综述直接序列扩频系统(DS-SS)调制解调理论

第一篇：综述直接序列扩频系统(DS-SS)调制解调理论

综述直接序列扩频系统（DS-SS）

调制解调理论

摘要：扩频通信，是一种用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的通信方式。扩频通信系统的出现，被誉为是通信技术的一次重大突破。扩频通信技术具有较好的抗干扰、抗噪声能力，且信号隐蔽性好，并容易实现多址传输，因而在地面以及卫星无线通信方面得到了广泛应用。其中，直接序列扩频系统是目前使用的最多且最经典的扩频工作方式。本文对扩频和解扩的机制进行了详尽分析，提出了采用直接序列扩频技术通信的优势，最后提供了该技术在国内外的应用现状。

关键词：扩频通信 多址传输

解扩与解扩 直接序列扩频

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

扩频通信，是扩展频谱通信的简称。它是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式，扩频通信系统的出现，被誉为是通信技术的一次重大突破。

扩频通信是将待传送的信息数据进行伪随机编码(PN码)调制，实现频谱扩展后再传输;接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。由于扩频通信(spread spectrum communications)技术具有抗干扰、抗多径、保密性好等优点使扩频通信在民用、军用通信系统中的应用越来越广泛。而直接序列扩频(direct sequence spread spectrum , DSSS)是扩频通信的一种常用方式，因其具有如下特点：（1）、功率谱密度平坦，具有低截获概率和低检测概率；（2）、抗多径能力强，多径分辨能力可以达到一个直扩码元的宽度；（3）、有一定的抗单频及多音干扰能力；（4）灵活的组网能力，所以广泛的应用与军用卫星通信、GPS导航定位、微波接力通信以及地空超短波

通信等场合，在90年代初DSSS曾被应用于民用的CDMA蜂窝移动通信系统(IS-95)，显示了其显著的优点和较强的生命力。直扩系统通信的基本原理

直接序列扩频系统简称直扩(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)系统，是目前使用最多，最典型的扩频工作方式。直扩方式就是在发送端直接用具有比信息速率高很多倍的伪随机噪声码(Pseudo Noise Code, PN码)与信号相乘来达到扩展信号的带宽，而在接收端采用相同的扩频码进行解扩使扩频信号还原为原始信号，直扩系统中用的编码序列通常是伪随机序列或伪噪声码(PN码)要传送的信息经数字化后变成二元数字序列，他和伪随机序列模二相加后变成复合码去调制载波。在直扩系统中通常对载波进行相移键控调制(信号调制选用一进制移相键控方式，即BYSK调制)发射出去。在接收端要有一个与发射端的伪随机码同步的本地码，对接收到的信号进行解扩，解扩后的信号送到解调器进行解调恢复出传送的信息。

Direct Sequence Spread Spectrum直接序列扩频，用高速率的伪噪声码序列与信息码序列模二加（波形相乘）后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，即将原来较高功率、较窄的频率变成具有较宽频的低功率频率，以在无线通信领域获得令人满意的抗噪声干扰性能。

DSSS通信时的帧格式为:SFD字段的比特模式为1111 工作原理：在发送端数据Dt经信息调制(如信息

0011 1010 0000,Signal字段表示数据速率,步长为100Kb/s,比FHSS精确5倍,例如Signal字段=00001010时,10*100Kb/s=1Mb/s,signal

字

段

=00010100

时,20*100Kb/s=2Mb/s.service字段还未使用.length 字段指MPDU的长度,单位为us.1.1 扩频调制的工作原理

直接序列伪码扩频调制体制的原理框图如图1所示。解扩器后通常接一低通滤波器（Low-Pass Filiter，LPF），滤除噪声干扰信息，信号随后进入解调器进行相关处理，解调器输出信号V(t)可表示为：

V(t)K(t)Acosw0tD(t)Acosw0tAcosw0tAA222D(t)cos2w0t1D(t)A2

22D(t)cos2w0t2上式中，第一项

A2D(t)是有用信号，他和发送端扩

频前的信号相对应，第二项是高频分量（干扰噪声信号）。编码)成为一数字信号，再与伪随机序列PNt相乘，实现扩频调制，扩频调制后的信号再与载波Acosw0t相乘完成载波调制(如BPSK调制)，最后把调制后的信号通过发射信道搬移到射频上从天线辐射出去。辐射的信号S(t)可表示为：S(t)C(t)Acosw0tD(t)PN(t)Acosw0t

其中：C(t)D(t)PN(t)波角频率。

上式中C(t)为信急码D(t)与m序列PN(t)的乘积，是一个数字信号，因此S(t)就相当于C(t)对载波进行调制（如BPSK调制）。在接收端，接收到信号S(t)后先解扩后解调即先与木地产生的与发端同步的伪随机序列PN(t)相乘进行相关解扩恢复成窄带信号（在解扩过程中一些干扰信号和噪声信号被扩展，因此输出信号的信噪比SN得以大大提高），然后再与发端同步的载波Acosw0t相乘进行相干解调提取载波，最后将数据D(t)信息解调出来。

解扩器的输入：

S(t)D(t)PN(t)Acosw0t利用相关解调器的低通滤波器滤除2w0的高频分量，留下有用信号，然后再进行解调就可以恢复出D(t)。

1.2 信息的频谱扩展和信号的解扩过程

所谓直接序列扩频，就是用高码率的扩频码序列在发端直接去扩展信号的频谱，在收端直接使用相同的扩频码序列对扩展的信号频谱进行解扩，还原出原始的信息。直接序列扩频的频谱扩展和解扩过程如图2和图3所示。

由图2，图3可以看出：

（1）、在发送端，信息数据D(t)经过常规的数据调制，变成了带宽为Bt的窄带信号（如用二进制序列表示为00000111111100），再用码速率较高的PN码（用m序列表示为10011011101010）作扩频调制（即异或运算）以后，形成带宽B2、功率谱密度极低的扩频信号（10011100010110），这相当于把窄带Bt的信号以PN码所规定的规律分散到宽带B2上，能量被均匀地分布在较宽的频带上，再辐射出去。接收端用与发射时相同的伪随机编码作解扩处理，依PN码的规律从宽带中提取与发射对应的成份积分起来，形成普通的基带信号，功率谱密度上升，然后用常规的通信处理解调出发送来的信息数据

D(t)，A为载波幅度，w0为载

解扩过程（解扩过程是扩频的逆过程）：

K(t)S(t)PN(t)D(t)PN(t)Acosw0tPN(t)。

解扩器输出是：D(t)Acosw0t D(t)PN(t)Acosw0t2

（2）、相对于信息信号，脉冲干扰只经过了一次被模二相加的调制过程，频谱被扩展，功率谱密度下降，从而使有用信息在噪声干扰中被提取出来。在图4中我们还可以用能量面积图来表示。直扩系统的优点

无线局域网络在性能和能力上的差异，主要是取决于所采用的是FHSS还是DSSS来实现、以及所采用的调变方式。截至目前，若以现有的产品参数详加比较，可以看出DSSS技术在需要最佳可靠性的应用中具有较佳的优势，而 FHSS技术在需要低成本的应用中较占优势。

一般而言，DSSS由于采用全频带传送资料，速度较快，未来可开发出更高传输频率的潜力也较大。DSSS技术适用于固定环境中、或对传输品质要求较高的应用，因此，无线厂房、无线医院、网络社区、分校连网等应用，大都采用DSSS无线技术产品。以目前企业需求来说，高速移动端点应用较少，而大多较注重传输速率、及传输的稳定性，所以未来无线网络产品发展应会以 DSSS技术

为主流。

（1）、干扰性强，误码率低。如上所述，直扩系统由于在发送端对信号频谱进行了扩展，在接收端通过解扩器还原出信息（对解扩器而言，其解扩过程正好是扩频过程的逆过程)。从图4可以看出，对于脉冲干扰，由于在信号的接收过程中，干扰信号是一个被一次“模二相加”过程，可以看成是一个被扩频过程，其带宽将被扩展，其谱密度降低。而有用信号却是一个被二次“模二相加”过程，是一个解扩过程，其信号被恢复（压缩）后，相当于提高了接收信噪比，从而提高了系统的抗干扰能力，由于扩频系统这一优良性能，其误码率很低，正常条件下可达10-10，最差条件下也可达10-6，完全能满足目前国内通

信传输质量的要求。应该说，抗干扰性能强是扩频通信的最突出的特点。

（2）、隐蔽性强、不容易被侦破。因信号被扩展在很宽的频带上，则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，这样可以将信急隐藏起信号很难被敌方所检测，再加之不知扩频编码，无法解码，就更难获取有用信号了。

（3）、具有多址能力，易于实现码分多址(CDMA)技术。扩频通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，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，就可以区别不同的用户的信号，众多用户只要配对使用自己的扩频编码，就可以互不干扰地同时使用同一频率通信，从而实现了频率复用，使拥挤的频谱得到充分利用。

（4）、抗多径干扰。在无线通信中，抗多径干扰问题一直是难以解决的问题。利用扩频编码之间的相关特性，在接收端可以从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的信号进行解扩，并将其均方根值叠加到主信号上(波形相加)使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。

（5）、扩频通信绝大部分是数字电路，设备集成度高，采用软件无线技术，可靠性高，便于扩展，易于维护，平均无故障率时间也很长。支扩技术的发展以及应用

直扩技术在军用通信中应用己有半个多世纪的历史，主要用于两个目的：对抗外来强干扰和信息保密。通过将信号的频谱扩展，使其与背景噪声难以区分。近几年

来，世界各国对扩频技术的研究与应用己形成高潮，在商用领域，众所周知的基于扩频理论的CDMA移动通信发展迅速，己逐渐成为各种移动通信体制的主流；在军用领域，目前国内外研究的焦点主要集中在军用通信，军用测控，电子对抗与反对抗等方面。

直扩技术不仅在通信系统中发挥着巨大作用，在其他领域也得到了广泛的应用。在扩频雷达、导航、遥控、遥测、测量以及自控等领域采用直扩技术，可有有效提高系统的性能，例如扩频雷达不仅具有很高的测距精度，而且也有很高的测速精度。美国的全球定位系统（GPS）采用扩频体制进行导航授时，定位精度很高。通信数据转发卫星系统（TDESS），码分多址（CDMA）卫星通信系统，码分多址移动通信系统，这些都是DSSS系统。

我国正式把扩频技术作为国家主要项目进行研究是在20世纪70年代初，在建的军用扩频测控网主要服务于有特殊防护要求的军用航天器，应具有较强的链路防护与信息安全措施和一定的生存能力。建成后的扩频测控网将成为军用航天装备体系至关重要的组成部分，完成对军用航人器的状态监视、测量定轨和控制管理任务，是军用航天器正常运行所必需的保障条件。今后直扩技术在卫星通信，数据传输，移动通信系统，定位系统，授时系统等未来无线通信系统等领域将会得到进一步的广泛使用。

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直扩通信系统就其调制方式而言，与传统的数据通信没有什么差别，不同之处是在调制之前增加了一个扩频处理环节，在发送端的设计一般都采用先扩频后调制，既先用扩频码和信息码进行模二加运算，把待传送信息码用特征码进行扩展，产生扩频信号，然后用此信号去调制载波。在接收端同样增加了一个解扩处理环节，从解扩后的信号中提取载波，最后恢复出原始信息，同时，相关解扩处理还能够大大降低窄带脉冲干扰。参考文献：

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