一、 擴頻技術簡介

　　擴展頻譜通信Ｓｐｒｅａｄ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ簡稱擴頻通信，其特點是傳輸信息所用的帶寬遠大于信息本身帶寬。擴頻通信研究始于二次世界大戰末，鑒于技術復雜，價格昂貴、相關學科綜合要求很高等原因，直到８０年代末期，才逐漸進入實用階段。

　　擴譜技術的基本理論根據是信息論中的香農（Ｓｈａｎｎｏｎ）公式，它可以表示為：

　　Ｃ＝Ｗｌｏｇ２１＋Ｓ／Ｎ（１）

　　式中，Ｃ是信道容量（ｂｉｔ／ｓ），Ｗ是信道帶寬，Ｓ是信號功率，Ｎ是噪聲功率。

　　考慮到通信環境中Ｓ／Ｎ＜＜１的典型情況，再通過對（１）式進行若干數學變換，可得近似表達式（２）。

　　Ｗ＝ＣＮ／Ｓ２

　　由２式可以看出，對任意給定的噪聲信號比，只要增加用于傳輸信息的帶寬，理論上就可以增加在信道中無誤差地傳輸的信息率。對一個給定的信道容量而言，既可以用增大信道帶寬同時相應降低信噪比的辦法達到，又可以用減小信道帶寬同時相應增大信噪比的辦法實現。如果信道容量Ｃ不變，則帶寬Ｗ和信噪比Ｓ／Ｎ是可以互換的，就是說增加帶寬就可以在較低的信噪比的情況下以相同的信息率來可靠的傳輸信息，甚至在信號被噪聲淹沒的情況下，只要相應的增加信號帶寬，仍然保持可靠的通信，也就是可以用擴頻方法以寬帶傳輸信息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。

　　擴頻通信與一般的無線電通信系統相比，主要是在發射端增加了擴頻調制，而在接收端增加了擴頻解調的過程。在發射端利用一組速率遠高于信號速率的偽隨機噪聲碼（Ｐｓｅｕｄｏ Ｎｏｉｓｅ Ｃｏｄｅ簡稱ＰＮ碼）對原信號碼進行擴頻調制，一般是將信號擴展至幾兆寬的頻帶上，然后將擴頻后的信息調制到空間傳輸的載頻上進行發送，通常發射的載頻是千兆的數量級，在接收端經解調后，利用相同的ＰＮ碼進行解擴，把鋪開的信號能量從寬帶上收攏回來，凡與ＰＮ碼相關的寬帶信號經解調還原為原來的窄帶信號，而其它與ＰＮ碼不相關的寬帶噪聲仍維持寬帶，解調后的窄帶信號再經窄帶濾波后，分離出有用信號，而大部分噪聲信號則被濾掉，這樣使信噪比得以極大的提高，誤碼率大大降低。

　　擴頻通信系統按其工作方式可分為下列幾種：

　　１直接序列擴頻系統Ｄｉｒｅｃｔ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ Ｓｐｒｅａｄ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ簡稱ＤＳ－ＳＳ。它是由于待傳信息信號與高速率的偽隨機碼波形相乘后，去直接控制射頻信號的某個參量，擴展了傳輸帶寬而得名的。

　　２跳頻擴頻系統Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｈｏｐｐｉｎｇ簡稱ＦＨ－ＳＳ。數字信息與二進制偽碼序列模二相加后，去離散地控制射頻載波振蕩器的輸出頻率，使發射信號的頻率隨偽碼的變化而跳變。

　　３跳時擴頻系統Ｔｉｍｅ Ｈｏｐｐｉｎｇ簡稱ＴＨ－ＳＳ。跳時是用偽碼序列來啟閉信號的發射時刻和持續時間。發射信號的“有”、“無”同偽碼序列一樣是偽隨機的。跳時一般和跳頻結合起來使用。兩者一起構成一種“時頻跳變”系統。

　　４線性調頻Ｃｈｉｒｐ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ。射頻脈沖信號在一個周期內，其載頻的頻率作線性變化。

　　此外，還有這些擴頻方式的組合方式，如ＦＨ／ＤＳ、ＴＨ／ＤＳ、ＦＨ／ＴＨ等。一般采用混合方式看起來在技術上要求復雜一些，實現起來也要困難一些，但它們比單一的直擴、跳頻、跳時體制具有更優良的性能。

　　直接序列擴頻（ＤＳ）和跳頻技術（ＦＨ）是在擴頻通信中應用最廣的兩種技術。

　　二、擴頻通信的主要特點

　　擴頻通信技術在發端以擴頻編碼進行擴頻調制，在收端以相關解調技術收信，這一過程使其具有諸多優良特性：

　　１．抗干擾性能好

　　它具有極強的抗人為寬帶干擾、窄帶瞄準式干擾、中繼轉發式干擾的能力，有利于電子反對抗。如果再采用自適應對消、自適應天線、自適應濾波，可以使多徑干擾消除，這對軍用和民用移動通信是很有利的。

　　２．隱蔽性強 干擾小

　　因信號在很寬的頻帶上被擴展，則單位帶寬上的功率很小，即信號功率譜密度很低。信號淹沒在白噪聲之中，別人難于發現信號的存在，再加之不知擴頻編碼，就更難拾取有用信號。而極低的功率譜密度，也很少對其他電訊設備構成干擾。擴頻通信技術把被傳送的信號帶寬展寬，從而降低了系統在單位頻寬內的電波“通量密度”，這對空間通信大有好處。國際無線電咨詢委員會及國際電信聯盟規定了空間通信系統在地面上產生“通量密度”的國際標準，以防止對地面通信的干擾。例如規定在Ｓ波段內每４ｋＨｚ頻帶內“通量密度”為—１５４ｄＢ／ｍ２。

　　３．易于實現碼分多址

　　擴頻通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能力，是否浪費了頻譜資源呢其實正相反，是提高了頻帶的利用率。正是由于擴頻通信要用擴頻編碼進行擴頻調制發送，而信號接收需要用相同的擴頻編碼之間的相關解擴才能得到，這就給頻率復用和多址通信提供了基礎。充分利用不同碼型的擴頻編碼之間的相關特性，分配給不同用戶不同的擴頻編碼，就可以區別不同的用戶的信號，眾多用戶，只要配對使用自己的擴頻編碼，就可以互不干擾地同時使用同一頻率通信，從而實現了頻率復用，使擁擠的頻譜得到充分利用。

　　常規的無線通信是在頻率上分配稱為頻分或從時間上分配?稱為時分給通信用戶，使之在頻段上或時間上互不相同，以使彼此互不干擾共用頻譜資源。擴頻通信是以各用戶使用不同的擴頻編碼來共用同一頻率。美國國家航空和航天管理局ＮＡＳＡ的技術報告指出：采用擴頻通信多址方式的頻譜利用率高于采用頻分多址方式的頻譜利用率。而且擴頻碼分多址還易于解決增加新用戶的問題。

　　三、干擾問題

　　通常在衡量擴展頻譜系統抗干擾能力優劣時我們引入“處理增益”（ＧＰ， Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｇａｉｎ）的概念來描述，其定義為接收機解擴（跳）器輸出信噪功率比與接收機的輸入信噪比之比。即

　　Ｇ＝３

　　它表示經擴頻接收系統處理后，使信號增強的同時抑制輸入接收機的干擾信號能力的大小。越大，則抗干擾能力愈強。因此討論擴頻系統抗干擾能力，就要分析它的處理增益。換句話說，處理增益的物理意義表明采用擴展頻譜技術后，該系統接收信號的信噪比在相關處理后與相關處理前的數值差異。根據香農定理，在保持信息容量不變時，可以把系統輸入與輸出信號噪聲功率之比，轉換為系統擴頻帶寬（ＢＲＦ）與信息帶寬（Ｂｂ）之比，或換為偽碼速率（Ｒｃ）與信息速率（Ｒｂ）之比。用數學表示式表示為：

　　Ｇ＝＝４

　　工程上可按下面式子計算對于ＤＳ（直擴）系統

　　ＧｐｄＢ＝１０ｌｇＢＲＦ／ＲｄＢ５

　　Ｒ為信號數據的速率；ＢＲＦ為信號的射頻帶寬，Ｈｚ。

　　對ＢＰＳＫ，ＱＰＳＫ，ＯＱＰＳＫ，ＰＡＭ調制，ＢＲＦ＝０．８８ＲＣＲＣ為偽碼速率，ｃｈｉｐ ｒａｔｅ；或稱ＰＮ碼時鐘速率，ｃｏｄｅ ｃｌｏｃｋ ｒａｔｅ）；對典型的ＭＳＫ調制，ＢＲＦ＝０．６６Ｒｃ。

　　若沒有以上參數，可按ＧｐｄＢ＝１０ｌｇＰＮ碼長來估算。

　　對于ＦＨ（跳頻）系統，ＧｐｄＢ＝１０ｌｇＮｄＢ（不考慮相鄰跳躍頻率交叉干擾的情況下），Ｎ為跳躍頻率的總數。

　　擴展頻譜系統的處理增益的大小，決定了系統抗干擾能力的強弱。目前國外在工程上能實現的處理增益對ＤＳ—ＳＳ 可以達到７０ｄＢ。對ＦＨ—ＳＳ在工程應用上限制在４０～５０ｄＢ以內（相當于系統能提供１００００到１０００００個可使用的跳頻頻率）。

　　并不是說當干擾信號的功率電平與有用信號的功率電平之比，等于系統的處理增益時，相關處理后還能實現通信功能。例如，設系統處理增益為５０ｄＢ時，而輸入到接收機的干擾功率電平為信號電平的１０倍，即信噪比為—５０ｄＢ時，顯然此時系統就不能正常工作了。因此這里引入一個“干擾容限”的概念，用它來表示擴展頻譜系統在干擾環境中的工作能力。

　　干擾容限（Ｊａｍｍｉｎｇ Ｍａｒｇｉｎ）考慮了一個可用系統輸出信噪比的要求，而且顧及了系統內部信噪比損耗（包括：射頻濾波器的損耗，相關處理器的混頻損耗，放大器的信噪比損耗等）。因此干擾容限定義為?在滿足所需要的輸出信噪比或誤碼率不考慮系統的內部噪聲的條件下，接收機允許輸入干擾信號超過有用電平的值。

　　Ｍｊ＝Ｇｐ－Ｌｓｙｓ＋Ｓ／Ｎｏｕｔ ｄＢ（６）

　　式中：Ｍｊ為干擾容限；Ｇｐ為系統的處理增益；Ｌｓｙｓ為擴頻系統的內部損耗（解擴非線性造成的）；Ｓ／Ｎｏｕｔ為相關解擴輸出端（即基帶濾波器輸出）要求的信噪比。

　　例如，一個擴頻系統的處理增益為３５ｄＢ，要求進入基帶解調器的最小輸出信噪比Ｓ／Ｎｏｕｔ＝１０ｄＢ，系統損耗Ｌｓｙｓ＝３ｄＢ，其干擾容限為

　　Ｍ＝Ｇ－

　　＝３５－３＋１０＝２２ｄＢ７

　　這就是說擴頻系統的輸入干擾功率電平，最多只能比信號高２２ｄＢ條件下，系統才能正常工作。亦即具有３５ｄＢ處理增益的擴頻系統，在考慮保證基帶數字解調器要求有１０ｄＢ信噪比以及系統損耗為３ｄＢ的條件下，系統要正常工作的輸入信噪比應為－２２ｄＢ。

　　在實際工程應用中，擴頻接收機的相關解擴和解調器中的乘法器，達不到理想的線性要求，其非線性及碼元跟蹤誤差導致信噪比損失，且在輸入信噪比很低時存在門限效應。因此擴頻接收機實際上容許輸入的干擾與信號功率比，較干擾容限還要低。當實際的輸出Ｓ／Ｎ值比理論值下降１ｄＢ時，所對應的干擾信號與有用信號比值稱為干擾門限。應用上述判斷條件應注意接收機的干擾門限問題，當干擾信號與有用信號比值超過一定值時，實際的輸出Ｓ／Ｎ值急劇下降，與理論計算得出的值相比存在較大的差距。

　　若Ｐｉ－Ｐｓ＞Ｍｊ，則擴頻接收機將受到不可接受的干擾。