直接序列扩频通信技术与systemview仿真分析

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直接序列扩频通信技术与 SystemView 仿真分析

摘要扩频通信由于具有抗干扰能力强，隐蔽性好，容易实现多址传输等优点而在移动通信、无

线数据通信等领域得到越来越广泛的应用。其中直接序列扩频通信是目前使用最典型的扩频工作

方式。随着通信技术日益成熟，扩展频谱技术凭借其特有的优势，显示出了极强的生命力。尤其

在电子对抗的今天，它将为军事上开展联合指挥提供最先进的通信系统。因此，对其进行细致的

讨论是十分必要的，具有很大的实用价值。

论文的第一章介绍了扩频通信概述，逐步地介绍了扩频通信的发展以及在军事通信与民用通

信的应用，简要的介绍了扩频通信的理论基础，随后阐述了一下扩频通信的类别与主要特点。

第二章主要介绍了论文所涉及的直接序列扩频的数学模型。然后讲述了伪随机码的基本概念

以及直接序列扩频的抗干扰指标与优点。

第三章简明地介绍了通信仿真软件 SystemView，以及较详细的表述了从整体设计到各个

部分的子系统的说明，使用 QPSK 调制与解调技术恢复信号，并用该软件对扩频通信系统的模型

进行仿真分析与一般的通信技术进行对比分析，说明直接序列扩频通信技术的优越性。

关键字通信技术直接序列扩频四进制移相键控抗干扰 SystemView

1 引言

现代通信技术空前发展，无线电设备的使用越来越广泛，电磁环境变得异常复杂，电台、

接力通信受到的干扰愈来愈严重，对实现通信的迅速、准确、保密和不间断要求提出了严峻

的挑战。近年来，经各国专家的努力探索实践，终于找到了干扰的“克星”———扩频通信。

所谓扩频通信，是扩展频谱通信的简称。它是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带

宽的一种通信方式，扩频通信系统的出现，被誉为是通信技术的一次重大突破。

从信息论角度看扩频通信更是异彩纷呈。20 世纪 40 年代，信息论的研究中得出了重要的

香农定理：即 C＝B log2（1＋S/ N）。该公式指出，要保持信息传输速率 C 不变，信号带宽

B 和信噪比 S／N 是可以互换的，这意味着不管信噪比多低，只要将信号带宽扩展得足够大，

仍能保证以相同的信息传输速率可靠地传输信息，从而为现代扩频通信技术的实现提供了重

要的理论基础。在过去的几十年中，由于技术的限制，人们还无法有效地扩展信号频谱，所

以只能一直在走增加信号功率、减少噪声、提高信噪比的发展道路。即使到了 20 世纪 70 年

代伪码技术已经出现，但关键环节未能突破仍是无济于事。近几年，由于超大规模集成电路

的发展，几十兆赫、甚至几百兆赫的伪码发生器及其相关部件都已成为现实，才使扩频通信

获得了极其迅速的发展，通信的发展史也开始进入全新的转折点，已由用信噪比换带宽的年

代进入了用带宽换信噪比的新时代。

我们再从最佳通信系统的角度来看扩频通信：最佳通信系统＝最佳发射机＋最佳接收机。几

十年来，最佳接收理论已经很成熟，但最佳发射问题一直没有很好解决，而伪码扩频技术却是一

种极

佳的信号形式和调制制度，构成了最佳发射机。因此产生了：最佳通信系统＝伪码扩频＋相关接

收。有了这种全新的认识，人们就已不难预测扩频通信的未来前景了。有人说，从 20 世纪 90 年

代开始无线通信已步入扩频通信的年代，并开始崭新的发展时期。此话不假，而今扩频通信的热

浪已波及短波、超短波、微波通信和卫星通信，大家已十分熟悉的码分多址（CDMA）技术，已

开始广泛用于蜂窝通信、无线通信和个人通信以及各种无线本地环路，并在造福于社会中大显身

手，将发挥越来越大的作用。

扩频通信的出现，还使军事通信在电磁环境复杂、干扰严重情况下实现顺畅指挥变为可能，

从而为军事通信的进一步发展奠定了重要基础，它已成为未来军事通信和民用通信的一大发展方

向，那么现在来具体地研究一下扩频通信的相关知识。

2 扩频通信概述

2.1 扩频通信的发展与应用

扩频通信技术(Spread Spectrum, SS)最初是在军事抗干扰通信中发展起来的，后来又在移

动通信中得到广泛的应用，因此扩频技术的历史经历了两个发展阶段，而目前它在这两个领域仍

占据重要的地位。

2.1.1 在军事通信中的应用

扩频通信系统是在 50 年代中期产生的，其最初的应用包括军事抗干扰通信、导航系统、抗多

径实验系统以及其它方面。

　　扩频技术的最初构想是在第二次世界大战期间形成的。在战争后期，干扰和抗干扰技术成为

决定胜负的重要因素。战后得出了“最好的抗干扰措施就是好的工程设计和扩展工作频率”的结论。

跳频通信的思路就是在这段时期出现的：如果对窄带信号使用编码的频率控制，则可以使其在任

何时间占据宽频段中的任何一部分，这样敌人要进行干扰就必须维持很宽的频段。另一方面，直

序扩频则起源于导航系统中高精度测距。

　　真正实用的扩频通信系统是在 50 年代中期发展起来的。麻省理工学院林肯实验室开发的扩

频通信系统 F9C-A/Rake 系统被公认为第一个成功的扩频通信系统，在该系统的研制过程中，首

次提出了瑞克(RAKE)接收的概念并成功应用，该系统也是第一个真正实用的宽带通信系统。第一

个跳频扩频通信系统 BLADES 也在这段时期研制成功，在该系统中第一次利用移位寄存序列实现

纠错编码。在此期间，喷气实验室（JPL）在其空间任务中完成了伪码产生器的设计以及跟踪环路

的设计。 

　自从扩频通信的概念在 50 年代开始成熟以后，此后的二十多年扩频通信技术仍得到很大的发

展，但都只是局部的发展，如硬件的改进和应用领域的拓展。而个人通信业务（ PCS）的发展终

于使扩频技术迎来了另一次大发展的机遇。

2.1.2 在民用通信中的应用

　一直到 80 年代初期，扩频通信的概念都只是在军事通信系统中得到应用，这种状况到了 80

年代中期才得到改变。美国联邦通信委员会（FCC）于 1985 年 5 月发布了一份关于将扩频技术

应用到民用通信的报告。从此，扩频通信技术获得了更加广阔的应用空间。扩频技术最初在无线

电话中获得成功应用，因为当时已经没有可用的频段供无线电话使用，而扩频通信技术允许与其

它通信系统共用频段，所以扩频技术在无线电话的通信系统中获得了其在民用通信系统中应用的

第一次成功经历。而真正使扩频通信技术成为当今通信领域研究热点的原因是码分多址

（CDMA）的应用。

　　90 年代初，在第一代模拟蜂窝通信系统的基础上，出现了 PCS 研究的热潮。要实现 PCS 并

考虑其长期发展，需要 FCC 为其分配 100--200 MHz 的带宽，而与频谱分配相关的一个重要技

术因素就是多址技术。当时频谱资源的分配已经是非常拥挤，不存在还未分配且可用的一段宽达

100 MHz 的频谱资源。要为 PCS 分配可用的频段就只有 2 种方案：一是为 PCS 分配一段专用频

谱，使正在使用该频谱的用户换到其它的频段；另一种办法就是让 PCS 与其它用户共享一段频谱。

第 1 页共 25 页

采取第一种方案将要遇到巨大的政治和经济阻碍：当时只有政府使用的一些频段还比较宽松，因

此只能是让政府用户换用其它频段来为 PCS 腾出频谱资源；同时换用频段意味着已有设备的射频

部分需要改造。因此第二种方案成为合理的选择。

2.2 扩频通信的理论基础

扩频通信是扩展频谱通信的简称。我们知道，频谱是电信号的频域描述。承载各种信息（如

语音、图象、数据等）的信号一般都是以时域来表示的，即信息信号可表示为一个时间的函数

。信号的时域表示式可以用傅立叶变换得到其频域表示式。频域和时域的关系

由式(2-1)确定：

(2-1)

函数的傅立叶变换存在的充分条件是满足狄里赫莱(Dirichlet)条件，或在区间(-

∞，+∞)内绝对可积，即必须为有限值。

扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息信号

无关）扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将

其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而到达传输信息目的的通信系统。

也就是说在传输同样信息信号时所需要的射频带宽，远远超过被传输信息信号所必需的最小的带

宽。扩展频谱后射频信号的带宽至少是信息信号带宽的几百倍、几千倍甚至几万倍。信息已不再

是决定射频信号带宽的一个重要因素，射频信号的带宽主要由扩频函数来决定。

由此可见，扩频通信系统有以下两个特点：

(1) 传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽；

(2) 传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常是伪随机（伪噪声）编码信号。

以上两个特点有时也称为判断扩频通信系统的准则。

我们先定性地说明一下扩频通信系统具有抗干扰能力的理论依据。扩频通信的基本理论根据

是信息理论中香农(C·E·Shannon)的信道容量公式

(2-2)

式中： C——信道容量，b/s；

B——信道带宽，Hz；

S——信号功率，W；

N——噪声功率，W。

香农公式表明了一个信道无差错地传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于传输信

息的信道带宽之间的关系。

令 C 是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，对(2-2)式进行变换

(2-3)

对于干扰环境中的典型情况，当时，用幂级数展开(2-3)式，并略去高次项得

(2-4)

第 2 页共 25 页

或

(2-5)

由式(2-4)和(2-5)可看出，对于任意给定的噪声信号功率比，只要增加用于传输信息的

带宽 B，就可以增加在信道中无差错地传输信息的速率 C。或者说在信道中当传输系统的信号噪

声功率比下降时，可以用增加系统传输带宽 B 的办法来保持信道容量 C 不变。或者说对于

任意给定的信号噪声功率比，可以用增大系统的传输带宽来获得较低的信息差错率。

若 (20dB)，，则当时，就可以正常的

传送信息，这就说明了增加信道带宽 B，可以在低的信噪比的情况下，信道仍可在相同的容量下

传送信息。甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号带宽也能保持可靠的通信。如

系统工作在干扰噪声比信号大 100 倍的信道上，信息速率 R＝C＝3kb/s，则信息必须在

带宽下传输，才能保证可靠的通信。

下面我们以解扩前后信号功率谱密度示意图来说明系统的这一特性。

假设有用信号的功率为，码分多址干扰信号的功率，多径干扰信号的功率

，其他进入接收机的干扰和噪声信号功率。再假设所有信号的功率谱是均匀分

布在的带宽之内。解扩前的信号功率谱见图 2-1 中的(a)，图中各部分的面积均为。

解扩后的信号功率谱见图 2-1 中的(b)，各部分的面积保持不变。通过相关解扩后，有用信号的频

带被压缩在很窄的带宽内，能无失真的通过中频滤波器（滤波器的带宽为）。其他信

号和本地参考扩频码无关，频带没有被压缩反而被展宽了，进入中频滤波器的能量很少，大部分

能量落在中频滤波器的通频带之外，被中频滤波器滤除了。我们可以定性的看出，解扩前后的信

噪比发生了显著的改变,从而提高了系统的抗干扰能力。

图 2-1 解扩前后信号功率谱密度示意图（a）解扩前；(b) 解扩后

2.3 扩频通信系统的分类

扩频通信系统的关键问题是在发信机部分如何产生宽带的扩频信号，在收信机部分如何解调

扩频信号。根据通信系统产生扩频信号的方式，可以分为下列三种。

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(a)

(b)

有用信号

多址信号

多径信号

噪声

有

用

信

号

多址信号

多径信号

噪声

第一种是直接序列扩展频谱系统

直接序列扩展频谱系统（ Direct Sequece Spread Spectrum Communication

Systems，DS-SS），通常简称为直接序列系统或直扩系统，是用待传输的信息信号与高速率的

伪随机码波形相乘后，去直接控制射频信号的某个参量，来扩展传输信号的带宽。用于频谱扩展

的伪随机序列称为扩频码序列。在直接序列扩频通信系统中，通常对载波进行相移键控（Phase

Shift Keying，PSK）调制。为了节约发射功率和提高发射机的工作效率，扩频通信系统常采用

平衡调制器。抑制载波的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力也有利。

在发信机端，待传输的数据信号与伪随机码(扩频码)波形相乘(或与伪随机码序列模 2 加)，形

成的复合码对载波进行调制，然后由天线发射出去。在收信机端，要产生一个和发信机中的伪随

机码同步的本地参考伪随机码，对接收信号进行相关处理，这一相关处理过程通常常称为解扩。

解扩后的信号送到解调器解调，恢复出传送的信息。

第二种是跳频扩频通信系统

跳频扩频通信系统是频率跳变扩展频谱通信系统（Frequecy Hopping Spread Spectrum

Communication Systems，FH-SS）的简称，或更简单地称为跳频通信系统，确切地说应叫做

“多频、选码和频移键控通信系统”。它是用二进制伪随机码序列去离散地控制射频载波振荡器的

输出频率，使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变。

第三种是跳时扩频通信系统

时间跳变也是一种扩展频谱技术，跳时扩频通信系统（Time Hopping Spread Spectrum

Communication Systems，TH-SS）是时间跳变扩展频谱通信系统的简称，主要用于时分多址

(TDMA)通信中。与跳频系统相似，跳时是使发射信号在时间轴上离散地跳变。我们先把时间轴

分成许多时隙，这些时隙在跳时扩频通信中通常称为时片，若干时片组成一跳时时间帧。在一帧

内哪个时隙发射信号由扩频码序列去进行控制。因此，可以把跳时理解为：用一伪随机码序列进

行选择的多时隙的时移键控。由于采用了窄得很多的时隙去发送信号，相对说来，信号的频谱也

就展宽了。在发送端，输入的数据先存储起来，由扩频码发生器产生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。在接收端，当接收机的伪码发生器与发端同步时，

所需信号就能每次按时通过开关进入解调器。解调后的数据也经过一缓冲存储器，以便恢复原来

的传输速率，不间断地传输数据，提供给用户均匀的数据流。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。

2.4 扩频通信系统的主要特点

扩频通信技术是一种具有优异抗干扰性能的技术，它的主要优点是：

(1) 抗干扰性能好。它具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰的能

力，有利于电子反对抗，特别适合军事通信系统中运用。

(2) 选择性寻址能力强，可以用码分多址的方式来组成多址通信网。

(3) 保密性能好，信息隐蔽以防窃取。扩频信号的频谱结构基本与待传输的信息无关，主要

由扩频码来决定。信息的隐蔽程度或安全程度取决于所使用的扩频码。由于扩频通信系统使用码

周期很长的伪随机码，在一个伪码周期中具有随机特性，经过它调制后的数字信息类似于随机噪

声，因而将其用于保密通信系统中，敌方采用普通侦察手段和破译方法不易发现和识辨信号。

(4) 频谱密度低，对其他通信系统的干扰小。在输出信号功率相同的情况下，由于扩频信号

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剩余25页未读，继续阅读

yasin_gao

2012-09-11

有一定的参考价值，如果附上说明岂不更好

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