直接序列擴頻

所謂直接序列擴頻，就是直接用具有高碼率的擴頻碼序列在傳送端去擴展信號的頻譜。而在接收端，用相同的擴頻碼序列去進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。

直接序列擴頻方式是直接用偽噪聲序列對載波進行調製，要傳送的數據信息需要經過信道編碼後，與偽噪聲序列進行模二和生成複合碼去調製載波。

基本介紹

• 中文名：直接序列擴頻
• 外文名：Direct Sequence Spread Spectrum
• 工作方式：直擴方式
• 優點：高安全性高抗擾性

概念

直接序列擴頻是高安全性高抗擾性的一種無線序列型號傳輸方式，英文全稱Direct Sequence Spread Spectrum，簡稱直擴方式（DS方式）。直接序列擴頻通過利用高速率的擴頻序列在發射端擴展信號的頻譜，而在接收端用相同的擴頻碼序列進行解擴，把展開的擴頻信號還原成原來的信號。直接序列擴頻技術在軍事通信和機密工業中得到了廣泛的套用，現在甚至普及到一些民用的高端產品，例如信號基站、無線電視、蜂窩手機、無線嬰兒監視器等，是一種可靠安全的工業套用方案。

工作原理

接收機在收到發射信號後，首先通過偽碼同步捕獲電路來捕獲傳送來到偽碼精確相位，並由此產生跟傳送端的偽碼相位完全一致的偽碼相位，作為本地解擴信號，以便能夠及時恢復出數據信息，完成整個直擴通信系統的信號接收。

DSSS機制

傳送原理

直接序列擴頻的原理如圖所示。

直接序列擴頻

例如我們用窄脈衝序列對某一載波進行二相相移鍵控調製。如果採用平衡調製器，則調製後的輸出為二相相移鍵控信號，它相當於載波抑制的調幅雙邊帶信號。圖中輸入載波信號的頻率為fc，窄脈衝序列的頻譜函式為G(C)，它具有很寬的頻帶。平衡調製器的輸出則為兩倍脈衝頻譜寬度，而fc被抑制的雙邊帶的展寬了的擴頻信號，其頻譜函式為fc + G(C)。

在接收端套用相同的平衡調製器作為解擴器。可將頻譜為fc+G(C) 的擴頻信號，用相同的碼序列進行再調製，將其恢復成原始的載波信號fc。

抗干擾原理

直擴系統的抗干擾能力是由接收機對干擾的抑制產生的，如果干擾信號的頻寬與信息頻寬相同（即窄帶），此干擾信號經過傳送機偽噪聲碼調製後將展寬為與傳送信號相同的頻寬，而其譜密度卻降低了若干倍。相反，直擴信號經偽噪聲碼解擴後變成了窄帶信息，從而使增益提高了若干倍。此增益我們稱為直擴處理增益GDS，也就是直擴系統的抗干擾能力，其定義式如下：

GDS=10 lg（Rc/Rb）

其中：Rc為直擴碼速率；Rb為信息碼速率，其比率即為擴頻碼長度，也稱擴頻信號的頻寬擴展因子。

優點

抗干擾能力強

擴頻解調器實際上是一個相關器，擴頻信號通過相關器後能有效地恢復，干擾信號（包括瞄準性窄帶干擾和寬頻干擾）由於與本地PN碼不相關而被相關器抑制掉。

表示擴頻通信特性的一個重要參數是擴頻增益G(Spreading Gain),其定義為擴頻前的信號頻寬B1與擴頻後的信號頻寬B2之比。G=B2/B1擴頻通信中，接收端對接收到的信號做擴頻解調，只提取擴頻編碼相關處理後頻寬為B1的信號成份，而排除了擴展到寬頻B2中的干擾、噪聲和其他用戶通信的影響，相當於把接收信噪比提高了G倍。考慮到輸出端的信噪比和接收系統損耗，可以認為實際的擴頻增益帶來的信噪比的改善為：M=G-輸出端信噪比——系統損耗公式中的M叫做抗干擾容限。在第四章的系統仿真中，我們可以更直觀的觀察到系統的抗干擾性能。

抗多徑干擾能力強

無線電波在傳播的過程中，除了直接到達接收天線的直射信號外，還會有各種反射體（如大氣對流層、建築物、高山、樹木、水面、地面）等引起的反射和折射信號被接收天線接收。反射和折射信號的傳播時間比直射信號長，它對直射信號產生的干擾稱為多徑干擾。多徑干擾會造成通信系統的嚴重衰落甚至無法工作。由擴頻序列的自相關函式的特性知道。當兩個接收信號序列相對時間超過碼元寬度時，相關器輸出只為碼長的倒數，故被很大程度地抑制掉。直序擴頻技術還有一種更先進的接收技術，叫RAKE接收技術，它可以實現多徑分集接收，即將各種路徑來的信號，包括直接、折射、反射繞射信號解擴後在相位上根據峰值校齊並進行疊加，使信號強度更高，不僅避免了多徑干擾還增強了接收信號強度。但是RAKE接收技術的實現比較複雜且昂貴。

直接序列擴頻

抗截獲能力強

理論分析表明，信號的檢測機率與信號能量與噪聲功率譜密度之比成正比，與信號的頻頻寬度成反比。直擴信號正好具有這兩方面的優勢，它的功率譜密度很低，單位時間內的能量就很小，同時它的頻帶很寬。因此，它具有很強的抗截獲性。簡單的說：由於信息信號經過擴頻調製後頻譜被大大擴展，使信號的功率譜密度大大降低，接收端接收到的信號譜密度比接收機噪聲低，即信號完全淹沒在噪聲中，這樣對其他同頻段電台的接收不會形成干擾，信號也就不容易被發現，進一步檢測出信號就更難，所以有非常高的隱蔽性，非常適合保密通信，特別適合套用于軍事領域的通信。正因為有此特點，FCC規定使用擴頻通信機不必申請專用頻率。

可同頻工作

由於採用相關解擴，所以只要每部通信的解擴碼（PN）不同，幾部通信機就可以使用同一載頻而不會有互相干擾，只是多增加一點背景噪聲而已。

便於實現多址通信

由於不同的擴頻碼是正交或接近正交的，彼此相互影響很小，所以可以把不同的擴頻碼作為用戶的地址碼，則很容易實現碼分多址（CDMA）通信。移動通信系統採用CDMA方式，理論上可以使通信容量比目前的蜂窩式通信容量大。

擴頻原理圖1是直接序列擴頻通信系統的原理框圖。欲傳輸的數位訊號ak（t）經信息調製（一般為PSK調製）獲得窄帶已調信號bk（t）。它再與碼片速率很高的擴頻碼Ck（t）進行調製（擴頻調製），其輸出為頻譜頻寬被擴展的信號Sk（t），這個過程稱為擴頻。擴展頻譜信號Sk（t）再變換為射頻信號發射出去。

直擴通信速率高

直擴通信速率可達2M，8M，11M，無須申請頻率資源，建網簡單，網路性能好。在802.15.4通信標準中，要求的無線通信的速度是250Kbps, 所以，CC2430高頻部分也是使用這個通信速度。

GDS=10 lg（Rc/Rb）

其中：Rc為直擴碼速率；Rb為信息碼速率，其比率即為擴頻碼長度，也稱擴頻信號的頻寬擴展因子。

套用缺陷

直接序列擴頻在實際套用中往往會遇到以下幾個問題：

頻道數減少

當採用跳頻/擴頻體制時，為獲得足夠大的處理增益，系統占用頻寬太大，這就減少了可供跳頻的信道數。

頻寬增大

系統頻寬太大，進入接收機前端的干擾信號增多。

信息量增大

要得到有效的抗多徑和利用多徑的能力，擴頻碼片必須足夠窄，信息比特必須足夠寬，而後者又限制了信息傳輸速率的提高。

為了解決系統占用頻帶過寬、外部干擾增多和傳輸速率受限的矛盾，當前各國大多採用多進制擴頻技術，相對有效的解決這些問題。

傳播頻率比較

除了直接序列擴頻以外還有其他不同的無線傳播方式有不同的特性。這些特性決定了在不同距離上傳輸不同數據量的能力。以下提及的傳輸方式已被運用到各種無線技術中。

無線傳播方式的比較

固定頻率

在一個特定的頻段範圍（通常非常窄）內傳播信號的方式。通過此方式傳輸的信號通常要求高功率的信號發射器並且獲得使用許可。如果遇到較強的干擾，信道內或者附近的固定頻率發射器將受到影響。對於許可證的要求就是為了減少相鄰的系統在使用相同的信道時產生的干擾。

跳頻擴頻

使用被發射器和接收器都知曉的偽隨機序列，在很多頻率信道內快速跳變以發射無線電信號。FHSS有較強的抗干擾能力，一旦信號在某信道中受阻，它將迅速再下一跳中重新傳送信號。

直接序列擴頻

在設備的特定的發射頻率內以廣播形式發射信號。用戶數據在空間傳送之前，先附加“擴頻碼”，實現擴頻傳輸。接收器在解調製的過程中將干擾剔除。在去除擴頻碼、提取有效信號時，噪聲信號同時剔除。

正交頻分復用

同時在多個子載波頻率上以廣播形式發射信號。每個子載波的頻寬都很窄，可以承載高速數據信號。OFDM適用於嚴酷的信道條件。由於OFDM具有較高的複雜度，有很多方式來抗干擾。對窄帶干擾的抗干擾能力也不錯，因為大量的正交的子載波和與DSSS相似的信道編碼機制。

實現方法

直接序列擴頻信號的調製分為擴頻調製和載波調製兩部分。

擴頻調製

擴頻調製為信息碼和擴展碼模2相加，這裡為了簡單，採用m序列作為擴展碼調製信息碼，信息碼用全0代替進行擴頻調製。當信息碼為全0時，擴頻調製信號即原來的m碼序列。擴展碼的設計碼速率為4MHz，擴頻調製產生的擴頻調製信號即m碼序列存為ds.wfm。要注意的是，實際擴頻調製時，由於信息碼和擴展碼速率不同，需要對信息碼波形進行水平擴展，擴展的倍數約等於擴展碼速率與信息碼速率的比值。例如，實際調製碼分多址信號時，信息碼速率為20KHz，擴展碼速率為4MHz，則ds.wfm=expand（“infor.wfm”，constant）“GOLD .wfm”，constant約為200。

載波調製

載波調製為擴頻調製信號與載波相乘，即dsspread.wfm×carrier.wfm，產生的載波調製信號存為ds-out.wfm，如圖6所示。要注意的是擴頻調製信號對載波進行反相鍵控時，要求擴頻調製信號必須為1、-1兩種狀態，另外，由於擴頻調製信號的碼速率和載波頻率不同，載波調製時需要對擴頻調製信號進行水平擴展（expand），擴展的倍數約等於載波頻率與擴頻調製信號速率的比值。例如載波信號的頻率為70MHz，擴頻調製信號的速率為4MHz，則ds-spread.wfm=expand（“ds.wfm”，13），水平擴展倍數為13。