第一篇：綜述直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)(DS-SS)調(diào)制解調(diào)理論

綜述直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)（DS-SS）

調(diào)制解調(diào)理論

摘要：擴(kuò)頻通信，是一種用來(lái)傳輸信息的射頻帶寬遠(yuǎn)大于信息本身帶寬的通信方式。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，被譽(yù)為是通信技術(shù)的一次重大突破。擴(kuò)頻通信技術(shù)具有較好的抗干擾、抗噪聲能力，且信號(hào)隱蔽性好，并容易實(shí)現(xiàn)多址傳輸，因而在地面以及衛(wèi)星無(wú)線通信方面得到了廣泛應(yīng)用。其中，直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)是目前使用的最多且最經(jīng)典的擴(kuò)頻工作方式。本文對(duì)擴(kuò)頻和解擴(kuò)的機(jī)制進(jìn)行了詳盡分析，提出了采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)通信的優(yōu)勢(shì)，最后提供了該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：擴(kuò)頻通信 多址傳輸

解擴(kuò)與解擴(kuò) 直接序列擴(kuò)頻

Analysis and Application of Direct Sequence Spread Spectrum

Technology Abstract: Spread spectrum communication, is a kind of communication mode whose RF bandwidth used to transmit information is far wider the information its bandwidth.The emergence of spread spectrum communication systems is regarded as a significant breakthrough in the communications technology.Spread spectrum communication technology has good anti-jamming, anti-noise ability, great signal disarming, and it is easy to realize multiple address transmission, so it is widely used in both the ground and satellite radio communications.Among them, the direct sequence spread spectrum system is currently the most used and the most classical spread spectrum communication method.In this paper the spread spectrum and the solution expansion mechanism is analysis in detail, proposed the advantage of using the direct sequence spread spectrum technology communication, and finally provides the present situation of the application of technology at home and abroad.Keywords: Spread spectrum communication

Multi-access transmission

Spread spectrum and the solution expansion

Direct sequence spread spectrum

擴(kuò)頻通信，是擴(kuò)展頻譜通信的簡(jiǎn)稱。它是指用來(lái)傳輸信息的射頻帶寬遠(yuǎn)大于信息本身帶寬的一種通信方式，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，被譽(yù)為是通信技術(shù)的一次重大突破。

擴(kuò)頻通信是將待傳送的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行偽隨機(jī)編碼(PN碼)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸;接收端則采用相同的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。由于擴(kuò)頻通信(spread spectrum communications)技術(shù)具有抗干擾、抗多徑、保密性好等優(yōu)點(diǎn)使擴(kuò)頻通信在民用、軍用通信系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。而直接序列擴(kuò)頻(direct sequence spread spectrum , DSSS)是擴(kuò)頻通信的一種常用方式，因其具有如下特點(diǎn)：（1）、功率譜密度平坦，具有低截獲概率和低檢測(cè)概率；（2）、抗多徑能力強(qiáng)，多徑分辨能力可以達(dá)到一個(gè)直擴(kuò)碼元的寬度；（3）、有一定的抗單頻及多音干擾能力；（4）靈活的組網(wǎng)能力，所以廣泛的應(yīng)用與軍用衛(wèi)星通信、GPS導(dǎo)航定位、微波接力通信以及地空超短波

通信等場(chǎng)合，在90年代初DSSS曾被應(yīng)用于民用的CDMA蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)(IS-95)，顯示了其顯著的優(yōu)點(diǎn)和較強(qiáng)的生命力。直擴(kuò)系統(tǒng)通信的基本原理

直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)簡(jiǎn)稱直擴(kuò)(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)系統(tǒng)，是目前使用最多，最典型的擴(kuò)頻工作方式。直擴(kuò)方式就是在發(fā)送端直接用具有比信息速率高很多倍的偽隨機(jī)噪聲碼(Pseudo Noise Code, PN碼)與信號(hào)相乘來(lái)達(dá)到擴(kuò)展信號(hào)的帶寬，而在接收端采用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行解擴(kuò)使擴(kuò)頻信號(hào)還原為原始信號(hào)，直擴(kuò)系統(tǒng)中用的編碼序列通常是偽隨機(jī)序列或偽噪聲碼(PN碼)要傳送的信息經(jīng)數(shù)字化后變成二元數(shù)字序列，他和偽隨機(jī)序列模二相加后變成復(fù)合碼去調(diào)制載波。在直擴(kuò)系統(tǒng)中通常對(duì)載波進(jìn)行相移鍵控調(diào)制(信號(hào)調(diào)制選用一進(jìn)制移相鍵控方式，即BYSK調(diào)制)發(fā)射出去。在接收端要有一個(gè)與發(fā)射端的偽隨機(jī)碼同步的本地碼，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)，解擴(kuò)后的信號(hào)送到解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)恢復(fù)出傳送的信息。

Direct Sequence Spread Spectrum直接序列擴(kuò)頻，用高速率的偽噪聲碼序列與信息碼序列模二加（波形相乘）后的復(fù)合碼序列去控制載波的相位而獲得直接序列擴(kuò)頻信號(hào)，即將原來(lái)較高功率、較窄的頻率變成具有較寬頻的低功率頻率，以在無(wú)線通信領(lǐng)域獲得令人滿意的抗噪聲干擾性能。

DSSS通信時(shí)的幀格式為:SFD字段的比特模式為1111 工作原理：在發(fā)送端數(shù)據(jù)D?t?經(jīng)信息調(diào)制(如信息

0011 1010 0000,Signal字段表示數(shù)據(jù)速率,步長(zhǎng)為100Kb/s,比FHSS精確5倍,例如Signal字段=00001010時(shí),10*100Kb/s=1Mb/s,signal

字

段

=00010100

時(shí),20*100Kb/s=2Mb/s.service字段還未使用.length 字段指MPDU的長(zhǎng)度,單位為us.1.1 擴(kuò)頻調(diào)制的工作原理

直接序列偽碼擴(kuò)頻調(diào)制體制的原理框圖如圖1所示。解擴(kuò)器后通常接一低通濾波器（Low-Pass Filiter，LPF），濾除噪聲干擾信息，信號(hào)隨后進(jìn)入解調(diào)器進(jìn)行相關(guān)處理，解調(diào)器輸出信號(hào)V(t)可表示為：

V(t)?K(t)?Acosw0t?D(t)?Acosw0t?Acosw0t??AA222D(t)?cos2w0t?1?D(t)?A2

22D(t)cos2w0t2上式中，第一項(xiàng)

A2D(t)是有用信號(hào)，他和發(fā)送端擴(kuò)

頻前的信號(hào)相對(duì)應(yīng)，第二項(xiàng)是高頻分量（干擾噪聲信號(hào)）。編碼)成為一數(shù)字信號(hào)，再與偽隨機(jī)序列PN?t?相乘，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻調(diào)制，擴(kuò)頻調(diào)制后的信號(hào)再與載波Acosw0t相乘完成載波調(diào)制(如BPSK調(diào)制)，最后把調(diào)制后的信號(hào)通過(guò)發(fā)射信道搬移到射頻上從天線輻射出去。輻射的信號(hào)S(t)可表示為：S(t)?C(t)?Acosw0t?D(t)?PN(t)?Acosw0t

其中：C(t)?D(t)?PN(t)波角頻率。

上式中C(t)為信急碼D(t)與m序列PN(t)的乘積，是一個(gè)數(shù)字信號(hào)，因此S(t)就相當(dāng)于C(t)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制（如BPSK調(diào)制）。在接收端，接收到信號(hào)S(t)后先解擴(kuò)后解調(diào)即先與木地產(chǎn)生的與發(fā)端同步的偽隨機(jī)序列PN(t)相乘進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)恢復(fù)成窄帶信號(hào)（在解擴(kuò)過(guò)程中一些干擾信號(hào)和噪聲信號(hào)被擴(kuò)展，因此輸出信號(hào)的信噪比SN得以大大提高），然后再與發(fā)端同步的載波Acosw0t相乘進(jìn)行相干解調(diào)提取載波，最后將數(shù)據(jù)D(t)信息解調(diào)出來(lái)。

解擴(kuò)器的輸入：

S(t)?D(t)?PN(t)?Acosw0t利用相關(guān)解調(diào)器的低通濾波器濾除2w0的高頻分量，留下有用信號(hào)，然后再進(jìn)行解調(diào)就可以恢復(fù)出D(t)。

1.2 信息的頻譜擴(kuò)展和信號(hào)的解擴(kuò)過(guò)程

所謂直接序列擴(kuò)頻，就是用高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端直接去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，在收端直接使用相同的擴(kuò)頻碼序列對(duì)擴(kuò)展的信號(hào)頻譜進(jìn)行解擴(kuò)，還原出原始的信息。直接序列擴(kuò)頻的頻譜擴(kuò)展和解擴(kuò)過(guò)程如圖2和圖3所示。

由圖2，圖3可以看出：

（1）、在發(fā)送端，信息數(shù)據(jù)D(t)經(jīng)過(guò)常規(guī)的數(shù)據(jù)調(diào)制，變成了帶寬為Bt的窄帶信號(hào)（如用二進(jìn)制序列表示為00000111111100），再用碼速率較高的PN碼（用m序列表示為10011011101010）作擴(kuò)頻調(diào)制（即異或運(yùn)算）以后，形成帶寬B2、功率譜密度極低的擴(kuò)頻信號(hào)（10011100010110），這相當(dāng)于把窄帶Bt的信號(hào)以PN碼所規(guī)定的規(guī)律分散到寬帶B2上，能量被均勻地分布在較寬的頻帶上，再輻射出去。接收端用與發(fā)射時(shí)相同的偽隨機(jī)編碼作解擴(kuò)處理，依PN碼的規(guī)律從寬帶中提取與發(fā)射對(duì)應(yīng)的成份積分起來(lái)，形成普通的基帶信號(hào)，功率譜密度上升，然后用常規(guī)的通信處理解調(diào)出發(fā)送來(lái)的信息數(shù)據(jù)

D(t)，A為載波幅度，w0為載

解擴(kuò)過(guò)程（解擴(kuò)過(guò)程是擴(kuò)頻的逆過(guò)程）：

K(t)?S(t)?PN(t)?D(t)?PN(t)?Acosw0t?PN(t)。

解擴(kuò)器輸出是：D(t)?Acosw0t ?D(t)?PN(t)?Acosw0t2

（2）、相對(duì)于信息信號(hào)，脈沖干擾只經(jīng)過(guò)了一次被模二相加的調(diào)制過(guò)程，頻譜被擴(kuò)展，功率譜密度下降，從而使有用信息在噪聲干擾中被提取出來(lái)。在圖4中我們還可以用能量面積圖來(lái)表示。直擴(kuò)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)在性能和能力上的差異，主要是取決于所采用的是FHSS還是DSSS來(lái)實(shí)現(xiàn)、以及所采用的調(diào)變方式。截至目前，若以現(xiàn)有的產(chǎn)品參數(shù)詳加比較，可以看出DSSS技術(shù)在需要最佳可靠性的應(yīng)用中具有較佳的優(yōu)勢(shì)，而 FHSS技術(shù)在需要低成本的應(yīng)用中較占優(yōu)勢(shì)。

一般而言，DSSS由于采用全頻帶傳送資料，速度較快，未來(lái)可開(kāi)發(fā)出更高傳輸頻率的潛力也較大。DSSS技術(shù)適用于固定環(huán)境中、或?qū)鬏斊焚|(zhì)要求較高的應(yīng)用，因此，無(wú)線廠房、無(wú)線醫(yī)院、網(wǎng)絡(luò)社區(qū)、分校連網(wǎng)等應(yīng)用，大都采用DSSS無(wú)線技術(shù)產(chǎn)品。以目前企業(yè)需求來(lái)說(shuō)，高速移動(dòng)端點(diǎn)應(yīng)用較少，而大多較注重傳輸速率、及傳輸?shù)姆€(wěn)定性，所以未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品發(fā)展應(yīng)會(huì)以 DSSS技術(shù)

為主流。

（1）、干擾性強(qiáng)，誤碼率低。如上所述，直擴(kuò)系統(tǒng)由于在發(fā)送端對(duì)信號(hào)頻譜進(jìn)行了擴(kuò)展，在接收端通過(guò)解擴(kuò)器還原出信息（對(duì)解擴(kuò)器而言，其解擴(kuò)過(guò)程正好是擴(kuò)頻過(guò)程的逆過(guò)程)。從圖4可以看出，對(duì)于脈沖干擾，由于在信號(hào)的接收過(guò)程中，干擾信號(hào)是一個(gè)被一次“模二相加”過(guò)程，可以看成是一個(gè)被擴(kuò)頻過(guò)程，其帶寬將被擴(kuò)展，其譜密度降低。而有用信號(hào)卻是一個(gè)被二次“模二相加”過(guò)程，是一個(gè)解擴(kuò)過(guò)程，其信號(hào)被恢復(fù)（壓縮）后，相當(dāng)于提高了接收信噪比，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，由于擴(kuò)頻系統(tǒng)這一優(yōu)良性能，其誤碼率很低，正常條件下可達(dá)10-10，最差條件下也可達(dá)10-6，完全能滿足目前國(guó)內(nèi)通

信傳輸質(zhì)量的要求。應(yīng)該說(shuō)，抗干擾性能強(qiáng)是擴(kuò)頻通信的最突出的特點(diǎn)。

（2）、隱蔽性強(qiáng)、不容易被偵破。因信號(hào)被擴(kuò)展在很寬的頻帶上，則單位帶寬上的功率很小，即信號(hào)功率譜密度很低。信號(hào)淹沒(méi)在白噪聲之中，這樣可以將信急隱藏起信號(hào)很難被敵方所檢測(cè)，再加之不知擴(kuò)頻編碼，無(wú)法解碼，就更難獲取有用信號(hào)了。

（3）、具有多址能力，易于實(shí)現(xiàn)碼分多址(CDMA)技術(shù)。擴(kuò)頻通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能力，由于擴(kuò)頻通信要用擴(kuò)頻編碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制發(fā)送，而信號(hào)接收需要用相同的擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)解擴(kuò)才能得到，這就給頻率復(fù)用和多址通信提供了基礎(chǔ)，充分利用不同碼型的擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性，分配給不同用戶不同的擴(kuò)頻編碼，就可以區(qū)別不同的用戶的信號(hào)，眾多用戶只要配對(duì)使用自己的擴(kuò)頻編碼，就可以互不干擾地同時(shí)使用同一頻率通信，從而實(shí)現(xiàn)了頻率復(fù)用，使擁擠的頻譜得到充分利用。

（4）、抗多徑干擾。在無(wú)線通信中，抗多徑干擾問(wèn)題一直是難以解決的問(wèn)題。利用擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性，在接收端可以從多徑信號(hào)中提取分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，也可把多個(gè)路徑來(lái)的同一碼序列的信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)，并將其均方根值疊加到主信號(hào)上(波形相加)使之得到加強(qiáng)，從而達(dá)到有效的抗多徑干擾。

（5）、擴(kuò)頻通信絕大部分是數(shù)字電路，設(shè)備集成度高，采用軟件無(wú)線技術(shù)，可靠性高，便于擴(kuò)展，易于維護(hù)，平均無(wú)故障率時(shí)間也很長(zhǎng)。支擴(kuò)技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用

直擴(kuò)技術(shù)在軍用通信中應(yīng)用己有半個(gè)多世紀(jì)的歷史，主要用于兩個(gè)目的：對(duì)抗外來(lái)強(qiáng)干擾和信息保密。通過(guò)將信號(hào)的頻譜擴(kuò)展，使其與背景噪聲難以區(qū)分。近幾年

來(lái)，世界各國(guó)對(duì)擴(kuò)頻技術(shù)的研究與應(yīng)用己形成高潮，在商用領(lǐng)域，眾所周知的基于擴(kuò)頻理論的CDMA移動(dòng)通信發(fā)展迅速，己逐漸成為各種移動(dòng)通信體制的主流；在軍用領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)主要集中在軍用通信，軍用測(cè)控，電子對(duì)抗與反對(duì)抗等方面。

直擴(kuò)技術(shù)不僅在通信系統(tǒng)中發(fā)揮著巨大作用，在其他領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。在擴(kuò)頻雷達(dá)、導(dǎo)航、遙控、遙測(cè)、測(cè)量以及自控等領(lǐng)域采用直擴(kuò)技術(shù)，可有有效提高系統(tǒng)的性能，例如擴(kuò)頻雷達(dá)不僅具有很高的測(cè)距精度，而且也有很高的測(cè)速精度。美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）采用擴(kuò)頻體制進(jìn)行導(dǎo)航授時(shí)，定位精度很高。通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星系統(tǒng)（TDESS），碼分多址（CDMA）衛(wèi)星通信系統(tǒng)，碼分多址移動(dòng)通信系統(tǒng)，這些都是DSSS系統(tǒng)。

我國(guó)正式把擴(kuò)頻技術(shù)作為國(guó)家主要項(xiàng)目進(jìn)行研究是在20世紀(jì)70年代初，在建的軍用擴(kuò)頻測(cè)控網(wǎng)主要服務(wù)于有特殊防護(hù)要求的軍用航天器，應(yīng)具有較強(qiáng)的鏈路防護(hù)與信息安全措施和一定的生存能力。建成后的擴(kuò)頻測(cè)控網(wǎng)將成為軍用航天裝備體系至關(guān)重要的組成部分，完成對(duì)軍用航人器的狀態(tài)監(jiān)視、測(cè)量定軌和控制管理任務(wù)，是軍用航天器正常運(yùn)行所必需的保障條件。今后直擴(kuò)技術(shù)在衛(wèi)星通信，數(shù)據(jù)傳輸，移動(dòng)通信系統(tǒng)，定位系統(tǒng)，授時(shí)系統(tǒng)等未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)等領(lǐng)域?qū)?huì)得到進(jìn)一步的廣泛使用。

[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,13(5):54-56,69.[6] 林可祥，汪一飛.偽隨機(jī)碼原理與應(yīng)用.北京：人民郵電出版社，1978 結(jié)語(yǔ)

直擴(kuò)通信系統(tǒng)就其調(diào)制方式而言，與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信沒(méi)有什么差別，不同之處是在調(diào)制之前增加了一個(gè)擴(kuò)頻處理環(huán)節(jié)，在發(fā)送端的設(shè)計(jì)一般都采用先擴(kuò)頻后調(diào)制，既先用擴(kuò)頻碼和信息碼進(jìn)行模二加運(yùn)算，把待傳送信息碼用特征碼進(jìn)行擴(kuò)展，產(chǎn)生擴(kuò)頻信號(hào)，然后用此信號(hào)去調(diào)制載波。在接收端同樣增加了一個(gè)解擴(kuò)處理環(huán)節(jié)，從解擴(kuò)后的信號(hào)中提取載波，最后恢復(fù)出原始信息，同時(shí)，相關(guān)解擴(kuò)處理還能夠大大降低窄帶脈沖干擾。參考文獻(xiàn)：

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