第三章 扩频通信系统的解调和解扩
lesson4(2),5(1) 第三章 导航定位中的扩频技术
3.3 扩频通信中的基本参数
处理增益(process gain)
也称为扩频增益，定义为频谱扩展后的信号带宽与频带 扩展前的信号带宽之比：
B2 R2 T1 GP B1 R1 T2
B1 , R1 , T1 分别为频谱扩展前信号带宽、信息速率和信息数
北京理工大学雷达技术研究所 王 菊
北京理工大学雷达技术研究所 王 菊
3.1 引言
为什么要扩频？
信号功率谱密度低，保密性强 发射信号经扩频处理后，带宽被展宽，信号的功率 分散到该带宽内，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，降低了有用信号 被截获和被窃听的几率。 此外，窃听者不知道发射端所用的码结构，无法恢 复接收信号，所以扩频通信体制的通信安全性高。
干扰容限(Interference margin)
干扰容限指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能 力，定义为：
S M j GP Lsys N out
Lsys 为系统损耗，以dB为单位；
dB为单位。
S 为信息数据被正确解调要求的解扩输出最小信噪比，以 N out
北京理工大学雷达技术研究所 王 菊
3.3 扩频通信中的基本参数
干扰容限(Interference margin)
干扰容限考虑了一个可实现系统的输出信噪比要求；
同时也考虑了接收机内部的信噪比损耗，如接收机前端预 选滤波器的插损、放大器的噪声系数、下变频器的变频损 耗等。 干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能抵抗的极限干扰 强度，即只有当干扰机的干扰功率超过干扰容限后，才能 对扩频系统形成干扰。因而干扰容限往往比处理增益更确 切反映系统的抗干扰能力。
扩频通信系统概述
扩频通信系统概述第一讲扩频通信系统概述扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。
扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码(扩频序列：Spread Sequence)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。
这种通信方式与常规的窄道通信方式是有区别的：一是信息的频谱扩展后形成宽带传输；二是相关处理后恢复成窄带信息数据。
正是由于这两大持点，使扩频通信有如下的优点：抗干扰抗噪音抗多径衰落具有保密性功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率可多址复用和任意选址高精度测量等正是由于扩频通信技术具有上述优点，自50年代中期美国军方便开始研究，一直为军事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。
直到80年代初才被应用于民用通信领域。
为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。
第二讲扩展频谱通信的基本概念 2.1 扩展频谱通信的定义所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：“扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”。
这一定义包含了以下三方面的意思：一、信号的频谱被展宽了。
我们知道，传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。
例如人类的语音的信息带宽为300Hz --- 3400Hz，电视图像信息带宽为数MHz。
为了充分利用频率资源，通常都是尽量采用大体相当的带宽的信号来传输信息。
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
(
)
第3章第4讲 扩频通信、抗衰落技术
——空间分集的两种变化形式：极化分集和角度分集
59
频率分集(Frequency Diversity)
频率分集是将待发送的信息分别调制到频率不相关的载 波上发送，只要载频间隔大于相干带宽，则接收端所接 收到信号的衰落是相互独立的。 在移动通信系统中，可采用信号载波频率跳变扩展频 谱技术来达到频率分集的目的。和空间分集相比，频 率分集的优点是减少了天线数目，缺点是要占用更多 的频谱资源，在发端需要多部发射机。
CDMA网络与GSM网络完全不同，由于不再把信道和用户分开考 虑，也就没有了传统的覆盖和容量之间的区别。一个小区的业务 量越大，小区面积就越小。因为在CDMA 网络中业务量增多就意 味着干扰的增大。这种小区面积动态变化的效应称为小区呼吸。 “小区呼吸”动态分配小区负荷，改善网络覆盖，增加系统容量
5．空分多址
2．CDMA系统地址码和扩频码的应用
主要可以分为3类: （1）用户地址码。 （2）信道地址码。 （3）小区地址码。
3 扩频通信的主要性能指标
(1)．扩频处理增益
处理增益G定义为频谱扩展后的信号带 宽B2与频谱扩展前的信号带宽B1之比，即
B2 R2 T1 G B1 R1 T2
（4-23）
（3）．频带利用率
频带利用率就是传输的数据率（bit/s） 与数字信号所占的频带（Hz）之比单位为 bit/s/Hz。
3.2.4 多址接入技术
1．多址接入技术简介
多址技术主要是解决如何使多用户共享系统无线资源的问题。 必须对不同移动台和基站发出的信号赋予不同的特征，使基 站能从众多移动台的信号中区分出哪一个移动台发出来的信 号，而各移动台又能识别出基站发出的信号中哪个是发给自 己的信号。
显分集
微分集
扩频通信技术_第3章
6
相关解扩
对于扩频信号，接收端要复制一个与发射端扩频码结构 相同、码元同步的本地参考扩频码信号。收、发两端扩频码 同步信号相乘并积分的过程为相关解扩。
完成解扩功能的载波同步及码元同步的是一些特殊的锁 相环，如利用平方环、 Costas 环等进行载波同步；利用包 络检波法、延迟相干法等完成码元同步；利用延迟锁定环、 τ -抖动环以及匹配滤波器等完成扩频码同步。
图1 相干检测原理图
5
本地相干参考信号的产生
相干检测的低通滤波器（积分器）可以消除一部分噪声 分量影响，从而改善接收系统输出信号质量。
本地参考信号是由锁相环路产生的。 锁相环路是信号相位检测 的最佳估计设备。锁相环路可 等效为信号相位的线性系统。 可设计成对信号相位进行最优 跟踪（指动态跟踪误差与噪声 随机误差的均方值最小）。因 此可以实现相干通信。
第三章
引言
扩频通信系统接收信号一般很微弱 接收信号功率通常约为 10-12~10-15W （ -90dBm~-120dBm ） 左右，而信道中的大气噪声在扩频通带内的功率约为10-13W （-100dBm）左右，其它干扰信号的功率更要大得多，有用 信号被干扰和噪声所淹没。所以扩频接收机一般要在输入端 信噪比为-30~0dB条件下进行信号处理。 相关器具有很强的微弱信号检测能力 设计良好的相关器（例如乘积检波器），可以允许在输 入信噪比低达 -50 ~ -20dB 的条件下，从强干扰噪声中检 测出微弱信号。因此大多数扩频信号的解扩都使用相关检测 器，也有一些简单的扩频通信系统使用非相关检测器。
8
一.直接式相关解扩 直接式相关又称高频相关，他是指收到的扩频信号在接 收机的高频电路里直接与本地参考信号进行相关处理的 相关器。这里的本地参考信号是指与发送端同步的伪码 图a为扩频调制器，用于产生一相移键控的扩频信号。 在接收端接收到该信号后，用一个与发端同步的伪随机 序列C ´(t)与接收信号相乘，其效果与发端调制的用的 伪随机序列C(t)互补。如果发送端的伪随机序列与接收 端的伪随机序列相同且同步，那么每当发射信号相移时， 接收机中的本地码再把它相移一次，这样两个互补的相 移结合，就相互抵消了扩展频谱的调制，达到了解扩的 目的，剩下的是原始信号调制的载波信号。原理图如下：
扩频与解扩
玉溪师范学院信息技术工程学院通信系统应用设计报告题目：扩频与解扩系统姓名：王XX学号：2009XXXXX专业：通信工程班级：09级通信XX指导教师:XXXX时间: 2012年12月17日－2012年12月 25日目录一、课题内容 (3)二、设计目的 (3)三、设计要求 (3)四、实验条件 (3)五、系统设计 (3)六、详细设计与编码 (4)1. 设计方案 (4)2. 编程工具的选择 (6)3. 设计步骤 (6)4. 运行结果及分析 (7)七、设计心得 (8)八、参考文献 (9)九、附件 (10)一、课题内容扩频与解扩系统二进制随机信号+PN码扩频+加性高斯白噪声信道+解扩+误码率测试+信宿二、设计目的1.综合应用《Matlab编程与系统仿真》、《信号与系统》、《现代通信原理》等多门课程知识，使学生建立通信系统的整体概念；2.培养学生系统设计与系统开发的思想；3.培养学生利用软件进行通信仿真的能力；4.培养学生独立动手完成课题设计项目的能力；5.培养学生查找相关资料的能力。
三、设计要求1.个人独立完成该课题；2.对通信系统有整体的较深入的理解，深入理解自己仿真部分的原理的基础，画出对应的通信子系统的原理框图；3.提出仿真方案；4.完成仿真软件的编制；5.仿真软件的演示；6.认真完成并提交详细的设计报告。
四、实验条件计算机、Matlab7.0版软件、相关资料、网络五、系统设计1、扩频（1）概念：利用与信息无关的PN伪随机码，以调制方法将已调制信号的频谱宽度扩展得比原调制信号的带宽宽很多的过程。
例如：跳频、混合扩频、直接序列扩频，英文表示为frequency spread。
（2）扩频原理：2、解扩（1）概念：采用扩频技术，在天线之前发射链路的某处简单的引入相应的扩频码，这个过程称为扩频处理，结果将信息扩散到一个更宽的频带内。
在接收链路中数据恢复之前移去扩频码，称为解扩。
解扩是在信号的原始带宽上重新构建信息。
通信系统学习-直接序列扩频系统 相关解扩
3.4.2 相关解扩
1. 直接式相关 直接式相关又称高频相关， 它是指接收到的扩频信号
在接收机的高频电路里直接与本地参考信号进行相关处理的 相关器。
图3-16 直接式相关器原理框图 (a) 扩频调制器； (b) 相关解扩器
第3章 直接序列扩频系统 图3-17给出了这种解扩方式的波形图， 图中未考虑所 传输图
第3章 直接序列扩频系统 中频相关方式：把载有信息的高频扩频信号，首先经 过混频，变成中频的扩频信号，相关处理在中频上完成。 这样不仅克服了高频干扰信号直接馈通的缺点， 而且 使解扩在较低频率上实现， 性能可靠， 同时实现起来也比 较容易。
图3-19 中频相关方式框图
图3-17 直接式相关解扩波形图
第3章 直接序列扩频系统 直接式相关器的优缺点分析 ■优点：结构简单。 ■缺点：对干扰信号有直通和码速泄漏现象。
较强的窄带干扰信号就能进入相关器后的电路并有效地假冒 所需要的信号，对解调产生影响。
第3章 直接序列扩频系统 2． 外差式相关
一般外差相关方式的原理如图下图。
第3章 直接序列扩频系统 3． 基带相关
基带相关器是一种在基带完成相关运算的部件。 与中频相关类似， 基带相关器可以利用混频器， 采用 零中频技术， 把输入的扩频信号的中心频率搬移到零中频 上， 得到基带的扩频信号， 然后再进行相关处理。 也可以先对扩频信号进行伪码的恢复， 在得到基带伪 码信号的基础上进行数字相关或数字匹配滤波。
扩频通信技术
扩频通信技术长期以来，扩频通信主要用于军事保密通信和电子对抗系统，随着世界范围政治格局的变化和冷战的结束，该项技术才逐步转向"商业化"。
数年前扩频通信在我国通信领域仍鲜为人知，有关资料介绍也比较少，一九九三年开始, 吉隆公司即致力于向我国引进扩频产品, 已经在电力、金融、公安、交通等行业收到了明显的社会、经济效益，引起国内通信界人士的广泛注意。
第一章扩展频谱通信简介第二章扩频通信的定义第三章扩频通信的理论基础第四章扩频增益和抗干扰容限第五章频谱的扩展的实现和直接序列扩频第六章扩频通信的主要特点我们知道，传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。
例如语音信息的带宽大约为20Hz~20000Hz、普通电视图像信息带宽大约为6MHz。
为了充分利用频率资源，通常都是尽量压缩传输带宽。
如电话是基带传输，人们通常把带宽限制在3400Hz左右。
如使用调幅信号传输，因为调制过程中将产生上下两个边带，信号带宽需要达到信息带宽的两倍，而在实际传输中，人们采用压缩限幅技术，把广播语音的带宽限制在大约为2×4500Hz=9KHz左右；采用边带压缩技术，把普通电视信号包括语音信号一起限制在1.2×6.5MHz=8MHz左右。
即使在普通的调频通信上，人们最大也只把信号带宽放宽到信息带宽的十几倍左右，这些都是采用了窄带通信技术。
扩频通信属于宽带通信技术，通常的扩频信号带宽与信息带宽之比将高达几百甚至几千倍。
有人要问为什么要这么做？这样是不是太浪费频率资源了？这些问题可以用信息论和抗干扰理论来解释。
扩频通信，即扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication），它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。
除此以外，扩频通信还具有如下特征:2.1 是一种数字传输方式；2.2 带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息进行调制实现的； 2.3 在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。
扩频通信的工作原理
扩频通信的工作原理扩频通信是一种用于提高通信系统抗干扰能力和增加数据传输速率的调制技术。
其工作原理主要包括信号的扩频和解扩、信道编码和解码以及干扰抑制等几个关键步骤。
首先是信号的扩频和解扩。
扩频技术通过将待传输的信息信号用高速的伪随机码（也称为扩频码）进行调制，使得信号占用更宽的频带，从而降低信号在窄带干扰信号中的干扰程度。
在发送端，待传输的数字信号经过与扩频码的点乘运算，将信号的频率扩宽；在接收端，通过与接收端的扩频码进行点乘运算，将信号恢复到原本的频带宽度。
扩频码的选择是一项重要的决策，通常采用与信号的传输特性和通信系统要求相匹配的伪随机码。
扩频技术能够提高通信系统的抗干扰性能，并增加了通信系统的信息容量。
其次是信道编码和解码。
在扩频通信系统中，为了提高误码率性能，通常采用一种称为纠错编码的技术。
通过在发送端对待传输的数字信号进行编码，并在接收端对接收到的信号进行解码和纠错，可以有效提高通信系统的抗噪声和抗干扰能力。
常用的纠错编码方式包括卷积码和RS（Reed-Solomon）码等。
编码和解码过程中需要使用滑窗加法运算、矩阵运算等算法，将原始数据转换为差错控制码，并在接收端通过对差错控制码进行处理来检测和纠正传输过程中产生的错误。
最后是干扰抑制。
扩频通信技术可以利用其频带扩展的特点来对抗窄带干扰，尤其对于具有较宽频带的调制方式（如正交频分复用OFDM），能够更好地处理多径干扰。
此外，扩频通信系统还可以通过采用不同的扩频码和分集技术，实现信号的分集接收和增强系统的抗多址干扰能力。
分集技术包括时间分集、频率分集和空间分集等。
通过这些干扰抑制技术，扩频通信系统能够提高信号的传输质量和系统的数据传输速率。
总结起来，扩频通信的工作原理主要涉及信号的扩频和解扩、信道编码和解码以及干扰抑制等步骤。
通过扩频技术将信号的频带宽度扩大，通过信道编码和解码实现信号的纠错和解码，以及使用干扰抑制技术提升系统的抗噪声和干扰能力，这些步骤将共同为通信系统提供更可靠、高效的数据传输。
扩频通信章分解课件
扩频通信案例的分析与讨论
案例一
某型雷达扩频通信系统的设计与实现
案例三
基于扩频技术的数据加密通信系统
案例二
某型无线通信网络中扩频通信技术的应用
案例四
基于扩频技术的无线遥控系统
扩频通信实验的结果与讨论
数据处理与分析
对实验采集的数据进行处 理与分析，验证扩频通信 系统的性能。
结果展示
以图表、曲线等形式展示 实验结果，并进行对比分 析。
防护措施来保护数据的安全。
扩频通信技术面临的挑战
多径干扰
在复杂的通信环境中，多径干扰是一个常见的问题，它会影响扩 频通信的可靠性和稳定性。
频率资源
随着通信技术的发展，频率资源变得越来越紧张，如何有效地利用 频率资源是扩频通信技术面临的一个重要问题。
实现复杂度
扩频通信技术的实现复杂度较高，需要大量的计算和存储资源，这 会增加硬件成本和能耗。
误码率低
由于扩频通信的信号带宽较宽 ，因此其信噪比相对较高，误
码率较低。
扩频通信的应用场景
无线通信
扩频通信在无线通信中得到了广 泛应用，如无线局域网（WLAN ）、无线广域网（WWAN）、卫
星通信等。
抗干扰通信
由于扩频通信具有高抗干扰性，因 此它被广泛应用于军事和安全通信 中，以确保通信的安全性和可靠性 。
05
扩频通信的发展趋势与挑战
扩频通信技术的发展趋势
高速率
扩频通信技术正在向更高的数据 传输速率方向发展，以满足日益
增长的数据需求。
低功耗
随着物联网、嵌入式系统等应用 的增多，对扩频通信技术的功耗
要求越来越低。
安全性
随着通信技术的发展，对扩频通 信技术的安全性要求也越来越高 ，需要采取更先进的加密算法和
精品文档-扩频通信技术及应用(第二版)(暴宇)-第3章
第3章 直接序列扩频系统
3.1 直扩系统简介 3.2 3.3 直扩系统的发送端 3.4 直扩系统的接收端 3.5 直扩系统的抗干扰能力 3.6 直扩系统的多址能力 3.7 直扩系统的测距能力 3.8 软扩频 3.9 直扩系统的特点
第3章 直接序列扩频系统
3.1 图3-1为直扩系统的组成原理框图。 由信源输出的信号 a(t)是码元持续时间为Ta的信息流， 伪随机码产生器产生的 伪随机码为c(t)， 每一伪随机码码元宽度或切普(chip)宽度 为Tc。 将信码a(t)与伪随机码c(t)进行模2加， 产生一速率 与伪随机码速率相同的扩频序列， 然后再用扩频序列去调制 载波， 这样就得到已扩频调制的射频信号。
在直接序列扩频系统中， 调制方式通常采用PSK调制， PSK信号可等效为抑制载波的双边带调幅信号。 通常采用平 衡调制器作为载波调制器， 载波平衡对称输入， 就能抑制载 波。 常用的平衡调制电路有环型混频器（双平衡混频器）和 双差分模拟乘法混频器等。 图3-6给出了环型混频器的原理 电路图。
第3章 直接序列扩频系统 图3-6 环型混频器原理电路示意图
第3章 直接序列扩频系统
在一个实际系统中， 进入平衡调制器的调制信号是扩频 码序列， 而扩频码序列的平衡性比平衡调制器中元器件的平 衡性更难实现。 由于码不平衡， 在其频谱中有直流分量出现， 这就使平衡调制器输出的扩频信号中载波信号不能得到很好的 抑制。 由于平衡调制器的输出信号中残留载波分量， 因此 输出信号频谱中不仅有扩频码平衡调制信号， 而且还有寄生 的调幅信号。 使用Gold码作为扩频码， 必须注意选用平衡 Gold码， 否则不能有效地抑制载波。
第3章 直接序列扩频系统
对s(t)求自相关函数，
扩频通信的工作原理
扩频通信是一种通过将信号的带宽扩大，从而提高通信系统性能的技术。
它的工作原理可以简述如下：
1. 码片生成：发送端和接收端事先约定一种称为扩频码（或称为码片）的序列，该序列是一个低速码，通常比原始数据速率要低得多。
发送端根据待发送的数据，将其进行扩频码的生成，生成的扩频码与数据进行逐bit 或逐symbol 的异或运算。
2. 扩频：在发送端，将扩频码和原始数据进行逐位或逐符号的异或运算，将原始数据进行扩频。
这将导致信号的高频分量得到增强，并且信号的频谱扩展到更宽的带宽。
3. 发送：发送扩频后的信号，它的带宽比原始数据的带宽要宽得多。
这样做的好处是可以提高抗干扰性能和抗多径效应的能力。
4. 接收与解扩：接收端根据事先约定好的扩频码，对接收到的信号进行匹配滤波，以提取出原始数据。
匹配滤波是通过将接收到的信号与扩频码进行相关运算，得到相关输出。
由于扩频码的唯一性，只有正确匹配的扩频码才会得到最大的输出。
5. 解调和恢复：接收端对解扩后的信号进行解调，恢复出原始的数据信号。
解调的方法可以采用相干解调或非相干解调，根据具体的调
制方式选择不同的解调方法。
通过扩展带宽，扩频技术可以提高通信系统的抗干扰性能、抗多径效应、安全性和隐秘性。
同时，它也为多用户接入提供了更好的支持。
这使得扩频技术在无线通信领域广泛应用，如CDMA、GPS等。
扩展频谱信号的解扩和解调
将耗用大量的硬件资源
2021年1月
扩谱通信
35
如何恢复出基带信号
一般方式（非整周期扩频）
2021年1月
扩谱通信
36
如何恢复出基带信号
一般方式（整周期扩频）
2021年1月
扩谱通信
37
如何恢复出基带信号
优点：克服了高频干扰信号的泄漏，且使解扩在较低 频率上实现，性能可靠，实现比较容易
在实际中大都采用中频相关的方法，特别是DS相关器 中频相关器，通常采用相关检测法，即相乘再积分的
方法 也可以采用匹配滤波器（如SAW和数字匹配滤波器），
但一般不用DMF，因要求很高的采样率，同时相当耗资 源
2021年1月
位延时 相干信号－来自同一信源，通过不同的
延时路径
2021年1月
扩谱通信
12
相关检测
▪ 具有相干性的信号可以采用相关检测法来获得信号
▪ 设信号为 s(t) ，噪声为 n(t) ，信号与噪声的混合
波形为：
r(t) s(t) n(t)
▪ 相关检测是通过互相关运算实现的 ，互相关运算
就是用一个与发射信号s(t) 有密切相干关系的本 地参考信号sr (t) 与r (t ) 相乘后积分，即
2021年1月
扩谱通信
24
直接式相关器解扩过程
相关器接收到发射端送来的相移键控信号为 f (c)g(m)
这个信号在接收端同与发射端调制码相同的本地参
考码 g(m) 相乘
▪ 其效果与发射调制互补：每当伪码序列发生0-1或1-0跃变时，输入 载波反相
如果发射机的码与本地码相同且在时间上同步，每 当发射信号相移时，接收机中的本地码再把它相移 一次，这样两个互补的相移结合，就相互抵消了扩 展频谱的调制，达到解扩的目的
无线通信系统中的调制解调基础(三)：扩频和OFDM
无线通信系统中的调制解调基础（三）：扩频和OFDM作者：Ian PooleAdrio Communications Ltd第三部分讨论扩频通信技术，包括被广泛应用的直接序列扩频通信（DSSS），和正交频分复用（OFDM）第二部分解析了频移键控（PSK）和正交幅度调制（QAM）。
扩频通信技术在许多场合中需要使无线信号的频带尽量的窄来满足节省带宽的需求，然而，在一些场合中更需要采用所谓的扩频通信方式，这时传输频谱被扩的很宽。
有几种方式可以实现扩频通信：一是采用跳频扩频(FHSS)，该方式以背景噪声的形式占用了比较广的频带。
另两种实现的方法也被广泛应用，就是DSSS和OFDM。
跳频在一些场合，特别是军事应用方面，需要阻止有人监听和干扰信号。
跳频可以有效的减少干扰，虽然干扰信号会影响一个频道，但跳频信号只会在那个频道停留短暂的时间，所以影响不大。
跳频已经制定了很好的规范，在该系统中，信号在一秒内通过多次改变的伪随机序列跳到指定的频段上。
不同应用要求的跳动的快慢不同，一般的应用一秒钟都会有数百次跳动，尽管在HF频段可能少一些。
接收机一样会在一个给定的频率上停留一段时间，从一个频率跳到另一个频率过程中会有一个死区，在该时段内发射机输出被禁止。
这样可以执行频率合成，且阻止信号频道间干扰的产生。
要接收并解调信号，接收器必须与发射机的跳频序列同步，要达到这个要求，发射机和接收器必须获得相同的跳频序列，并且时域上必须同步。
跳频发射机通常采用数字发射机，传送语音信号时，必须先进行模数转换，而空中传输的数据量必须比输出要大的多，才能满足跳频时预留死区时间的需求。
直接序列扩频直接序列扩频（DSSS）是另一种扩频调制方式，在一些系统上已经得到了广泛的应用，尽管在发射机和接收机方面会带来更多的成本上升。
DSSS在军方的应用较多，因为安全性比较高，在一些新的无线通信领域也有采用，因为可以提供更高的容量。
采用DSSS 的应用包括码分多址CDMA，CDMA有多个不同的用户通过不同的“码”接入，而另一些老的系统采用频分多址（FDMA），或时分多址（TDMA）。
扩频通信的工作原理
扩频通信的工作原理扩频通信是一种广泛应用于无线通信系统中的调制技术，用于增加数据传输的可靠性和抗干扰性。
它通过将原始信号分散到一个较宽的带宽上，在接收端通过相同的扩频技术将信号提取出来。
扩频通信的工作原理可以概括为以下几个步骤：1. 编码：在发送端，扩频通信使用一个扩频码对原始数据进行编码。
扩频码由一系列具有较长码长的独立序列组成，这些序列被称为码片。
每个码片对应一个比特数据（或多个比特），扩频码可以有不同的编码方式，常见的编码方式有直接序列扩频（DSSS）和正交分频多路复用（OFDM）。
2. 扩频：在发送端，使用扩频码对原始数据进行扩频。
扩频是通过将每个比特数据与一个码片进行逻辑运算（通常为异或操作）来实现的。
这个操作将原始数据的每个比特，即0或1，扩展为一个码片序列，这样数据的带宽就被扩展了，实现了数据的扩频传输。
3. 调制：在发送端，通过对扩频信号进行调制，将其映射到一个载波上，从而形成调制信号。
调制方式可以有多种，常见的包括二进制相移键控（BPSK），四进制相移键控（QPSK）等。
4. 信道传输：经过调制的信号被发送到信道中进行传输。
由于扩频信号的带宽较宽，扩频通信在信道传输过程中可以提供更好的抗干扰能力和信号完整性。
这是因为扩频信号的能量被分散到带宽较宽的范围内，降低了窄带干扰对信号的影响。
5. 接收端处理：在接收端，通过与发送端使用相同的扩频码进行解码，将扩频信号中的原始数据恢复出来。
解码过程是编码过程的逆过程，通过将扩频信号与扩频码进行逻辑运算，得到原始数据序列。
6. 解调：在接收端，对解码的信号进行解调，将其转化为数字信号，并提取原始数据。
解调方式与调制方式相对应，常见的解调方式包括相干解调等。
通过以上的步骤，扩频通信实现了信号的传输和恢复。
扩频通信具有较好的抗干扰能力，可以在噪声和多径传播等复杂信道条件下工作。
它广泛应用于无线通信系统中，包括蓝牙、WLAN（无线局域网）、CDMA（码分多址）等。
CDMA扩频调制与解扩
3
CDMA扩频调制与解扩实验
1. 长度为15的m序列由4级移存器产生，反馈器如 图所示。
+ 输出
a3 a2 a1 a0
4
CDMA扩频调制与解扩实验
2. 长度为31的m序列由5级移存器产生，反馈器如 图所示。
+
a4
a3
a2
a1
a0
5
CDMA扩频调制与解扩实验
3. 长度为31的gold序列
Gold码是Gold于1967年提出的，它是用一对优选的周期 和速率均相同的m序列模二加后得到的。其构成原理如 图所示。 m序列发生器 n级 Gold码 时钟 m序列发生器 n级 初态设置
6
CDMA扩频调制与解扩实验
两个m序列发生器的级数相同，即 n1 n2 n 。如果两 个m序列相对相移不同，所得到的是不同的Gold码序列。 对n级m序列，共有 2n 1 个不同相位，所以通过模二加后 可得到 2n 1 个Gold码序列，这些码序列的周期均为 2n 1
所以生成长度为31的Gold序列为： {0,0,0,0,0,1,1,1,0,0,0,0,1,0,0,0,0,1,1,0,0,1,0,0,1,0,1,1,1,1,0}
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CDMA扩频调制与解扩实验 实验步骤
1. 选择“解扩”实验； 2. 选择“手动输入”或“随机生成”产生原始数据； 3. 可选择“长度为15的m序列”，或者“长度为31的m 序列”，或者“长度为31的gold序列”; 4. 设定解扩码相位，比较相位同步、不同步时解扩的结 果。 5. 设定解扩码相位，观察“频谱分析仪”上信号频谱的 变化。红色曲线表示原始信号的频谱，绿色曲线表示 扩频信号的频谱，蓝色曲线表示解扩信号的频谱。
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通常取功率谱主瓣的宽度为直扩系统的 射频带宽。 直扩系统的射频带宽的大小。
二.直扩系统的处理增益 处理增益表明了系统抗干扰能力的大小。 直扩系统的处理增益的计算
Rc Gp Rb
直扩系统的处理增益不可能无限制地增加，原 因 (1)射频带宽不能太高，因为伪码时钟速率越高， 对于伪码发生器电路的要求就越高。 (2)当伪码速率增大到一定程度以后，干扰电平 减小到与接收机热噪声电平相当，这时若再继 续增大伪码速率，对接收机输出信噪比改善并 不明显。 例3.1-1见教材P51
四.码定时偏移对相关器输出的影响 直扩系统接收端的相关解扩器只有在本 地参考序列与输入信号序列之间严格同 步时才能达到最大输出。 在实际的系统中要实现严格的同步是很 困难的。
产生码定时偏移的原因 (1)收发两方振荡器的振荡频率和初始相 位的差别。 (2)传输延迟。 (3)传输过程中信道衰落和干扰信号的影 响。 码定时偏移的影响：产生输出信噪比的 损失。
三. OQPSK( Offset QPSK，偏移四相相移 键控 )调制
d 2 (t )c2 (t ) 支路相对于 d1 (t )c1 (t )支路延迟半个码元宽度， d 这样当 d1 (t )c1 (t )符号发生变化时， 2 (t )c2 (t )符号不变。因此，
OQPSK调制信号的相位改变只能是0o、±90o，没有 180o。 OQPSK调制信号具有比QPSK信号更好的频谱特性。
二. QPSK调制 QPSK的优点 在相同信息速率下，码元速率是BPSK的 一半，因此所需带宽也是BPSK的一半； 在相同码元速率下，信息速率是BPSK的 2倍。
发送端
单通道调制与双通道调制
单通道调制:d1(t) = d2(t)
双通道调制:d1(t) ≠d2(t)
接收端
平方环的原理
平方环的缺点在于，环路工作在载波的 二倍频上，工作频率更高，环路的设计 制造难度大，稳定性差。
三. Costas环解调器 Costas环解调器也是用来解调抑制载波信号的。
Costas环的优缺点
Costas环在噪声性能上与平方环完全等效。 Costas环与平方环一样可以解调抑制载波的信 号，而且环路的工作频率与载波频率完全相同， 这一点优于平方环。 在Costas环中，I支路和Q支路的不对称会引起 第三个相乘器输出产生偏移，可能对载波的跟 踪产生不良影响。因此要求两路的对称性要好。
外差式相关解扩的优点： 1.避免了同频干扰直通 2.使后续电路在较低的频率下工作，性 能更为稳定，设计也更为简单。
3.1.3直扩系统的调制解调方式
在扩频系统中常用的调制方式是相移键 控，如BPSK，QPSK和OQPSK等。
一.BPSK调制
BPSK直扩系统数学表达式 发送端 接收端 可以看出，混频器输出信号中不再含有 扩频码，即扩频信号被解扩了，而由信 息码d(t)仍保留在中频信号中。
第三章 扩频通信系统的解调和解扩
3.1直接序列扩频系统的解调和解扩
3.1.1直扩系统的简单回顾
直扩系统对接收信号的处理过程：解调+ 解扩。 直扩系统接收信号的特点：弱信号，低 信噪比。 要求接收机在信噪比为-30dB~0dB的条 件下正常工作，设计优良的接收机甚至 要在-50dB~-20dB的条件下工作。
3.1.4直扩信号的频谱特性
直扩信号频谱特性的推导
3.1.5 载波同步
由于相干解调是高斯白噪声环境的最佳解调 器，所以通常都是采用相干解调的方法。这 就需要在接收端产生与发送端载波同频同相 的载波信号。 在接收端产生本地载波通常都采用锁相环 (Phase Lock Loop, PLL)。
3.1.2直扩信号的解扩
一. 直接式相关解扩
直接式相关解扩的优缺点 优点：结构简单 缺点：对干扰信号有直通现象。
二. 外差式相关解扩 外差式相关解扩是将本地参考扩频序列 和某个中频载波的乘积与接收信号进行 相关运算，在解扩的同时完成了混频， 将原调制信号的频率从射频搬移到中频。
三. 载波抑制度不足和码不平衡的影响 载波抑制度不足即载波泄露。 危害 (1)载波频率容易被检测出来，失去扩频通信的 隐蔽性。 (2)浪费了发射功率。 (3)增加了接收端的干扰。 (4)使接收端解调器中的锁相环发生错锁。
例3.1-2 以平方环为例推导BPSK扩频系统有 残留载波分量时对信号解调的影响。
3.1.6直扩系统的几个参数及抗干扰能力了 系统的处理增益，因此射频带宽是直扩 系统的重要参数。
总功率的90.3%包含 在等于2倍码比特速 率的带宽内；总功率 的95%包含在等于4 倍码比特速率的带宽 内；总功率的96.6% 包含在等于6倍码比 特速率的带宽内。
一.锁相环解调器的基本原理
二.平方环解调器 为何要使用平方环？ 因为为了防止载波泄露，现在的调制方式都是 采用抑制载波的平衡调制，载波都被抑制了几 十dB，因此很难用普通的锁相环将载波提取出 来。因此可以采用平方的办法产生二倍频分量， 再用锁相环跟踪二倍频分量，最后再通过二分 频并90°移相的办法产生本地载波。