扩频通信中直接扩频系统的同步技术
直接序列扩频通信中m序列的同步方案及其FPGA实现
率高、信号易于隐蔽、保密性强、抗干扰能力强的
特点 ，且能大大提高频谱利用率 ，所以对于现代 通信来说具有极大的吸引力。 ２ 世纪 ８ 年代后 ， 到 ０ ０
Ｓ ｓｅ ａ ｄＦ ｙ ｔ ｍ ｎ ＰＧＡ ｍ ｐ ｅ ｅ ｔ ｔｏ Ｉ ｌｍ ｎ ａ ｉ ｎ
Ｗ ａ ｇＧｕ ｎ ， ａ ｎ Ｗ ｕ Ｍ ｉｎ Ｙｉ ｃ ｕ Ｔｉ ｎ Ｈｏ ｘ ｎ ｎ ａ ｇ Ｔｉｎ Ｂｉ ， ａ ， Ｋｅ ｈ ， ａ ｎｇ ｉ
（． ｃ ｏ ｌ ｆ ｅｅ ｏ １ Ｓ ｈ ｏ Ｔ ｌｃ ｍｍｕ ｉａｉｎ ｎ ｉｅ ｒｎ ， ’ｉｎＵｎｖ ｒｉ ， ｎ ７ ０ ７ ， ｉａ ｏ ｎｃ ｔ ｓＥ ｇｎ ｅ ｇ Ｘｉ ａ ｉｅｓｔ Ｘｉａ １ ０ １ Ｃｈｎ ； ｏ ｉ ｄ ｙ
２ 深 圳通创通信有 限公 司公 司，深圳 ５８０ ） ． １０１
摘 要 文 中介绍 了直接 序列扩 频通信 中ｍ 列的两种主要 同步捕获方法： 序 滑动相 关法和数字 匹配滤 波器法 ，
并对其同步时间和抗噪声性能进行 了 理论分析和实验比较。结果表明，数字匹配滤波技术在直接序列扩频伪码同 步捕获时，有其突出的特点，尤其在突发通信时，可以大大减少同步捕获时间。论文同时给出了 ＦＧ 其 ＰＡ实现。
维普资讯
电子科技 ２ ０ ０ ６年第 ３ （ 期 总第 １ ８ ） ９期
直接序列扩频通信 中 ｍ序列的同步方案及其 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ实现
王 光 斌 ，田 ，吴 勉 ，易克初 ，田红心
（．西安 电子科技 大学 综合业务 网国家重点实验 室，陕西 西安 ７应用于军事通信中， 迄今 已经经
历了半个多世纪¨。由于扩频通信具有容量大、速
序列扩频 ，跳频 ，跳时和线性调频等方式，应用最 广的是直接序列扩频方式 （ ｉ ｃ Ｓｑ ｅｃ Ｓｒａ Ｄｒ ｔ ｅｕｎｅ ｐｅｄ ｅ Ｓ ｅｔ ｍ，简称直扩技术） ｐｃ ｕ ｒ 。
直接扩频通信系统设计原理
02 直 接 扩 频 通 信 系 统 概 述 04 直 接 扩 频 通 信 系 统 的 关 键 技
术
06 直 接 扩 频 通 信 系 统 的 优 势 与局限性
Part One
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Part Two
直接扩频通信系统 概述
直接扩频通信系统的基本概念
定义：直接扩频通信系统是一种无线通 信技术，通过将信息信号扩展到很宽的 频带上进行传输，以实现抗干扰和保密 通信。
扩频码的选择与设计
扩频码的特性：具有良好的自相关和互相关特性，能够实现精确的扩频和解扩频 扩频码的分类：包括随机码、伪随机码、复合码等，根据不同的应用场景选择合适的扩频码 扩频码的设计原则：保证系统的抗干扰性能、保密性能和可靠性等 扩频码的生成方法：可以采用线性反馈移位寄存器等方法生成
抗干扰与抗多径干扰技术
直接扩频通信系统在卫星通信中的应用
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抗干扰能力强：直接扩频通信系统采用扩频技术，具有抗干扰能力强、抗多 径干扰性能好的优点，能够提高卫星通信的可靠性和稳定性。
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隐蔽性好：由于扩频通信的信号速率很低，因此直接扩频通信系统的隐蔽性 较好，能够有效地防止被窃听和干扰。
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Part Six
直接扩频通信系统 的优势与局限性
直接扩频通信系统的优势
抗干扰能力强：扩频通信利用扩频技术将信号扩展至很宽的频带中，使其功率谱密度 降低，提高了抗干扰能力。
抗多径干扰能力强：由于扩频通信系统具有抗多径干扰的特性，因此可以有效抵抗多 径干扰，提高通信质量。
保密性好：扩频通信系统可以将信号扩展至很宽的频带中，使其不易被检测和截获， 提高了通信的保密性。
同步技术的实现方法
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
(
)
直接扩频通信技术介绍与实践
保密性好：由于 信号的频谱被扩 展，不易被检测 和窃听，因此具 有较高的保密性。
抗多径干扰能力 强：扩频通信技 术能够利用相关 器在接收端抑制 多径干扰，提高 通信质量。
易于实现多址通 信：通过不同的 扩频码，可以实 现多个用户在同 一频段上的通信， 具有较高的频谱 利用率。
军事通信
无线电定位
添加标题
功能：同步系统的主要功能是提供时间基准和频率基准，确保信号在时频域上的正确解扩和解 调。
组成：同步系统通常包括时间同步器和频率同步器两部分，分别用于提供时间基准和频率基准。
作用：同步系统的精度和稳定性直接影响到直接扩频通信系统的性能，因此是实现高质量通信 的关键因素之一。
直接扩频通信技术 的实践案例
直接扩频通信技术介 绍与实践
汇报人：XXX
目录
添加目录标题
直接扩频通信技术概 述
直接扩频通信技术的 基本组成
直接扩频通信技术的 实践案例
直接扩频通信技术的 发展趋势与展望
添加章节标题
直接扩频通信技术 概述
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上进行传输，以实 现抗干扰和保密通信。
直接扩频通信技术 的发展趋势与展望
5G和未来的6G通信 技术中，直接扩频 通信技术将发挥更 加重要的作用。
物联网和智能家居等 新兴领域将为直接扩 频通信技术提供更广 阔的应用场景。
人工智能和大数据等 技术的融合将进一步 提升直接扩频通信技 术的性能和效率。
未来直接扩频通信技 术将更加注重网络安 全和隐私保护，确保 通信的安全可靠。
定义：用于产生扩频码序列的设备 作用：控制扩频和解扩过程 工作原理：基于伪随机二进制序列算法 性能要求：高码速、低相位误差、高稳定性
扩频通信的工作方式及其特点
扩频通信的工作方式及其特点在发端输入的信息先调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱，展宽后的信号再调制到射频发送出去。
在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩，再经信息解调，恢复成原始信息输出。
扩频通信工作方式1.直接序列扩频轻易序列QPSK(ds-ss)就是轻易利用具备低码率的QPSK码序列使用各种调制方式在发端拓展信号的频谱，而在收端用相同的QPSK码序列回去展开解码，把拓展阔的QPSK信号转换成完整的信息。
2.跳频扩频冲频QPSK技术就是通过伪随机码的调制，并使载波工作的中心频率不断弹跳发生改变，而噪音和干扰信号的中心频率却不能发生改变。
这样，只要交、发信机之间按照紧固的数字算法产生相同的伪随机码，就可以达至同步，确定噪音和其他干扰信号。
3.跳时扩频冲时就是并使升空信号在时间轴上LBP。
先把时间轴分为许多时片。
在一帧内哪个时片升空信号由QPSK码序列展开掌控。
可以把冲时认知为：用一定码序列展开挑选的多时片的时移键控。
由于使用窄得很多的时片回去传送信号，相对说来，信号的频谱也就沉降了。
在发端，输入的数据先存储起来，由扩频码发生器的扩频码序列去控制通)断开关，经二相或四相调制后再经射频调制后发射。
在收端，由射频接收机输出的中频信号经本地产生的与发端相同的扩频码序列控制通-断开关，再经二相或四相解调器，送到数据存储器和再定时后输出数据。
只要收、发两端在时间上严格同步进行，就能正确地恢复原始数据。
冲时也可以看作就是一种时分系统，所相同的地方是它不是在一帧中紧固分配一定边线的时片，而是由QPSK码序列掌控的按一定规律LBP边线的时片。
冲时系统的处置增益等同于一帧中所分的时片数。
由于直观的冲时抗干扰性不弱，很少单独采用。
4.脉冲线性扩频升空的射频脉冲信号，在一个周期内，其载频的频率并作线性变化。
因其频率在较宽的频带内变化，信号的频宽也被沉降了。
(完整word版)扩频通信
扩频通信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。
在无线电通信中射频信号的带宽与所传信息的带宽是相比拟的。
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。
第四章 扩频通信系统ppt课件
第四章 扩频通信系统
4.1 扩频通信的基本概念 4.2 直接序列扩频系统 4.3 跳频系统 4.4 混合式扩频系统
第四章 扩频通信系统
4.1 扩频通信的基本概念
4.1.1 扩频通信的定义 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, 并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。
第四章 扩频通信系统
信息 信息 调制
频率
射频
合成器
调制
变频
中频
信息 信息
带通
解调器
扩频 码发 生器
射频 发生器
频率 合成器
扩频 码发 生器
(a)
f1
f2
f3
…
(b )
图4-4 跳频系统示意图
fn－ 1
fn
第四章 扩频通信系统
3. 跳变时间工作方式 图4-5(a)是跳时系统的原理方框图。
第四章 扩频通信系统
(a ) A ( f0)
E 5
fB
0 0 2
2T0
t
f
T0
0
2
f
(b )
f (t) E
A ( f0) 2E 5
01
2
1＝
1 2
T0
t
0 f1
(c )
fB
1
f
1
图4-9 直扩信号的波形与频谱
第四章 扩频通信系统
4.2.2 几种常用的伪随机码
直接扩频通信同步系统的FPGA设计与实现
脚 ４ ８个 ，９ ４ １２个 １ ８×１ ｔ ｍ Ｄ Ｐ，８ ｂＢｏｋＲ Ｍ １２ ８Ｘｒ ｅ Ｓ １ｋ ｌｃ Ａ ９ ｅ
个， 最高工作频 率 ５０ ０ Ｍ。以 ￣ｌ ｘ公司 的 ＩＥ １ ． 开 发软 ｉ ｎ Ｓ ０ １ 件为平 台， 运用 Ｖ ｒｏ 语言作为输入 ， ｅｉ ｇ ｌ 并编译 、 仿真 、 载验 下 证 了同步捕获系统 。图 ４为 系统仿 真图 ，ｌ＿ ｃｋ ｌ是数据 采样 时钟 ， 每次时钟上升沿接收数 据 由 ｄｔ ｉ 入 ，ｌ＿ ａ —ｎ输 ａ ｃｋ ２为计 算 时钟 ， 每次采样一个数 据后 ４个计算 时钟相 关值 由 ｈ 输 ｅ 出， 由图可以看出并行相关运算速度很快 。本系统的门限值
跟踪 单元开始工作 。
图 ２ 改进 的 滑 动 相 关原 理 框 图
２ １ 信 号存储器 ． 信号存储单元 由一个 双 口 Ｒ Ｎ构 成 ， Ａ 在采 样时钟 驱动 下， 接收信号按 地址顺 序存 于 Ｒ Ｍ 中。Ｒ Ｍ 的读 取时钟是 Ａ Ａ
这种方法最大的优点是实现简单 ， 是如果 接收信号 和 但
读取数据
本地 Ｐ Ｎ码不 对 齐 ， 需要 不 断 对本 地 码 移位 并 重新 计算 判 决， 速度慢 ， 实时性不好 ， 本文对 滑动 相关 法进行 改进 ， 系统
性 能提高明显 。
图 １ 滑动相关原理框图
２ 改 进滑 动相 关 法的 Ｆ ＧＡ 实现 Ｐ
改进 滑动相关 捕获法的 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ实现包括 以下模块 ： 信号
码 同步包 含捕 获和跟踪两个过程 ， 本文 只对捕 获过程做重点
研 究 ， 。
存储模块 、Ｎ码存储模 块 、 Ｐ 乘法器模 块 、 积分器模 块和 门限 鉴别模块 。原理框 图如图 ２所示 。 采样得到的接收信号存于信 号存 储器 中， 本地 Ｐ Ｎ码不
直接扩频通信系统原理讲解
扩频通信系统在无线通信中可以实现低截获概率和低检测概率，增强了通信的安全性。
直接扩频通信 系统在军事通 信、卫星通信 等领域有广泛
的应用。
工作原理简介
直接扩频通信系统采用扩频技术，将信息信号扩展到宽带信号中进行传输。
通过扩频调制，信号的频谱被展宽，有效地降低了信号的功率谱密度，提高了抗干扰能力。
在接收端，采用相关解扩技术，将扩频信号恢复成原始信号，实现信息的传输。
直接扩频通信系统具有抗干扰能力强、抗多径干扰能力强、抗截获能力强等优点，广 泛应用于军事通信、卫星通信等领域。
Part Five
直接扩频通信系统 的优缺点
优点
抗干扰能力强
抗多径干扰能力强
抗截获能力强
扩频信号的隐蔽性好
缺点
抗干扰能力较弱
带宽需求较大
信号隐蔽性较差
对多径干扰较为敏感
Part Six
未来发展趋势与展 望
未来发展方向
5G和6G通信技 术的融合与演进
人工智能和机器 学习在扩频通信 中的应用
物联网和智能家 居等领域的扩频 通信技术发展
扩频通信与其他 通信技术的竞争 与合作
技术创新与应用前景
5G和6G通信技术的融合与演进 AI和机器学习在通信系统中的应用 物联网和智能家居的普及与推广 云计算和边缘计算的协同发展
THANKS
汇报人：XXX
Part Two
信号的扩频与解扩
扩频调制
定义：将待传输信息信号的频谱扩展至较宽的频带上 目的：增强信号的抗干扰能力和隐蔽性 方法：采用伪随机序列对信息信号进行调制 特点：信号传输带宽远大于信息信号带宽
直接扩频通信技术分析
03
促进物联网应用创新
直接扩频通信技术的灵活性和可扩展 性为物联网应用带来了更多的创新机 会，有助于推动物联网技术的发展和 应用。
THANKS
感谢观看
适用于高速无线局域网、城域 网、卫星通信等场景。
06
直接扩频通信技术对现代社会的 影响与价值
对信息社会的推动作用
提升信息传输安全性
直接扩频通信技术通过将信号扩展到更宽的 频带，使得信号难以被侦听和干扰，从而提 高了信息传输的安全性。
增强抗干扰能力
由于扩频通信技术使用了比原始信号更宽的频带， 因此可以更好地抵抗各种形式的干扰，提高了通信 的可靠性。
动通信。
缺点
对非对称和不对称加性噪声较为 敏感，实现高速数据传输较为困
难。
窄带与宽带调制比较
窄带调制
窄带调制信号的带宽相对较窄，信号的 传输速率较低，适用于调制信号的带宽较宽，信号的传输速 率较高，适用于高速数据传输和大容量通 信。
03
直接扩频通信性能分析
2023-12-02
直接扩频通信技术分析
汇报人：刘老师
目录
• 直接扩频通信技术概述 • 扩频调制技术 • 直接扩频通信性能分析 • 直接扩频通信应用场景 • 直接扩频通信技术发展趋势与挑战 • 直接扩频通信技术对现代社会的影响与价
值
01
直接扩频通信技术概述
定义与特点
定义
直接扩频通信技术是一种利用高速率 扩频序列直接对信息数据进行调制传 输的通信技术。
调制方式分类
直接序列扩频（DSSS）、跳频扩频（FHSS）是扩频通信中 两种主要的调制方式。
DSSS与FHSS比较
DSSS在抗多径干扰和抗窄带干扰方面性能较好，而FHSS在 抗频率选择性衰落和抗多普勒效应方面具有优势。
扩频技术的分类
扩频技术的分类
扩频技术是一种将信号在频域上进行扩展的技术，主要用于增加信号的带宽，提高信号的抗干扰能力，以及实现多用户同时进行通信等。
根据扩频信号的产生方式和基带信号的调制方式，可以将扩频技术分为以下几类：
1. 直接序列扩频技术：直接将基带信号通过加扰序列进行扩频，扩频后的信号与加扰序列进行相关运算，得到被扩频的信号。
该技术简单易实现，但由于扩频信号与噪声的相关性较高，信号抗干扰能力相对较弱。
2. 分组扩频技术：将基带信号分成多个数据块，对每个数据块
进行扩频处理，然后将多个扩频信号组合起来形成一个大的扩频信号。
该技术能够提高信号的抗干扰能力和安全性，但需要多个扩频信号的同步控制。
3. 混沌扩频技术：利用混沌系统生成的非线性随机序列进行扩频，使得扩频信号具有更高的随机性和复杂性，提高了信号的抗干扰能力和安全性。
同时，混沌扩频技术还具有多用户接入的优势。
4. 频率跳变技术：将基带信号进行频率跳变，使得信号在不同
的频率上进行传输，从而增加信号的带宽和抗干扰能力。
该技术适用于高速移动通信和军事通信等领域。
5. 扩频多址技术：将多个用户的信号进行扩频后，将它们叠加
在同一个频带上进行传输，从而实现多用户同时进行通信。
该技术应用广泛，如CDMA、WCDMA等。
扩频通信系统技术
扩频通信系统技术（http://svu-www/index4/index4-8.htm）扩频通信是通信的一个重要分支和信道通信系统的发展方向。
扩频技术具有抗干扰能力强、保密性好、易于实现多址通信等优点，因此该技术越来越受到人们的重视。
近年来，随着超大规模集成电路技术、微处理器技术的飞速发展，以及一些新型元器件的应用，扩频通信在技术上已迈上了一个新的台阶，不仅在军事通信中占有重要地位，而且正迅速地渗透到了个人通信和计算机通信等民用领域，成为新世纪最有潜力的通信技术之一。
扩频技术的理论基础为了将要发射的信号扩展到一个很宽的频带上，扩频系统需要在频带和技术复杂性方面付出昂贵的代价，这样做能得到什么好处呢?著名的香农（Shannon）定理中可以找到我们所需的答案（所谓扩展频谱技术（简称扩频技术）一般是指用比信号带宽宽得多的频带宽度来传输信息的技术。
为了扩展发射信号的频谱，可能使用不同技术对所传的信息进行处理，从而产生了不同的扩频调制类型。
常见的扩频类型有：直接序列（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）和线性调频脉冲（Chirp）等，另外，这些技术也常常组合起来使用，形成组合或混合类型的扩频技术）。
香农定理指出：在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限传输速率（信道容量）为：其中C——信道容量（比特/秒）W——信号带宽（赫兹）N——噪声功率S——信号平均功率当S/N很小时（≤0.1）得到：上式说明：1）要增加系统的信息传输速率，即增加信道容量，可以通过增加传输信号的带宽(W)或增加信噪比(S/N)来实现。
2）当信道容量C为常数时，带宽W与信噪比之间可以互换，即可以通过增加带宽(W)来降低系统对信噪比(S/N)的要求，也可以通过增加信号功率来降低信号的带宽。
3）当带宽(W)增加到一定程度后，信道容量C不可能无限制地增加。
因此，在无差错传输的信息速率C不变时，如信噪比很低(N/S很大)，则可以用足够宽的带宽来传输信号。
直接扩频通信技术分析
特点和应用领域
特点：抗干扰能力强，抗多径干扰能力强，抗截获能力强，扩频增益高，信噪比高 应用领域：军事通信，卫星通信，移动通信，无线宽带接入，雷达探测，无线数传等
02
直接扩频通信系统的组 成
扩频调制和解调
扩频调制：将待 传输信号的频谱 扩展至较宽的频 带内，通过与伪 随机码的调制实 现频谱的扩展
抗截获性能
扩频通信利用扩频码对信号进行扩频，使信号占据更宽的频带，从而实现信号的抗干 扰和抗截获。
在直接扩频通信中，采用伪随机序列对信号进行扩频，使得信号的功率谱密度降低， 从而提高了信号的抗截获性能。
通过对伪随机序列的优化设计，可以进一步提高直接扩频通信的抗截获性能，使其在 军事通信等领域具有更广泛的应用前景。
实际应用：广泛应用于军事通信、卫星通信等领域，为通信系统提供可靠的抗干扰保障。
抗多径干扰能力
关键技术：抗多径干扰能力
优势：有效抵抗多径干扰，降低误 码率，提高通信质量
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原理：利用扩频编码技术扩展信号 带宽，降低信号功率谱密度，提高 信号抗干扰能力
应用场景：适用于复杂电磁环境下 的通信系统
卫星通信和深空通 信的拓展应用
人工智能和机器学 习在扩频通信中的 应用
技术演进和改进
当前直接扩频通信技术的改 进方向
早期直接扩频通信技术的缺 陷和不足
未来直接扩频通信技术的发 展趋势和展望
技术演进对直接扩频通信技 术的影响和推动作用
与其他通信技术的融合
5G与直接扩频通信技术的融合
物联网与直接扩频通信技术的 融合
03
直接扩频通信的关键技 术
抗干扰性能
抗干扰原理：利用扩频编码技术，将信号扩展到更宽的频带中，降低信号的功率谱密度， 减小干扰的可能性。
扩频通信系统
伪随机序列产生器产生的伪随机序列c(t),速率为RC,切谱宽度为TC,TC＝1／RC
c(t ) cn g c (t nTc )
n 0
N 1
cn为伪随机码码元，取值＋1或－1，gc(t)为门函数，定义与ga(t)类似 扩频过程实质上是信息流a(t)与伪随机序列c(t)的模二加或相乘的过程。伪随机 码速率RC比信息速率Ra大得多，一般RC／Ra的比值为整数，且RC／Ra＞＞1,扩展 后的序列的速率仍为随机码速率RC 。
接收端天线上感应的信号经高放的选择放大和混频后，得到包括以下几部分的 信号：有用信号sI(t)、信道噪声nI(t)、干扰信号JI（t）和其它网的扩频信号sJ（t） 等，即收到的信号（经混频后）为
rI (t ) sI (t ) nI (t ) J I (t ) sJ (t )
直接序列扩频
信号分析
接收端的伪随机码产生器产生的伪随机序列与发端产生的伪随机序列相同， 但起始时间或初始相位可能不同，为c，(t)。解扩的过程与扩频过程相同，用 本地的伪随机序列c，(t)与接收到的信号相乘，相乘后为
rI(t ) rI (t )c(t ) sI (t )c(t ) nI (t )c(t ) J I (t )c(t ) s J (t )c(t ) s I (t ) nI (t ) J I (t ) s J (t )
直接序列扩频
信号分析
对噪声分量nI(t)、干扰分II(t)和不同网干扰sJ（t），经解扩处理后， 被大大削弱。 nI(t) 分量，一般为高斯带限白噪声，因而用 C’(t) 处理 后，谱密度基本不变（略有降低），但相对带宽改变，因而噪声功率 降低。J’I(t)分量，是人为干扰引起的，这些干扰可以是第一章中描 述的干扰中的一种或多种。由于与伪随机码不相关，因此，相乘过程 相当于频谱扩展过程，将干扰信号功率分散到一很宽的频带上，谱密 度降低，相乘器后接的滤波器的频带只能让有用信号通过，这样，能 够进入到解调器输入端的干扰功率只能是与信号频带相同的那一部分。 解扩前后的频带相差甚大，因而解扩后干扰功率大大降低，提高了解 调器输入端的信干比，从而提高了系统抗干扰的能力。至于不同网的 信号s’J(t)，由于不同网，所用的扩频序列也就不同，这样对于不同 网的扩频信号而言，相当于再次扩展，从而降低了不网信号的干扰。
直接扩频通信技术解析
抗干扰性能
抗干扰能力强： 直接扩频通信技 术通过将信号扩 展到很宽的频带 中，降低了信号 的功率谱密度， 从而提高了抗干 扰能力。
抗多径干扰能力 强：由于扩频信 号在传输过程中 占据了较宽的频 带，因此能够更 好地抵抗多径干 扰的影响。
抗窄带干扰能力 强：直接扩频通 信技术能够将窄 带干扰淹没在宽 带噪声中，从而 提高了抗窄带干 扰的能力。
信号捕获：通过匹配滤波器实现信号的快速捕获和跟踪 跟踪方式：采用跟踪环路对信号进行持续跟踪，确保信号稳定传输 跟踪性能：跟踪环路具有高灵敏度和低误码率的特点，保证信号传输质量 抗干扰能力：采用扩频技术，具有较强的抗干扰能力，提高信号传输可靠性
Part Four
直接扩频通信技术 的性能分析
扩频增益
直接扩频通信技术具有较强的抗衰落能力，能够有效地抵抗多径干扰和 衰落效应，提高了通信的可靠性和稳定性。
直接扩频通信技术采用伪随机序列进行扩频调制，具有较强的抗截获能 力，提高了通信的安全性。
直接扩频通信技术还具有较好的抗干扰能力，能够有效地抵抗各种类型 的干扰，保证了通信的可靠性。
Part Five
优势：具有较 好的抗截获性， 难以被敌方截 获，保密性强。
局限：对频带 要求较高，需 要较宽的频带 才能实现高速
数据传输。
局限：对多径 干扰敏感，容 易受到多径干
扰的影响。
对未来发展的展望与建议
持续优化直接扩频 通信技术，提高频 谱效率和抗干扰能 力
探索与物联网中的应用
智能家居：通过直接扩频通信技术，实现家庭设备的互联互通，提高生活便利性。 智能农业：利用直接扩频通信技术，实现农田的精准管理，提高农业生产效率。 智能物流：通过直接扩频通信技术，实现物流信息的实时传输，提高物流效率。 智能交通：利用直接扩频通信技术，实现车辆的智能调度和监控，提高交通运行效率。
扩频通信的同步于跟踪
用一组特殊的码字来代表同步信息，然后把这个码 字周期性的插入编码数字信息序列里。收方根据同步 码字的特点进行识别，就得到了码字同步的信息。
实现同步的几种方法（2）
自同步法
将发送端跳频信号中隐含的同步信息设法提取 出来 ,控制接收跳频器 ,以实现跳频同步；不用专 门的频带，也不占据专门的时隙，不需要专门的 同步信号功率。即在节省频率资源和信号功率方 面及抗干扰能力上 ,优于前两种方法 ,因而应用较 为普遍。
同步不确定性的来源（2）
码相位的不确定性（时间不定区）包含: 从发射点到接收点电波传播的时延及多径传播 ☺ 收发双方启动码序列的时间差 ☺ 收发双方时钟的不稳定性
载波频率的不确定性（频率不定区）包含: ☻ 收发双方基准频率源的不稳定性 ☻ 多普勒频偏
同步过程（1）
在数字通信系统中同步包含的内容是：码时 钟速率同步即码位同步（或码元同步）、码字 同步及载波同步。
快速扫描式自同步方法
这种同步方案的接收频率合成器有两种工作状态 , 一种是跳频工作状态 ,在PN码作用下 ,按跳频图案输 出本地跳频信号 ;另一种是扫描工作状态 ,这时频率 合成器置于某一频组上 ,扫描输出Ｍ个频率 。一个 频组的持续时间等于一个chip占用的时间Ｔ ,每一 扫描子频隙的时间为Ｔ/Ｍ ,显然这种状态时频率合 成器的频率转换速率提高了Ｍ倍 ,所以称快速扫描 。 为使捕获概率大 ,每个频组的Ｍ个频率是从接收跳频 图案中的Ｎ个频率点上等间隔抽取的。
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扩频通信技术简介
卫星通信系统对通信的可靠性要求较高，扩频通信技术可 以通过提高信号的抗干扰能力和抗多径效应能力，保证通 信的可靠性。
大容量传输
卫星通信系统需要实现大容量的数据传输，扩频通信技术 可以通过采用高效的调制方式和多址接入技术，提高系统 的传输容量。
无线局域网（WLAN）中的应用
01
高数据传输速率
扩频通信基本原理
在发送端，扩频通信使用特定的扩频码对原始信号进行调制，将其频谱扩展至 更宽的频带范围内。在接收端，通过相同的扩频码对接收信号进行解扩，恢复 出原始信号。
发展历程及现状
发展历程
扩频通信技术经历了从直接序列扩频、跳频扩频到混合扩频 等多个发展阶段。随着无线通信技术的不断进步，扩频通信 技术也在不断发展和完善。
现状
目前，扩频通信技术已广泛应用于军事、民用等各个领域。 在军事领域，扩频通信技术主要用于提高抗干扰能力和保密 性；在民用领域，扩频通信技术则主要用于提高无线通信的 可靠性和数据术可应用于无线通信、卫星通信、移动通信、物联网等领域。其中， 在无线通信领域，扩频通信技术可用于提高抗干扰能力和数据传输速率；在卫星 通信领域，则可提高信号传输的抗干扰性和保密性。
高速移动环境下的性能问题
在高速移动环境下，由于多普勒效应等因素的影 响，扩频通信系统的性能会受到一定影响。解决 方法包括采用抗多普勒效应的技术、设计适用于 高速移动环境的扩频通信系统等。
05
扩频通信技术在现代通信系 统中的应用
移动通信系统中的应用
抗干扰能力强
扩频通信技术通过扩展信号的频谱，使得信号在传输过程中具有较 强的抗干扰能力，能够在复杂的电磁环境中保证通信质量。
混合扩频技术
原理
混合扩频技术是将直接序列扩频、跳频扩频和跳时扩频等多种扩频方式相结合，形成一 种综合的扩频通信技术。通过混合使用不同的扩频方式，可以进一步提高通信系统的抗
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摘要扩频通信作为一种新型的通信体制，具有很多独特的优点，在军用和民用领域中都得到了广泛的应用。
扩频通信中一个关键性的问题就是扩频信号的同步，包括捕获和跟踪两个步骤，同步性能的优劣直接影响到整个扩频通信系统的性能。
因此，对直扩系统同步的研究具有很大的实用价值。
本文深入研究了扩频通信中直接扩频系统的同步技术，包括伪随机(PN)序列的捕获、跟踪和载波同步。
在伪随机(PN)序列的捕获中研究了串并结合的大步进方法。
研究了伪码串行-载波并行、伪码并行-载波串行、伪码串行-载波并行、伪码并行-载波并行4种捕获方法。
在特定的参数下，设计出直扩通信系统，并在高斯信道条件下，仿真得出了直扩系统的误码率性能曲线，在此基础上运用了伪码并行-载波串行的方法进行仿真分析，从MATLAB仿真结果可以看出捕获方案确实可行。
关键词：扩频通信；同步；捕获；跟踪AbstractAs a new type of communications system,spread spectrum communications has many unique advantages, and has been widely used in both military and civilian fields. The synchronization of spread specturn signal, including acquisition and tracking, is the key problem of spread specturn communication. The performance of synchronizing has direct impact on the whole spread spectrun communication system. As a result, it’s very important to discuss this problem.This paper researches into synchronization techniques of direct-sequence spread spectrum systems, which include PN code acquisition, PN code tracking and carrier recovery. we studied PN acquisition scheme, large step acquision scheme. This paper discusses four capture methods about serial PN code, serial carrier, parallel PN code, serial carrier, serial PN code, parallel carrier, and parallel PN code, parallel carrier. Incertain parameters, design of direct sequence spread spectrum communication system, and in the Gauss channel conditions, simulation of the curve of the BER performance of DSSS system, on the basis of using the parallel PN code, carrier serial simulation, simulation results can be seen from the MATLAB capture scheme is feasible.Keywords: S pread Spectrum Communications; Synchronization; Acquisition; Tracking目录1 绪论 (1)2直接序列扩频通信的理论基础 (4)2.1扩频通信的理论基础 (4)2.1.1基本理论 (4)2.1.2扩频通信的特点 (5)2.2直接序列扩频通信系统 (6)2.3伪随机序列 (9)2.3.1m序列 (10)3 直接序列扩频系统的同步 (12)3.1同步机理 (12)3.2信号捕获 (12)3.3 信号跟踪 (17)3.3.1 载波跟踪技术 (17)3.3.2 锁相环原理 (18)3.3.3 锁频环原理 (20)3.3.4 锁相环与锁频环的性能比较 (21)4直扩系统的仿真分析 (23)4.1设计参数 (23)4.2 直扩通信系统的原理框图 (23)4.3直扩通信系统的仿真分析 (24)4.4 直扩系统的抗干扰性能分析 (30)5 同步仿真分析 (31)5.1同步参数设计 (31)5.2 PN码的自相关性仿真 (31)5.3 捕获 (32)5.4 跟踪 (36)结论 (39)致谢 (40)参考文献 (41)附录A 英文原文 (43)附录B 中文翻译 (55)附录C 程序 (64)1 绪 论扩频通信是建立在ClaudeE.Shannon 信息论基础之上的一种新型现代通信体制。
这种通信体制由于采用伪随机编码调制和信号相关处理,具有很多独特的优点:用于通信中，抗干扰能力强，发射功率低，具有低截获率，保密性能好，具有码分多址和任意选址的功能;在测距中，利用伪随机码测距，可大大提高测距精度，所以自从问世便引起世界各国的极大关注,并率先应用在军事通信中。
近年来,随着微电子技术、超大规模集成电路技术、数字信号处理技术的飞速发展以及一些新型元器件的应用,扩频通信在技术上已迈上了一个新的台阶。
在军事上,扩频通信己经成为电子对抗环境下提高通信设备抗干扰能力的最有效手段,并在近十几年来爆发的几场现代化战争中发挥了巨大的作用。
此外,扩频通信技术在无线局域网2G/3G 移动通信、卫星通信、航空航天和深空探测等诸多民用通信领域中也都得到较为广泛的应用。
在这些民用和国防军事通信的强烈需求下,扩频通信的地位变得越来越重要[1]。
扩频技术将基带信号的频谱扩展至很宽的频带进行传输，在接收端采用相关接收的原理，将扩展的频谱恢复到基带信号的频谱，从而抑制传输过程中加入的干扰。
香农(E.Shannon )信息论的基本理论证明，扩频通信是有效的抗干扰通信方式。
香农在1945年、1948年和1949年连续发表了有关信息论和通信加密以及系统安全住等3篇论文，这些理论成为扩频技术的理论依据。
扩展频谱的优势可以从信息论的角度来阐述。
依据香农信息理论，定义受到加性高斯白噪声干扰的信道，信道带宽为B ，信噪比为S/N ，信道容量为：)/1(2N S BLog C += (1.1) 从公式可以看出：给定的信道容量C 可以匹配不同的带宽B 和信噪比S/N 的组合来传输。
如果减小带宽B 就必须增加信噪比S/N 以保证信道容量C 值不变。
相反的，如果信噪比S/N 较小，可以通过增加带宽B 来保持传输容量C 值不变，即所谓的用带宽B 换取功率C 的办法。
扩频通信也就是把原始信号的频谱扩展到10倍～1000倍，然后再进行传输，因而提高了通信系统的抗干扰能力，这样系统在强干扰环境下仍能保证可靠的通信质量。
通常音频电话的频率范围为300Hz —3300Hz 则B=3300Hz-300Hz=3000Hz 。
而一般链路典型的信噪比足30dB ，即S/N=1000，因此有C=3000×Log2(1000)，近似等于30kb/s 。
假如对上述系统进行扩频传输，在传输速率小变的情况下，将带宽扩展100倍，信号可以在0.25dB 的低信噪比下传输。
由此可见，扩频通信系统町以在更恶劣的环境下正常工作。
这一点在卫星通信和军事通信中非常重要，卫星通信由于电离层的干扰往往工作在低信噪比条件下，采用扩频通信可以克服这个问题，军事通信则往往采用扩频技术将信号隐蔽在噪声中，从而保证信号不被敌人发现。
扩频技术首先应用于军事领域，其发展经历了一个很长的过程，日前扩频技术处于繁荣阶段。
扩频技术的发展历程可以分为三个阶段：(1) 第一阶段是雏形阶段20世纪20年代中期诞生的RADAR(Radio Detection And Ranging)系统，利用回波证明了电离层的存在，其发射频谱宽度大于回波声音频谱宽度，具备了扩频通信系统的基本特征。
(2) 第二阶段是基本模型阶段这个时期完成了扩频通信的一些关键技术的论证，使得扩频通信的实现具备了足够的条件，并出现了基本的扩频模型。
20世纪40年代，赫蒂(Hedy K Markey)第一个提出利用跳频技术来实现抗干扰通信系统的构想。
迪罗萨(Derosa)和罗戈夫(Rogoff)于1949年完成丁世界上第一个直接序列扩频系统，并成功运用在新泽西州(New Jerscy)和加利福尼亚州(Cal．fornia)之间的通信线路上。
(3) 第三阶段是扩频通信的繁荣阶段20世纪50年代，美国麻省理T学院成功研制出了NOMAC系统，这是一种成熟的扩频通信系统。
从此，对扩频通信系统的研究十分活跃，扩频通信广泛应用于军事通信、空间探测、卫星侦查、导弹制导等方面。
同步是扩频系统中的关键技术,同步不仅需要一般数字通信系统的同步过程(载波同步、位同步、帧同步等),还需要实现扩频码同步(码时钟同步、码相位同步)。
当码同步定时偏移超过DS系统1个码元时,接收机就不能对接收到的扩频信号正确解扩,即使同步偏差小于地址码元宽度也会引起有用信号功率损失,使输出有用信号功率下降,处理增益降低。
所以扩频系统同步不仅比一般数字通信系统同步更为复杂,其要求也更为严格。
对扩频系统性能要求越高,对同步系统要求也越复杂、越严格。
在各种实际扩频系统中,设计优良的同步系统往往是最困难的。
在人为干扰情况下PN码同步电路如果失效将严重影响系统性能,甚至导致整个系统完全瘫痪。
在扩频通信中,接收端一般有两类不确定性因素,就是载波频率和码相位的不确定性。
若发射机和接收机使用精确频率源,则可消除大部分码速率和载波频率不确定性,但不能消除由多普勒频移引起的载波和码速率偏移,而且即使是固定位置的收发站也会由于电波传播多径效应引起码速率和载波中心频率的改变。
由于收发时钟不一致,电波传播时延等因素,接收端启动时扩频序列与接收发送扩频序列相位开始总是不同的。
因此,接收机需要通过一定同步手段使本地扩频序列与接收扩频序列相位相同。
这一过程分为两个阶段,第一阶段为捕获过程即粗调过程,它通过调节送到解扩器的本地码相位实现两个伪码之间初始同步,当捕获过程完成时用于解扩的本地参考信号码相位与接收扩频信号码相位偏差将小于直扩系统一个PN 码单元,这时接收机能大致正常解调出信息。