常见扩频系统的基础概念和模型

news2025/1/12 12:06:32

扩频系统是一种通信技术，它通过将信号的频谱扩展到一定程度来实现传输，这种系统的设计和实现涉及到多种不同的方法和技术。

扩频系统的主要特点和好处包括：
抗干扰能力强：由于信号被扩展到较宽的频带上，单位带宽内的功率降低了，这减轻了噪声和其他干扰的影响。
低截获率：信号的功率频谱密度低于噪声水平，使得信号难以被检测和截获，适用于需要隐蔽通信的场合。
码分多址能力：扩频技术易于实现码分多址（CDMA），允许多个用户在同一宽带频道上使用不同的码进行通信，提高了频谱的使用效率。
数模兼容性：扩频技术可以支持数字和模拟信号的传输，提供了一定的灵活性。
主要有以下分类：

直接序列扩频（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum）

是一种扩展信号带宽的通信技术，通过将待传输的信息符号与一个高速伪随机码序列相乘去直接控制载波信号的某个参量，来扩散信号的频谱。

原理：在直接序列扩频中，原始数据信号首先被转换成数字形式，然后使用一个高速伪随机码序列（也称为扩频码）与其相乘。这个过程将原本窄带的信号扩展到更宽的频带上。
优势：扩频技术的主要优点是提高了信号的抗干扰能力，包括对抗多径效应和频率选择性衰落等无线通信常见问题。此外，由于信号被扩展到较宽的频带上，单位带宽上的功率降低了，从而降低了对其他系统的干扰。
应用：直接序列扩频广泛应用于无线网络通信、卫星通信以及个人通信服务等领域，特别是在要求高安全性和抗干扰性能的场合，如军事通信和GPS系统。
实现：在实现过程中，通常使用二进制相位偏移键控（BPSK）调制和伪随机二进制序列（PRBS）信号进行设计和优化。此外，还会用到m序列生成器来产生所需的扩频码，并通过相关滤波器和采样判决过程完成信号的解调和恢复。
与其他扩频技术的关系：除了直接序列扩频外，还有跳频扩频（FHSS）、跳时扩频（THSS）和混合扩频等其他扩频技术。这些技术各有特点，但共同的目标是通过不同的方式扩展信号的频谱，增强通信的可靠性和安全性。

跳频扩频通信系统（FHSS）

频率跳变扩展频谱通信系，是一种利用伪随机序列在多个频率上进行快速跳变来实现信号传输的技术

基本原理：
它是用二进制伪随机码序列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随机码的变化而跳变。跳频系统可供随机选取的频率数通常是几千到个离散频率，在如此多的离散频率中，每次输出哪一个是由伪随机码决定的。

跳频系统的核心是使用伪随机码序列来控制载波频率的跳变。这种跳变在一个预定的频率集合内进行，通常这些频率是互不重叠的。
发送端将信号与频率合成器产生的跳变频载波混频，然后通过天线发射出去。接收端需要与发送端同步，按照相同的频率跳变规则进行解跳，以还原出原始信号。

技术优势：

由于跳频的随机性和快速跳变特性，它能有效抵抗干扰和多径效应，提高通信的安全性和可靠性。这使得跳频系统特别适合于复杂环境下的通信，如军事通信和移动通信领域。

应用场景：

跳频技术广泛应用于军事通信、卫星通信、无线局域网（WLAN）等领域。在这些应用中，跳频技术提供了一种有效的手段来增强通信的隐蔽性和抗干扰能力。

频率跳变扩频通信系统与常规通信系统相比较，最大的差别在于发射机的载波发生器和接收机中的本地振荡器。在常规通信系统中这二者输出信号的频率是固定不变的，然而在跳频通信系统中这二者输出信号的频率是跳变的。
跳频扩频通信

跳时扩频通信（TH-SS）

是利用时间跳变技术来实现信号传输的一种方式。

跳时扩频是一种扩展频谱技术，它通过在时间轴上对发射信号进行快速而离散的跳变来传输信息。具体来说，跳时扩频涉及将时间轴分割成许多短时长的时隙或时片，并依据一组伪随机码序列决定在哪些时隙中发送信号。这种方式可以看作是一种脉位调制（PPM），其中脉冲的位置由特定的伪随机码决定。主要用于时分多址(TDMA)通信中。与跳频系统相似，跳时是使发射信号在时间轴上离散地跳变。我们先把时间轴分成许多时隙，这些时隙在跳时扩频通信中通常称为时片，若干时片组成一跳时时间帧。在一帧内哪个时隙发射信号由扩频码序列去进行控制。因此，可以把跳时理解为：用一伪随机码序列进行选择的多时隙的时移键控。

由于采用了比常规更短的时隙发送信号，信号的频谱相应地展宽了。这有助于提高通信系统的抗干扰性能。当传输速率固定时，根据香农定理，增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，从而即便在强噪声背景中也能保持可靠的通信。

在实际应用中，跳时扩频通常不单独使用，而是与其他扩频技术结合，形成混合扩频系统。这样做能够充分利用各种扩频技术的优势，增强通信系统的性能和可靠性。
跳时扩频系统