扩频的益处

抗干扰和抗阻塞性能

扩频技术会带来诸多益处，抗干扰特性是其中最为重要的优势。因为干扰和阻塞信号不带有扩频因子，所以被抑制掉。解扩处理后，只有包含扩频因子的所希望的信号会出现在接收器内。如图5所示。

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如果干扰信号(窄带或宽带)不包括扩频因子，解扩后可忽略其影响。这种抑制能力同样也作用于其它不具有正确扩频因子的扩频信号，正是由于这一点，扩频通信允许不同用户共享同一频带(比如CDMA)。注意扩频是宽带技术，但宽带技术不是扩频，宽带技术不必包括扩频技术。

防止信号拦截

防信号拦截是通过扩频获得的第二个优势。因为没有授权的用户不知道扩展原始信号的扩频因子，所以他们无法解码。没有正确的扩频因子，扩频信号就相当于噪声或者干扰(当然，如果扩频因子很短，则可利用扫描方法进行破解)。值得庆幸的是，扩频通信允许信号功率低于噪底，因为扩频处理降低了频谱密度，参见图6 (总能量相同但展宽到整个频域内)。这样，可以将信息隐藏起来，这一效果是直序扩频(DSSS)的显著特点(直序扩频将在后面详细介绍)。其它的接收机无法解析这次发射，对它们的影响只是总的噪声功率略有增加！

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无线信道通常具有多径传播效应，从发射端到接收端存在不止一条路径(图7)。这些路径是由于空气的反射或折射以及从地面或物体，如建筑物等的反射产生。

%e5%9b%be7-%e4%bf%a1%e5%8f%b7%e9%80%9a%e8%bf%87%e5%a4%9a%e6%9d%a1%e8%b7%af%e5%be%84%e4%bc%a0%e9%80%81%e8%87%b3%e6%8e%a5%e6%94%b6%e6%9c%ba反射路径(R)对直接路径(D)产生干扰被称为衰落现象。因为解扩过程与信号D同步，所以，即使信号R包含有相同的扩频因子，也同样会被抑制掉。可以对反射路径的信号进行解扩，并将其均方根值叠加到主信号上。

扩频技术在CDMA中的应用
值得注意的是，扩频不是一种调制方式，不应该同其他类型的调制相混淆。例如，我们能够利用扩频技术发射一个经过FSK或BPSK调制的信号。从编码基本理论来看，扩频也能作为实现多址通信的一种方法(多个通信链路同时共存于同一个物理媒介)。迄今为止，主要有三种方式。

FDMA—频分多址

FDMA给每个通信信道分配一个特定的载波频率，用户数受频谱的频段数限制(图8)。在三种多址实现方法中，FDMA的频带利用率最低。典型应用包括无线广播、TV、AMPS和TETRAPOLE。

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TDMA中，不同用户之间的通信基于分配的时隙(图9)。这样，在一个载波频率上可以建立不同的通信信道。TDMA被应用于GSM、DECT、TETRA和IS-136。

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CDMA的空间接入取决于扩频因子或码(图10)。从某种角度上讲，扩频是CDMA的一种方式。发射端和接收端需要预先知道定义好的扩频码。典型应用包括IS-95 (DS)、IS-98、蓝牙技术和WLAN。

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扩频和编解码因子
扩频的主要特点就是发射机和接收机必须预先知道一个预置的扩频码或扩频因子。在现代通信中，扩频码必须足够长，尽量接近类似于噪声的随机数序列。但是，在任何情况下，他们必须保持可恢复性。否则，接收机将不能提取发射信息。因此，这序列是近似随机的。扩频码通常称为伪随机码(PRN)或伪随机序列。通常采用反馈型移位寄存器产生伪随机码。

图11给出了一个伪随机码的示例。移位寄存器包含8个数据触发器(FF)，移位寄存器中的内容在时钟上升沿逐位左移。移入FF1的数据取决于FF8和FF7的反馈信息。伪随机码PRN从FF8读出。触发器的内容在每个序列的开始处被复位。

许多书籍都讲到了PRN的生成和特性，但这些基本指导已经赶不上其发展的步伐。合适的序列(或序列集)的生成或选择都不是简单地直接完成的。为保证有效的扩频通信，PRN序列必须考虑几条准则，如长度、自相关、互相关、正交性和比特均衡。比较常用的PRN序列是：Barker、M-Sequence、Gold和Hadamard–Walsh等。扩频通信链路使用的序列集越复杂其可靠性越高。但是，付出的代价是解扩操作所需的电子设备也会更复杂(包括速度和性能)。数字解扩芯片可以包含几百万个等效的2输入与非门，开关频率为几十兆赫兹。

扩频技术的不同调制方式
根据伪随机码(PRN)插入通信信道的位置不同可以得到不同的扩频调制方式。图12是基本的RF前端原理说明。

如果在数据上直接加入伪随机序列码，则可得到直序扩频(DSSS) (在实际应用中，伪随机序列与通信信号相乘，产生完全被伪随机码“打乱”了的数据)。如果伪随机码作用在载波频率上，我们得到跳频扩频(FHSS)。如果伪随机码作用于本振端，FHSS伪随机码迫使载波按照伪随机序列改变或跳变。如果用伪随机序列控制发射信号的开或关，则可得到时间跳变的扩频技术(THSS)。这也是一种线性调频脉冲技术，即在一个周期内线性扫描载频。也可以综合上述技术形成混合扩频技术，比如DSSS + FHSS。DSSS和FHSS是现在最常用的两种技术。

直序扩频(DSSS)

直序扩频技术中，伪随机码直接加入载波调制器的数据上。因此，调制器似乎具有更高码率，与伪随机序列的码片速率有关。用这样一个码序列调制射频载波的结果是产生一个中心在载波频率、频谱为((sin x)/x)²的直序调制扩展频谱。

频谱主瓣(零点至零点)的带宽是调制码时钟速率的两倍，旁瓣带宽等于调制码时钟速率。图13是直序扩频信号的典型范例。直序扩频频谱形状上发生一些改变与实际采用的载波和数据调制方法有关。下面是一个二相相移键控(BPSK)信号，是直序扩频系统中常用的调制类型。



跳频扩频(FHSS)

顾名思义，FHSS中载波在一个很宽的频带上按照伪随机码的定义从一个频率跳变到另一个频率。跳变速率由原始信息的数据速率决定，我们能够识别出快速跳频(FFHSS)和慢速跳频(LFHSS)。后者(最通用)允许几个连续的数据位调制同一频率，FFHSS是在每个数字位内多次跳频。

跳频信号的发射频谱同直序扩频有很大差别。跳频输出在整个频带上是平坦的(如图14所示)，而不再是((sin x)/x)²包络。跳频信号的带宽是频率间隙的N倍，N是每个跳变信道的带宽。



系统实现和结论
一个完整的扩频通信链路需要运用各种先进的技术和工艺：射频天线，大功率、高效率的功放，低噪声、高线性的LNA，高集成度收发信机，高分辨率的ADC和DAC，高速、低功耗数字信号处理器(DSP)等。设计者和制造商之间既相互竞争又精诚合作，最终使扩频系统得以实现。

最难以实现的电路是接收通道，特别是对DSSS的解扩，因为接收端必须能够重新恢复原始信息，并且做到实时同步。码的识别也称为相关运算，它是以数字域实现的，需要进行快速的、大量的二进制加法和乘法运算。

到目前为止，接收机设计中最复杂的问题是同步问题。 与扩频通信的其它技术相比，发展同步技术花费了更多的时间、金钱，也消耗了更多的人力、物力。目前，能够解决同步问题的方法有许多种，大多数方案需要大量的分立元件。DSP与特定用途集成电路(ASIC)的出现为其带来了重大突破。DSP提供高速的数学运算能力，在对扩频信号划分后进行分析、同步和去相关运算。借助于超大规模集成电路(VLSI)技术，ASIC降低了系统成本，并通过创建基本模块架构使其适合于多种应用。

扩频的益处