扩展频谱通信（Spread Spectrum Communication）简称扩频通信，其特点是传输信息所用的带宽远大于信息本身带宽。扩频通信技术在发端以扩频编码进行扩频调制，在收端以相关解调技术收信息，这一过程使其具有诸多优良特性。扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；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；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。

扩频通信技术在发送端以扩频编码进行扩频调制，在收端以相关解调技术收信。由于扩频通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码之间的相关解扩才能得到，这就给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性，分配给不同用户不同的扩频编码，可以区别不同的用户的信号，并且不受其他用户的干扰，实现频率复用。

常用的扩频技术主要有三种方法，即直序扩频、跳频扩频、跳时扩频以及线性调制。但是在实际使用的过程中，常采用它们的混合。

直序扩频(DS-SS)是通过将伪噪声序列(PN序列)直接与基带脉冲数据相乘来扩展基带数据，伪噪声序列由伪噪声生成器产生。图1描述了经常使用的二进制相移调制的DS-SS系统发射机的框图。

同步的数据信号可能是比特或是二进制信道编码符号，以模2加的方式形成码片，然后再进行相移调制。收到的单用户的扩频信号可以表示为：

式中：m(t)是数据序列，p(t)是PN扩频序列。数据波形是时间序列上无交迭的矩形脉冲，每一脉冲的幅度等于+1或－1,m(t)序列中每一个符号代表一个数据符号，周期是Ts。p(t)序列中的每一个脉冲代表一个码片，通常是幅度等于+1或－1的矩形，周期为Tc。数据符号与码片的边沿变换相一致，因此，Ts和Tc的比率为整数2－1，其输出波形如图2所示。

接收方接收原理如图3所示。

在接收方，假设接收机已经达到同步，接收到的信号通过宽带滤波器，然后与本地产生的PN序列p(t)相乘。如果p(t)=±1，有 =1，经乘法运算得到解扩信号 ， 作为解调器的输入。由于 是BPSK信号，相应地可以解调出数据序列m(t)。

跳频扩频是载波频率按一个编码序列产生的图形以离散增量变动。所有可能的载波频率的集合称为跳频集。数字信息与二进制伪码序列模2相加后，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码的变化而跳变，其输出波形如图4所示。

跳频信号可以视为一系列数据调制数据的突发，它具有时变、伪随机的载频。跳频发生在若干个信道的频带上。数据以发射机载波频率跳变的方式发送到随机的信道中，而只有相应的接收机才能接收。

每个信道的中心频率定义在跳频集中的频谱区域，频谱区域应大得足以包括一个相应载频上的窄带调制突发的绝大部分功率。跳频集中使用的信道频宽称为瞬时带宽。跳频发生的频谱带宽称为总跳频带宽。

单信道调制是指每次跳频只使用一个载波频率(单信道)。图5给出了一个单信道的FH-SS发射机的原理。

从接收到的信号中去掉跳频称为解跳。其原理如图6所示。

接收机合成器生成的频率和接收到的信号的频率同频，则混频器的输出就是一个固定差频处的解跳信号。解跳前，解跳信号输入到传统的接收机。跳频过程中，当一个不需要信号占据了一个特定的跳频信道时，这个信道中的噪声和干扰就可以进入解调器。这时，非预想的用户和预想用户同时在同一信道中会产生碰撞。

FH-SS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。

FH-SS系统的跳频速率取决于接收机合成器的频率灵敏度、发射信息的类型、抗碰撞的编码冗余度以及最近的潜在干扰距离等因素。

跳时扩频系统(Time Hopping，简称TH-SS)。跳时是用伪码序列来启闭信号的发射时刻和持续时间，发射信号的“有”、“无”同伪码序列一样是伪随机的。在这种方式中，将传输时间划分成称为帧的时间段，每个帧的时间段再划分成时隙，如图7所示。在每帧内，一个时隙调制一个信息。帧的所有信息比特累积发送。

跳时扩频技术一般与跳频结合起来使用，可以一起构成一种称为“时频跳变”的系统。

在线性调频中，射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化。

除了上述的四种跳频方式外，在实际使用时，经常使用它们的组合，如FH/DS、TH/DS、FH/TH等。一般采用混合方式看起来在技术上要求复杂一些，实现起来也要困难一些，但它们比单一的直扩、跳频、跳时体制具有更优良的性能。

扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统,而跳频系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而言，跳频系统主要在军事通信中对抗故意干扰，在卫星通信中也用于保密通信，而直扩系统则主要是一种民用技术。

对跳频系统的分析，现在仍集中在其对抗各种干扰的性能方面，如对抗部分边带干扰以及多频干扰等。而直扩系统，即DS-CDMA系统，在移动通信系统中的应用则成为扩频技术的主流。欧洲的GSM标准和北美的以CDMA技术为基础的IS-95都在第二代移动通信系统（2G）的应用中取得了巨大的成功。而在所有建议的第三代移动通信系统（3G）标准中（除了EDGE）都采用了某种形式的CDMA。因此CDMA技术成为扩频技术中研究最多的对象，其中又以码捕获技术和多用户检测（MUD）技术代表了扩频技术研究的现状。

CDMA系统容量受到来自其他用户的多址干扰的限制，多用户检测能够利用这些多址干扰来改善接收机的性能，因此是一种提高系统容量的有效方法。传统的CDMA接收机是由一系列单用户检测器组成，每个检测器都是与特定扩频码对应的相关器，它并没有考虑多址干扰的结构，而是把来自其它用户的干扰当成加性噪声，因此当用户数量增加时，其性能急剧下降。通过对所有用户的联合译码可以极大地改善CDMA系统的性能。但是最优的多用户接收机，其复杂度随用户数量成指数增长，因此在实际通信系统中几乎不可能实现。这样寻找在性能和复杂度之间折中的次最优多用户检测器成为研究的热点。

研究的次最优多用户检测器主要可分为两大类：线性检测器和反馈检测器。前者包括解相关检测器、最小均方误差序列检测器等；后者则包括多级检测器、判决反馈检测器、顺序干扰撤销和并行干扰撤销检测器等。考虑信道编码的多用户接收机又可以分为非迭代接收机和迭代接收机。这些检测器的实现都需要知道预期用户的扩频码、定时信息以及信道冲击响应，有时还需要知道多用户干扰。这些信息可以通过发送导频序列获得，但使用导频序列就降低了系统的频谱利用效率，因此不使用导频序列的多用户检测方法，又称为盲多用户检测器，也正在得到深入的研究。

同步的实现是直扩系统中一个关键问题。只有在接收机将本地产生的伪码和接收信号中调制信息的伪码实现同步以后，才有可能实现直序扩频通信的各种优点。同步过程分为两步来实现:首先是捕获阶段，实现对接收信号中伪码的粗跟踪；然后是跟踪阶段，实现对伪码的精确跟踪。研究主要集中在码捕获过程。

对码捕获的研究主要集中在对周期较长的码实现捕获的问题，也就是快速捕获的问题。以前采用的主要是串行捕获方法，这种方案实现简单，但捕获速度不能满足要求。而现在大规模集成电路的应用使并行捕获方案成为可能，但系统的复杂度很高，因此研究的目标就是实现码捕获时间性能和系统复杂度之间的折衷。在串行捕获方案中，双停顿时间搜索法和序贯检测法都是缩短捕获时间的有效方法，利用一些新的搜索算法进一步改进这些系统的性能成为研究的热点。此外以前主要研究的是高斯信道下的捕获性能，现在则考虑到非高斯信道下的捕获性能，以及在有频偏等影响条件下捕获性能。

采用扩频技术的通信系统具有以下优点：

（1）抗干扰性能好，它具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰的能力，有利于电子反对抗。如果再采用自适应对消、自适应天线、自适应滤波，可以使多径干扰消除，这对军用和民用移动通信是很有利的。

（2）隐蔽性强、干扰小，因信号在很宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低。信号淹没在白噪声之中，难以发现信号的存在，再加上扩频编码，就更难拾取有用信号。扩频通信技术把被传送的信号带宽展宽，从而降低了系统在单位频宽内的电波“通量密度”，这对空间通信大有好处。

（3）易于实现码分多址，扩频通信占用宽带频谱资源，改善了抗干扰能力，提高了频带的利用率。

扩频系统的缺点 ：

（1）系统用频带宽。

（2）相对于FDMA、TDMA多址方式，采用扩频技术的CDMA多址方式在移动通信的系统实现更为复杂。

扩频系统的抗干扰性能通常用处理增益(Gp，Processing Gain)来描述，它定义为接收机解扩(跳)器输出信噪功率比与接收机的输入信噪功率比之比。即如图8所示。

它表示经扩频接收系统处理后，使信号增强的同时抑制输入接收机的干扰信号能力的大小。处理增益表明了采用扩展频谱技术后，该系统接收信号的信噪比在相关处理后与相关处理前的数值差异。根据香农定理，在保持信息容量不变时，可以把系统输入与输出信号噪声功率比之比，转换为系统扩频带宽(BRF)与信息带宽(Bb)之比，或转换为伪码速率(Rc)与信息速率(Rb)之比。用数学表示式表示为：

R为信号数据的速率；BRF为信号的射频带宽。

对BPSK、QPSK、OQPSK、PAM调制，BRF=0.88Rc(Rc为伪码速率(chip rate))，或称PN码时钟速率(code clock rate)；对典型的MSK调制，BRF=0.66Rc。

若没有以上参数，可按Gp(dB)：10lg[PN码长]来估算。

对于FH(跳频)系统，Gp(dB)=10lgNdB(不考虑相邻跳跃频率交叉干扰的情况下)，N为跳跃频率的总数。

扩展频谱系统的处理增益的大小，决定了系统抗干扰能力的强弱。国外在工程上能实现的处理增益对于DS-SS可以达到70dB。对于FH-SS在工程应用上限制在40～50dB以内(相当于系统能提供10000到100000个可使用的跳频频率)。

并不是说当干扰信号的功率电平与有用信号的功率电平之比，等于系统的处理增益时，相关处理后还能实现通信功能。例如，设系统处理增益为50dB时，而输入到接收机的干扰功率电平为信号电平的10倍，即信噪比为－50dB时，显然此时系统就不能正常工作了。一般采用“干扰容限”来表示扩展频谱系统在干扰环境中的工作能力。