讲义 第四章 直接序列扩频信号的调制技术
移动通信基础课件-第4章 扩频通信技术
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图4-5 15位码序列T = 4Tc时的自相关系数
图4-6 15位码序列T = 0时的自相关系数
图4-7 n=4, P=15 m序列的自相关系数曲线
扩频通信系统有以下两个特点。
（1）传输信号的带宽远大于被传输的原始信 号的带宽。
（2）传输信号的带宽主要由扩频函数决定， 此扩频函数通常为伪随机编码信号。
2．扩频通信技术的发展简史
3．典型扩频通信系统框图
图4-1是一个典型的扩频通信系统框 图。
由发送端、接收端和无线信道3部分 组成。
图4-1 典型的扩频通信系统框图
（2）不同代的但没有直系关系的OVSF码也 相互正交，如C2,0和C4,2。
（3）不同代而有直系关系的OVSF码不互相 正交，如C2,1和C4,2。
（4）OVSF码的正交特性（同长度的OVSF 码序列）。
① OVSF码的自相关特性：自相关系数 为1。
② OVSF码的互相关特性：正交的。
wifi基础：直接序列扩频技术
1 wifi 基础：直接序列扩频技术1.1 概述直接序列扩频系统是目前广泛应用的一种扩展频谱系统。
直接序列扩频通信开始出现于第二次世界大战，是美军重要的无线保密通信技术。
现在直扩技术被广泛应用于包括计算机无线网等许多领域。
美国的国际卫星通信系统和全球定位系统都是直接序列扩频系统的应用实例。
直接序列扩频（DSSS ），（Direct seqcuence spread spectrdm ）是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。
它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN 码（伪噪声码）进行摸二加。
例如说在发射端将"1"用11000100110，而将"0"用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是11000100110就恢复成"1"是00110010110就恢复成"0"，这就是解扩。
这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10dB 以上，从而有效地提高了整机信噪比。
1.2 扩频通信的基本概念通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。
通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。
这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。
在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。
显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。
在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。
通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。
由于信息在传输过程中受到干扰，收到的信息与发出的信息并不完全相同。
可靠性就是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度。
直接序列扩频
直接序列扩频通信系统仿真一、直接序列扩频原理理论基础：直接序列扩频（DSSS）是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解扩，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。
它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN码（伪噪声码）进行摸二加。
例如说在发射端将"1"用11000100110，而将"0"用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是11000100110就恢复成"1"是00110010110就恢复成"0"，这就是解扩。
这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10DB以上，从而有效地提高了整机倍噪比。
二、扩频通信的主要优点：1.重复使用频率。
提高了无线频谱利用率无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波都得到开发利用，仍然满足不了社会的需求。
在窄带通信中，主要依靠波道划分来防止信道之间发生干扰。
扩频通信发送功率极低(1—65Om)，采用了相关接收技术，且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率，也可与现今各种窄带通信共享同一频率资源。
2.抗干扰性强。
误码率低扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，而收端又采用相关检测的办法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。
这样，对于各种干扰信号，因其在收端的非相关性，解扩后窄带信号中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干扰性强。
3.隐蔽性好对各种窄带通信系统的干扰很小由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率很小，信号湮没在噪声里，一般不容易被发现，而想进一步检测信号的参数(如伪随机编码序列)就更加困难，因此说其隐蔽性好。
三、直接序列扩频通信系统仿真程序：code_length=20; %信息码长度N=1:code_length;rand('seed',0)x=sigh(rand(1,code_length)-0.5) %信息码for i=1:20s((1+(i-1)*800):i*800)=x(i); %每个码元含有800个采样点end生成的信息码序列波形：图1：信息码序列%产生伪随机序列，使用的mgen函数见附录length=100*20; %伪码频率5MHZ，每个信息码含有100个伪码x_code=sign(mgen(19,8,length)-0.5); %把0,1序列编程-1,1调制码for i=1:2000w_code((1+(i-1)*8):i*8)=x_code(i); %每个伪码码元含有8个采样点end产生的PN码波形如下图所示：图2：PN码%扩频k_code=s.*w_code; %k_code为扩频码扩频码如下图所示：图3：扩频码%调制fs=20e6;f0=30e6;for i=1:2000AI=2;dt=fs/f0;n=0:dt/7:dt; %一个周期采样8点cI=AI*cos(2*pi*f0*n/fs);signal((1+(i-1)*8):i*8)=k_code((1+(i-1)*8):i*8).*cI; endPSK调制后的波形：图4：PSK调制后的波形%解调AI=1;dt=fs/f0;n=0:dt/7:dt; %一个载波周期内采样8个点cI=AI*cos(2*pi*f0*n/fs);for i=1:2000signal_h((1+(i-1)*8):i*8)=signal((1+(i-1)*8):i*8).*cI; end解调后的波形如下图所示：图5：解调后的波形%解扩jk_code=signal_h.*w_code;%低通滤波wn=5/10000000; %截止频率wn=fn/(fs/2),这里的fn为信息码的带宽5M b=fir1(16,wn);H=freqz(b,1,16000);signal_d=filter(b,1,jk_code);解扩并滤波后的波形如下图所示：图6：解扩并滤波后的波形从图形上看，解扩出来的信息码与原信息码基本相同，对比图如下：图7：输入与输出对比附录：%mgen.mfunction[out]=mgen(g,state,N)gen=dec2bin(g)-48;M=length(gen);curState=dec2bin(state,M-1)-48;for k=1:Nout(k)=curState(M-1);a=rem(sum(gen(2:end).*curState),2); curState=[a curState(1:M-2)];end。
直接串行扩频
工作原理
传送原理
抗干扰原理
例如我们用窄脉冲序列对某一载波进行二相相移键控调制。如果采用平衡调制器，则调制后的输出为二相相 移键控信号，它相当于载波抑制的调幅双边带信号。输入载波信号的频率为fc，窄脉冲序列的频谱函数为G(C)， 它具有很宽的频带。平衡调制器的输出则为两倍脉冲频谱宽度，而fc被抑制的双边带的展宽了的扩频信号，其频 谱函数为fc + G(C)。
在接收端应用相同的平衡调制器作为解扩器。可将频谱为fc+G(C)的扩频信号，用相同的码序列进行再调制， 将其恢复成原始的载波信号fc。
直扩系统的抗干扰能力是由接收机对干扰的抑制产生的，如果干扰信号的带宽与信息带宽相同（即窄带）， 此干扰信号经过发送机伪噪声码调制后将展宽为与发送信号相同的带宽，而其谱密度却降低了若干倍。相反，直 扩信号经伪噪声码解扩后变成了窄带信息，从而使增益提高了若干倍。此增益我们称为直扩处理增益GDS，也就 是直扩系统的抗干扰能力，其定义式如下：
直接串行扩频
直接用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱
01 简介
目录
02 工作原理ຫໍສະໝຸດ 直接串行扩频，又称直接序列扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。而在 接收端，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。
简介
直接序列扩频（英语：direct-sequence spread spectrum，DSSS），简称直扩（DS），是一种调制技术。 就是在发送端，直接用高码率的扩频码序列去扩展信号的频谱，在接收端，用相同的扩频码序列将信号解扩，把 展宽的信号还原到原始状态。其名称中的“扩频”来自这样一个事实，即载波信号发生设备的发射频率充满了整 个带宽（频谱）。在一些IEEE 802.11标准中，使用了DSSS技术来调制信号。
FPGA直接扩频通信技术讲座
扩频调制解调技术
扩频调制：将信号扩展到 更宽的频带上，提高抗干 扰能力
扩频解调：将接收到的扩 频信号还原为原始信号
直接序列扩频（DSSS）： 采用直接序列扩频技术， 实现扩频调制和解调
Part Four
FPGA直接扩频通 信的关键技术
伪随机序列生成技术
伪随机序列的定义：在通信系统中，伪随机序列是一种具有一定统计特性的序列，用 于扩频通信中。
伪随机序列的生成方法：常见的伪随机序列生成方法有LFSR（线性反馈移位寄存器）、 Galois LFSR、m序列等。
伪随机序列的性能要求：在扩频通信中，伪随机序列需要满足一定的统计特性，如自 相关性、互相关性、频谱特性等。
FPGA逻辑设计及优化技术
FPGA逻辑设计的基本概念和 原理
FPGA逻辑设计的方法和步骤
FPGA逻辑设计的优化技术和 方法
FPGA逻辑设计的实际应用案 例分析
Part Five
FPGA直接扩频通 信系统的性能评估
通信距离和误码率性能
通信距离：FPGA直接扩频通信系统的通信距离受到多种因素的影响，包括扩频增益、接收机灵 敏度、信道条件等。
功能：产生扩频信号
组成：本地振荡器、频率合成器、功率放大器 工作原理：本地振荡器产生基频信号，频率合成器将基频信号转换为扩频 信号，功率放大器放大扩频信号 特点：高稳定性、低噪声、宽频带
调制解调模块
功能：实现信号的调制和解调 组成：调制器和解调器 调制器：将数字信号转换为模拟信号 解调器：将模拟信号转换为数字信号
技术挑战：需要应 对FPGA直接扩频 通信技术在复杂电 磁环境下的抗干扰 能力、安全性等方 面的挑战。
直接扩频通信技术精讲
物联网：利用 直接扩频通信 技术的抗干扰 能力强、抗多 径干扰能力好 的特点，实现 物联网设备的
可靠通信。
智能物流：在 物流领域，直 接扩频通信技 术可以提高信 号的覆盖范围 和穿透能力， 保障物流信息 的实时传输。
智能农业：在 农业领域，直 接扩频通信技 术可以实现农 田的远程监测 和控制，提高 农业生产效率。
性。
发展趋势：未来 高效频谱利用技 术将与人工智能、 物联网等技术融 合，实现更加智 能化的频谱管理
和通信传输。
发展趋势：随着 通信技术的发展， 多载波直接扩频 通信技术正逐渐 成为研究的热点， 具有广阔的应用 前景。
技术特点：多载 波直接扩频通信 技术具有抗干扰 能力强、抗多径 干扰能力强、抗 截获能力强等优 点，能够提供高 速、可靠、安全 的通信服务。
XXX,a click to unlimited possibilities 汇报人：XXX
CONTENTS
PART ONE
定义：直接扩频通信技术是一种无线通信技术，通过将信息信号扩展到更宽的频带中，实现信息的 传输和通信。
原理：直接扩频通信技术利用伪随机序列将信息信号扩展到宽频带上，通过发送宽频带信号 实现信息的传输。接收端使用相同的伪随机序列进行解扩频，还原出原始的信息信号。
高效频谱利用技 术是直接扩频通 信技术的重要发 展方向，通过更 高效的频谱利用， 提高通信系统的 传输速率和容量。
未来展望：随着 5G、6G等通信 技术的不断发展， 高效频谱利用技 术将得到更广泛 的应用，为各种 无线通信场景提 供更好的服务。
技术挑战：高效 频谱利用技术需 要克服多径干扰、 频谱碎片化等问 题，提高频谱利 用率和通信可靠
评估方法：通过 实验测试、仿真 模拟等方式对直 接扩频通信系统 的误码率和可靠 性进行评估。
直接序列扩频通信系统
4.1.3 频谱特性 时域信号的乘积，则频谱是两个信号频谱 的卷积。
4.2 直接序列扩频系统的射频带
宽与处理增益
4.2.1 射频带宽 主瓣的带宽为：Rc 主瓣的3dB带宽为：0.44Rc PSK调制时候射频带宽为2Rc
4.2.2 处理增益 处理增益跟信号速率和扩频码速率有关。 影响处理增益的因素： 1：信号的传输速率（取决于奎斯特速率） 2：射频带宽（取决于扩频码速率）
A A z (t ) d o (t Td ) cos( 2f IF ) d e (t Td ) sin( 2f IF ) 2 2
3. 双通道QPSK直接序列扩频系统
s(t ) Ad1 (t )c1 (t ) cos(2f 0t ) Bd 2 (t )c2 (t ) sin( 2f 0t )
冗余传输： 用若干个频率传输一个比特信息。 c c x 当有冗余时的情况： c x Pe x p (1 p) xr p=N/J 没有冗余时候的误码率 N 频率数 J 被干扰的信道数 R 错误判决数 C 一比特信息码所发送的频率切普数
10 lg( kTB)dB 128.78dB
若射频带宽提高到200MHz，则：
G p 37.95dB
接收机干扰电平为：-130.95dB，和热噪 声差不多了。所以进一步加大射频带宽， 输出信噪比也不会有很大改善。 如果把信号速率压缩到2.4kb/s时，处理 增益为43.19dB
4.3 直接序列系统中信息的发送
例子： 若允许射频带宽为10MHz，信息信号 的速率为1kbps，为确保临近频道不发生 串扰和频率重叠，每个信道多宽？最多能 有多少跳频数？ 信息速率1kbps，则带宽为2KHz。 跳频数：10M/2K=5000
讲义 直接序列扩频信号的调制技术
发射机框图
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接收机框图
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例： 已知扩频码chip速率是数据速率的100倍。扩
频码周期为无限长。数据调制和扩频调制皆采用 BPSK。试计算直接序列扩频发射信号的功率谱。
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图中E为脉冲的幅度，o为脉冲的宽度，To为脉冲的重复周期。设 To ＝5o，f(t)的频谱An(f)分布为一系列离散谱线，由基频fo及其高 次谐波组成。随着谐波频率的升高、幅度逐渐衰减。但信号的能量 主要集中在频谱的主瓣内，即频率从0开始到频谱经过第一个0点的 频率为止的宽度内，称为信号的频带宽度，以Bf0表示。
此外，无论是脉冲重复周期的增加，还是脉冲宽度 的减少，频谱函数的幅度都降低了。
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结论： 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，信号的功率谱密度降低。因此，可以 用扩频信号进行隐蔽通信。
(3) QPSK调制为载波相互正交的两个BPSK信号 之和。
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双通道QPSK调制框图
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当两路数据不同时： 当两路发射信号功率不同时：
c1(t)、 c2(t) 是相互独立的正交PN码，取值 c1(t) 、c2(t) 码元宽度相同，时间上同步。
接收端信号：
相关器输出信号：
式中： ——延迟的近似值
当
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制）和扩频信号的接收（相关解扩）。
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4.2扩频通信中常用的数字调制技术
调制分类
调制信号：
载波信号：
幅度调制 频率调制 相位调制
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4.2扩频通信中常用的数字调制技术
在扩频通信中，考虑到性能和成本的因素，常用的是相
扩频调制的作用展宽发射信号带宽，而功率降低。
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接收机为：
• 如果本地参考码与发射端的扩频码相同，时间同
步，则可以抵消扩频码的调制，恢复载波。
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接收端信号：
相关器输出信号：
式中：
当
——延迟的近似值 时， 。此时也称为接收机的
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外差式相关器：输入输出频率不相同的一种相关器，
其本地参考信号和发射信号相差一个固定的中频。其 BPSK直扩接收机如下图所示。
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相关器的输出噪声
1.大气噪声和电路内部噪声﹡本地码调制。
大气噪声和电路内部噪声通常要比无用信号小得多，可以 忽略。
之和。
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双通道QPSK调制框图
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当两路数据不同时： 当两路发射信号功率不同时：
c1(t)、 c2(t) 是相互独立的正交PN码，取值 c1(t) 、c2(t) 码元宽度相同，时间上同步。 QPSK信号的相位可能改变0。、 或180。
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发射信号的功率谱密度
（频率卷积定理）
其中
为数据调制信号的功率谱
为相位调制信号幅度
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因为扩频码chip速率远大于数据速率，所以在每 个积分号内第一个sinc函数有效范围内，第二个 sinc函数近似等于常数，因此卷积可近似为下式 ：
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，且
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OQPSK调制器
OQPSK调制器：所谓偏移四相相移键控，就是 将QPSK框图中的c2(t)相对于c1(t)延迟半个码元宽度 。 这样一来，c1(t)符号发生变化时c2(t)符号不发生 变化，因此OQPSK调制信号只能改变0。或90。。
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结论：
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，信号的功率谱密度降低。因此，可以 用扩频信号进行隐蔽通信。
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发射机框图
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接收机框图
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例：
已知扩频码chip速率是数据速率的100倍。扩 频码周期为无限长。数据调制和扩频调制皆采用 BPSK。试计算直接序列扩频发射信号的功率谱。
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解：设扩频码 为随机二进制序列， 每个码元持 续时间为 秒，振幅为 ，且两种振幅出现概率相 等。这时可按下图计算其功率谱：
第四章 直接序列扩频信号的调制技术
4.1 信号的波形与频谱
p任何周期性的时间波形都可以看成是许多不同幅度、频
率和相位的正弦波之和。
不同的频率成分，在频谱上占有一定的频带宽度。单一
频率的正弦波，在频谱上只有一条谱线，而周期性的矩 形脉冲序列，则有许多谱线。任何周期性的时间波形， 可以用富氏级数展开的数学方法求出它的频谱分布图。
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表示数据相位调制。正交混合网络将输入功率在两个 正交支路中均分。
QPSK调制器的输出为：
式中
、
同相正交，取值
，彼此独立，
、
的功率谱与BPSK信号功率谱的形式相同。
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通过计算
的自相关函数求功率谱
由于 、 彼此独立且正交，所以上式后两项 等于0。 总的QPSK信号的功率谱雷达技术研究所 王 菊
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在接收系统中：
如接收机相位正确，则 于是： 经解调后可恢复原始数据
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双通道QPSK直接序列扩频系统
双通道QPSK直接序列扩频系统的特点：
(1) 同相通道和正交通道的数据可以不同； (2) 同相通道和正交通道的功率可以不同； (3) QPSK调制为载波相互正交的两个BPSK信号
的。
对于二进制序列的数字信息“1”和“0”，分别用载
波相位0和
来表示，称为二相相移键控（BPSK）。
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BPSK扩频由相位调制后的码形和扩频函数c(t)相乘。 发射机：
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发射信号为： 其中：c(t) ——扩频函数，取值 ——相位调制
扩频码与接收信号中包含的扩频码同步。
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接收机解扩器输出信号分量，除随机相位外，将等于 ，可用一般的相干解调器来解调。 解扩用的相关器有两种：直接式，外差式。 （a）直接式相关器： 直接式相关器的优点是结构十分简单，缺点是直 接式相关器的输入输出频率一样，因而干扰信号 可以绕过相关器发生泄露。 直接式相关器只在要求不高的简单扩频系统中才 用。
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根据自相关函数定义：
当
时，
，积分值等于1。 是独立的随机二进制序列
当 时，由于 ，积分值等于0。 当
时，该积分等于
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因此
图示为： 这个三角形的傅立叶变换为：
其中T为数据码元宽度。
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在数字调制中数据和扩频采用相同类型的数字调 制。当两者都采用BPSK时可以省掉一个相位调制器（ 混频器）。双调制过程可以用数据码和扩频码的模2和 进行一次调制来取代。即：
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功率谱密度
二相相移键控信号的双边功率谱密度表示式为：
式中：
2.无用信号﹡本地码调制。
无用信号在扩频系统中将受到处理增益的抑制。
3.有用信号﹡本地码调制(由码不完全同步引起)。
码同步偏移引起的噪声值得重视，即在扩频系统中对码同 步应提出严格的要求。
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4.3 QPSK直接序列扩频系统
1. QPSK直扩系统：是一种利用载波的四个不同相位来表征数字信 息的调制方式。信道利用率比BPSK更高，携带的信息量更大。
移键控(PSK)， 频移键控（FSK）, 最小频移键控(MSK)等 调制技术。
在DS系统中，常用PSK调制和扩频调制相结合实现扩频
系统的调制，在跳频(FH)系统中，则采用FSK调制技术与 扩频调制相结合。
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4.2扩频通信中常用的数字调制技术
相移键控(PSK)是利用载波相位的变化来传递数字信息
4.2扩频通信中常用的数字调制技术
在扩频系统发送接收系统中，在发送端输入信息要
经过信息调制、扩频和射频调制，在接收端接收到 的信号要经过变频、解扩和信息解调。
与一般的数字通信系统比较，射频的上变频、下变
频、信息识别与解调等基本相同。即在扩频通信模 型中，如果省去扩频、解扩模块，则是一般的数字 通信的基本模型。
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如果脉冲重复周期增加一倍，则谱线间隔也减少一半，谱 线密度增加一倍，此时Bfo不变。
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• 如脉冲重复周期不变，而脉冲宽度减少一半1＝ 0/2，则谱线间隔不变，但信号的频带宽度Bf1增加一倍 。 此外，无论是脉冲重复周期的增加，还是脉冲宽度 的减少，频谱函数的幅度都降低了。
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图中E为脉冲的幅度，o为脉冲的宽度，To为脉冲的重复周期。设 To ＝5o，f(t)的频谱An(f)分布为一系列离散谱线，由基频fo及其高 次谐波组成。随着谐波频率的升高、幅度逐渐衰减。但信号的能量 主要集中在频谱的主瓣内，即频率从0开始到频谱经过第一个0点的 频率为止的宽度内，称为信号的频带宽度，以Bf0表示。 从数学分析可知，信号谱线间隔决定于脉冲序列的重复周期， 即fo＝1/To。而信号频带宽度取决于脉冲的宽度，即Bo＝1/o。
—— 数据码元宽度 的最大振幅
A ——
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功率谱为
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扩频后信号也是一个二相移相键控信号，区别只
是用扩频码元宽度Tc 取代数据码元宽度Tb。
通常把Tc叫做扩频码的chip（切谱）。
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取
时谱密度图