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现代通信技术进展 第二讲：扩频通信技术 1 概述 扩展频谱通信的基本概念 扩展频谱通信模型 扩展频谱系统抗干扰性能分析 1.1 扩展频谱通信的基本概念 扩展频谱通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，再利用一定手段将其压缩，从而获取传输信息的通信系统。 在传输同样信息时所需的射频带宽，远比我们已熟知的各种调制方式要求的带宽要宽得多。扩频带宽至少是信息带宽的几十至 几万倍。 信息已不再是决定调制信号带宽的一个重要因素，调制信号的带宽主要由扩频函数来决定。 扩展频谱系统必须满足以下两条准则： （1） 传输带宽远远大于被传送的原始信息的带宽； （2） 传输带宽主要由扩频函数决定，扩频函数常用伪随机编码信号。 我们已熟知的各种调制方式，如调幅、调频，数字调制中FSK、PSK、QAM和MSK等都不属于扩展频谱系统的范畴。 以伪随机码序列作扩频函数的直接序列扩展频谱通信为例来研究扩频系统原理。 二进制数字信号 与一个高速率的二进制伪随机码 相乘，得到复合信号 一般伪随机码的速率是Mb/s的量级，有的甚至达到几百Mb/s。而待传信息流 经编码器编码后的码速率较低，数字话音信号一般为 32～ 64 kbps，这就扩展了信息的速率。 扩频后的复合信号对载波调制（直接序列扩频一般用BPSK调制）后，通过发射机和天线送入信道中传输。 的射频带宽取决于伪随机码 的码速率。在BPSK情况下等于伪随机码速率的2倍，而与数字信息流的码速率几乎无关。 以上处理过程就达到了扩展数字信息流频谱的目的。 在接收端用一个和发射端同步的伪随机码 所调制的本地振荡信号，与接收到的信号进行相关处理。相关处理是将两个信号相乘，然后求其数学期望或求两个信号瞬时值相乘的积分。 当两个信号完全相同时（或相关性很好），得到最大的相关峰值，经数据检测器恢复发射端的信号为 。 若信道中存在着干扰，这些干扰包括窄带干扰、单频干扰、多径干扰或码分多址信号。它们和有用信号同时进入接收机。由于窄带噪声和多径干扰与本地扩频信号不相关，故在相关处理中被削弱，也就是干扰信号的能量被扩展到整个扩频带宽内，降低了干扰电平，相关器后的基带滤波器只输出基带信号和处在滤波器通带内的那部分干扰和噪声，这样就大大改善了系统的输出信噪比。 几种典型的噪声 由上面对扩频通信系统的定性讨论中，我们知道了现代扩频通信系统从部件或框图上看，没有什么新东西。它与常规通信系统相比，发射端增加了一个高速率的伪随机码，并与数字信号实现波形相乘，接收端增加了一个本地扩频码，与接收到的信号进行一次相关解扩。 经过这些处理，扩频系统就比常规的通信系统具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的能力。此外还具有信息隐蔽、低的空间无线电波“通量密度”及多址必威体育官网网址通信等优点。 扩展频谱技术的理论基础可用Shannon信道容量公式来描述， 该公式表明，在高斯信道中当传输系统的信号噪声功率比S／N下降时，可用增加系统传输带宽的办法来保持信道容量C不变。对于任意给定的信号噪声功率比，可以用增大传输带宽来获得较低的信息差错率。 扩展频谱技术正是利用这一原理，用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽。扩频通信系统的带宽比常规通信体制大几百倍至几千倍，故在相同的信噪比条件下，具有较强的抗噪声干扰的能力。 Shannon还指出：在高斯噪声的干扰下，在限平均功率的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。这是因为高斯白噪声信号具有理想的自相关特性，白噪声的自相关函数具有 函数的特点，说明它具有尖锐的自相关特性。 但是对于白噪声信号的产生、加工和复制至今仍存在着许多技术困难．然而人们已经找到了一些易于产生又便于加工和控制的伪噪声序列，它们的统计特性逼近于高斯白噪声的统计特性。 早在50年代，哈尔凯维奇就从理论上证明：要克服多径衰落干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式也应该是具有白噪声统计特性的信号形式。 扩频函数（伪码）逼近白噪声的统计特性，因而扩频通信又具有抗多径干扰的能力。 扩展频谱通信系统按其工作方式可以分为下列几种： （l）直接序列扩展频谱系统（DS－SS）：前面讨论过的扩频通信，就是直接序列扩频系统。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。 直接序列扩频 扩频码 （2）跳频扩频系统（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。跳变系统可以随机