淺析擴頻通訊的原理及運用

韓維敏

摘 要：擴頻通信是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬，具有較強的抗干擾能力和較好的保密性能，近年來隨著移動通信技術發展，擴頻通信已經成為第三代各領域通信系統的核心技術之一。本文闡述了擴頻通訊原理及運用。

關鍵詞：擴頻；原理；運用

擴頻技術到目前為止，其最主要的兩個應用領域仍是軍事抗干擾通信和移動通信系統，而跳頻系統與直擴系統則分別是在這兩個領域應用最多的擴頻方式。一般而言，跳頻系統主要在軍事通信中對抗故意干擾，在衛星通信中也用于保密通信，而直擴系統則主要是一種民用技術。

1 擴頻通信簡介

擴頻通信是將待傳的信息數據被擴頻序列編碼調制，實現頻譜擴展后再傳輸；接收端采用同樣的編碼進行解調及相關處理，恢復原始數據。擴頻通信系統發端簡化為調制和擴頻，收端簡化為解和解調，收發端兩側各有一個完全相同的偽隨機碼發生器，要求收發端的PN碼精確同步，系統的其他環節合并到信道中。擴頻通信從電磁波角度來看，是與一般現有的常規方法完全不同的。常規的通信是在頻段上細分或時間上細分給通信用戶，彼此互不干擾的分別使用。而擴頻通信用偽隨機編碼把基帶信號的頻譜進行擴展，形成相當帶寬的低功率譜密度信號發射。使用不同的偽隨機編碼，不同通信用戶可在同一頻段、同一時間工作，互相影響極小。因此，擴頻通信在調制、解調上也與眾不同。信息數據經通常的數據調制后變成帶寬為B1的信號，用擴頻序列發生器產生的偽隨機編碼去對數字頻帶信號作擴頻調制，形成帶寬為B2（B2>>B1），功率譜密度極低的擴頻信號發射。眾多的通信用戶，使用各自不同的偽隨機編碼，可以同時使用帶寬為B2 的同一頻帶。在接收端，首先使用與擴頻信號發送者相同的偽隨機編碼作擴頻解調處理，把帶寬信號恢復成通常的數字頻帶信號，再使用通常的通信處理手段解調出發送來的信息數據。顯然，若接收端不知道發送的擴頻信號所使用的偽隨機編碼時，要進行擴頻調制是非常困難的甚至是不可能的。這就實現了信息數據的保密通信。如果接收端用某一偽隨機編碼在接收某一發送來的信號時，通信信道中的另一些偽隨機編碼調制的擴頻信號不能在該接收端的擴頻解調處理器中形成明顯的信號輸出，即不會對接收端的擴頻處理形成干擾或干擾極小。這樣，接收端使用不同發送者使用的不同偽隨機編碼作擴頻解調，就可得到不同發送者發送來的信息數據，實現多用戶（多址）通信。

2 擴頻通信技術的應用研究

碼捕獲同步的實現是直擴系統中一個關鍵問題。只有在接收機將本地產生的偽碼和接收信號中調制信息的偽碼實現同步以后，才有可能實現直序擴頻通信的各種優點。同步過程分為兩步來實現：首先是捕獲階段，實現對接收信號中偽碼的粗跟蹤；然后是跟蹤階段，實現對偽碼的精確跟蹤。目前的研究主要集中在碼捕獲過程。目前對碼捕獲的研究主要集中在對周期較長的碼實現捕獲的問題，也就是快速捕獲的問題。以前采用的主要是串行捕獲方法，這種方案實現簡單，但捕獲速度不能滿足要求。而現在大規模集成電路的應用使并行捕獲方案成為可能，但系統的復雜度很高，因此研究的目標就是實現碼捕獲時間性能和系統復雜度之間的折衷。在串行捕獲方案中，雙停頓時間搜索法和序貫檢測法都是縮短捕獲時間的有效方法，利用一些新的搜索算法進一步改進這些系統的性能成為研究的熱點。

在解擴的方法上，解擴主要有相干和非相干兩種方式，非相干解擴適合于信噪比低的情況，它不需要載波同步即可進行解擴，消除殘余載波對數據解調的影響在解擴后進行，此時的信噪比較高，載波解調易于進行，而相干解擴，是在載波相位鎖定后進行解擴處理，要求精確載波相位同步，適合于信噪比較高的情況。解調的方法主要針對不同的調制方式，總的來說，有非相干解調和相干解調兩種，在某些場合利用非相干解調的主要原因是其解調電路簡單，在解調需要硬件電路實現的時代，有其存在的理由，其不足之處是存在門限效應。對軟件無線電的解調，一般都是采用相干解調的方法，其模型一般均采用正交模型，因為從理論上講，其對所有的正交調制的信號都可進行解調。對于QPSK信號，一般采用正交相干檢測和正交差分檢測兩種方法，雖然在相同誤比特率的情況下，相干檢測比差分檢測有 2db左右的好處，但差分檢測無須載波恢復及相位跟蹤，且回避了低采樣率下數字鎖相的困難，因而計算量小的多。有一種全數字差分解調的方案，此方案屬純軟件方式，且運算量小，速度快。對于相干檢測提取載波的方法主要有平方環法和costas環法。DSSS-QPSK信號相干載波的全數字costas環提取方法，這種方法易于軟件實現，對數字化軟件鎖相有好的借鑒作用。在載波相位同步和位同步上，還有一種基于最大似然算法，但這種算法需要處理大量的采樣數據后才能得出所需參數的估計值，無法進行時實的估計，且算法步驟復雜，具體實現難度大。

3 直接序列擴頻通信系統的工作原理

直接序列擴頻通信系統是以直接擴頻方式構成的擴頻通信系統，通常簡稱為（DS）系統，是最典型的擴頻通信系統。直接擴頻系統將數據信息A輸入，經過信息調制變成了寬度為B1的調頻或調相的信號，再由偽隨機擴頻序列調制成帶寬為B2的帶寬信號發射。接收機接收到發射信號后，首先通過捕捉發送來的偽隨機擴頻序列的準確相位，由此產生與發送來的偽隨機擴頻序列相位完全一致并用于接收用的PN碼，作為解擴本地信號，以便恢復為窄帶信號，以便估計發送來的信息數據A，便完成了接收。

4 偽隨機編碼

在擴頻通信系統中，信號頻譜的擴展是通過擴頻碼實現的。擴頻系統的性能和擴頻碼的性能有很大關系。從理論上說，用純隨機序列去擴展信號頻譜是最理想的。但在接收機中為了解擴應當有一個同發射端擴頻碼同步的副本。因此，在實際中，我們只能用偽隨機或偽噪聲（PN）序列作擴頻碼。偽隨機序列具有類似噪聲的性質，但它又是周期的有規律的，既易于產生，又可以加工和復制的序列。在直擴系統中，常見的擴頻碼有m序列、M序列、Gold序列等。由于m序列易于產生、規律性強、有許多優良的特性，在各種擴頻碼中最早得到廣泛應用，且理論研究最深入。m序列，是最長線性移位寄存器序列的簡稱。在二進制移位寄存器中，若為n級數，則所能產生的最大長度的碼序列為2n-1位。因此，m序列的最大長度決定于移位寄存器的級數，而碼的結構決定于反饋抽頭的位置和數量。由于m序列具有均衡性、游程的分布、自相關特性與隨機序列的基本性質相同，且m序列具有一定的隨機性和一定的周期性，故它是一種偽隨機序列。由n級非線性反饋移位寄存器產生的M序列的長度為2n。在實際中，M序列是由m序列（n-1）個“0”后面加一個“0”而構成的Gold序列是m序列的組合碼，它是由同步時鐘控制的兩個m序列逐位模2加得到的。這兩個碼發生器的周期相同，速率也相同，因而二者保持一定的相位關系，這樣產生的組合碼與這兩個子碼序列是相同的。當改變兩個m序列的相對位移時，又會得到一新的Gold碼。

結束語

擴頻通信以其較強的抗干擾、抗衰落、抗多徑性能而成為第三代通信的核心技術，這種技術有著廣闊的發展前景。隨著越來越廣泛的應用和研究，新技術將會不斷涌現。■

參考文獻

[1]劉平.擴頻通信系統及其應用[M].北京：電子工業出版社.

[2]馬超群擴頻通信系統原理與設計[M].北京：郵電出版社.

[3]何正江.擴頻通信系統器及其裝置[M].北京：電子科技大學出版社.