神奇保密的扩频

七、神奇保密的扩频、跳频通信

短波、超短波通信都属于无线电通信。在无线电通信中，信号从发射机的天线发射出去，经空间传播，最后被接收机的天线收到。无线电通信的信号在空间是开放和暴露的，这是无线电通信的一大特点。如果在传输某一无线电通信信号1()st的同时，还有频率与1()st相同或相近的其他无线电信号存在，就会对1()st的接收造成干扰。这就如同在人声鼎沸的市场上，两个人即使相距不远，也很难听清对方的讲话。周围嘈杂的声音干扰了他们相互的对话。人们相互对话，是用声波传递信息，而无线电通信是用电磁波传递信息，它们都会受到无用信号（其他的无线电信号，周围人群七嘴八舌的谈话）的干扰。

从无线电通信出现的那一天开始，干扰就缠着无线电通信。有些干扰是自然界一直存在的，如来自遥远天体的射电干扰、雷电干扰、无线电通信器件内的热噪声干扰等；有些干扰是人类的活动引起的，如汽车点火，各种电气、通信设备的干扰，其中还有些是故意施放的干扰。要想在充满干扰的环境里进行无线电通信，就像在人声嘈杂的市场里谈话一样，是件困难的事情。扩展频谱技术为无线电通信抑制干扰提供了一种有效的方法。

为什么要扩展频谱?在无线电通信中，人的声音对载波调制以后，射频信号带宽约为3千赫（单边带调制）或6千赫（调幅），和载波频率相比，带宽显得很窄，称为射频窄带信号。人们一直想方设法提高无线电通信频带利用率，希望在同样的带宽内传输更多的无线电信号而互不干扰，例如采用频分复用、利用单边带调制等。

扩展频谱技术则是和上述方法反其道而行之，将信号的频带大大扩展，扩大数倍、数十倍，及至更大倍数，目的就是为抗干扰。

无线电通信的频谱扩展以后，占用的频带更宽了，可能会受到更多的干扰，这和树大招风一样，怎么还能抗干扰呢？中医理论有一种疗法，叫“以毒攻毒”。扩展频谱，增加信号带宽，招致更多干扰，正是为了“聚而歼之”，克服这些干扰的影响。扩展频谱和中医的以毒攻毒正是不谋而合。

实际上，扩展频谱的概念来源于现代数字通信的基本理论。数字通信理论的奠基人山农发现，用更大的信号带宽换取较低的信噪比，可得到相同的信道容量。扩展频谱技术能有效地实现这种交换。

怎样扩展频谱呢？在现代数字通信中，信息是用一个个二进制数字符号（即0、1）序列表示的，由这些0、1序列表示的信号对载波进行调制，得到数字调制信号，再经过放大，从天线发射出去。因此，我们马上联想到，要扩展带宽，就需要把脉冲信号改造为脉冲宽度更窄的信号。利用速率更高、脉冲宽度更窄的伪随机码（或称伪随机序列）对原来的信息脉冲进行加工即可达到这一目的。

（一）直接序列扩频通信

直接序列扩频通信简称直扩（DS）。包括发、收两端的设备框图如图2-8所示，这对信号传输实现了抗干扰的目标。

图2-8

（二）跳频

跳频（FH）也是一种扩展频谱的技术。发射信号的载波频率不断跳变，而接收信号的频率按预定的与发射跳变频率规律一样进行跳变。

跳频通信发、收两端原理框图如图2-9所示。

图2-9

直扩、跳频等扩展频谱技术，它们都有较好保密特性和抗干扰特性。有时会将两种扩展频谱技术结合起来，成为一种混合扩展频谱技术，得到更强的抗干扰能力。

总之，扩频通信技术具有以下的特点：

（1）抗干扰性强。只要相应地通过增加信号带宽，可保持可靠通信。

（2）保密性高。扩频信号被淹没在噪声中，显然不易被监测和发觉，然而接收端在接收过程中需采用相关伪随机码进行解调解扩，方能恢复原信号，因而有利于通信保密。

（3）抗多径干扰。在短波无线电通信中，多径干扰是一个难以解决的问题，然而在扩频通信中可变害为利，进一步提高信噪比。

（4）可实现码分多址（CDMA）。码分多址技术可在同一宽频带上通过给不同的用户分配不同的用户身份码型，从而使这些用户均可共享频带资源而又互不干扰。

扩展频谱技术的应用：我国防汛指挥通信系统主要用扩频通信系统解决水利基层防汛信息的传输（包括水文、水情、工程状态、监测等话音、数据、图像的信息流）。扩频通信系统能提供各级防汛指挥部门与水利基层管理站点的通信信道。水利系统的主要防汛信息大多为话音和中、低速数据，通常由水利基层站点（水库的水文站、雨量站、水位站，河道、堤防管理站点）观测、采集，经调制解调器调制后通过电话线或常规传输设备再传输至上级管理单位。常规传输设备（短波、超短波）要实时性地传输话音、数据、图像显然无法实现。因此，建立实时、可靠、先进的通信专用信道及传输系统，正是我国水利系统防汛通信的最大需求。扩频技术可使防汛信息安全可靠地进行传输。

扩展频谱通信也广泛应用在其他民用通信中，特别是陆地蜂窝移动通信中。以直接序列扩频为例，扩频信号占用很宽的频带，如这段频带仅供一对用户使用，频带太浪费，如果很多用户共享这一段频带，频带利用效率就会提高。不同的用户以独特的伪随机码（用户地址码）互相区别，这就是目前联通公司的码分多址蜂窝网的原理。以直接序列扩频为基础的CDMA通信，不仅频带利用率高，还有很多其他优点，在第三代蜂窝移动通信（即3G）中也得到广泛应用。