六、扩频通信
扩频通信是指扩展频谱通信，其特点是传输信息所用的带宽远大于信息本身带宽。频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关。
1.理论基础
扩频通信的基本理论根据是信息理论中香农的信道容量公式。
式中，C为信道容量，B为信道带宽，S为信号功率，N为噪声功率。
式（8-1）说明了增加信道带宽B，可以在低的信噪比的情况下，信道仍可在相同的容量下传送信息。甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应地增加信号带宽也能保持可靠的通信。
香农指出，在高斯噪声的干扰情况下，在受限平均功率的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。而采用伪随机噪声码的扩频函数很接近白噪声的统计特性。
2.扩频通信优点
扩频通信具有抗干扰能力强、隐蔽性好、保密性好、抗多路径干扰性能好、易于实现码分多址等优点。
3.扩频方式
代表性的扩频方式有直接序列扩频（Direct-sequence spread spectrum，DSSS）和跳频扩频（Frequency-hopping spread spectrum，FHSS）两种。
（1）直接序列扩频。直接序列扩频是用待传输的信息信号与高速率的伪随机码波形相乘后，去直接控制射频信号的某个参量，来扩展传输信号的带宽。用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。在直接序列扩频通信系统中，通常对载波进行相移键控（Phase Shift Keying，PSK）调制。为了节约发射功率和提高发射机的工作效率，扩频通信系统常采用平衡调制器。
直接序列扩频通信系统的简化图如图8-24所示。
图8-24 直接序列扩频通信系统简化图
直扩信号产生过程如图8-25所示。
图8-25 理想扩展频谱系统波形示意
（a）要传输的信息信号，为双极性信号；（b）伪随机码，为双极性码；（c）要传输的信息和伪随机码相乘后的结果；（d）对载波进行相移键控调制
（2）跳频扩频。跳频扩频通信系统是频率跳变扩展频谱通信系统的简称，确切地是叫作“多频、选码和频移键控通信系统”。它是用二进制伪随机码序列去离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变。跳频系统可供随机选取的频率数通常是几十到上百个离散频率。在如此多的离散频率中，每次输出的频率是由伪随机码决定的。在接收端，接收机频率合成器受伪随机码控制，并保持与发射端变化规律相同。
跳频是载波频率在一定范围内不断跳变意义上的扩频，而不是对被传送信息进行扩谱，不会得到直扩的处理增益。跳频相当于瞬时的窄带通信系统，基本等同于常规通信系统，由于不能抗多径，同时发射效率低，同样发射功率的跳频系统在有效传输距离上小于直扩系统。跳频的优点是抗干扰。
跳速的高低直接反映跳频系统的性能，跳速越高抗干扰的性能越好，军事上的跳频系统可以达到每秒上万跳。实际上移动通信GSM系统也是跳频系统，其规定的跳速为 217跳/s。出于成本的考虑，商用跳频系统跳速都很慢，一般在50跳/s以下。由于慢跳跳频系统可以简单地实现，因此低速无线局域网产品经常采用这种技术。
跳频扩频通信系统简化图如图8-26所示。
图8-26 跳频扩频通信系统简化
FHSS可分为快跳频和慢跳频系统，所谓快跳频，是指跳频发生的速率比消息比特率高的跳频系统；所谓慢跳频，是指跳频发生的速率比消息比特率低的跳频系统。慢跳频扩频信号产生过程如图8-27所示，每传输3个比特后跳变到一个新的频率，并且传输这3个比特的过程中，当传输比特“0”时，选择当前频率的下部；当传输比特“1”时，选择当前频率的上部。
图8-27 频率慢跳变系统频率跳变示意
快跳频扩频信号产生过程如图8-28所示。由图8-28可知，每传输1个比特频率跳变了3次，并且当传输比特“1”时，选用的都是跳变频率的上部；当传输比特“0”时，选用的都是跳变频率的下部。
图8-28 频率快跳变系统频率跳变示意
4.伪随机序列码
伪随机序列具有类似随机噪声的某些统计特性，同时又能够重复产生。目前广泛应用的伪随机噪声都是由周期性数字序列经过滤波等处理后得出的。通常将这种周期性数字序列称为伪随机序列，它有时又被称为伪随机信号和伪随机码。常用的伪随机序列有m序列、M序列、二次剩余序列和双素数序列。
m序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称，是由带线性反馈移存器产生的周期最长的一种序列。一个4级线性反馈移存器如图8-29所示，其中的⊕表示模2加。
图8-29 m序列产生过程
（a）原理方框图；（b）寄存器状态更新示意
图8-29展示了m序列的产生过程。设4个寄存器的初始状态为（a3，a2，a1，a0）=（1，0，0，0），则在移位1次时，由a3和a0模2相加，作为a3新的输入a3=1，新的状态变为（a3，a3，a2，a1）=（1，1，0，0）。这样移位15次后又回到初始状态（1，0，0，0）。产生的随机序列{bn，n=0，1，2，…}={0，0，0，1，1，1，1，0，1，0，1，1，0，0，1，0，0，0，1，1，…}。
【任务实施】
学生每6人一组，每小组选出一个组长，负责讨论环节的组织、记录和总结。
（1）分小组讨论“无人机通信链路组成”以及“遥控指令信号从产生到执行是一个怎样的过程”。小组讨论后，选派一名代表总结陈述讨论结果。
（2）网上搜索常见无人机遥控器和数传电台，罗列其中有关通信的技术，并利用所学的通信知识给同学们做一次无人机遥控器测评介绍的演讲。
【拓展阅读】
火星无人机通信技术
火星无人驾驶飞机Ingenuity与“毅力号”探测器使用的是900 MHz的Zigbee无线电进行通信。
Zigbee是在NASA的“毅力号”火星车和半自动飞行无人机之间传输遥测数据的理想无线协议。在火星这种极端环境下，有一个非常轻量级的专用标准以及获得基本信息至关重要，并使得在火星上的通信过程中，能够延长电池的使用。
使Zigbee在智能家居中发挥巨大作用的因素也使其高度适合前往火星的任务。在蓝牙采用LE规范之前，Zigbee无线协议早已成为“低能量”的典范。这使得它非常适合小型、电池供电的智能家居设备（如运动和温度传感器）的微不足道的数据需求，也适合轻型无人机。该协议的运作也非常稳健，被设计为在一个节点网中运行，可以克服数据包交付失败而不干扰邻近的信号。这就是在不同星球上操作时航天科研人员也想要的那种可靠性。
Zigbee另一个优点是有很大的通信范围，在有遮挡的家庭环境中，Zigbee联盟声称其信号可以达到约150 ft（约46 m）。但在视线范围内，这个距离可以拉得更远，而且在火星极薄的大气层中，可能还会更远，因为火星缺乏地球上的密集无线电干扰。根据NASA的说法，4磅（约1.9 kg）的Ingenuity直升机能够在9个足球场或大约2 700 ft（约823 m）远的地方与毅力号无人机上的火星直升机基站进行通信（图8-30、图8-31）。
图8-30 火星无人机
图8-31 与火星车通信的无人机天线
【巩固提高】
1.常用的遥控指令编码方式有哪些？
2.设发送数字信息序列为11010011。现采用2FSK进行调制，试画出2FSK信号的波形。
3.扩频通信有什么优点？
4.简述直接序列扩频和跳频扩频信号的产生过程。