直接序列扩频

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

图错误!文档中没有指定样式的文字。.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。