直接序列扩频
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。
直接序列扩频系统
5.1 直扩系统的组成与原理5.1.1 组成与原理前面已经说过：所谓直接序列(DS)扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。
而在收端，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。
图5－1为直扩系统的组成与原理框图。
图5－1在图5－1(a)中，假定发送的是一个频带限于fin以内的窄带信息。
将此信息在信息调制器中先对某一副载额fo进行调制(例如进行调幅或窄带调频)，得到一中心频率为fo而带宽为2fin的信号，即通常的窄带信号。
一般的窄带通信系统直接将此信号在发射机中对射频进行调制后由天线辐射出去。
但在扩展频谱通信中还需要增加一个扩展频谱的处理过程。
常用的一种扩展频谱的方法就是用一高码率fc的随机码序列对窄带信号进行二相相移键控调制见图5－1(b)中发端波形。
二相相移键控相当于载波抑制的调幅双边带信号。
选择fc ＞＞ fo＞ fin。
这样得到了带宽为2fc的载波抑制进行调制的宽带信号。
这一扩展了频谱的信号再送到发射机中去对射频fT后由天线辐射出去。
信号在射频信道传输过程中必然受到各种外来信号的干扰。
因此，在收端，进入接收机的除有用信号外还存在干扰信号。
假定干扰为功率较强输的窄带信号，宽带有用信号与干扰信号同时经变频至中心频率为中频fI 出。
不言而喻，对这一中频宽带信号必须进行解扩处理才能进行信息解调。
解扩实际上就是扩频的反变换，通常也是用与发端相同的调制器，并用与发端完全相同的伪随机码序列对收到的宽带信号再一次进行二相相移键控。
从图5－1(b)中收端波形可以看出，再一次的相移键控正好把扩频信号恢复成相移键控前的原始信号。
从频谱上看则表现为宽带信号被解扩压缩还原成窄带信号。
这一窄带信号经中频窄带滤波器后至信息解调器再恢复成原始信息。
但是对于进入接收机的变窄带干扰信号，在收端调制器中同样也受到伪随机码的双相相移键控调制，它反而使窄带干扰变成宽度干扰信号。
由于干扰信号频谱的扩展，经过中频窄带通滤波作用，只允许通带内的干扰通过，使干扰功率大为减少。
直扩系统的组成原理
三、 直扩信号的发送与接收
f0
f0＋fif 本地 振荡器
平衡 调制器1 f0＋fif
fif 相关 输出至中 放
平衡 调制器2
本地 参考信号
本地 码 0
图10-5 外差相关解扩
三、 直扩信号的发送与接收
图 10-6(a) 示 出 一 直 扩 接 收 机 的 简 化 方 框图。 输入信号除直扩信号外, 还有连续 载波干扰和宽带信号干扰。在图10-6(b)中 示出三种信号的处理过程。
二、 几种常用的伪随机码
1. m序列 m序列是最长线性移位寄存器序列的简 称。 图10-2(a)为一最简单的三级移位寄存 器构成的m序列发生器。
二、 几冲 (a )
输出 11 100 10
输入
输出
00
0
10
1
01
1
11
0
(b )
D1
D2
D3
1
1
1
0
1
1
0
0
1
故直扩系统有足够高的Gp时, 对宽带噪
声是有很好的抗干扰作用的。 对于部分频 带噪声干扰, 由于能量相对集中, 对直扩系 统的危害比宽带噪声要大一些。
换言之, 直扩系统对其抗干扰性低于对 宽带噪声的抗干扰性。
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三、 直扩信号的发送与接收
直扩信号 连续载波干扰 宽带信号干扰
相关器输入
相关器
相关器输出
本地参考信号 (a )
相关器输出
带通滤波器
有用信号输出加上 处理后的干扰
带通滤波器输出
直扩信号
信号调制载波
信号调制载波
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
CDMA通信技术-3解析
出信噪比为：
(S
/
N)
T 0
(d~(t
)d
(t
))
dt
2
N0 T
2
（3.19）
利用 Schwartz不等式,得到
(S / N )
T 0
(d~(t))2 dt S~ / N
N0
2
(3.20)
可见：使用经过同样滤波特性处理的本地扩频序列信号去解扩， 能得到更好的相关输出信噪比。
22
在图3.1中，发射信号是 用平衡调制器产生的抑 制载波的扩频信号，接 收机要接收这个信号并 实现对抑制载波的跟踪， 如 图 3.l(b) 的 上 部 电 路 所示。
【例】一个扩频系统的处理增益G=35dB，要求误码率小于 10-5 时 ， 解 扩 解 调 器 输 出 的 最 小 信 噪 比 (S/N)out=10dB ， 系 统 损 耗 Ls=3dB。
则干扰容限 Mj=35-(10+3)=22dB
含义： 该系统能在干扰输入功率电平比扩频信号功率高22dB的
情况下正常工作 该系统能在接收输入信噪比大于或等于-22dB的环境下正
其中：d(t)(+1,-1)是信息数据序列，出现“+1”和“-1”的概率相等，各为 1/2,且数据码宽为T。
n(t)为带限高斯白噪声：
n(t) 2n1(t) cos(0t ) 2n2(t)sin( 0t )
(3.29)
经过带通滤波器BPF1后，信号x(t)为：
x(t) 2Ad~(t)sin( 0t ) n~(t)
Re
1
2
S
pn
(
)
H
B
(
)e
j
(
)
直扩与跳频比较
1.问题提出：直接序列扩频与跳频特性比较2.相关资料查询：直接序列扩频系统：直接序列扩频系统（DS）又称为伪噪声系统（PN），是将要发送的信息用伪随机序列扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发送端扩展用的相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的信号。
图2 -1 直接序列扩频原理图跳频：跳频系统（FH）的载频受一伪随机码的控制，不断地、随机地跳变，可看成载频按照一定规律变化的多频频移键控。
图2-2 跳频原理图3.特性比较：扩频方式优点缺点DS 1.通信隐蔽性好2.信号易产生，易实现数字加密3.抗多径干扰1.同步要求严格2.“远-近”特性不好FH 1.频谱利用率高2.有良好的“远-近”特性3.快跳可避免瞄准干扰1.信号隐蔽性差2.快跳频率合成器难做4.详细分析：直接序列扩频与跳频是通信中用得最多的扩频方式，由于这两种系统抗干扰机理不同，它们有各自不同的长处与不足，现就两种系统进行详细的分析：直接序列扩频的优点：1.通信隐蔽性好：由于信号经过扩频调制后频谱被大大扩展，使信号的功率谱密度大大降低，接收端接收到的信号谱密度比接收机噪声低，即信号完全淹没在噪声中，这样对其他同频段电台的接收不会形成干扰，信号也就不容易被发现，进一步检测出信号就更难，所以有非常高的隐蔽性。
2.信号易产生，易实现数字加密：直接序列扩频是对PN码的处理，PN码是一种周期码，可以预先确定并可重复地产生和复制，具有类似白噪声随机特性的二进制码序列，PN码序列中0,1出现的概率各为1\2，且在码长达到一定程度时会从其第一位开始循环，具有一定的规律性，所以实现起来比较容易。
3.抗多径干扰：直接序列扩频系统要用伪随机码的相关接收，只要多径时延大于一个伪随机码的切普宽度，这种多径不会对直扩系统形成干扰,甚至还可以用这些多径能量来提高系统性能。
直接序列扩频的缺点：1.同步要求严格：由于直接扩频的伪随机码速率比跳频伪随机码速率要高很多，而且码也长得多，因此，直扩对同步精度要求高。
直接序列扩频技术在无线通信中的
直接序列扩频技术能够抵抗多普勒效应，保证高速移动通信的稳 定性。
05
直接序列扩频技术在无线通信 中的实例分析
实例一：无线局域网（WLAN）中的应用
1 2
扩频技术
在无线局域网中，直接序列扩频技术被用于对 数据进行编码和传输。
抗干扰能力
由于使用了扩频技术，无线局域网可以在复杂 的电磁环境中提高抗干扰能力。
通过扩频技术可实现信号 隐蔽传输，提高通信的保 密性。
直接序列扩频技术在无线通信中的实现方式
采用伪随机二进制序列进行调制
01
将信息信号与伪随机二进制序列进行调制，实现信号的扩频。
通过相关解调技术进行解调
02
在接收端，使用相关解调技术将扩频信号解调为原始信号。
可实现多用户同时接入
03
通过不同的伪随机二进制序列实现多个用户同时接入，提高频
直接序列扩频技术 在无线通信中的应 用
2023-11-05
目录
• 引言 • 直接序列扩频技术概述 • 无线通信中的直接序列扩频技术 • 直接序列扩频技术的性能分析 • 直接序列扩频技术在无线通信中的实例分析 • 结论与展望
01
引言
背景介绍
无线通信在现代社会中的普及程度不断提高，尤其在移动通 信和互联网接入方面。
扩频技术定义
扩频技术是一种用宽带信号传输信息的方式，其信号所占用的带宽远大于所传输的信息所需的带宽。
扩频技术特点
抗干扰能力强、抗多径衰落能力强、抗噪声干扰能力强、抗人为干扰能力强、保密性好。
直接序列扩频技术的原理
• 直接序列扩频技术原理：直接序列扩频技术是将待传输信息 信号的频谱用高速率的伪随机噪声（PN码）进行扩展，形 成宽带信号，然后通过发射天线发送出去。接收端使用相同 的PN码进行解扩，恢复原始信息信号。
直接扩频序列实验报告
一、实验目的1. 理解直接扩频序列的基本原理；2. 掌握直接序列扩频系统的实现方法；3. 熟悉扩频信号的调制与解调过程；4. 分析直接序列扩频系统的性能。
二、实验原理直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）是一种扩频通信技术，其基本原理是将信息信号与扩频码进行异或运算，将信号频谱扩展到较宽的频带内，以提高信号的隐蔽性和抗干扰能力。
在发送端，信息信号与扩频码进行模2加（异或运算），得到扩频信号。
在接收端，利用相同的扩频码对接收信号进行解扩，恢复出原始信息信号。
三、实验设备1. 直流电源2. 信号发生器3. 数字信号处理器（DSP）4. 数字示波器5. 实验软件（如MATLAB）四、实验步骤1. 设计扩频码序列：生成一个长度为N的伪随机序列（PN码），作为扩频码。
2. 信号调制：将信息信号与扩频码进行模2加运算，得到扩频信号。
3. 信号解调：对接收到的扩频信号进行解扩，恢复出原始信息信号。
4. 性能分析：分析直接序列扩频系统的误码率（BER）、信噪比（SNR）等性能指标。
五、实验结果与分析1. 扩频码序列设计：本实验中，我们设计了一个长度为N=127的伪随机序列作为扩频码。
2. 信号调制与解调：通过实验，我们得到了扩频信号和解调后的信息信号。
3. 性能分析：（1）误码率（BER）：在一定的信噪比条件下，本实验中直接序列扩频系统的误码率约为10^-3。
（2）信噪比（SNR）：本实验中，当信噪比为10dB时，直接序列扩频系统的误码率满足要求。
4. 分析：（1）扩频码序列的长度对系统性能有较大影响。
本实验中，我们选择了长度为N=127的伪随机序列作为扩频码，能够满足实验要求。
（2）直接序列扩频系统的误码率随着信噪比的提高而降低，说明该系统具有良好的抗干扰能力。
六、实验结论通过本次实验，我们掌握了直接序列扩频序列的基本原理和实现方法，熟悉了扩频信号的调制与解调过程。
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扩展频谱（Spread Spectrum，SS）技术最初是为军用目的而开发出来的，应用于军事导航和通信系统中。
出于提高通信系统抗干扰性能的需要，扩频技术的研究得以广泛开展，使得一些民用领域也从扩频技术的独特性质中受益。
本章将概括性地描述扩频技术的基本概念、理论基础、系统组成及性能；介绍扩频系统的优点与应用。
以此阐明直接序列扩频系统（DS—SS）发射机的设计与实现的重要意义。
1.1 扩频的概念
扩展频谱通信系统（Spread Spectrum Communication System）是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数（Spreading Function）扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，接收端再利用相应手段将其解扩，从而获取传输信息的通信系统。
为此，扩频函数（信号）必须满足以下的特性：扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号；它的带宽远大于欲传输信息（数据）带宽；具有类似于噪声的随机特性等。
由于扩频信号的上述特性，扩频系统具有许多的优点：
（1）扩频信号的不可预测性，使得扩频系统具有很高的抗干扰（anti-jam，AJ）能力。
因为干扰者难以通过观测实施干扰，而只能采用发射大功率宽带的干扰信号进行干扰。
（2）扩频信号的功率相当均匀地被分布在很宽的频率范围，以致被传输信号功率密度很低，侦察接收机难以检测。
因此，扩频系统具有低截获概率性（Low Probability of Intercept，LPI），即信号有很好的隐蔽性。
（3）通过对宽带扩频信号的相关检测，可以使扩频系统具有很高的距离鉴别力，可用于测距。
（4）扩频通信系统具有良好的码分多址（CDMA）能力，对不同的用户使用不同的码，使得旁人无法窃听，因而具有高的保密性，可用于多址通信中。
1.2 扩频技术的应用与分类
正因为这种种优点，扩频技术得到了迅速的发展，扩频系统也得到了越来越广泛的应用。
在通信、数据传输、信息保密、定位、测距和多址技术等方面，显示了它极强的生命力。
在电子对抗时代，扩频技术用于通信、导航和识别信息综合系统，为军事上开展联合指挥提供最先进的通信系统，是强有力的电子对抗手段之一。
另外，扩频技术在医学领域中也得到了应用，例如，超声多普勒血流成像。
在各种扩频方式中，直接序列扩频（Direct Sequencing，DS）和频率跳变（Frequency Hopping，FH）是最为常用的扩频技术。
时间跳变（Time Hopping，TH）也是一种扩频技术，主要用于时分多址（TDMA）通信。
此外，还有这几种技术的混合应用，例如，跳频/直接序列（FH/DS）混合扩频，跳时/跳频（TH/FH）混合扩频和跳时/直接序列（TH/DS）混合扩频等，它们都可看作上述几种基本方式的综合运用。
从使用各种扩频技术成功的范例来看，各种不同的扩频方式都有其特点，在各自特定的领域里发挥所长，所以每种扩频方式都很重要。
1.3 扩频技术的理论基础
扩频技术的理论基础是香农（Shannon）定理，它可用香农信道容量公式
S
C = W log 2（1 + ）（1-1）
N
来描述。
该公式表明，在高斯白噪声干扰的信道中，当传输系统的信号噪声功率比S/N下降时，可用增加系统传输带宽W的方法来保持信道容量C不变。
对于任意给定的信噪比，可以用增大传输带宽来获得较低的信息差错率和较高的传输速率。
扩频技术正是利用这一原理，用高速率的扩频码（Spreading
Code）来扩展待传输的数字信息的带宽。
扩频通信系统的带宽比常规通信体制大几百倍至几千倍，故在相同的信噪比条件下，具有较强的抗噪声干扰能力。
其次，在高斯噪声的干扰下，在信道中实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。
这是因为白噪声是一种随机过程，它的瞬时值服从高斯分布，功率谱在很宽的频带内都是均匀的，而且它具有极其优良的相关特性。
但是至今对实现白噪声放大、调制、检测、同步及控制等仍存在着许多的技术困难。
因此，只能用类似于带限白噪声统计特性的伪噪声（Pseudonoise，PN）序列或伪随机序列来逼近它，作为扩频系统的扩频码。
此外，哈尔凯维奇也从理论上证明：要克服多径衰落干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式也应该是具有白噪声统计特性的信号形式。
因而扩频系统又具有抗多径干扰的能力。
对于作为扩频系统扩频码的伪随机序列，其优良特性将在下一章中作具体的介绍。
1.4 扩频系统的组成
直接序列扩频通信系统（Direct Sequence Spread Spectrum Communication System）是直接用扩频码序列对载波调制的系统，简称为直扩系统，它是最典型的扩展频谱通信系统。
现在以直扩系统为例，来说明扩频系统的组成。
直扩系统由发射机、接收机两部分组成。
直扩系统中用的扩频码序列通常是伪随机序列。
要传送的信息经数字化后变成二元数字序列，它和伪随机序列模2相加后形成复合码序列再去调制载波，使频谱得到扩展。
当扩频信号经数字调制器调制后，再经过上变频及功率放大，最后由天线发射出去。
在接收机中要有一个和发射机中的伪随机序列同步的本地序列，对接收信号进行解扩（缩谱），解扩后的信号送到解调器取出传送的信息。
直接序列扩频通信系统的框图如图1.1所示。
（a）发射机
（b）接收机
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.1 直接序列扩频通信系统框图
1.5 扩频系统的性能分析
扩频通信系统比常规通信系统具有更强的抗干扰能力。
通常在衡量扩频通信系统抗干扰能力优劣时，我们引入“扩频增益（Spreading Gain）”的概念来描述。
在扩频系统中，扩频增益G定义为接收机解扩器输出信噪比与接收机的输入信噪比之比，即
S o/N o
G = （1-2）
S i/N i
在直接序列扩频系统中，它等于扩频伪随机序列信号带宽（即扩频序列码速率R c的两倍）与信息数据信号带宽（即信息数据速率R b）之比，即
2R c
G = （1-3）
R b
扩频增益G是反映扩频通信特性的重要参数，是扩频通信对信噪比改善程度的度量。
扩频通信系统的扩频增益越大，对噪声干扰的抑制能力就越强。
但是由于扩频通信系统对噪声功率的抑制能力为扩频带宽与噪声带宽之比，当噪声带宽与扩频带宽一样都非常宽时，系统对噪声功率不再有明显的抑制能力。
扩频通信系统抗外部单频干扰的能力，同样，扩频增益越大，即扩频编码的码长越长，对单频干扰信号的抑制能力就越强。
综上所述，扩频通信系统具有很强的抗干扰能力，抗干扰能力与扩频增益成正比。
这是扩频通信系统的重要特点之一。