第七章擴頻調(diào)制概述擴頻（SpreadSpectrum，SS）最初的目的是在有敵方干擾的情況下實現(xiàn)保密通信。軍用無線通信在戰(zhàn)場使用中有兩個突出的問題：其一是容易受到敵方的惡意干擾，其二則是可能被敵方攔截竊聽。擴頻調(diào)制具有固有的抗窄帶干擾的特性；其信號頻譜可以隱藏在噪聲之中或者在很大的頻率范圍上隨機跳變，具有較好的保密性?；谏鲜鰞蓚€特點，擴頻調(diào)制在軍事通信中獲得了極為廣泛的應(yīng)用。此外擴頻調(diào)制還能充分利用無線信道的多徑傳播效應(yīng)，從而在頻率選擇性衰落信道條件下獲得優(yōu)良的性能。擴頻調(diào)制有多種形式，主要包括直接序列擴頻（DSSS）、跳頻擴頻（FHSS）以及跳時擴頻（THSS）等。這些不同形式的擴頻技術(shù)可以單獨使用，也可以相互結(jié)合形成新的混合擴頻技術(shù)，例如FHSS和DSSS結(jié)合的擴頻方式等。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用2為什么要擴頻例7?1對比BPSK、MSK調(diào)制以及IS95CDMA系統(tǒng)采用直接序列擴頻調(diào)制之間的頻譜效率。比較例7?1的三種調(diào)制方式可以看出，擴頻調(diào)制較非擴頻調(diào)制，頻譜效率大大降低。且公共移動通信系統(tǒng)并不需要用到擴頻通信的抗干擾特性。但是在多用戶擴頻通信系統(tǒng)中，考慮所有用戶的總頻譜效率時，應(yīng)用擴頻技術(shù)并不一定會導(dǎo)致總頻譜效率的降低，相反，通過充分發(fā)揮擴頻技術(shù)的優(yōu)勢，總頻譜效率在特定情況下還會有所增加。此外，在多用戶通信系統(tǒng)中使用擴頻調(diào)制技術(shù)，還能夠獲得軟容量及軟切換等方面的優(yōu)勢。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用3偽隨機序列

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用4偽隨機序列-m序列的生成

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用5

偽隨機序列-m序列的生成線性反饋移位寄存器生成m序列結(jié)構(gòu)如圖所示：a1~an-1通過取不同的組合，可以構(gòu)成不同的m序列，但并非任意的組合都能產(chǎn)生m序列，只有符合本原多項式條件的反饋邏輯才能產(chǎn)生m序列。下表給出了n取不同值時，部分能夠產(chǎn)生m序列的反饋系數(shù)的具體值，不同的反饋系數(shù)能夠生成不同的m序列。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用6偽隨機序列-m序列的生成例7-2設(shè)移位寄存器級數(shù)為n=3，移位寄存器的初始狀態(tài)為001，反饋邏輯由多項式x3+x+1確定，計算該移位寄存器輸出的m序列。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用7本例對應(yīng)的m序列生成電路如下圖所示，記錄時鐘上升沿的移位寄存器狀態(tài)、反饋運算結(jié)果以及輸出的序列值，結(jié)果如表7?1所示，可以看出移位寄存器狀態(tài)在第7個時鐘回到了001狀態(tài)，從此開始循環(huán)，因此其周期為7，對應(yīng)的輸出序列為1001110，3級移位寄存器生成的m序列的周期應(yīng)該是23-1=7，兩者正好是吻合的。偽隨機序列-m序列的生成下表給出了n取不同值時，部分能夠產(chǎn)生m序列的反饋系數(shù)的具體值，不同的反饋系數(shù)能夠生成不同的m序列。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用8偽隨機序列-m序列的特性相關(guān)性是衡量偽隨機序列性能的重要參數(shù)。兩個序列的歸一化周期互相關(guān)函數(shù)（也稱為互相關(guān)系數(shù)）為：無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用9

對于偽隨機序列來說，理想的自相關(guān)特性為ρxx(τ)在τ=0時取得最大值1，在τ≠0時取值為0，即具有單峰特性。AWGN就具有理想的自相關(guān)特性。如圖畫出了例7-2中周期為7的m序列，其自相關(guān)系數(shù)隨τ不同的變化情況。偽隨機序列-m序列的特性m序列優(yōu)良的自相關(guān)特性能夠為實現(xiàn)多址和利用多徑創(chuàng)造條件。雖然m序列具有良好的自相關(guān)特性，然而由不同反饋系數(shù)生成的相同長度的m序列之間的互相關(guān)特性卻不盡如人意，如圖所示，長度為31的兩個不同m序列之間在相互對齊的情況下互相關(guān)系數(shù)可能高達0.35。這在多址應(yīng)用時是難以滿足要求的。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用10偽隨機序列-m序列的特性下表給出不同長度m序列的最大互相關(guān)系數(shù)，可以看出m序列的最大互相關(guān)系數(shù)大都在0.3以上，在多址應(yīng)用時通常希望多個偽隨機序列之間相互正交或者準正交，也就說希望不同偽隨機序列之間的互相關(guān)系數(shù)為0或者足夠小，0.3以上的互相關(guān)系數(shù)離準正交的要求相差太遠了，但是以m序列為基礎(chǔ)可以構(gòu)造出互相關(guān)特性較好的其他偽隨機序列，例如Gold序列。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用11偽隨機序列-基于m序列構(gòu)造其他序列

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用12直接序列擴頻直接序列擴頻（DSSS），是一種應(yīng)用最為廣泛的擴頻技術(shù)。DSSS技術(shù)的理論依據(jù)來源于香農(nóng)的信息論。AWGN連續(xù)信道的信道容量為：由上式可以看出，如果信道容量C不變，則信號帶寬B和信噪比S/N之間是可以互換的。也就是說，可以通過增加信號帶寬在較低的信噪比情況下，以相同的信息速率來可靠地傳輸信息。擴頻調(diào)制技術(shù)正是基于上述原理，通過擴大信號帶寬來換取了信噪比上的好處。大多數(shù)直接序列擴頻的基帶信號都基于BPSK調(diào)制產(chǎn)生，因此也稱為DSSS/BPSK調(diào)制，后續(xù)的分析都基于DSSS/BPSK調(diào)制。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用13

直接序列擴頻-擴頻序列

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用14

直接序列擴頻-擴頻序列

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用15

在例7?2生成的m序列的基礎(chǔ)上，得到連續(xù)擴頻序列信號，并基于上式自相關(guān)函數(shù)計算可以得到如圖所示的自相關(guān)函數(shù)。直接序列擴頻-直接序列擴頻調(diào)制

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用16直接序列擴頻-直接序列擴頻調(diào)制

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用17

直接序列擴頻-直接序列擴頻調(diào)制

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用18

直接序列擴頻-直接序列擴頻調(diào)制代入得為了簡化問題，假設(shè)h(t)=δ(t-τ)，其中τ為信道時延，忽略噪聲和干擾，且令τ=τ+Δτ，則上式可以簡化為：解擴的目的是消除擴頻信號對BPSK已調(diào)信號的影響，從上式中恢復(fù)出s(t)?？紤]到c(t)的取值只可能為±1，故當(dāng)Δτ=0時有c(t-τ-Δτ)c(t-τ)=1，代入上式可得：上式說明當(dāng)Δτ=0，即準確估計信道時延的條件下，可以從接收信號中完全消除擴頻序列的影響，恢復(fù)出BPSK已調(diào)信號s(t)，從而實現(xiàn)正確的解擴，接下來使用BPSK相干解調(diào)即可恢復(fù)發(fā)送的符號。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用19

直接序列擴頻-直接序列擴頻調(diào)制那么如果Δτ≠0又會怎樣呢？由收發(fā)原理圖可以看出接收機首先使用c對接收信號進行解擴得到，進而將

與本地載波相乘完成下變頻得到，最后將在一個符號周期內(nèi)進行積分得到解調(diào)符號用于后續(xù)判決。依據(jù)以上過程，不失一般性，令信道時延τ=0，則可表示為：其中第二個等號忽略了二倍頻的高頻分量的影響，因為高頻分量可以通過濾波器濾除。若擴頻序列c(t)具有理想的自相關(guān)特性，即R(τ)=δ(τ)，則可知當(dāng)Δτ≠0時，R(Δτ)=0，無法正確解調(diào)，解調(diào)結(jié)果為零；當(dāng)Δτ=0時，R(Δτ)=1，上式即為發(fā)送符號，從而實現(xiàn)了正確的解擴與解調(diào)。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用20

直接序列擴頻-直接序列擴頻調(diào)制

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用21

直接序列擴頻-直接序列擴頻調(diào)制結(jié)合收發(fā)原理圖，DSSS/BPSK在擴頻與解擴流程中各個階段的信號可以用右圖進行簡單的示意，圖中假設(shè)信道響應(yīng)為單位沖激響應(yīng)且沒有考慮噪聲和干擾的影響，數(shù)據(jù)符號周期Ts為碼片周期Tc的3倍，也即擴頻因子M=3，發(fā)送功率為P。圖中假設(shè)信道時延為Tc/2，即接收到的擴頻信號y(t)相對于發(fā)送的擴頻信號x(t)有Tc/2的時延，若接收端能夠獲得正確的同步，即,則能夠?qū)崿F(xiàn)正確解擴，恢復(fù)出發(fā)端的已調(diào)信號估計信號

s(t)，并進行后續(xù)的解調(diào)過程。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用22

直接序列擴頻-直接序列擴頻調(diào)制與時域波形信號對應(yīng)的頻域情況如右圖所示，其中P表示發(fā)射功率，容易證明擴頻前后信號的功率是保持不變的?？梢钥闯鰯U頻前的BPSK已調(diào)信號帶寬較窄，帶寬為2/Ts；對應(yīng)的歸一化后的功率譜密度為1.5。擴頻之后得到的DSSS/BPSK信號帶寬被擴展了3倍，即2/Tc=6/Ts。相應(yīng)地，擴頻信號的功率譜密度也降低為原來的1/3。如果我們不斷地增大擴頻因子M，則隨著擴頻信號帶寬的不斷增大，其功率譜密度也會隨之進一步降低，直到擴頻信號的功率譜密度降低到噪聲功率譜密度之下。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用23直接序列擴頻-擴頻序列同步DSSS信號接收機需要實現(xiàn)三項同步任務(wù)，即擴頻序列同步、載波同步以及位定時同步，其中擴頻序列同步具體過程可分為捕獲和跟蹤兩個階段。捕獲階段主要確定是否收到有效的擴頻信號并獲取粗同步，粗同步捕獲可以串行實現(xiàn)也可以并行實現(xiàn)。并行捕獲結(jié)構(gòu)如圖所示：無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用24直接序列擴頻-擴頻序列同步串行捕獲結(jié)構(gòu)如圖所示：在數(shù)字擴頻通信系統(tǒng)中，廣泛應(yīng)用的是基于滑動相關(guān)的捕獲方案，結(jié)構(gòu)如圖所示：無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用25直接序列擴頻-擴頻序列同步

無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用26直接序列擴頻-抗干擾原理直接序列擴頻在軍事應(yīng)用中的一個突出優(yōu)勢是其具有抗窄帶干擾的能力。這里的窄帶干擾是指干擾信號的帶寬與直擴信號的帶寬相比更窄，通?？梢约俣ㄕ瓗Ц蓴_信號的帶寬與擴頻前的基帶信號帶寬在同一個量級。當(dāng)擴頻系統(tǒng)和窄帶系統(tǒng)工作在相同頻率范圍時，擴頻系統(tǒng)將主要受這種窄帶干擾的影響。如圖從頻域角度形象的說明了擴頻信號的抗干擾原理。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用27直接序列擴頻-抗衰落與RAKE接收若信道為多徑衰落信道，DSSS使用了比符號周期小得多的碼片周期，碼片間干擾肯定比符號間干擾嚴重得多，直覺上加劇了DSSS信號經(jīng)歷的頻率選擇性衰落，但是通過擴頻序列優(yōu)良的自相關(guān)特性，接收機可以提取特定時延傳播路徑上到達的接收信號，與該路徑相對時延超過碼片周期的多徑接收信號都得到了較大的抑制，從而有效地降低了碼間干擾或者頻率選擇性衰落的影響，因此DSSS具有抵抗多徑衰落的能力。從頻域上看，相對于BPSK已調(diào)信號來說，擴頻信號的帶寬大大增加，相當(dāng)于將BPSK已調(diào)信號帶寬上攜帶的信息分攤到更大的帶寬上，不同頻率分量將可能受到不同的頻率選擇性衰落，也就是說在頻率域上，獨立衰落的多樣性大大增加了，第5章已經(jīng)指出，多樣性就意味著分集的可能性，因此就有可能利用這種多樣性來獲取增益。從這個意義上看，DSSS能夠提供頻率分集的效果，利用這個效果來改善接收信號的技術(shù)就是RAKE接收機。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用28直接序列擴頻-抗衰落與RAKE接收RAKE接收機的結(jié)構(gòu)如圖所示，通過U個相關(guān)器，能夠提取出對應(yīng)多徑時延處的多徑信號，從而實現(xiàn)對多徑信號的分離。分離出的U個多徑信號，對應(yīng)于同一個發(fā)送信號，但是經(jīng)歷了不同的傳播路徑和獨立的衰落，因此可以將其看作是多個分集支路信號。進而采用第5章給出的各種合并算法進行合并，就可以提升解調(diào)性能。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用29直接序列擴頻-碼分多址基于直接序列擴頻還可以實現(xiàn)多址，即碼分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）。CDMA利用一組特定的擴頻序列分別對不同的用戶信息進行擴頻，并且允許不同用戶的信息疊加在一起同時傳輸，占用相同的工作帶寬，在接收端利用不同擴頻序列之間較小的互相關(guān)特性對用戶進行區(qū)分，從而達到多址的目的。雖然對每個用戶來講擴頻信號都占用了很大的帶寬，但是由于使用不同擴頻序列調(diào)制的信號可以占用相同的帶寬，并且仍然能夠在接收端被分離出來，因此在多用戶使用的情況下，CDMA技術(shù)具有較高的頻譜效率。實際上，第10章指出，使用準正交擴頻序列的CDMA系統(tǒng)可以支持較多的用戶同時通信，但是用戶之間會產(chǎn)生互相干擾，盡管可以共享信道的用戶總數(shù)沒有硬性限制，但是如果太多用戶同時訪問該信道，則所有用戶的性能都會降低。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用30跳頻擴頻-跳頻原理跳頻擴頻（FHSS）是指發(fā)射信號的帶寬不變，但發(fā)射的載波頻率受偽隨機序列的控制，在遠大于信號帶寬的頻帶內(nèi)，按一定規(guī)律隨機跳變的技術(shù)。FHSS的基本工作原理如圖所示：無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用31跳頻擴頻-跳頻原理在發(fā)射端首先采用某種數(shù)字調(diào)制映射得到基帶信號，同時利用跳頻序列控制頻率合成器，在不同的時隙內(nèi)產(chǎn)生頻率跳變的載波信號，再用跳變的載波信號對基帶信號進行上變頻。在接收端，本地跳頻序列控制頻率合成器，使本振信號頻率與發(fā)送方具有相同的跳變規(guī)律。利用跳變的本振信號對接收到的跳頻信號進行下變頻，獲得解跳后的基帶信號，進而經(jīng)數(shù)字解調(diào)恢復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)。跳頻技術(shù)特點：抗干擾能力強具有多址組網(wǎng)能力具有一定抗衰落能力易于與窄帶通信系統(tǒng)兼容具有一定的保密能力無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用32跳頻擴頻-跳頻同步在因此對跳頻同步有以下一些要求：1）跳頻同步建立的時間要快；2）跳頻同步系統(tǒng)自身要有較強的抗干擾能力；3）跳頻同步信號要有較強的隱蔽性和抗偵察假冒能力。實現(xiàn)跳頻同步的方法主要有同步字頭法、參考時鐘法及自同步法三種：同步字頭法：在建立通信前首先傳送攜有同步信息的數(shù)據(jù)幀，利用收到的同步信息來實現(xiàn)同步。若跳頻序列周期很長，采用其它方法會使同步時間過長時，此方法為一種較好的解決辦法。參考時鐘法：這種方法用高精度的時鐘實時控制收發(fā)雙方的跳頻圖案，即實時控制收發(fā)雙方頻率合成器的頻率跳變。若收發(fā)雙方都保持時間一致，且通信距離已知，則可保證跳頻圖案的同步。自同步法可直接從接收到的跳頻信號中自動提取同步信息，不需同步頭，可節(jié)省功率，且有較強的抗干擾能力和組網(wǎng)靈活的優(yōu)點。無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用33跳頻擴頻-跳頻多址跳頻擴頻也可實現(xiàn)多址，不同的用戶采用相互正交（或準正交）的跳頻序列來進行跳頻，這些用戶可以同時工作在相同的頻帶內(nèi)，而不會產(chǎn)生相互干擾，或者相互之間的干擾能夠被控制在一定的程度之內(nèi)。兩個用戶的跳頻多址示意如圖所示。其