张辉耀
一、 扩频技术简介
扩展频谱通信Ｓｐｒｅａｄ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ简称扩频通信，其特点是传输信息所用的带宽远大于信息本身带宽。扩频通信研究始于二次世界大战末，鉴于技术复杂，价格昂贵、相关学科综合要求很高等原因，直到８０年代末期，才逐渐进入实用阶段。
扩谱技术的基本理论根据是信息论中的香农（Ｓｈａｎｎｏｎ）公式，它可以表示为：
Ｃ＝Ｗｌｏｇ２１＋Ｓ／Ｎ（１）
式中，Ｃ是信道容量（ｂｉｔ／ｓ），Ｗ是信道带宽，Ｓ是信号功率，Ｎ是噪声功率。
考虑到通信环境中Ｓ／Ｎ＜＜１的典型情况，再通过对（１）式进行若干数学变换，可得近似表达式（２）。
Ｗ＝ＣＮ／Ｓ２
由２式可以看出，对任意给定的噪声信号比，只要增加用于传输信息的带宽，理论上就可以增加在信道中无误差地传输的信息率。对一个给定的信道容量而言，既可以用增大信道带宽同时相应降低信噪比的办法达到，又可以用减小信道带宽同时相应增大信噪比的办法实现。如果信道容量Ｃ不变，则带宽Ｗ和信噪比Ｓ／Ｎ是可以互换的，就是说增加带宽就可以在较低的信噪比的情况下以相同的信息率来可靠的传输信息，甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号带宽，仍然保持可靠的通信，也就是可以用扩频方法以宽带传输信息来换取信噪比上的好处。这就是扩频通信的基本思想和理论依据。
扩频通信与一般的无线电通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接收端增加了扩频解调的过程。在发射端利用一组速率远高于信号速率的伪随机噪声码（Ｐｓｅｕｄｏ Ｎｏｉｓｅ Ｃｏｄｅ简称ＰＮ码）对原信号码进行扩频调制，一般是将信号扩展至几兆宽的频带上，然后将扩频后的信息调制到空间传输的载频上进行发送，通常发射的载频是千兆的数量级，在接收端经解调后，利用相同的ＰＮ码进行解扩，把铺开的信号能量从宽带上收拢回来，凡与ＰＮ码相关的宽带信号经解调还原为原来的窄带信号，而其它与ＰＮ码不相关的宽带噪声仍维持宽带，解调后的窄带信号再经窄带滤波后，分离出有用信号，而大部分噪声信号则被滤掉，这样使信噪比得以极大的提高，误码率大大降低。
扩频通信系统按其工作方式可分为下列几种：
１直接序列扩频系统Ｄｉｒｅｃｔ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ Ｓｐｒｅａｄ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ简称ＤＳ－ＳＳ。它是由于待传信息信号与高速率的伪随机码波形相乘后，去直接控制射频信号的某个参量，扩展了传输带宽而得名的。
２跳频扩频系统Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｈｏｐｐｉｎｇ简称ＦＨ－ＳＳ。数字信息与二进制伪码序列模二相加后，去离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪码的变化而跳变。
３跳时扩频系统Ｔｉｍｅ Ｈｏｐｐｉｎｇ简称ＴＨ－ＳＳ。跳时是用伪码序列来启闭信号的发射时刻和持续时间。发射信号的“有”、“无”同伪码序列一样是伪随机的。跳时一般和跳频结合起来使用。两者一起构成一种“时频跳变”系统。
４线性调频Ｃｈｉｒｐ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ。射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化。
此外，还有这些扩频方式的组合方式，如ＦＨ／ＤＳ、ＴＨ／ＤＳ、ＦＨ／ＴＨ等。一般采用混合方式看起来在技术上要求复杂一些，实现起来也要困难一些，但它们比单一的直扩、跳频、跳时体制具有更优良的性能。
直接序列扩频（ＤＳ）和跳频技术（ＦＨ）是在扩频通信中应用最广的两种技术。
二、扩频通信的主要特点
扩频通信技术在发端以扩频编码进行扩频调制，在收端以相关解调技术收信，这一过程使其具有诸多优良特性：
１．抗干扰性能好
它具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰的能力，有利于电子反对抗。如果再采用自适应对消、自适应天线、自适应滤波，可以使多径干扰消除，这对军用和民用移动通信是很有利的。
２．隐蔽性强 干扰小
因信号在很宽的频带上被扩展，则单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低。信号淹没在白噪声之中，别人难于发现信号的存在，再加之不知扩频编码，就更难拾取有用信号。而极低的功率谱密度，也很少对其他电讯设备构成干扰。扩频通信技术把被传送的信号带宽展宽，从而降低了系统在单位频宽内的电波“通量密度”，这对空间通信大有好处。国际无线电咨询委员会及国际电信联盟规定了空间通信系统在地面上产生“通量密度”的国际标准，以防止对地面通信的干扰。例如规定在Ｓ波段内每４ｋＨｚ频带内“通量密度”为—１５４ｄＢ／ｍ２。
３．易于实现码分多址
扩频通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，是否浪费了频谱资源呢其实正相反，是提高了频带的利用率。正是由于扩频通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码之间的相关解扩才能得到，这就给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性，分配给不同用户不同的扩频编码，就可以区别不同的用户的信号，众多用户，只要配对使用自己的扩频编码，就可以互不干扰地同时使用同一频率通信，从而实现了频率复用，使拥挤的频谱得到充分利用。
常规的无线通信是在频率上分配称为频分或从时间上分配?称为时分给通信用户，使之在频段上或时间上互不相同，以使彼此互不干扰共用频谱资源。扩频通信是以各用户使用不同的扩频编码来共用同一频率。美国国家航空和航天管理局ＮＡＳＡ的技术报告指出：采用扩频通信多址方式的频谱利用率高于采用频分多址方式的频谱利用率。而且扩频码分多址还易于解决增加新用户的问题。
三、干扰问题
通常在衡量扩展频谱系统抗干扰能力优劣时我们引入“处理增益”（ＧＰ， Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｇａｉｎ）的概念来描述，其定义为接收机解扩（跳）器输出信噪功率比与接收机的输入信噪比之比。即
Ｇ＝３
它表示经扩频接收系统处理后，使信号增强的同时抑制输入接收机的干扰信号能力的大小。越大，则抗干扰能力愈强。因此讨论扩频系统抗干扰能力，就要分析它的处理增益。换句话说，处理增益的物理意义表明采用扩展频谱技术后，该系统接收信号的信噪比在相关处理后与相关处理前的数值差异。根据香农定理，在保持信息容量不变时，可以把系统输入与输出信号噪声功率之比，转换为系统扩频带宽（ＢＲＦ）与信息带宽（Ｂｂ）之比，或换为伪码速率（Ｒｃ）与信息速率（Ｒｂ）之比。用数学表示式表示为：
Ｇ＝＝４
工程上可按下面式子计算对于ＤＳ（直扩）系统
ＧｐｄＢ＝１０ｌｇＢＲＦ／ＲｄＢ５
Ｒ为信号数据的速率；ＢＲＦ为信号的射频带宽，Ｈｚ。
对ＢＰＳＫ，ＱＰＳＫ，ＯＱＰＳＫ，ＰＡＭ调制，ＢＲＦ＝０．８８ＲＣＲＣ为伪码速率，ｃｈｉｐ ｒａｔｅ；或称ＰＮ码时钟速率，ｃｏｄｅ ｃｌｏｃｋ ｒａｔｅ）；对典型的ＭＳＫ调制，ＢＲＦ＝０．６６Ｒｃ。
若没有以上参数，可按ＧｐｄＢ＝１０ｌｇＰＮ码长来估算。
对于ＦＨ（跳频）系统，ＧｐｄＢ＝１０ｌｇＮｄＢ（不考虑相邻跳跃频率交叉干扰的情况下），Ｎ为跳跃频率的总数。
扩展频谱系统的处理增益的大小，决定了系统抗干扰能力的强弱。目前国外在工程上能实现的处理增益对ＤＳ—ＳＳ 可以达到７０ｄＢ。对ＦＨ—ＳＳ在工程应用上限制在４０～５０ｄＢ以内（相当于系统能提供１００００到１０００００个可使用的跳频频率）。
并不是说当干扰信号的功率电平与有用信号的功率电平之比，等于系统的处理增益时，相关处理后还能实现通信功能。例如，设系统处理增益为５０ｄＢ时，而输入到接收机的干扰功率电平为信号电平的１０倍，即信噪比为—５０ｄＢ时，显然此时系统就不能正常工作了。因此这里引入一个“干扰容限”的概念，用它来表示扩展频谱系统在干扰环境中的工作能力。
干扰容限（Ｊａｍｍｉｎｇ Ｍａｒｇｉｎ）考虑了一个可用系统输出信噪比的要求，而且顾及了系统内部信噪比损耗（包括：射频滤波器的损耗，相关处理器的混频损耗，放大器的信噪比损耗等）。因此干扰容限定义为?在满足所需要的输出信噪比或误码率不考虑系统的内部噪声的条件下，接收机允许输入干扰信号超过有用电平的值。
Ｍｊ＝Ｇｐ－Ｌｓｙｓ＋Ｓ／Ｎｏｕｔ ｄＢ（６）
式中：Ｍｊ为干扰容限；Ｇｐ为系统的处理增益；Ｌｓｙｓ为扩频系统的内部损耗（解扩非线性造成的）；Ｓ／Ｎｏｕｔ为相关解扩输出端（即基带滤波器输出）要求的信噪比。
例如，一个扩频系统的处理增益为３５ｄＢ，要求进入基带解调器的最小输出信噪比Ｓ／Ｎｏｕｔ＝１０ｄＢ，系统损耗Ｌｓｙｓ＝３ｄＢ，其干扰容限为
Ｍ＝Ｇ－
＝３５－３＋１０＝２２ｄＢ７
这就是说扩频系统的输入干扰功率电平，最多只能比信号高２２ｄＢ条件下，系统才能正常工作。亦即具有３５ｄＢ处理增益的扩频系统，在考虑保证基带数字解调器要求有１０ｄＢ信噪比以及系统损耗为３ｄＢ的条件下，系统要正常工作的输入信噪比应为－２２ｄＢ。
在实际工程应用中，扩频接收机的相关解扩和解调器中的乘法器，达不到理想的线性要求，其非线性及码元跟踪误差导致信噪比损失，且在输入信噪比很低时存在门限效应。因此扩频接收机实际上容许输入的干扰与信号功率比，较干扰容限还要低。当实际的输出Ｓ／Ｎ值比理论值下降１ｄＢ时，所对应的干扰信号与有用信号比值称为干扰门限。应用上述判断条件应注意接收机的干扰门限问题，当干扰信号与有用信号比值超过一定值时，实际的输出Ｓ／Ｎ值急剧下降，与理论计算得出的值相比存在较大的差距。
若Ｐｉ－Ｐｓ＞Ｍｊ，则扩频接收机将受到不可接受的干扰。
摘自《中国无线电管理》