扩频通信技术详解

扩频通信是一种通过将原始信号的频谱扩展到一个远大于其所需宽度的频带上来进行信息传输的技术。它的核心思想是“用带宽换性能”。虽然它牺牲了频带效率，但带来了诸多强大的优势，如抗干扰、抗截获、多址能力和高精度测距等。

一、 扩频通信

1. 基本概念

传统通信：力求在最小的带宽内传输信号，以提高频谱利用率（如调频FM、调幅AM）。

扩频通信：主动地将窄带信号通过某种方式“扩展”成一个宽带信号进行传输。在接收端，再用相同的方式将宽带信号“解扩”恢复成原始的窄带信号。

2. 理论基础 - 香农公式
扩频通信的理论基础是香农信道容量公式：
C = B × log₂(1 + S/N)
其中：

• C：信道容量（比特/秒）

• B：信道带宽（赫兹）

• S/N：信噪比

香农公式指出，对于给定的信道容量C，可以通过增加带宽B来降低对信噪比S/N的要求。也就是说，即使在信噪比很低（干扰很强）的情况下，只要带宽足够大，仍然可以实现可靠通信。这正是扩频通信强大抗干扰能力的数学根源。

3. 主要优点

抗干扰/抗多径：干扰和多径效应在解扩时会被当作噪声处理。

低截获率：功率谱密度极低，隐藏在背景噪声中，难以被侦测。

码分多址：多个用户可共享同一频段同时通信。

高精度测距：通过测量信号传输时间可实现精确定位

二、跳频

发射机和接收机按照一个预设的、伪随机的序列同步地在一个很宽的频带内快速切换工作频率。

发射端：数据信号在频率1发射一小段时间（一个“跳频时隙”），然后迅速切换到频率2，再切换到频率3，如此循环。

接收端：严格按照相同的序列同步跳变，始终与发射信号保持同步，从而正确接收。

伪随机码：控制跳频规律的序列，只有通信双方知道。

特点：

• 抗窄带干扰：如果某个频率被干扰，只会影响那一小段时间的数据，可以通过纠错码恢复。

• 实现相对简单。

• 典型的“躲避”式抗干扰策略。

应用：

• 军事通信：早期和现代的跳频电台。

• 蓝牙：使用跳频来避免干扰并在2.4GHz ISM频段实现多设备连接。

• Wi-Fi：早期的802.11标准也使用了跳频（现在主要用直接序列扩频和OFDM）。

三、直接序列扩频 - 码分多址的基础

工作原理：

发射端：用一個速率极高的伪随机码与速率较低的数据信号进行相乘（通常是模二加）。伪随机码的一个脉冲称为一个“码片”，其速率远高于数据比特率。这个过程将窄带数据信号的频谱直接扩展到了一个很宽的频带上。

接收端：使用完全相同的伪随机码与接收到的宽带信号再次相乘。如果本地码与发射码完全同步，信号就会被“解扩”回原始的窄带信号。而其他用户的信号或干扰，由于使用不同的伪随机码，在解扩时会被进一步扩展为宽带噪声，从而被滤波器滤除。

码分多址：
CDMA是DS-SS的直接应用。它为每个用户分配一个唯一的、正交或接近正交的伪随机码（称为地址码）。

所有用户在同一时间、同一频段上进行通信。

在接收端，通过使用特定用户的地址码进行解扩，就能从所有混合的信号中提取出该用户的信号，而其他用户的信号则被视为噪声。

特点：

• 抗宽带干扰能力强。

• 具有“隐密性”，功率谱密度低。

• 可以实现软容量和软切换（蜂窝移动通信的优势）。

应用：

• CDMA蜂窝移动通信系统（如IS-95, CDMA2000）。

• GPS：每颗卫星使用不同的伪随机码（C/A码，P码）。

• Wi-Fi：802.11b标准使用DSSS。

• 3G移动通信的核心技术。

四、脉冲调制（与超宽带UWB）

这里您提到的“脉冲调制”通常指的是冲激无线电，它是超宽带技术的一种实现方式。

工作原理：

不使用传统的载波调制，而是发射极窄（纳秒级）的脉冲信号。

由于脉冲极窄，其频谱自然而然地就是一个极宽的带宽（可能从接近直流到几个GHz）。

信息可以通过调制脉冲的位置、极性或幅度来编码。

它与跳频和直接序列扩频的关系：

可以结合：UWB系统可以同时使用跳频或直接序列扩频的思想。

跳时UWB：脉冲的发射时间按照伪随机序列跳跃，类似于跳频。

DS-UWB：用伪随机序列控制脉冲的极性，类似于直接序列扩频。

特点：

• 极高的带宽，带来了极高的时间分辨率，可用于精确定位和雷达成像（精度可达厘米级）。

• 极低的功耗和低复杂度。

• 极强的抗多径衰落能力（因为可以分辨出非常细微的多径信号）。

应用：

• 短距离高速数据传输（如无线USB）。

• 精确定位（室内定位、资产跟踪）。

• 穿地雷达、墙体成像。

五、扩频通信总结

跳频：像在一个嘈杂的派对上，你和朋友不断更换房间进行对话，以避免被某个房间里持续的噪音干扰。

直接序列扩频/CDMA：像在一个房间里，多对人用不同的语言（伪随机码）同时交谈。你只能听懂和你约定好语言的那位同伴的话，其他人的对话对你来说只是背景噪音。

脉冲调制/UWB：像用摩尔斯电码，但每个“点”或“划”都极其短暂。通过精确测量每个脉冲到达的时间，不仅可以传递信息，还能精确计算出距离。