第五节　扩频通信的工作原理及工作方式

一、工作原理

扩频通信的工作原理如图4-3所示。

在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再调制到射频发送出去。

在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。再经信息解调、恢复成原始信息输出。

由此可见，—般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制，以及相应的信息解调、扩频解调和射频解调。

与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和扩频解调部分。

二、工作方式

按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为直接序列扩频工作方式、跳变频率工作方式、跳变时间工作方式、宽带线性调频工作方式和各种混合工作方式。

（一）直接序列扩频工作方式

直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）工作方式，简称直扩（DS）方式。

所谓直接序列扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。

例如我们用窄脉冲序列对某一载波进行二相相移键控调制。如果采用平衡调制器，则调制后的输出为二相相移键控信号，它相当于载波抑制的调幅双边带信号。图中输入载波信号的频率为fc，窄脉冲序列的频谱函数为G（C），它具有很宽的频带。平衡调制器的输出则为两倍脉冲频谱宽度，而fc被抑制的双边带的展宽了的扩频信号，其频谱函数为fc+G（C）。

在接收端应用相同的平衡调制器作为解扩器。可将频谱为fc+G（C）的扩频信号，用相同的码序列进行再调制，将其恢复成原始的载波信号fc。

（二）跳变频率工作方式

跳变频率（Frequency Hopping）工作方式，简称跳频（FH）方式。所谓跳频，比较确切的意思是：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。

简单的频移键控如2FSK，只有两个频率，分别代表传号和空号。而跳频系统则有几个、几十个、甚至上千个频率，由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制，不断跳变。

图4-4（a）为跳频的原理示意图。发端信息码序列与扩频码序列组合以后按照不同的码字去控制频率合成器。

从图4-4（b）中可以看出，在频域上输出频谱在一宽频带内所选择的某些频率随机地跳变。在收端，为了解调跳频信号，需要有与发端完全相同的本地扩频码发生去控制本地频率合成器，使其输出的跳频信号能在混频器中与接收信号差频出固定的中频信号，然后经中频带通滤波器及信息解调器输出恢复的信息。

总之，跳频系统占用了比信息带宽要宽得多的频带。

（三）跳变时间工作方式

跳变时间（Time Hopping）工作方式，简称跳时（TH）方式。与跳频相似，跳时是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时隙。在一帧内哪个时隙发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时隙的时移键控。

由于采用了窄得多的时隙去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。图4-5是跳时系统的原理方框图。在发端，输入的数据先存储起来，由扩频码发生器的扩频码序列去控制通—断开关，经二相或四相调制后再经射频调制后发射。在收端，由射频接收机输出的中频信号经本地产生的与发端相同的扩频码序列控制通—断开关，再经二相或四相解调器，送到数据存储器和再定时后输出数据。只要收发两端在时间上严格同步进行，就能正确地恢复原始数据。

跳时也可以看成是一种时分系统，所不同的地方在于它不是在一帧中固定分配一定位置的时隙，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的时隙。跳时系统的处理增益等于一帧中所分的时隙数。

由于简单的跳时抗干扰性不强，很少单独使用。跳时通常都与其他方式结合使用，组成各种混合方式。

（四）宽带线性调频工作方式

宽带线性调频（Chirp Modulation）工作方式，简称Chirp方式。如果发射的射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化，则称为线性调频。因为其频率在较宽的领带内变化，信号的频带也被展宽了。这种扩频调制方式主要用在雷达中，但在通信中也有应用。图4-6是线性调频的示意图。

发端有一锯齿波去调制压控振荡器，从而产生线性调频脉冲。它和射频信号发生器产生的信号一样。

在收端，线性调频脉冲由匹配滤波器对其进行压缩，把能量集中在一个很短的时间内输出，从而提高了信噪比，获得了处理增益。匹配滤波器可采用色散延迟线，它是一个存储和累加器件。其作用机理是对不同频率的延迟时间不一样。如果使脉冲前后两端的频率经不同的延迟后一同输出，则匹配滤波器起到了脉冲压缩和能量集中的作用。匹配滤波器输出信噪比的改善是脉冲宽度与调频频偏乘积的函数。一般，线性调频在通信中很少应用。

（五）各种混合工作方式

在上述几种基本的扩频方式的基础上，可以组合起来，构成各种混合方式。例如DS/FH、DS/TH、DS/FH/TH等等。

一般说来，采用混合方式看起来在技术上要复杂一些，实现起来也要困难一些。但是，不同方式结合起来的优点是有时能得到只用其中一种方式得不到的特性。例如DS/FH系统，就是一种中心频率在某一领带内跳变的直接序列扩频系统。其信号的频谱如图4-7所示。

由图4-7可见，一个DS扩频信号在一个更宽的频带范围内进行跳变。DS/FH系统的处理增益为DS和FH处理增益之和。因此，有时采用DS/FH反而比单独采用DS或FH获得更宽的频谱扩展和更大的处理增益。甚至有时相对来说，其技术复杂性比单独用DS来展宽频谱或用FH在更宽的范围内实现频率的跳变还要容易些。对于DS/TH方式，它相当于在扩频方式中加上时间复用。采用这种方式可以容纳更多的用户。在实现上，DS本身已有严格的收发两端扩频码的同步。加上跳时，只不过增加了一个通—断开关，并不增加太多技术上的复杂性。

对于DS/FH/TH，它把三种扩频方式组合在一起，在技术实现上肯定是很复杂的。但是对于一个有多种功能要求的系统，DS、FH、TH可分别实现各自独特的功能。因此，对于需要同时解决诸如抗干扰、多址组网、定时定位、抗多径和远—近问题时，就不得不同时采用多种扩频方式。