扩频理论的基础（扩频的益处是什么）

扩频通信技术的想法是由好莱坞女演员海迪拉马尔和钢琴家乔治安太尔在1941年提出的。基于鱼雷控制安全无线通信的想法，他们申请了美国专利#2.292.387。遗憾的是，该技术当时并未引起美国军方的重视，直到上世纪80年代才被用于敌对环境下的无线通信系统。

短距离数据收发器的典型应用是卫星定位系统(GPS)、3G移动通信、WLAN (IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g)和蓝牙技术。扩频技术还有助于提高无线电频率的利用率(无线电频谱是有限的，所以也是一种昂贵的资源)。

扩频理论的基础

在香农和哈特利的信道容量定理中可以清楚地看到频谱扩展的功能：

C=B log2 (1 S/N)(公式1)

其中c是以比特每秒(bps)为单位的信道容量，这是在理论上可接受的误码率(BER)下允许的最大数据速率；b是所需的信道带宽，单位为Hz；S/N是信噪比。c代表通信信道允许的信息量和预期性能。带宽(b)是付出的代价，因为频率是有限的资源。S/N代表周围环境或物理特征(如障碍物、拥挤和干扰等。).

在恶劣环境下使用时(如噪声和干扰导致信噪比极低)，从上式可以看出，通过增加信号带宽(b)可以保持或提高通信(c)的性能，甚至可以使信号的功率低于噪底。(公式中没有这个条件的限制！)

将公式1中的对数底数由2修改为e(自然数)，用ln=loge表示。

c/b=(1/LN2)ln(1s/n)=1.443ln(1s/n)(公式2)。

由MacLaurin系列扩展：

ln(1 x)=xx/2 x/3x4/4…(-1)k 1xk/k…:

C/B=1.443(信噪比1/2(信噪比)1/3(信噪比)……)(公式3)

在扩频技术的应用中，信噪比通常较低。(如上所述，信号功率密度甚至可以低于本底噪声。)假设大噪声使S/N为1，香农表达式近似如下：

C/B 1.433 信噪比(公式4)

可以进一步简化为：

C/B S/N(公式5)

或者：

N/S B/C(等式6)

为了在信道中以给定的信噪比无差错地传输信息，我们只需要执行基本的信号扩频操作：增加传输带宽。这个原理看似简单明了，但实现起来却非常复杂。因为基带扩频(可能扩展几个数量级)会导致电子设备的交互，产生扩频和解扩操作。

定义

实现扩频技术的方案有很多种，但思路都是一样的：给通信信道加索引(也叫码或序列)，插入码正好定义了所讨论的扩频技术。“扩频”一词是指将信号带宽扩大几个数量级，在信道上加一个索引就可以实现扩频。

扩频技术更精确地定义为一种射频通信系统，通过注入更高频率的信号将基带信号扩展到更宽的频带(图1)，即发射信号的能量扩展到更宽的频带，使其看起来像噪声。扩展带宽与初始信号的比值称为处理增益(dB)。典型的扩频处理增益范围为10dB至60dB。

使用扩频技术，即简单地在天线之前的传输链中的某个地方引入相应的扩频码(这个过程称为扩频处理)，结果是信息被扩展到更宽的频带。相反，在接收链中的数据被恢复之前，扩频码被移除，这被称为解扩。解扩是在信号的原始带宽上重建信息。显然，扩频码需要在信息传输路径的两端都预先知道(在某些情况下，只需要信息传输路径的两端都知道)。

扩频处理的带宽

扩频调制作用于一般调制器如BPSK的前端或直接变频。没有接收到扩展码的信号保持不变并且不扩展。

解扩处理的带宽是t

解扩通常发生在解调之前。在传输过程中添加的信号(例如干扰或阻塞)将在解扩过程中被扩展。

由于扩频浪费的带宽是由多个用户进行扩频来弥补的，直接占用了更宽的频带(扩频因子与前面提到的“处理增益”有关)，所以浪费了有限的频率资源。然而，被占用的频带可以通过多个用户共享相同的扩展频带来补偿(图4)。

扩频是一种宽带技术。与窄带技术相比，扩频过程是一种宽带技术。例如，W-CDMA和UMTS是宽带技术，需要更宽的频带(相对于窄带无线电)。

扩频抗干扰和抗阻塞性能的好处

扩频技术会带来很多好处，而抗干扰特性是最重要的优势。干扰和阻塞信号被抑制，因为它们没有扩频因子。解扩后，只有包含扩频因子的期望信号才会出现在接收机中。如图5所示。

如果干扰信号(窄带或宽带)不包括扩频因子，则在解扩后可以忽略其影响。这种抑制能力也适用于没有正确扩频因子的其它扩频信号。正因为如此，扩频通信允许不同的用户共享同一个频段(如CDMA)。注意，扩频是宽带技术，但宽带技术不是扩频，宽带技术不一定要包括扩频技术。

防止信号拦截

抗信号截获是扩频获得的第二个优势。因为未经授权的用户不知道原始信号的扩频因子，所以他们不能解码它。没有正确的扩频因子，扩频信号相当于噪声或干扰(当然，如果扩频因子较短，可以用扫描的方法破解)。幸运的是，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，如图6所示(总能量相同，但扩展到整个频域)。这样就可以隐藏信息，这是直接序列扩频(DSSS)的一个显著特点(后面会详细介绍DSSS)。其他接收机无法分析这个传输，对他们的影响只是总噪声功率的轻微增加！

衰落抑制(多径效应)

无线信道通常具有多径传播效应，从发射机到接收机有多条路径(图7)。这些路径是由空气的反射或折射以及地面或物体(如建筑物)的反射造成的。

反射路径(R)对直达路径(D)的干扰称为衰落现象。因为解扩过程与信号D同步，所以即使信号R包含相同的扩频因子，它也将被抑制。反射路径的信号可以被解扩，并且它的均方根值可以被叠加在主信号上。

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，不应与其他类型的调制混淆。例如，我们可以使用扩频技术来传输由FSK或BPSK调制的信号。从编码的基本理论来看，扩频也可以作为一种实现多址通信(多个通信链路同时共存于同一物理介质中)的方法。到目前为止，主要有三种方式。

FDMA——频分多址

FDMA为每个通信信道分配一个特定的载波频率，用户数量受到频谱中频带数量的限制(图8)。在三种多址接入方式中，FDMA的频带利用率最低。典型应用包括无线电广播、电视、AMPS和四极。

时分多址接入

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

CDMA——码分多址

CDMA的空间接入取决于扩频因子或码(图10)。某种程度上，扩频是CDMA的一种方式。发射机和接收机需要预先知道定义的扩频码。典型的应用包括IS-95 (DS)、IS-98、蓝牙技术和WLAN。

在实际应用中，可以综合利用上述多种接入方式。例如，GSM结合了TDMA和FDMA，定义

扩频和编解码因子扩频的主要特点是发射端和接收端必须事先知道一个预设的扩频码或扩频因子。在现代通信中，扩频码必须足够长，尽可能接近类似于噪声的随机数序列。但是，在任何情况下，它们都必须是可恢复的。否则，接收器将不能提取传输信息。因此，这个序列是近似随机的。扩展码通常被称为伪随机码(PRN)或伪随机序列。通常，反馈移位寄存器用于产生伪随机码。

图11示出了伪随机码的例子。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的上升沿逐位左移。移入FF1的数据取决于FF8和FF7的反馈信息。伪随机码PRN从FF8读取。触发器的内容在每个序列开始时复位。

许多书都谈到了PRN的产生和特点，但这些基本说明并没有跟上它的发展。合适序列(或序列集)的产生或选择不是简单地直接完成的。为了确保有效的扩频通信，PRN序列必须考虑几个标准，例如长度、自相关、互相关、正交性和比特平衡。常用的PRN序列有巴克序列、M序列、戈尔德序列和哈达玛-沃尔什序列。扩频通信链路中使用的序列集越复杂，其可靠性越高。但付出的代价是解扩操作所需的电子设备会更复杂(包括速度和性能)。数字解扩芯片可以包含数百万个等效的2输入与非门，开关频率为几十MHz。

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，可以得到不同的扩频调制方式。图12是基本RF前端原理解释。

如果将伪随机序列码直接加到数据上(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“加扰”的数据)，就可以得到直接序列扩频(DSSS)。如果伪随机码作用于载波频率，我们得到跳频扩频(FHSS)。如果伪随机码作用于本地振荡器，FHSS伪随机码迫使载波根据伪随机序列改变或跳跃。如果用伪随机序列控制发射信号的开启或关闭，就可以获得跳时扩频技术(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波频率。还可以将上述技术结合起来形成混合扩频技术，如DSSS FHSS。DSSS和FHSS是目前最常用的两种技术。

直接序列扩频(DSSS)

在直接序列扩频技术中，伪随机码直接加到载波调制器的数据中。因此，调制器似乎具有更高的码率，这与伪随机序列的码片速率有关。用这种码序列调制RF载波的结果是产生以载波频率为中心并具有频谱((sin x)/x)的直接序列调制扩频。

频谱主瓣(零到零)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是直接序列扩频信号的典型例子。直接序列扩频的频谱形状的一些变化与实际采用的载波和数据调制方法有关。以下是双相相移键控(BPSK)信号，它是直接序列扩频系统中常用的调制类型。

跳频扩频(FHSS)

顾名思义，根据伪随机码的定义，FHSS的载波在宽频带内从一个频率跳到另一个频率。跳频速率由原始信息的数据速率决定，我们可以区分快跳频(FFHSS)和慢跳频(LFHSS)。后者(最常见)允许多个连续数据位调制同一频率，FFHSS在每个数字位中跳频多次。

跳频信号的传输频谱与直接序列扩频有很大不同。跳频输出在整个频带内是平坦的(如图14所示)，在

系统实现及结论一条完整的扩频通信链路需要使用各种先进的技术和工艺：射频天线、大功率高效率功率放大器、低噪声高线性度LNA、高集成度收发信机、高分辨率ADC和DAC、高速低功耗数字信号处理器(DSP)等等。设计者和制造商相互竞争，精诚合作，最终才能实现扩频系统。

最难实现的电路是接收信道，尤其是DSSS的解扩，因为接收端必须能够恢复原始信息并实现实时同步。代码识别也称相关运算，是在数字域实现的，需要大量快速的二进制加、乘运算。

迄今为止，接收机设计中最复杂的问题是同步。与其他扩频通信技术相比，同步技术的发展要花费更多的时间和金钱，也要消耗更多的人力和物力。目前，解决同步问题的方法有很多种，其中大多数都需要大量的分立元件。DSP和专用集成电路(ASIC)的出现给它带来了巨大的突破。DSP提供高速数学运算能力，对扩频信号进行分频后进行分析、同步和解相关运算。在VLSI技术的帮助下，ASIC通过创建基本的模块结构降低了系统成本，并使其适用于许多应用。