微波扩频通信技术概述

李文立蔡玲玲

1.2.内蒙古广播电视台 内蒙古 呼和浩特市 010050

微波扩频通信技术概述

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本文通过对扩频通信技术的阐述，重点介绍了微波扩频通信技术的实现方式、设备分类、传输模式和技术特性，并对其在通信中的应用进行简要介绍，便于对微波扩频通信技术有更深入的了解。

扩频通信技术 直接序列扩频 跳频扩频 微波扩频通信技术

1 扩频通信技术概况

扩频通信技术是20世纪40年代发展起来的一种通信技术，最初主要服务于战争环境，为军队提供安全可靠的通信服务，其独特的信号传输原理从根本上克服了传统通信技术容易受到干扰的缺陷，一直都是世界各国通信专家关注的焦点。后来，扩频通信技术的应用范围逐步扩大，从原来的军事用途逐渐扩展到民用通信以及网络构建等诸多领域，围绕扩频通信技术研发的产品也层出不穷。正是由于扩频通信技术在通信领域所处的特殊地位，就更加值得去深入研究和探讨，以便在原有基础上能够寻求更大的突破。

1.1 扩频通信技术的定义

扩展频谱通信技术，简称扩频通信技术，是一种信息传输方式。指用于传输信号的信道带宽远远大于信号自身带宽的一种通信方式，即其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。频带的扩展通常是通过一个独立的码序列（一般是伪随机码）来完成的，用编码及调制的方法来实现，与所传信息数据无关。在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传递的信息数据。

1.2 扩频通信技术的理论依据

扩频通信技术根据香农在信息论研究中总结出来的信道容量公式，即香农公式：C=W×log2 (S/N)，单位：b/s。式中C为信道容量，它是信道可能传输的最大信息速率，W为信道带宽，S为有用信号的平均功率，N为白噪声的平均功率，S/N就是信噪比。由该公式可以看出：为了提高信道容量C，可以从两种途径实现，即加大信道带宽W或提高信噪比S/N。换句话说，当信道容量C一定时，信号的带宽W和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求。由此可以理解，当带宽增加到一定程度时，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信技术就是用宽带传输技术换取信噪比降低来实现可靠性传输的，这就是扩频通信技术的基本思想。可以采用频谱宽度与功率谱密度的关系示意图来理解扩频通信技术，如图1所示。

图1 扩频频谱变换示意图

1.3 扩频通信技术的特点

扩频通信技术的基本特征是使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码，把载有信息数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带的低功率谱密度的信号来发射，具有以下特点：（1）系统占有的频带宽度Bc远大于要传输的原始信号的带宽Bm（Bc一般为Bm的100～1000倍），且系统占有带宽与原始信号带宽无关，（2）解调过程是由接收信号和一个与发端扩频码同步的信号进行相关处理来完成的。

1.4 扩频通信技术的优点

扩频通信技术有很多优点，特别是在抗噪声、抗干扰、抗多径衰落、码分多址、信号隐蔽性和保密性等方面，具有传统无线通信方式无可比拟的优势，例如信噪比较低、通讯隐蔽、保密性强、系统容量大、传输速率较高、抗衰弱能力强等，从而与光纤通信和卫星通信一同被誉为信息时代三大主流通信传输方式。由于扩频通信技术独具特色，随着计算机和通信技术的发展，扩频通信技术以其难以比拟的灵活性、移动性、可扩展性和可伸缩性等特性，在军用和民用通信中得到广泛的认可和应用。

1.5 扩频通信技术的实现方式

目前，扩频通信技术主要有以下三种实现方式：直接序列扩频、跳频扩频和跳时扩频。

（1）直接序列扩频

直接 序列扩 频 （DSSS，DirectSequence Spread Spectrum，简称直扩），是用高速数字编码序列直接调制发射机载波。由于编码序列的带宽远远大于原始信号带宽，从而可以扩展发射波的频谱。高速数字编码序列的码比特是直接序列扩频的一种比特冗余模式，这种冗余比特也叫码片，码片越长，接收机接收原始信号的性能越好。但是，由于每个信息比特要被编码成一串比特，所以需要更多的带宽。直接序列扩频系统模型，如图2所示。

图2 直扩系统结构图

IEEE802.11b是大家所熟悉的无线局域网标准，基于该标准的设备工作在2.4GHz的ISM（Industrial Scientific and Medical）频段，主要用于在难于布线的场地或移动环境中实现计算机的无线接入，而直接序列扩频正是IEEE802.11b协议唯一支持的通信方式，它可以实现5.5Mbit/s和11Mbit/s的数据传输。

（2）跳频扩频

跳 频 扩 频 （FHSS： Frequency-Hopping Spread Spectrum）是采用跳频扩频通信技术，使发射机的频率在一组预先指定的频率上按照伪随机序列（PN码）所规定的顺序离散地跳变，从而扩展发射波的频谱，并使其覆盖整个频段。跳频系统模型，如图3所示。

图3 跳频系统结构

（3）跳时扩频

跳时扩频 （THSS，Time-HoppingSpread Spectrum）与跳频扩频类似，区别在于一个是控制频率，一个是控制时间，即跳时扩频是用扩频码片启闭键控发射机，将一个信码的持续时间分割成若干时隙，由扩频码片来控制在哪一个时隙中发射一个信码。

在实际使用扩频通信技术系统过程中，普遍采用前两种扩频模式。根据特定需要和具体应用，三种模式的不同组合形成的混合系统也常被采用。

2 微波扩频通信技术概况

2.1 微波扩展频谱通信技术定义

微波扩展频谱通信技术，简称微波扩频(SS)通信技术，是20世纪90年代初从美国发展起来的一种新型民用计算机无线网络技术。它的主要特点是以900MHz、2.45GHz或3.5GHz的微波频段作为传输数据的媒介，是用先进的扩展频谱方式发射微波信号的传输技术。

2.2 微波扩频通信技术实现方式

微波扩频通信技术最常用的两种实现方式，跳跃（Frequency Hopping，FH）扩频通信技术和直接序列（Direct Sequence，DS）扩频通信技术。调频扩频技术按照随机模式传输信号，信号在传送过程中要经过多次握手和同步，效率相对较低。直序扩频与传统的无线电窄带调制发射方式不同，属于宽带调制发射，通过固定模式传输本频段内信号，因而可以更加充分地利用带宽。直序扩频具有传输速率高（2M～11Mbps或者更高）、发射功率小（一般＜100mw）、保密性好和抗干扰能力强等特点。因此，适用于多点通信，其通信距离和覆盖范围根据所选用的天线不同而有差异。定向传送可达5～50公里，室外的全向天线可覆盖15～20公里的半径范围，室内全向可覆盖最大半径250米的5000m2范围，并且能穿透几层墙甚至两层楼的混凝土楼板。

2.3 微波扩频设备的分类

目前，微波DS扩频设备主要分为两类：一类属于无线Modem，具有RS232接口或T或E接口；另一类属于无线连网设备，包括无线网桥和无线IP路由器，一般都具有网络接口，如：BNC、AUI、10/100Base-T、RJ-45等。

微波扩频通信技术为计算机无线网络提供了优良的通讯信道。扩频微波通信组网可以完成高速率的无线通信，实现点到点、点到多点的通信及连网，还能够很好地传送静态图形、动态图象、文字和语音等复杂信息。因其信号微弱，隐蔽保密性较好，具有网桥、路由器等诸多功能，还可实现局域网互连或远程接入，也可以加入高速移动无线网。

2.4 微波扩频通信技术系统的传输模式

微波通信技术是现代通信三大支柱之一，在通信网中占有较大比重。近年来采用扩频的微波通信设备（系统），广泛应用于邮电专线连接、蜂窝基站联网、计算机局域网、一点多址电力调度系统和Internet接入等领域。微波通信技术主要有两种传输模式。

2.4.1异步传输模式

异步传输模式（ATM，Asynchronous Transfer Mode）以固定格式、定长信元作为传输和交换的基本单位，根据业务类型和速率的需要，动态地分配有限资源，并采用随机的时分复用，使多媒体通信的实现更加容易。其呼叫建立过程采用电路交换的方式去建立虚通路，而信息传递过程，则采用分组交换的方式来传递信元。因此，ATM是建立在电路交换和分组交换基础上的一种面向连接的快速分组交换技术。

2.4.2线异步传输模式

线异步传输模式（WATM：Wireless Asynchronous Transfer Mode）是将ATM网上的宽带业务延伸至宽带无线移动网，把ATM无缝隙地扩展到移动通信终端，用一种标准ATM信元提供网络级服务，把话音、数据和图像等不同业务综合在一个通信网中传输，达到最佳统计复用和共享资源的目的。

2.5 微波扩频通信技术的特性

微波扩频通信技术在发射端通过扩频编码进行扩频调制，在接收端利用相关解调技术进行收信，与传统的通信技术相比具有以下优良特性：

2.5.1加强抗干扰能力

扩频增益G（Spreading Gain），G＝B2/B1是扩频通信技术里的一个重要参数。在扩频通信技术过程中，接收端对接收到的信号要做扩频解调，只提取扩频编码相关处理后带宽为B1的信号成分，排除了扩展到宽带B2中的干扰、噪声和其他影响，相当于把接收信噪比提高了G倍。M（抗干扰容限）M接近等于G。

2.5.2增强信息保密性能

因为发射信号在较宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率就变得很小，即信号功率谱密度很低，信号很难被发现。如果扩频编码也是保密的，那么信息就更难被他人拾取。极低的功率谱密度，几乎对其他电讯设备无法构成干扰。

2.5.3提高抗多径干扰能力

在微波扩频通信技术中，利用扩频编码之间的相关特性和技术，从接收端的多径信号中提取分离出最强的有用信号，可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰能力

2.5.4利于多媒体组网

微波扩频通信技术应用PN码，实现高速数字通道，可以传递数据、语音、传真和图像等综合业务，有利于多媒体组网，实现全媒体覆盖。

2.5.5便于互联网传输

微波扩频通信技术可以在传统方式布线比较困难的地方轻松的实现网络的传输和链接，且网络建设周期短、速度快，且安装方便灵活，省时省力省费用。

2.5.6有助于码分多址实现

扩频通信技术占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，提高了频带的利用率。由于扩频通信技术用扩频编码进行扩频调制发送，信号接收需要用相同的扩频编码之间的相关解扩才能得到，这给频率复用和多址通信提供了基础。

总结

微波扩频通信技术所组成的通信系统有一系列其他系统无法比拟的优点，该技术解决了当代各种无线通信系统存在的干扰、泄密、选址和组网四大问题，取得了多方面的突破，受到了各行各业的重视并被应用。微波扩频通信技术及产品是现代多种高科技技术的结晶，随着微波扩频通信技术和产品制造工艺的日趋完善，微波扩频无线技术具备有线网络技术难以比拟的灵活性、移动性、可扩展性、可伸缩性，将在行业中有广阔的应用前景。

审稿人：王岳琪 内蒙古新闻出版广电局610台正高级工程师

责任编辑：王学敏

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