?抗干扰能力强

　　由于在实际通信中，通信频率一直是变化不定的，控制跳频的PN码序列其周期可以长达数年，跳变的频率可以达到成千上万个，因此对于干扰信号来说基本上不可能捕捉到传输信号，对于固定频率干扰也可以跳变一个频点避开。相对于直序扩频，跳频技术具有更好的保密性和抗干扰性能。

　　由于跳频通信本身也是属于宽带传输，按照仙农定理，它也可以实现低信噪比传输，即信号可以淹没在噪声里传输。

　　系统兼容性

　　兼容性是指，跳频通信系统可以与一个不跳频的定频再带通信系统在莫个固定频点上进行通信。也可以在定频通信电台上增加跳频模块使其具有跳频通信能力而与跳频电台进行通信。

　　便于实现多址通信

　　应用跳频通信可以很容易地组建一个多址网络，网络内的各个用户都被分配了一个互不相同的地址码，就象电话号码一样。每个用户只能接收其他用户针对其地址码发送来的信息，对发送给其他用户的信息，则不会解调出来。

　　直序扩频技术与跳频扩频技术的简单比较



　　扩频技术 直序扩频 跳频扩频

　　应用 同样发射功率通信距离远，较低输出功率就可以达到几十公里，民用产品比较丰富。 同样发射功率时传输距离相对较近，提高输出功率可以获得比较远的传输距离。

　　优点 抗多径能力强，可以保证长距离通信，传输数据速率高。抗截获能力强，保密性好，通常不会对其他通信设备造成干扰。 抗干扰能力最强。频谱利用率稍高。

　　缺点 占用频率资比较多。可以频率复用，但是相邻系统的背景噪声提高。 在近距离时，对其他窄带和直序扩频通信设备有干扰。数据速率相对低。跳速低时容易被跟踪并干扰。

　　由以上比较可以看出，跳频通信技术具有比较强的抗干扰能力，是特别适合于军事领域的通信手段。正是它的独特的优点使得它符合了现代信息战争中电子对抗的需求，因此在现代军事通信中成为重要的通信手段。在海湾战争中，多国部队就大量的使用了采用跳频通信技术的通信设备。

　　目前，跳频系统跳速基本水平是：短波电台-100跳/秒，超短波电台-500跳/秒。每秒数千跳的扩频电台也已经问世，预计未来十年，跳频电台的发展可以达到每秒几万甚至几十万，上百万跳。目前，跳频系统的同步时间基本在几百毫秒的水平，今后也必将越来越短。同步时间越短，信息被地方发现、截获和测向的概率越低　　通信的保密性、隐蔽性越好。

　　当然通信干扰与反干扰是一对矛盾，互相制约又互相促进发展。

　　跳频通信可以有效的避开单频干扰和多频干扰，但是现在电子对抗中的跟踪干扰是它的“天敌”，跟踪干扰的步骤是：侦听、处理、施放干扰。当本方截获到地方的跳频序列后，迅速以同样的跳频序列施放干扰，由于跳频序列相同，预先设定的跳频序列就无法实现正常通信，这时只有通过转换跳频序列才能恢复通信，但是又会被从新跟踪并干扰。因此只有提高系统性能，提高跳频速度，防止被敌方侦听到跳频序列，才能达到反侦听目的，这又促进了研究更高速的跳频设备的竞赛。

　　由于受到技术条件、元器件技术的限制，跳频速度也不可能不限制提高，今后的跳频通信应该会是跳频和直序扩频技术的综合，或者跳频直序扩频、跳时技术的综合。

　　二、 无线扩频通信技术的应用

　　扩频通信技术的发展和应用，为现代信息技术的发展提供了优质的无线传输手段。现代信息的技术发展需要高效率、高质量的传输手段来传输大量数据，就无线传输方式来说，传统的窄带微波传输由于抗干扰性，保密性，可靠性，频率占用、传输带宽等多方面的问题，已经很难适应现代信息技术的要求。而扩频通信技术的发展和应用及时有效的为这个问题提供了解决手段。

　　现代通信的新领域，数字蜂窝移动通信，专用网络通信，室内无线通信，CDMA移动通信，无线局域网，无线广域网，“蓝牙”（短距离高速、互通式信息传输）传输技术都是基于扩频通信体制的通信方式。

　　扩频通信为人们提供了简洁、快捷、安全、经济的通信手段，不仅可以提供大容量的干线传输，还可以提供简单便捷的小容量接入。因此，不仅可以作为主传输通道，也可以作为有线干线的备份，还可以实现无线办公室。由于无线扩频通信技术具有十分显著的优越性，极大的推动了该技术及其产品在军用、民用领域的发展和应用。目前，应用了扩频通信技术的通用产品主要有两类，一是专门数据传输的扩频无线调制解调器，二是专门提供无线网络连接的无线网桥、无线网卡、无线路由器。

　　其中无线调制解调器能够提供透明的数据通道，根据需要配置终端设备，可以支持多种数据业务，如，话音、数据、网络、图象等。由于技术原因限制，还不能实现真正的话音点对多点业务，基本上都是依赖系统的叠加来实现。对于单独的数据业务或网络连接，如果数据延时没有特别严格的要求，可以采用轮询方式传输。无线网络类产品，又基本可以分为两类，一类是基于802.11无线网络协议标准的无线网络产品，另一类是基于各自厂商的传输标准的无线网桥或无线路由器。它们都提供了高速的无线网络连接，可以广泛的应用于点对点或点对多点无线局域网、无线广域网连接或宽带无线接入。

　　随着现代网络技术的发展和广泛应用，网络已经成为通信技术的重要应用领域，各种通信业务也都逐渐趋向于借助网络平台上实现。现在IP电话技术已经比较成熟，也得到了广泛的应用，其传输质量也得到了好评。IP图象传输系统也由于传输效果比较好，设备简单，使用方便，已经得到了广泛的应用。因此，现代的网络技术为话音、数据、图象的综合业务提供了良好的平台。在此基础上，借助无线网络技术构建移动网络平台，便可以实现一种新的移动话音、数据、图象传输系统。这种移动的网络平台可以提供移动工作条件下的快速、灵活建立和应用，可以根据需要建立在节点限制数量内的任意点数之间的通信，还可以根据需要将网络设置成为无中心的网状工作模式，这种无中心的模式为战争、自然灾害（水灾、地震等）的工作需要提供了最好的支持。

　　无线网络产品是扩频通信技术在数据通信领域一个典型应用，充分发挥了扩频通信技术的各种优越性，为现代网络技术的广泛应用提供了更灵活、多样的解决手段。随着网络技术的发展和进一步应用，移动无线网络，漫游无线接入必将成为现实，话音、数据、图象的多业务移动应用也将得到巨大的发展和应用，这又将极大的促进扩频通信技术的快速发展。