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1、基于m序列的扩频通信系统的仿真设计摘 要对于移动通信系统，总要受到功率和带宽的限制，而且CDMA扩频通信系统又是一个干扰受限系统，在确保通信质量的前提下要求支持高速率、大容量，这些技术上相互制约甚至相互矛盾的要求，导致采用了极其复杂的调制方式和脉冲成形技术，以及差错控制和高级信号处理技术。目前，计算机仿真的基本内容包括系统、模型、算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节。本篇论文拟定研究的目的是利用MATLAB软件对现代通信系统的关键环节进行计算机仿真，重点是移动通信系统中常用的CDMA扩频通信中伪随机码部分的仿真。伪随机码设计是扩频通信的关键技术，随着计算机发展迅速，利用计算机实
2、现伪码的生成和性能的评估是扩频通信系统的重要方式。计算机辅助设计与分析方法已广为利用，特别是功能强大的通信系统软件包的开发，加速了仿真方法在通信领域的应用。m序列是一种典型的伪随机序列，它在扩频通信、流密码、信道编码等领域有着十分广泛的应用。本文介绍了m序列构造方法及基本性能，并利用Matlab中的Simulink仿真系统及M语言编程实现它们的产生和分析。仿真结果验证了该方法的正确性和可行性。关键词：扩频通信；m序列；Matlab仿真Design Of Spreading Spectrum Communication Systems Simulation Based On m Sequence
3、AbstractNormaly mobile telecommunication systems always be restrict by power and bandwidth,and CDMA system is a interference-limited system.As keep the communications quality the same time high speed data transmition service and large system capacity are needed. These request even maybe restrict in
4、technology,so these request need more complex radio technology and error control technology,also has high level signal processing technology.As the moment, the basic elements include computer simulation systems, models, algorithms, computer programming and simulation results show that analysis and v
5、erification aspects. The purpose of this paper is to use the development of MATLAB software, the key to modern communications systems by computer simulation, focusing on commonly used in mobile communication systems in CDMA spread spectrum PN code part of the simulation. Pseudo-random code design is
6、 the key to spread spectrum communication technology, along with the rapid development of computers, using computers to achieve the pseudo-code generation and performance assessment is an important way to spread-spectrum communication system. Computer-aided design and analysis method has been widely
7、 used, in particular, which is a powerful communication system package of development, accelerated simulation method in communications applications.m sequence is a typical pseudo-random sequence,it has been widely used in spread-spectrum communications,stream cipher,channel coding,and other fields.
8、the paper introduces m sequence construction method and the basic performance.m sequences have been produced and analysed by Simulink System and M Programming Language of Matlab.The simulation results show correctness and feasibility of the method.Key words: Spread Spectrum Communication；m Sequence；
9、Matlab Design目 录第1章 绪 论11.1扩频通信的发展历史11.2扩频通信研究阶段11.3扩频通信系统的研究21.3.1扩频通信系统的概述21.3.2研究扩频通信目的和意义31.3.3研究扩频通信的思路3第2章 扩频通信的基本原理42.1扩频通信的定义42.2扩频通信的理论基础52.3扩频通信系统92.3.1扩展频谱系统分类92.3.2扩频通信系统的主要特点13第3章 伪随机编码理论153.1伪随机编码的基本概念153.2扩频系统使用的移位寄存器序列163.3 m序列173.3.1 m序列的定义173.3.2 m序列的性质183.3.3 m序列的构造22第4章 m序列仿真设计24
10、4.1通信系统仿真的必要性244.2 MATLAB与Siumlink244.2.1 MATLAB简介244.2.2 Simulink简介254.3仿真模型建立与实现264.3.1仿真流程264.3.2编程实现m序列274.3.3 Simulink实现m序列304.4仿真注意事项36第5章 总 结38致 谢39参考文献40附 录41附 录1 Euler函数的计算41附 录2 Simulink建模和仿真基本模块41在校学习期间获奖情况45前 言码分多址CDMA（Code Division Multiple Access）扩展频谱通信技术以前主要用于军用通信，目的是对抗外来强干扰和保密。随着全世界范
11、围内日益增加的对移动和个人便携通信的要求，对给定无线频谱位置，CDMA可以达到更高的频带效率，因而和其它通信技术相比，可提供多对多的多址接入用户数，因此在无线通信领域CDMA已成为一种主要的通信方式。所谓扩展频谱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。它主要由原始信息，信源编译码，信道编译码（差错控制），载波调制与解调，扩频调制与解扩频和信道六大部分组成。信源编码的目的是去掉信息的冗余度，压缩信源的数码率，提高信道的传输效率。差错控制的目的是增加信息在信道传输中的冗余度，使其具有检错或纠错能力，提高信道传输质量。调制部分是为使经信道编码后的符号能在适当的频段传输，如微波频段，
12、短波频段等。扩频调制和解扩是为了某种目的而进行的信号频谱展宽和还原技术。扩展频谱的方式主要有直接序列(DS)，跳频(FH)，跳时(TH)及它们的混合方式。直接序列扩频就是用比信息速率高很多倍的伪随机噪声码(PN)与信号相乘来达到扩展信号的带宽；跳频是使原信号随机的用不同载波传输发送；跳时是使用伪随机码序列来开通或关断发射机，即信号的发射时刻和持续时间是随机的。作为研究扩展频谱的伪随机信号既有随机信号所具有的优良相关性，又有随机信号所不具备的规律性。因此，伪随机信号既易于从干扰信号中被识别和分离出来，又可以方便地产生和重复，其相关函数接近白噪声的相关函数，有随机噪声的优点，又避免了随机噪声的缺点
13、。m序列是伪随机序列中最重要的序列之一，伪随机序列具有可确定性、可重复行，易于实现相关接收或匹配接收，故有很好的抗干扰性能。因此伪随机序列在相关辨识、伪码测距、导航、遥控遥测、扩频通信、多址通信、误码测试、线性系统测量、信号同步等方面均有广泛的应用。m序列是最早应用于扩频通信，可以通过移位寄存器构造产生一个m序列逻辑结构图，并且利用MATLAB编程或者Sumilink仿真产生m序列的模拟图。第1章 绪 论1.1扩频通信的发展历史扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)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
14、后再传输，接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据【1】。显然，这种通信方式与一般常见的窄带通信方式相反，是在扩展频谱后，宽带通信，再相关处理恢复成窄带后解调数据。扩展频谱通信方式有许多优点，如抗干扰、抗噪音、抗多径衰落、低功率谱密度下工作、有保密性、可多址复用和任意选址、高精度测量等。扩展频谱通信作为新型通信方式，特别引人注目，得到了迅速发展和广泛应用。从扩展频谱通信的历史发展看，这种通信方式在40年代就提出来了，但没有得到应有的重视和发展。主要理由是这种方式与常规的使用带宽尽量窄的通信方式相比较，要使用特殊编码调制把信息数据展宽成宽带信号传输，接收端还要相关解调，是完全新
15、的、不同原理的通信方式。初期学者们进行了大量的实验研究，给人一种在实验结果基础上导致理论发展的感觉。扩展频谱通信(简称扩频通信)的原理发表得很早，但真正的研究是50年代中期在美国开始的。美国军事机关看到，一般通信方式在强干扰的第三者存在的情况下，很难准确检测出发送来的信号。另外，对通信保密的要求也越来越强烈。50年代美国麻省理工学院研究成功噪声调制和相关性NOMAC系统(Noise Modulation and Correlation System)，成为扩频通信研究发展的开端，从此，军事通信机关对军事通信、空间探测、卫星侦察等方面广泛应用扩频通信方式的研究十分活跃。60年代以来，随着民用通信
16、事业的发展，频带拥挤日益突出，随着信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的发展、编码和相关处理能方便进行，随着通信技术的迅速发展、军事产品向民用转化，推动了扩频通信理论、方法、技术等各方面的研究发展和应用普及。1976年RCDixon写了第一部扩频通信的概述性专著：Spread Spectrum Systems，1982年JKHolmes写的Coherent Spread Spectrum Systems一书是第一部扩频通信的理论性专著。1985年MKSimon等写的Spread Spectrum Communications Handbook一书，是扩频通信技术的最全面、最新的专门著作。1
17、.2扩频通信研究阶段近十年来，扩频通信理论方法、技术和应用经历了三个阶段【2】【20】，第一阶段是在1977年前后，在早期建立的扩频通信理论基础上，卓有成效地丰富和发展了扩频通信的理论、方法和实用技术，1977年8月IEEE通信汇刊的扩频通信专集和1978年在日本京都举行的国际无线通信咨询委员会(CCIR)全会对扩频通信的专门研究就集中反映了扩频通信的研究成果，开始了世界性的对扩频通信的全面研究。1982年美国第一次军事通信会议，公开展示了扩频通信在军事通信中的主导作用，报告了扩频通信在军事通信各领域的应用，并开始民用扩频通信的调查。IEEE通信汇刊也在1982年5月再次发表扩频通信专集，系统
18、报导了扩频通信的研究应用成果，这是扩频通信发展的第二阶段。1985年5月美国联邦通信委员会(FCC)制订了民用公共安全、工业、科学与医疗和业余无线电采用扩频通信的标准和规范，明确规定公共安全用37MHz952MHz，最大输出功率为2W的电台；工业、科学与医疗用902MHz928MHz、2.4GHz2.5GHz、5.725GHz5.85GHz三个频段，最大输出功率为100W。世界各国相继行动，组织扩频通信专门研究机构和学术团体，开始了扩频通信深入研究和广泛应用。1990年1月，CCIR研究未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS：Future Public Land Mobile Telecomm
19、unication System)的第八工作组提出的实现FPLMTS计划的技术报告中，明确建议采用扩频通信技术，美国国家航空和航天管理局(NASA：National Aeronautics and Space Administration)采用扩频通信多址方式的频谱利用率高于采用频分多址方式的频谱利用率的技术报告，对扩频通信的研究和应用产生了深远影响，开始了扩频通信研究、应用和发展的新阶段。1.3扩频通信系统的研究1.3.1扩频通信系统的概述扩频通信与光纤通信、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【2】。扩频通信系统具备3个主要特征【3】：1. 载波的带宽比调制数据的带宽要
20、宽得多；2. 载波是一种不可预测的，或称之为伪随机的宽带信号；3. 接收过程是通过将本地产生的宽带载波信号的复制信号与接收到的宽带信号相关来实现的。频谱扩展的方式主要有以下几种:直接序列扩频(DSSS)使用高速伪随机码对要传输的低速数据进行扩频调制；跳频系统（FHSS）则利用伪随机码控制载波频率在一个更宽的频带内变化；跳时系统(THSS)则是数据的传输时隙是伪随机的；线性调频系统(CSS)中的频率扩展则是一个线性变化的过程。几种方式组合的混合系统也经常得到应用。衡量扩频系统最重要的一个指标就是扩频增益，又称为处理增益。正是因为扩频系统本身具有的特征使其性能具有一系列的优势。扩频通信与常规通信的
21、区别在于增加了扩频和解扩模块，通过信息与伪随机码(扩频码)相乘来实现扩频。扩频通信的抗干扰、保密、多址、捕获与跟踪等都与扩频码的设计密切相关，因此扩频码的设计和生成是扩频通信系统的关键核心技术，其性能决定了通信的质量甚至成败。扩频通信对扩频序列的要求是【4】：尖锐的自相关特性；尽可能小的互相关值；足够多的序列数；序列平衡性好；工程上易实现。通常采用的扩频序列有m序列、Gold序列、Bent序列等。1.3.2研究扩频通信目的和意义扩频通信是第三代移动通信技术CDMA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
22、。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。因此研究扩频通信具有很深远的意义。本人通过毕业论文的设计，对扩频通信技术进行了研究并且对它进行仿真应用，将所学的知识进行归纳与总结，从而巩固通信专业基础知识，也为以后的个人学习和工作打下基础。1.3.3研究扩频通信的思路本篇论文对扩频通信的基本理论及扩频系统伪随机序列中的m序列的产生、频谱、相关函数，以及整个扩频系统工作原理及其抑制正弦干扰性能用MATLAB/
23、Simulink进行仿真后，显示出仿真结果，即对输出所需要的扩频码的相关性、平衡性进行评估。m序列是现今研究的比较完善的扩频序列，其实现电路简单，易于产生。本文第三章从m序列入手，对传统的m序列设计进行了研究，发现了传统生成多项式的m序列生成方法的不足，提出了应用移位寄存器理论，可以在不知道生成多项式的前提下完整的生成m序列。在第四章，重点是介绍MATLAB/Simulink对于m序列的仿真建模。第2章 扩频通信的基本原理2.1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
24、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含义【5】： 1）信号的频谱被展宽了。 传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。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。如用调幅信号来传送语音信息，其带宽为语音信息带宽的两倍；电视广播射频信号带宽也只是其视频信号带宽的一倍多。这些都属于窄带通信。一般的调频信号，或脉冲编码调制信号，它们的带宽与信息带宽之比也只有几到十几。扩展频谱通信信号带宽与信息带宽之比则高达
25、1001000，属于宽带通信。2）采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。 在时间上有限的信号，其频谱是无限的。例如很窄的脉冲信号，其频谱则很宽。信号的频带宽度与其持续时间近似成反比。1微秒的脉冲的带宽约为1MHz。因此，如果限窄脉冲序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信号。 如下面介绍的直接序列扩频系统就是采用这种方法获得扩频信号。这种很窄的脉冲码序列，其码速率是很高的，称为扩频码序列。这里需要说明的一点是所采用的扩频码序列与所传信息数据是无关的，也就是说它与一般的正弦载波信号一样，丝毫不影响信息传输的透明性。扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。3）在接收端用相关解调来解扩。 正如在一般的
26、窄带通信中，已调信号在接收端都要进行解调来恢复所传的信息。在扩频通信中接收端则用与发送端相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解调，恢复所传的信息。换句话说，这种相关解调起到解扩的作用。即把扩展以后的信号又恢复成原来所传的信息。这种在发端把窄带信息扩展成宽带信号，而在收端又将其解扩成窄带信息的处理过程，会带来一系列好处。弄清楚扩频和解扩处理过程的机制，是理解扩频通信本质的关键所在。从上面所说的可以了解到扩频通信是围绕提高信息传输的可靠性而提出的一种有别于常规通信系统的新调制理论核技术，它是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数扩展频谱后成为宽频带信号，然后送入信道终传输；在接收端再利用相
27、应的技术或手段将扩展的频谱进行压缩，恢复成原始信息信号的带宽，从而达到传输目的。2.2扩频通信的理论基础长期以来，人们总是想法使信号所占领谱尽量的窄，以充分利用十分宝贵的频谱资源。为什么要用这样宽频带的信号来传送信息呢? 简单的回答就是主要为了通信的安全可靠。扩频通信的基本特点是传输信号所占用的频带宽度(W)远大于原始信息本身实际所需的最小(有效)带宽(F)，其比值称为处理增益Gp【7】。 众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，例如人类的语音的信息带宽为300Hz3400Hz，电视图像信息带宽为数兆赫兹。为了充分利用有限的频率资源，增加通路数目，人们广泛选择不同调制方式，采用宽频信
28、道(同轴电缆、微波和光纤等)，和压缩频带等措施，同时力求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽。因现今使用的电话、广播系统中，无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式，Gp值一般都在十多倍范围内，统称为“窄带通信”。而扩频通信的Gp值，高达数百、上千，称为 “宽带通信”。扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。信息论中关于信息容量的香农(Shannon)公式为：C=WLog2(1+S/N) (2.1)式中：C为信道容量(bit/s)，W为信道带宽(Hz)，S为信号功率(W)，N为噪声功率(W)。上式说明，在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比S/N是可以互换
29、的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比S/N情况下，传输信息。香农公式表明了一个信道无误差地传输信息的能力即信道容量与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(2.1)式进行变换得【6】: C/W=1.44*ln(1+S/N) (2.2)对于干扰环境中的典型情况，当S/N1时，对式(2.2)用幂级数展开，并略去高次项得： C/W=1.44*S/N (2.3)或： W=0.7*C*N/S (2.4)由式(2.3)和(2.4)可看出，对于任意给定的噪声信号功率比N/S，只要增加用于传输信息的带宽W，理论上就可以增加在信道中无误
30、差地传输的信息率C。或者说在信道中当传输系统的信号噪声功率比S/N下降时，可以用增加系统传输带宽W的办法来保持信道容量C不变。对于任意给定的信号噪声功率比S/N，可以用增大系统的传输带宽来获得较低的信息差错率。扩频通信系统正是利用这一原理，用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目的。扩频通信系统的带宽比常规通信体制大几百倍乃至几万倍，所以在相同信噪比的条件下，具有较强的抗干扰的能力。香农指出，在高斯噪声的干扰下，在限平均功率的信道上，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。这是因为高斯白噪声信号具有理想的自相关特性，其功率谱为【6】： - f (2.5)它的自相关函数
31、为 (2.6)其中：t为时延， (2.7)白噪声的自相关函数具有函数的特点，说明它具有尖锐的自相关特性。但是对于白噪声信号的产生、加工和复制，迄今为止仍存在着许多技术问题和困难。然而人们已经找到一些易于产生又便于加工和控制的伪噪声码序列，它们的统计特性逼近于高斯白噪声的统计特性。假设某种伪噪声序列的周期(长度)为N，且码元都是二元域上的元素。一个周期(长度)为N，码元为的伪噪声二元序列的归一化自相关函数为 (2.8)式中，1，2，3，。当伪噪声序列周期(长度)N取足够长或N时，式(2.8)可简化为 (2.9)比较式(2.6)和式(2.9)，看出它们比较接近，当序列周期(长度)足够长时，式(2.
32、9)就逼近式(2.6)。所以伪噪声序列具有和白噪声相类似的统计特性，也就是说它逼近于高斯信道要求的最佳信号形式。因此用伪噪声码扩展待传输基带信号频谱的扩频通信系统，优于常规通信体制。现在以直接序列扩频通信系统为例，来研究扩频通信系统的基本原理，它的原理方框图如图2-1所示。其中(a)是发射系统方框图，其中(b)是接收系统方框图。v(t)r(t)R(t)射频滤波器中频滤波器d(t)发射机编码器s(t)至数据检测器2cos2p(f0+fIF+)t+cos(2pf0t+j)c(t)anm序列发生器VCO射频振荡器m序列发生器数据源(b)接收系统图2-1 扩展频谱通信系统模型信源产生的信息流通过编码器
33、输出二进制码流。二进制码流中所含的两个符号的先验概率相同，均为0.5，且两个符号相互独立，其波形图如图2-2(a)所示。二进制数字信号与一个高速率的二进制伪噪声码（如图2-2(b)所示，伪噪声码为m序列的波形）相乘，得到如图2-2(c)所示的复合信号，这就扩展了传输信息的带宽。一般伪噪声码的速率是Mb/s的量级，有的甚至达到几百Mb/s。而待传输的信息流经编码器编码后的码速率较低，如数字话音信号一般为1632kb/s，这就扩展了调制信号的带宽。扩频后的复合信号对载波进行调制(直接序列扩频一般采用PSK调制)，然后通过发射机和天线送入信道中传输。发射机输出的扩频信号用表示，如图2-2(d)所示。
34、扩频信号的带宽取决于伪噪声码的码速率。在PSK调制的情况下，射频信号的带宽等于伪噪声码速率的2倍，而几乎与数字信息流的码速率无关。以上处理过程就达到了扩展数字信息流频谱的目的。Tb(a) d(t)+1 -1(b) c(t)+1-1Tc(a)发射系统(c) d(t)c(t) +1s(t)=d(t)c(t)cos2pf0t+j(t)(d) s(t)Tb(e) d(t) +1 -1图2-2 理想扩展频谱系统波形在接收端用一个和发射端同步的伪噪声码所调制的本地振荡信号，与接收到的进行相关处理。相关处理是将两个信号相乘，然后求其数学期望(均值)，或求两个信号瞬时值相乘的积分。当两个信号完全相同时(或相关
35、性很好)，得到最大的相关峰值，经数据检测器恢复发射端的信号，如图2-2(e)。在接收端各器件输出频谱如图2-3所示，若信道中存在着干扰，这些干扰包括窄带干扰、人为瞄准式干扰、单频干扰、多径干扰和码分多址干扰，它们和有用信号同时进入接收机，如图2-3(a)所示。图2-3中，为伪噪声码速率，为射频频率，为中频频率，为被基带数字信息调制的已调波信号的带宽。图2-3 扩频接收端滤波器输出频谱由于窄带噪声和多径干扰与本地扩频信号不相关，所以在进行相关处理时被削弱，实际上干扰信号和本地扩频信号相关处理后，其频带被扩展，也就是干扰信号的能量被扩展到整个传输频带之内，降低了干扰信号的电平(单位频率内的能量)，
36、混频器输出状况如图2-3(b)所示。由于相关器后的中频滤波器通频带很窄，所以中频滤波器只输出被基带信号调制的中频信号和落在滤波器通频带内的那部分干扰和噪声，而绝大部分的干扰和噪声能量被中频滤波器滤除，这样就大大地改善了系统的输出信噪比，中频滤波器输出频谱如图2-3(c)所示。为了对扩频通信系统的这一特性有了初步了解，以解扩前后信号功率谱密度示意图2-4来说明。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2-4中的(a)，图中各部分的面积均为。解扩后的信号功率谱见图2-4
37、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。可以定性的看出，解扩前后的信噪比发生了显著的改变。2Rc2RcBb(a) 解扩前(b) 解扩后有用信号多址信号多址信号噪声有用信号多址信号噪声4Rcf0fIF图2-4 解扩前后信号功率谱密度示意图2.3扩频通信系统2.3.1扩展频谱系统分类扩频通信系统的关键问题是在发射端部分如何产生宽带的扩频信号，在接收端部分如何解调扩频信号
38、。根据通信系统产生扩频信号的方式，可以分为下列几种。一、直接序列扩展频谱系统（Direct Sequece Spread Spectrum Communication Systems，DS-SS）【7】，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。直接序列扩展频谱通信系统的简化方框图参见图2-5，其中(a)为发射系统，(b)为接收系统。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【8】。为了节约发射功率和提高
39、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。在发射端，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。在接收端，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被称为解扩。解扩后的信号送到解调器解调，恢复出传送的信息。时钟源 乘法器 调制器 发射机载波发生器伪码发生器混频器本地振荡器时钟源伪码 发生器调制器解调器中频滤波器数据数据(a) 发射系统(b) 接收系统图2-5直接序列扩频通信系统简化图二、跳频扩频通信系统是频
40、率跳变扩展频谱通信系统（Frequecy Hopping Spread Spectrum Communication Systems，FH-SS）的简称【8】，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。跳频系统可供随机选取的频率数通常是几千到个离散频率，在如此多的离散频率中，每次输出哪一个是由伪随机码决定的。频率跳变扩展频谱通信系统的简化方框图参见图2-6。混频器解调器中频滤波器时钟源伪码发生器指令译码器频率合成器调制器数据频率合成器伪码发生器时钟源混频器发射
41、机发中频振荡器指令译码器数据(b) 接收系统(a) 发射系统图2-6频率跳变扩频通信系统简化方框图频率跳变扩频通信系统与常规通信系统相比较，最大的差别在于发射系统的载波发生器和接收系统中的本地振荡器。在常规通信系统中这二者输出信号的频率是固定不变的，然而在跳频通信系统中这二者输出信号的频率是跳变的。在跳频通信系统中发射系统的载波发生器和接收系统中的本地振荡器主要由伪随机码发生器和频率合成器两部分组成。快速响应的频率合成器是跳频通信系统的关键部件。跳频通信系统发射端的发射频率，在一个预定的频率集内由伪随机码序列控制频率合成器(伪)随机的由一个跳到另一个。在接收端中的频率合成器也按照相同的顺序跳变
42、，产生一个和接收信号频率只差一个中频频率的参考本振信号，经混频后得到一个频率固定的中频信号，这一过程称为对跳频信号的解跳。解跳后的中频信号经放大后送到解调器解调，恢复出传输的信息。在跳频通信系统中，控制频率跳变的指令码(伪随机码)的速率，没有直接序列扩频通信系统中的伪随机码速率高，一般为每秒几十比特到几千比特。由于跳频系统中输出频率的改变速率就是扩频伪随机码的速率，所以扩频伪随机码的速率也称为跳频速率。根据跳频速率的不同，可以将跳频系统分为频率慢跳变系统和频率快跳变系统两种。三、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 Commu
43、nication Systems，TH-SS）是时间跳变扩展频谱通信系统的简称【8】，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。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，相对来说，信号的频谱也就展宽了。图2-7是跳时系统的原理方框图。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
44、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。数据载波f0解调器存储器高频开关高频开关调制器数据存储器伪码发生器伪码发生器(b) 接收系统(a) 发射系统图2-7 时间跳变扩频通信系统简化方框图跳时扩频系统也可以看成是一种时分系统，所不同的地方在于它不是在一帧中固定分配一定位置的时隙，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的时隙。跳时系统能够用时间的合理分配来避开附近发射机的强干扰，是一种理想的多址技术
45、。但当同一信道中有许多跳时信号工作时，某一时隙内可能有几个信号相互重叠，因此，跳时系统也和跳频系统一样，必须采用纠错编码，或采用协调方式构成时分多址。由于简单的跳时扩频系统抗干扰性不强，很少单独使用。跳时扩频系统通常都与其他方式的扩频系统结合使用，组成各种混合方式。从抑制干扰的角度来看，跳时系统得益甚少，其优点在于减少了工作时间的占空比。一个干扰发射机为取得干扰效果就必须连续地发射，因为干扰机不易侦破跳时系统所使用的伪码参数。跳时系统的主要缺点是对定时要求太严。四、混合扩展频谱通信系统(1) 频率跳变-直接序列混合系统数据混频器解调器中频滤波器射频滤波器本地振荡器混频器调制器频率合成器时钟源跳频码发生器直扩码发生器乘法器数据调制器混频器发射机时钟源直扩码发生器发中频振荡器频率合成器跳频码发生器指令译码器指令译码器(b) 接收系统(a) 发射系统图2-8频率跳变-直接序列混合扩频系统方框图频率跳变-直接序列混合系统可看作是一个载波频率作周期性跳变的直接序列扩频系统【9】，其系统组成方框图见图2-8。采用这种混合方式能够大大提高扩频系统的性能，并且有通信隐蔽性好、抗干扰能力强、频率跳变系统的载波频率难于捕捉，便于适应于多址通信或离散寻址和多路复用等特点，尤其在要求扩频码速率过高或跳频数目过多时，采用这种混合系统特别有利。(2)
