低压电力线载波通信系统 信源 信息接收 数据调制 数据解调 扩频调制 传输媒介 扩频解调 扩频编码发生扩频解调发生器 同步电路 图3-1 扩频通信基本原理图
香农公式C=Wlog2(1?P/N) (C为信道容量，W为频带宽度，P/N为信噪比)指出在信道容量C一定的情况下，频带宽度W和信噪比P/N是可以互换的，这意味着如果增加频带宽度，就可以在较低的信噪比下用相同的信息率以任意小的差错频率来传输信息。这就是用扩频通信的核心好处。
3.2 扩频通信系统分类
就扩展频谱的不同，扩展通信系统可分为：直接序列扩频，调频，跳时，线性调频以及以上各种基本方式的组合。
(1) 直接序列扩频（DS），简称直扩，即采用高码速率的直接序列伪随机码在发端扩展信号频谱，在收端采用相同的伪码进行相关解扩，得到原始信息数据。 （2）跳频扩频系统（FH），即采用跳频方式进行扩频，相当于采用特定伪随机码控制的多频率移频键控。在发送端，采用一组高速变化的伪随机码控制载波频率的变化，在接收端，接收机的频率合成器也受伪随机码的控制，并保持与发送端一致的变化规律，使其输出的跳频信号能够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，经解调在输出端恢复出原信号。根据跳频速率的快慢，又可把跳频系统分为快跳频和慢跳频。快跳频是指一次发射信号期间有不止一个频率跳变，即跳频速率大与信息速率；反之称为慢跳频。
（3）跳时扩频系统（TH），即采用跳时方式进行扩频，就是把传输一个原始信息位的 时间分成许多片段，在哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制，相当于采用特定伪码控制的多时片时移键控。由于采用了比原始信息位所占时间
9
低压电力线载波通信系统 窄的多的时片发送信号，所以信号的频谱展宽了。
（4）线性跳频系统（CHIRP），其发射信号的载波频率在信息脉冲持续周期内做线性变化，由于这种线性调频信号占用的频带宽度与大于信息宽度，所以这种通信系统也是一种扩频调制系统。
（5）混合系统即为上述几种基本的扩频方式组合而构成的扩频系统，如直扩，跳扩和时扩三种方式的组合即DS/FH/TH混合系统。混合扩频方式实现比较复杂，但它能融合几种方式的优点，可以满足更高要求的抗干扰指标。
3.3 直接序列扩频系统
直接序列扩频系统又称“平均”系统或伪噪声系统，它是目前应用较广泛的一种扩展频谱系统。
3.3.1 直接序列扩频信号的产生
直接序列扩频就是用高速率的伪随机码序列与信息码序列模二加后（波形相乘）的复合码序列去控制载波的相位而获得直接序列扩频信号。一般情况下均采用PSK信号，而较少采用FSK或OOK。由通信原理可知，在PSK、FSK、OOK三种调制中，FSK信号是最佳调制信号，所谓最佳是指在其他条件相同的情况下，PSK误码率最小，为了节省发射功率和提高发射机工作功率，通常使用抑制载波的双相平衡机制。
下图为直接系统扩频的组成原理框图。由信源输出的信号a(t)是码元持续时间Ta的信息流，伪随机码产生器生产的伪随机码c(t)，每一伪随机码码元宽度或切普（chip）宽度为Tc。将码元a(t)与伪随机码c(t)进行模二加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样就得到已扩频调制的射频信号。在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频后，用与发射端同步的伪随机序列对中频的扩频调制信号相关解扩，将信号的频带恢复为信息序列a(t)的频带，即为中频调制信号。然后再进行解调，恢复出所传送的信息a(t)，从而完成信息的传输。对于干扰信号和噪声而言，由于与伪随机序列不相关，在相关解扩器的作用下，相当于进行了一次扩频。干扰信号和噪声频谱被扩展后，其频谱密度降低，这样就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的
10
低压电力线载波通信系统 输入信噪比和信干比提高，从而提高了系统的抗干扰能力。
a(t) 信源 c(t) PN码 （a）发射 振荡器 扩频 d(t) 调制 fo s(t) r1(t) 高 放 混 频 解 扩 c’(t) PN码 （b）接受 r1’(t) 解 调 a’(t) fL 本 振 同 步
图 3-2 直扩系统组成框图
3.3.2 伪随机信号的调制与混频
扩频频谱系统信息的传输，是把信号调制在伪随机码序列中再通过伪码序列对载波调制后来实现传输的。因此在扩频通信中，常常需要对伪随机码进行调制、变频等各种处理，因此，有必要对这些问题作简要的概述。
设载波为Acos?0t，伪随机信号为c(u,t)，则平衡调制波为
f(t)?Ac(u,t)cos?0t 式中：A为载波幅度； ?0是载波的角频率。
如果作二相移键控调制时，则调相波可为
f(t)?Acos[?0t??c(u,t)]
式中?c(u,t)是已调相位变化，?是调制指数（即对应载波的最大相位偏移）。
11
低压电力线载波通信系统 在二相调制中?=?c(u,t)是二进制伪码序列。若规定二进制序列中去“0”码时，
?c(u,t)= ??0=0; 取“1”码时，?c(u,t)= ?，则有
f(t)?Acos?0t 当c(u,t)取“0”时
f(t)??Acos?0t 当c(u,t)取“1”时
显然，这样一个调制信号可等效为一个只取±1的二值波形对载波进行的抑制载波双边振幅调制信号，也就是平衡调制信号
f(t)?Ac(u,t)cos?0t
式中 c(u,t)=1 当二进制序列取“1”时 c(u,t)=-1 当二进制序列取“0”时
实际上直接序列调制产生的2PSK信号就是f(t)?Ac(u,t)cos?0t的模式，只要c(u,t)本身不含有直流分量。平衡调制抑制了载波，但对这种信号，接收端为了从收到的已调波中恢复调制信号必须能准确的恢复载波分量。此外，载波频率必须远高于调制信号中有用信号的最高频率，否则，就发生频谱交叉，不易分出调制信号的频谱分量，因而产生折叠噪声。
下面来考虑接收端混频的情况，也就是讨论用伪随机码作调制信号的已调波的混频问题。混频是两个信号相乘的过程。如果两个信号是A1c1(u,t)cos(?1t??1)与A2cr(u,t)cos(?2t??2)相乘，并设和频项被滤除，则有
1A1A2c1(u,t)cr(u,t)cos(?I??)?Ac1(u,t)cr(u,t)cos(?I??) 21式中：A=A1A2, ?I??2??1； ???2??1；
2c1(u,t)是发端的伪随机码； cr(u,t)是本地的伪随机码；
?2和?1分别为本地载波和发端载波初相。
当两个二进制伪码波形c1(u,t)和cr(u,t)完全相同，及c1(u,t)与cr(u,t)具有相同的周期（即码长相等）和码元同步，它们的相位就完全重合时，我们有
12
低压电力线载波通信系统 c1(u,t)cr(u,t)=1
此时，混频器的输出信号就被解扩，但是在扩展频谱系统中，输入已调波信号f1(t)?A1c1(u,t)cos?1t中伪随机码已经和待传信息码实现了波形相乘，它载有传送信息，而本地的伪码cr(u,t)无信息，因此它们之间有相移。两个周期相同，码位同步的调相信号混频的结果，伪码调制被解扩，而把由信息码确定的相移仍保留在中频信号中，混频器的输出仍为已调相波。所以在分析混频时，需要注意相位。混频的作用不仅仅是两个输入载波相乘进行外差，而且还是两个调制波
c1(u,t)和cr(u,t)的相乘。由于c1(u,t)和cr(u,t)只取“-1”或“1”，他们相乘等效于c1(u)和cr(u)（指序列，它们均取值“1”和“0”）的模二加法。
3.4 扩频系统中的伪随机序列
3.4.1 扩频码简介
在扩频系统中，信号频谱的扩展是通过扩频码实现的。扩频系统的性能和扩频码的性能有很大的关系。对扩频码通常提出下列要求：易于产生；具有随机性；扩频码应具有尽可能长的周期；应具有双值自相关函数和良好的互相关特性。
从理论上说，用伪随机序列去扩展信号频谱是最理想的。但实际上我们只能用伪随机或伪噪声序列作为扩频码。随机序列应该同时具有如下的性质：随机序列中0和1的个数接近相等；随机序列中长度为n的游程约占游程总数的1/2的n次方；在同长度的游程中，0游程和1游程数大致相等；随机序列的自相关函数具有类似白噪声自相关函数的性质。伪随机序列具有类似于随机序列的性质，但它的结构或者形式是预先可以确定的，并且可以重复产生和复制。它分为狭义伪随机序列和广义伪随机序列。狭义伪随机序列定义为自相关函数具有如下形式的序列：
13