扩频技术在现代无线通信中的应用

摘要：文章介绍了扩频技术在现代无线通信中的两个主要应用，CDMA和IEEE802.11，及其特点、应用和前景。关键词：扩频通信；跳频扩频；直接序列扩频；CDMA；IEEE802.11

ABSTRACT：The paper briefly reviews the Spread Spactrum Technology using in CDMA and IEEE802.11. And it`s characteristic,application and Y WORDS：Spread Spactrum; FHSS; DSSS; CDMA; IEEE802.11一. 引言1.1起源与原理扩频通信是40年代发展起来的一种技术，用来为战争环境下的军队提供可靠安全的通信。在战争环境下，敌人会搜索目标所发送的传输频段，一旦确定频点后就可以侦听目标，或者破坏目标的信息传送。扩频通信比传统的窄带通信需要更大的带宽，后者只需要在特定的射频上传送信息，因此容易被跟踪和检测。扩频通信占用较宽的频谱，接收机只有知道与扩频有关的所有信息后才能正确接受，否则扩频信号表现得就像静态的或背景噪声一样，因此采用扩频技术使得通信不易被干扰。如果要达到干扰的目的，对方需要知道扩频信号的参数或者在整个频段上进行干扰，后一种方法是很难实现的。另外，如果不知道扩频参数就不可能截获对方的任何通信信息。

1.2实现方法有三种方法可以实现扩频通信，分别是跳频扩频（FHSS）、直接序列扩频（DSSS）和跳时扩频（THSS）。(1)跳频扩频（FHSS）:采用跳频扩频技术，使当前发送的窄带载波根据伪随机码序列的变化而变化，所有载波覆盖整个频段，这也是这个名字的由来。(2)直接序列扩频（DSSS）:采用直接序列扩频技术，数字码调制一个载波，码比特速率远远大于信息比特速率。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或切普码。码片越长，接收机越能很好地接受原始信号。但是由于每个信息比特编码成一串比特，所以需要更多的带宽。(3)跳时扩频(THSS):用扩频码片启闭键控发射机，将一个信码的持续时间分成若干时隙，由扩频码片控制在哪一个时隙中发射一个信码。 二．扩频技术的两种主要应用2.1以直接序列扩频技术为基于的多址接入移动通信方式CDMA 如果把无线电话系统按照它们的接入方式分类，我们可以将每个系统归到以下三类：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）。而CDMA就是一种以直接序列扩频技术（DSSS）为基础的多址接入移动通信。2.1.1演变Qualcomm（高通）公司被认为是CDMA的先驱，它的技术已经允许给世界65个通信厂家使用。在最初设计CDMA时，Qualcomm有一段非常艰难的日子，许多人怀疑该技术背后的概念和公司所宣传的性能，即CDMA能提供相当于FDMA的7~10倍容量，或者TDMA的6倍容量。事实上CDMA不仅提供了远大于FDMA和TDMA的容量，它还具有其他接入方式所不具有的优点。这包括降低了背景噪声和干扰，提高了安全性和个人性，能直接支持Internet协议（IP），提高话音和通话质量。

2.1.2直接序列扩频技术在CDMA中的应用CDMA是一种以直接序列扩频技术为基础的多址接入通信方式，这种方式是通过给每个用户分配一个具有良好自相关性和弱互相关性的唯一扩频码片（也叫伪随机序列PN码），并用它对承载信息的信号进行编码而实现的。在接收端，接收机使用相同扩频码片对收到的信号进行解码，并将其转换成原始带宽信号，而其他用户的宽带信号却保持不变。这是因为该用户为随机码序列与其它用户伪随机码序列的互相关性很小。为了直观说明直接序列扩频通信，假设每个信息比特采用3比特的扩频码片，在直接序列扩频通信中每个信息比特与扩频码片进行异或操作（模2加），然后传送出去。表1给出了采用扩频码片010传送信息比特101的例子，注意使用3比特的扩频码片，三个信息比特就变成了9个连续的比特。

信 息 比 特101扩频码片（伪随机码）010传送比特（异或操作后）101010101表1

也就是说，第一个信息比特“1”与每个扩频码片“010”进行异或，从而产生比特序列“101”，然后代表信息比特“1”传送出去。接着信息比特“0”与每个扩频码片“010”进行异或，得到“010”，然后代表信息比特“0”发送出去。最后第三个信息比特“1”与扩频码片进行异或，得到三个比特“101”，然后代表信息比特“1”发送出去。由于扩频码片给要传送的信息比特增加了冗余位，这使得接收机能够在一个或多个原始数据遭到破坏后仍能恢复数据。当然数据恢复能力取决于扩频码片长度与被破坏的数据长度。如果能够恢复数据，就可以避免重传。如果接收机不知道扩频码片，那么它就不能正确接受信息，接受信号表现为低功率的宽带噪声，所以直接序列扩频适用于可靠安全的军事通信。

2.1.3使用直接序列扩频技术为基础的优点正是由于CDMA使用了这种基于直接序列扩频技术为基础的多址接入方式使得CDMA天生具备了很多扩频技术天生的优点。主要有：（1）由于使用扩频信号，系统具有很强的抗多种干扰的能力，特别是具有抗多径干扰的能力。（2）扩频信号的功率谱密度很低，即在单位带宽中的功率很小，对于一般非扩频通信系统几乎不构成干扰因此可以与其共用同一频段从而提高频带利用率。（3）保密性好。这是因为传输的信号只能由知道此信号扩频码片的接收机才能恢复原始信号。（4）低拦截概率。因为它的功率谱密度低，扩频信号很难被恶意接收者检测和拦截。

2.1.4应用与3G-CDMA提到CDMA就不得不提到如今最热门的3G移动通信技术，也就是第三代移动通信技术。第一代移动通信系统通常指提供模拟业务的一些无线系统，如美国的AMPS、英国的TACS。紧接着是几种不同类型的移动通信系统，主要采用不同的接入方式来提高系统的容量，并提供更好的质量以及其他特点。基于TDMA的D-AMPS 1900(北美)、GSM（欧洲）和CDMA都代表着第二代移动通信技术。第二代系统的一个关键问题是它们仅限于语音、传真和低比特速率的数据传输。因为当前的时代需要Internet、MP3和多媒体，所以第二代系统已经不能满足现代应用了。现在世界各国都在研究能够提供更高传输速率的宽带CDMA，能提供各种多媒体和网络业务的移动通信方式，也就是第三代（3G）移动通信，并已经取得一定成果。为了提供比其他接入方式更高的容量和优点，IMT-2000（由国际电信联盟ITU启动的通用移动电信系统/国际移动电信2000计划）在接受了各国对于第三代移动通信方式的提案后，采用CDMA技术，列出了三个标准。即美国的CDMA2000，欧洲的WCDMA和中国的TD-SCDMA。到时使用手机高速上网，进行可视电话将不再是梦想。这也正是CDMA网络相比GSM网络及其下的GPRS技术所无法取代的优势所在。

2.2以跳频、直接序列扩频为基础的（IEEE）802.11无线LAN在20世纪80年代初期，美国电气和电子工程师学会（IEEE,Institute of Electrical and Electronics Engineers）就开始致力于局域网的模型体系—IEEE802的开发。虽然IEEE是美国的一个组织，但是由于其会员遍布全球各地，所以实际上该学会具有国际学会的性质。IEEE本身并不是一个标准化的组织，但是IEEE802工作组却为局域网的标准化做出了杰出的贡献。IEEE802作为主要的局域网标准，其中还根据局域网络的领域以及应用层次划分了很多子协议，如：IEEE802.3、IEEE802.11等，这些都是IEEE802家族中的成员。

2.2.1 IEEE802.11IEEE802.11是IEEE最初制定的无线局域网标准。主要用于难于布线的环境或移动环境中计算机的无线接入。工作在2.4GHz频段，因为2.4GHz是全球的无许可证频段，留给工业、科学和医疗领域使用。实际使用的信道数、功率和频率分配取决于特定国家的频率分配使用规划。IEEE802.11工作组最初的成果叫802.11a标准，是第一版的无线LAN标准，以跳频扩频为基础，最高传输速率可达2Mbps。由于802.11a的传输速率不能很好的满足人们的需求，所以第二版的802.11即802.11b把速率提高到了5.5Mbps和11Mbps，加入了直接序列扩频的扩频通信技术。

2.2.2跳频扩频在IEEE802.11a中的应用跳频扩频通信是用伪随机序列PN码构成跳频指令来控制频率合成器，使其输出频率在信道内随机变化，在接收端用与发端相同的本地伪随机码构成的跳频指令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到的跳频信号差频出一个固定的中频信号来，经中放及带通滤波器送到数字解码器输出端恢复出原信息。在IEEE802.11a中，支持两种调制方式。工作速率为1Mbps时采用差分二相键控调制（DBPSK），工作速率为2Mbps时采用差分四相键控调制（DQPSK）。采用DBPSK调制时，每个相位的变化用一个比特表示。而在DQPSK中，调制过程以两个比特为单位，即每个相位的变化用两个比特表示。

2.2.3直接序列扩频在IEEE802.11b中的应用最初的IEEE802.11标准，现在叫做IEEE802.11a协议。但是要注意直接序列扩频在最近标准化的IEEE802.11b建议中是唯一支持的方式。在IEEE802.11b标准中，可支持的数据速率是5.5Mbps和11Mbps。与IEEE802.11a唯一的区别是采用了不同的扩频码片。IEEE802.11a采用11比特的Barker扩频码片，而IEEE802.11b采用8比特的补充码键（CCK）算法。

2.2.4IEEE802.11在现代无线LAN中的应用与前景在现代化的宾馆、会展中心、图书馆等场所，基于IEEE802.11的电脑适配器，如：PCI无线网卡、PCMCIA无线网卡、USB口的无线网卡、PDA无线网络适配器等都可以给顾客提供高速、方便的接入LAN和Internet的服务。除了室内，它还可以用在室外，并实现漫游，如：停车场、校园、商务金融中心等。三．结束语移动通信与互联网作为两个迈入信息社会的重要标志，正在互相融合与互补。它们的融合带给人们的技术将是个人多媒体无线通信、高速的无线宽带接入技术、便捷的无线LAN互连技术等。而这些技术所对应的产品必定是各种功能齐全的多媒体3G手机，PDA、NOTEBOOK、PC无线LAN、Internet接入适配器。 而这些技术和产品带给人们的必定是更为快速、方便的移动通信和信息资源的共享与获取。我们可以看到种种基于扩频技术的通信技术和产品：CDMA、IEEE802.11正是在把这种移动通信和互联网融为了一体。相信在未来的2~5年里，随着这些技术和产品的不断成熟和投入商用，必将把正处于低谷的通信行业再次推向一个高峰。

参考文献：Gil Held 《Data Over Wireless Networks: Bluetooth™、WAP&Wireless LANs》 人民邮电出版社 2001刘晓辉、杨建《IEEE802家族挨个数》 《新潮电子》2002年第11期

作者简介：王渭，现就读于中国矿业大学信息工程99-8班，电子工程与信息技术专业，学士。熟悉现代电子技术、数码产品和现代移动通信技术及网络。数字通信相关文章:数字通信原理

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