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按照频谱扩展的方式不同，CDMA扩频通信系统可以分为基本CDMA和复合CDMA两种。其中，基本CDMA主要包括直接序列扩频(DS)、跳频扩频(FH)和跳时扩频(TH)3种方式。复合CDMA包括DS/FH、DS/TH、FH/TH等，如图4-2所示。本节将重点介绍IS-95系统所采用的直接序列扩频方式和在GSM系统中采用的跳频扩频方式。

1．直接序列扩频技术

所谓直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DS)，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。

直接序列扩频的工作原理如图4-3所示。

图中，m(t)是原始信号，u(t)为经载波cos(ω₀ t+φ)调制(相乘)后得到的中频信号，p(t)是伪随机序列信号，s(t)是p(t)对u(t)进行扩频调制后产生的宽带调制信号，为了适应信道的传输特性，s(t)还要与主振荡器产生的载波cos(ω_r t+φ)相乘，得到射频调制信号r(t)，r(t)经过信道传输后，到达接收端变成叠加了信道噪声的信号r^∧(t)，在接收端首先对其进行混频放大，得到中频信号q(t)，q(t)再经伪随机序列p^∧(t)的解扩，得到信号n(t)，n(t)通过中频滤波滤除了干扰信号，得到信号y(t)，y(t)再与载波cosω₀ t相乘实现解调，最终恢复出原始信号m^∧(t)。

下面再通过直扩信号的频谱变化来说明扩频过程。如图4-4所示，设原始信号m(t)为图4-4(a)所示的低通信号，经过载波调制后，中心频率变为f₀且带宽加倍〔如图4-4(b)所示〕，再经过扩频后产生宽带信号s(t)〔如图4-4(c)所示〕，s(t)的带宽取决于扩频序列信号的带宽，最后经射频调制，中心频率被搬移到f _r〔如图4-4(d)所示〕后发送出去。经信道叠加一个干扰信号，在接收端获得信号r^∧(t)〔如图4-4(e)所示〕，r^∧(t)经过变频放大，中心频率恢复到f₀，再经过解扩后，有用信号变为窄带信号的同时，干扰信号变成宽带信号〔如图4-4(f)所示〕，再通过中频滤波器滤除掉多余的干扰信号，得到信号y(t)，y(t)中的信噪比已经大大提高〔如图4-4(g)所示〕，最后经过解调，还原出原始信号m^∧(t)。

从以上分析可以得出两个重要的结论:

一是为了扩展信号的频谱，可以采用窄的脉冲序列去进行调制某一载波，得到一个很宽的双边带的直扩信号。采用的脉冲越窄，扩展的频谱越宽。如果脉冲的重复周期为脉冲宽度的2倍，即T= 2t，则脉冲宽度变窄对应于码重复频率的提高。直扩系统正是应用了这一原理，直接用重复频率很高的窄脉冲序列来展宽信号的频谱。

二是如果信号的总能量不变，则频谱的展宽，使各频谱成分的幅度下降，换句话说，信号的功率谱密度降低。这就是为什么可以用扩频信号进行隐蔽通信，及扩频信号具有低的被截获概率的原故。

直扩系统具有以下优点:

①直扩信号的功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率，因此抗侦察、抗截获的能力强;另外，功率污染小，即对其他系统引起的电磁环境污染小，有利于多种系统共存。

②直扩伪随机序列的伪随机性和密钥量使信息具有保密性，即系统本身具有加密的能力。因为用伪随机序列对信息比特流进行扩展频谱，就相当于对信息的加密;而所拥有的码型不同的伪随机序列的数目，就相当于密钥量。当不知道直扩系统所采用的码型时，就无法破译。

③利用直扩伪随机序列码型的正交性，可构成直接序列扩展频谱码分多址系统。在这样的码分多址系统中，每个通信站址分配一个地址码(一种伪随机序列)，利用地址码的正交性，通过相关接收来识别出来自不同站址的信息。

④直接扩展频谱系统具有抗宽带干扰、抗多频干扰及单频干扰的能力，这是因为直接扩展频谱系统具有很高的处理增益，对有用信号进行相关接收，对干扰信号进行频谱扩展，使其大部分的干扰功率被接收机的中频带通滤波器所滤除。

⑤直接扩展频谱信号的相关接收具有抗多径效应的能力。当直扩伪随机序列的码片宽度(持续时间)小于多径时延时，利用相关接收可以消除多径时延的影响，因而直接扩展频谱系统具有抗多径干扰的能力。

⑥利用直接扩展频谱信号可实现精确的测距定位。直接扩展频谱系统除可进行通信外，还可利用直接扩展频谱信号的发送时刻与返回时刻的时间差，测出目标物的距离。因此，在同时具有通信和导航能力的综合信息系统中显示了直接扩展频谱系统的优势。

①直接序列扩展频谱系统是两个宽带系统，虽然可与窄带系统电磁兼容，但不能与其建立通信。另外，对模拟信源(如话音)需作预先处理(如语音编码)后，才可接入直扩系统。

②直接扩展频谱系统的接收机存在明显的远近效应。所谓远近效应是指大功率的信号(近端的电台)抑制小功率信号(远端的电台)的现象。对此，需要在系统中采用自动功率控制，以保证远端和近端电台到达接收机的有用信号是同等功率的。这一点增加了直接扩展频谱系统在移动通信环境中应用的复杂性。

③直接扩展频谱系统的处理增益受限于码片速率和信源的比特率，即码片速率的提高和信源比特率的下降都存在困难。处理增益受限，意味着抗干扰能力受限，多址能力受限。

2．频率跳变技术

频率跳变(Frequency Hopping，FH)简称跳频。所谓跳频，简单来讲，就是用一定的码序列进行选择的多频率频移键控。具体来讲，跳频就是给载波分配一个固定的宽频段并且把这个宽频段分成若干个频率间隙(称为频道或频隙)，然后用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率在这个固定的频段中不断地发生跳变。由于这个跳变的频段范围远大于要传送信息所占的频谱宽度，故跳频技术也属于扩频。

由上述可见，跳频的实质是频移键控，但又不同于一般的频移键控。简单的频移键控，如2FSK只有两个频率，分别代表传号和空号。而跳频系统却可能有几个、几十个甚至上千个频率，由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制，不断跳变。

另外，跳频技术也与直接序列扩频技术不同，是另一种意义上的扩频。它不像直扩技术那样直接对被传送信息进行扩频，从而获得处理增益。跳频相当于瞬时的窄带通信系统，只是由于跳频速率很快，跳变的频谱范围比实际信息带宽更宽，从而在宏观上实现频谱的扩展。

跳频通信系统的工作原理如图4-5所示。图中，受时钟控制的跳频指令发生器和频率合成器统称跳频器。跳频指令发生器常常利用的是伪随机序列发生器，当然也可以靠软件编程来实现，频率合成器输出什么频率的载波信号是受跳频指令发生器控制的。在时钟的作用下，跳频指令发生器不断地发出控制指令，控制频率合成器不断地改变其输出载波的频率，混频器输出的已调波的载波频率也随着指令而不断地跳变，因而，再经过高通滤波器和天线发送出去的就是跳频信号，整个构成的是跳频系统而不是定频系统。跳频系统的关键部件是跳频器，能产生频谱纯度好的、具有快速切换能力的频率合成器和伪随机性好的跳频指令发生器决定着跳频系统的性能。

跳频系统中载波频率改变的规律，叫做跳频图案。有什么样的跳频指令就会产生什么样的跳频图案。在实际通信中，尤其是在军事通信中，为了抗干扰和保证通信的隐蔽性，往往采用具有“伪随机性”的跳频图案。所谓“伪随机性”是指不是真的具有随机性，而是有规律可循，但是因为兼具一些随机性的特点，因而要查出其中的规律也很难。只有知道跳频图案的双方才能互相通信，第三方很难加以干扰或窃听。图4-6为跳频图案例图。

一个好的跳频图案应具备以下几点:

①图案本身的随机性要好，要求参加跳频的每个频率出现的概率相同。随机性好，抗干扰能力就强。

②图案的密钥量要大，要求跳频图案的数目要足够多，这样抗破译的能力强。

③各图案之间出现频率重叠的机会要尽量的小，要求图案的正交性要好，这样有利于组网通信和多用户的码分多址。

当跳频信号发生器采用的是伪随机码序列发生器时，跳频图案的性质主要依赖于伪码的性质，此时，选择好的伪随机码序列成为获得好的跳频图案的关键。

(4)跳频技术指标与抗干扰的关系

跳频带宽的大小与抗部分频带的干扰能力有关，跳频带宽越宽，抗宽带干扰的能力越强，所以希望能全频段跳频。例如，在短波段，从1．5～3MHz全频段跳频;在甚高频段，从30～80MHz全频段跳频。

②跳频频率的数目

跳频频率的数目与抗单频干扰及多频干扰的能力有关，跳变的频率数目越多，抗单频、多频以及梳状干扰的能力就越强。在一般的跳频电台中，跳频的频率数目不超过100个。

跳频的速率是指每秒钟频率跳变的次数，它与抗跟踪式干扰的能力有关，跳频的速率越快，抗跟踪式干扰的能力就越强。一般在短波跳频电台中，目前其跳速不超过100跳/s。在甚高频电台中，一般跳速在500跳/s。对某些更高频段的跳频系统可工作在每秒几万跳的水平。

④跳频码的长度(周期)

跳频码的长度决定跳频图案延续时间的长短，这个指标与抗截获(破译)的能力有关，跳频图案延续时间越长，敌方破译越困难，抗截获的能力也越强。跳频码的周期可长达10年甚至更长的时间。

⑤跳频系统的同步时间

跳频系统的同步时间是指系统使收/发双方的跳频图案完全同步并建立通信所需要的时间。系统同步时间的长短将影响该系统的顽存程度。因为同步过程一旦被破环，不能实现收/发跳频图案的完全同步，则将使通信系统瘫痪。因此，希望同步建立的过程越短越好，越隐蔽越好。根据使用的环境不同，目前跳频电台的同步时间可在秒或几百毫秒的量级。

总的来讲，希望跳频带宽要宽，跳频的频率数目要多，跳频的速率要快，跳频码的周期要长，跳频系统的同步时间要短。当然，一个跳频系统的各项技术指标应依照使用的目的、要求以及性能价格比等方面综合考虑才能做出最佳的选择。

跳频系统具有以下优点:

①跳频图案的伪随机性和跳频图案的密钥量使跳频系统具有保密性。即使是模拟话音的跳频通信，只要不知道所使用的跳频图案，那么它就具有一定的保密能力。当跳频图案的密钥足够大时，就具有抗截获的能力。

②由于载波频率是跳变的，具有抗单频及部分带宽干扰的能力，因此当跳变的频率数目足够多时，跳频带宽足够宽时，其抗干扰能力是很强的。

③利用载波频率的快速跳变和具有频率分集的作用，可使系统具有抗多径衰落的能力。条件是跳变的频率间隔要大于相关带宽。

④利用跳频图案的正交性可构成跳频码分多址系统，共享频谱资源，并具有承受过载的能力。

⑤跳频系统为瞬时窄带系统，能与现有的窄带系统兼容。即当跳频系统处于某一定载频时，可与现有的定频窄带系统建立通信。另外，跳频系统对模拟信源和数字信源均适用。

⑥跳频系统无明显的远近效应，这是因为大功率信号只在某个频率上产生远近效应，当载波频率跳变至另一个频率时，则不再受其影响。这一点，使跳频系统在移动通信中易于得到应用与发展。

同时，跳频系统也具有如下缺陷:

①信号的隐蔽性差。

②跳频系统抗多频干扰及跟踪式干扰能力有限。

③快速跳频器的限制。

综上所述，可以对以上介绍的两种扩频技术进行比较。一般来讲，慢跳跳频系统的实现最简单、成本最低，但性能也最差。采用软扩频的编码技术可以达到高速率，实现快速跳频，但只局限于室内近距离范围内的应用。先解调后解扩的直扩系统，可以采用集成电路直接对扩频序列进行数字处理，但前提是信号强度要很高。先解扩再解调的直扩系统是扩频系统中性能最好的技术方式，但是由于它需要完成伪随机码的同步和载波恢复，因而大大增加了系统的复杂程度。例如，一个速率为64 kbit/s的直扩系统，其伪随机码的速率要超过5Mbit/s左右，其实现方法比速率为3 Mbit/s的跳频系统复杂得多。但是，为了保证通信的质量，现代移动通信系统大都采用先解扩再解调的直扩系统，最典型的应用就是在CDMA系统中。