讲义 第四章 直接序列扩频信号的调制技术

1 wifi 基础：直接序列扩频技术1.1 概述直接序列扩频系统是目前广泛应用的一种扩展频谱系统。

直接序列扩频通信开始出现于第二次世界大战，是美军重要的无线保密通信技术。

现在直扩技术被广泛应用于包括计算机无线网等许多领域。

美国的国际卫星通信系统和全球定位系统都是直接序列扩频系统的应用实例。

直接序列扩频（DSSS ），（Direct seqcuence spread spectrdm ）是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。

它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN 码（伪噪声码）进行摸二加。

例如说在发射端将"1"用11000100110，而将"0"用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是11000100110就恢复成"1"是00110010110就恢复成"0"，这就是解扩。

这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10dB 以上，从而有效地提高了整机信噪比。

1.2 扩频通信的基本概念通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。

通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。

这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。

在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。

显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。

在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。

通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。

由于信息在传输过程中受到干扰，收到的信息与发出的信息并不完全相同。

可靠性就是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度。

直接序列扩频通信系统仿真一、直接序列扩频原理理论基础：直接序列扩频（DSSS）是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解扩，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。

它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN码（伪噪声码）进行摸二加。

例如说在发射端将"1"用11000100110，而将"0"用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是11000100110就恢复成"1"是00110010110就恢复成"0"，这就是解扩。

这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10DB以上，从而有效地提高了整机倍噪比。

二、扩频通信的主要优点：1.重复使用频率。

提高了无线频谱利用率无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波都得到开发利用，仍然满足不了社会的需求。

在窄带通信中，主要依靠波道划分来防止信道之间发生干扰。

扩频通信发送功率极低(1—65Om)，采用了相关接收技术，且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率，也可与现今各种窄带通信共享同一频率资源。

2.抗干扰性强。

误码率低扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，而收端又采用相关检测的办法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。

这样，对于各种干扰信号，因其在收端的非相关性，解扩后窄带信号中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干扰性强。

3.隐蔽性好对各种窄带通信系统的干扰很小由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了，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，而想进一步检测信号的参数(如伪随机编码序列)就更加困难，因此说其隐蔽性好。

三、直接序列扩频通信系统仿真程序：code_length=20; %信息码长度N=1:code_length;rand('seed',0)x=sigh(rand(1,code_length)-0.5) %信息码for i=1:20s((1+(i-1)*800):i*800)=x(i); %每个码元含有800个采样点end生成的信息码序列波形：图1：信息码序列%产生伪随机序列，使用的mgen函数见附录length=100*20; %伪码频率5MHZ，每个信息码含有100个伪码x_code=sign(mgen(19,8,length)-0.5); %把0,1序列编程-1,1调制码for i=1:2000w_code((1+(i-1)*8):i*8)=x_code(i); %每个伪码码元含有8个采样点end产生的PN码波形如下图所示：图2：PN码%扩频k_code=s.*w_code; %k_code为扩频码扩频码如下图所示：图3：扩频码%调制fs=20e6;f0=30e6;for i=1:2000AI=2;dt=fs/f0;n=0:dt/7:dt; %一个周期采样8点cI=AI*cos(2*pi*f0*n/fs);signal((1+(i-1)*8):i*8)=k_code((1+(i-1)*8):i*8).*cI; endPSK调制后的波形：图4：PSK调制后的波形%解调AI=1;dt=fs/f0;n=0:dt/7:dt; %一个载波周期内采样8个点cI=AI*cos(2*pi*f0*n/fs);for i=1:2000signal_h((1+(i-1)*8):i*8)=signal((1+(i-1)*8):i*8).*cI; end解调后的波形如下图所示：图5：解调后的波形%解扩jk_code=signal_h.*w_code;%低通滤波wn=5/10000000; %截止频率wn=fn/(fs/2),这里的fn为信息码的带宽5M b=fir1(16,wn);H=freqz(b,1,16000);signal_d=filter(b,1,jk_code);解扩并滤波后的波形如下图所示：图6：解扩并滤波后的波形从图形上看，解扩出来的信息码与原信息码基本相同，对比图如下：图7：输入与输出对比附录：%mgen.mfunction[out]=mgen(g,state,N)gen=dec2bin(g)-48;M=length(gen);curState=dec2bin(state,M-1)-48;for k=1:Nout(k)=curState(M-1);a=rem(sum(gen(2:end).*curState),2); curState=[a curState(1:M-2)];end。

扩频通信的理论基础1.1扩频通信的基本概念通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。

通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。

这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。

在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。

显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。

在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。

通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。

由于信息在传输过程中受到干扰，收到的信息和发出的信息并不完全相同。

可靠性就是用来衡量收到信息和发出信息的符合程度。

因此，可靠性决定于系统抵抗干扰的性能，也就是说，通信系统的可靠性决定于通信系统的抗干扰性能。

在模拟通信系统中，传输的可靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。

在数字通信系统中，传输的可靠性是用信息传输的差错率来描述的。

扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了使用。

近年来，扩展频谱通信技术的理论和使用发展非常迅速，在民用通信系统中也得到了广泛的使用。

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)(t f 。

信号的时域表示式)(t f 可以用傅立叶变换得到其频域表示式)(f F 。

频域和时域的关系由式(1-1)确定：⎰∞∞--=t e t f f F ft j d )()(π2⎰∞∞-=f e f F t f ft j d )()(π2 (1-1) 函数)(t f 的傅立叶变换存在的充分条件是)(t f 满足狄里赫莱(Dirichlet)条件，或在区间(-∞，+∞)内绝对可积，即t t f d )(⎰∞∞-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（和待传输的信息信号)(t f 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。

扩频通信的理论基础1.1扩频通信的基本概念通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。

通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。

这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。

在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。

显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。

在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。

通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。

由于信息在传输过程中受到干扰，收到的信息与发出的信息并不完全相同。

可靠性就是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度。

因此，可靠性决定于系统抵抗干扰的性能，也就是说，通信系统的可靠性决定于通信系统的抗干扰性能。

在模拟通信系统中，传输的可靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。

在数字通信系统中，传输的可靠性是用信息传输的差错率来描述的。

扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了应用。

近年来，扩展频谱通信技术的理论和应用发展非常迅速，在民用通信系统中也得到了广泛的应用。

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)(t f 。

信号的时域表示式)(t f 可以用傅立叶变换得到其频域表示式)(f F 。

频域和时域的关系由式(1-1)确定：⎰∞∞--=t e t f f F ft j d )()(π2⎰∞∞-=f e f F t f ft j d )()(π2 (1-1) 函数)(t f 的傅立叶变换存在的充分条件是)(t f 满足狄里赫莱(Dirichlet)条件，或在区间(-∞，+∞)内绝对可积，即t t f d )(⎰∞∞-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)(t f 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。

直接序列扩频技术
1、直接序列扩频抗多径
直接序列扩频抗多径的原理是：当发送的直接序列扩频信号的码片宽度小于或等于最小多径时延差时，接收端利用直扩信号的自相关特性进行相关解扩后，将有用信号检测出来，从而具有抗多径的能力。

2. 直接序列扩频抗干扰
直接序列扩频抗蜂窝系统内部和外部干扰的原理，也是利用直扩信号的自相关特性，经相关接收和窄带通滤波后，将有用信号检测出来，而那些窄带干扰和多址干扰都处理为背景噪声。

3. 直接序列扩频抗衰落
直接序列扩频抗衰落是指抗频率选择性衰落。

直接序列扩频系统简述直接序列扩频就是直接用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。

而在接收端, 用一样的扩频码序列去进展解扩, 将展宽的扩频信号复原成原始的信息。

直扩通信系统原理如图 1 所示。

在发送端输入的信息先经信息调制形成调频或调相数字信号, 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, 再将展宽后的宽带信号调制到射频发送出去。

在接收端, 接收机接收到宽带射频信号后, 首先将其变频至中频, 然后通过同步电路捕捉发送来的扩频码的准确相位, 由此产生与发送来的伪随机码相位完全一致的接收用的伪随机码, 作为扩频解调用的本地扩频码序列, 最后经信息解调, 恢复成原始信息输出。

由此可见, 直扩通信系统要进展三次调制和相应的解调, 分别为信息调制、扩频调制和射频调制, 以与相应的信息解调、解扩和射频解调。

与一般通信系统比拟, 扩频通信就是多了扩频调制和解扩局部。

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，用编码与调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端如此用同样的码进展相关同步接收、解扩与恢复所传信息数据〞。

扩频通信的根本特点，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带宽〔B〕，其比值称为处理增益〔Gp〕。

总之，我们用扩展频谱的宽带信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。

这就是扩展频谱通信的根本思想和理论依据。

2.1 Walsh函数的产生产生Walsh函数的源代码如下：function A=walsh(x)H2=[1 1;1 -1];%2阶哈达码NH2=H2*(-1);H4=[H2 H2;H2 NH2];%4阶哈达码NH4=-1*H4;H8=[H4 H4;H4 NH4];%8阶哈达码NH8=-1*H8;H16=[H8 H8;H8 NH8];%16阶哈达码NH16=-1*H16;H32=[H16 H16;H16 NH16];%32阶哈达码NH32=-1*H32; H64=[H32 H32;H32 NH32];%64阶哈达码NH64=-1*H64;H128=[H64 H64;H64 NH64];%128阶哈达码NH128=-1*H128;switch xcase 2A=H2;case 4A=H4;case 8A=H8;case 16A=H16;case 32A=H32;case 64A=H64;case 128A=H128;otherwisedisp('error');end在本实验中我们采用16阶哈达码对用户数据进展Walsh扩频调制，只要调用函数N=16;B=walsh(N)，即可产生扩频增益为N＝16的扩频码。

Wifi的DSSS调制一、引言随着无线网络技术的迅猛发展，WiFi技术已经成为我们日常生活和工作中不可或缺的一部分。

而在WiFi技术中，直接序列扩频调制（DSSS）扮演着重要的角色。

DSSS是一种扩频技术，通过将信号扩展到更宽的频带上来提高信号的抗干扰能力和隐蔽性。

本文将深入探讨Wifi中的DSSS调制技术，包括其基本原理、运作方式、优势与局限性以及在WiFi中的实现。

二、DSSS调制的基本原理直接序列扩频调制（DSSS）是一种基于扩频技术的调制方式，它将信息数据通过一个高速的伪随机序列进行调制，从而将信号的频谱扩展到一个较宽的频带上。

这种扩频技术可以提高信号的抗干扰能力和隐蔽性，从而提高信号的传输质量和安全性。

三、DSSS调制的运作方式1.扩频序列的产生：在DSSS调制中，首先需要产生一个伪随机序列，该序列具有类似于随机噪声的特性，但可通过算法重复生成。

这个序列通常由一个伪随机二进制序列（PRBS）生成器产生。

2.信息数据的调制：接下来，原始的信息数据流会被调制到一个更宽的频带上。

在调制过程中，每个信息比特都会与扩频序列进行相关运算，从而将信息数据扩展到一个更宽的频带上。

3.解扩频和解调：在接收端，经过扩频的信号会被再次进行解扩频操作，将信号还原到原来的频带范围。

然后，通过解调过程将信息数据从扩频信号中提取出来，供后续处理使用。

四、DSSS调制的优势与局限性1.抗干扰能力强：由于DSSS将信号扩展到了一个较宽的频带上，因此可以有效地抵抗窄带干扰和多径干扰，提高信号的传输质量。

2.隐蔽性好：由于DSSS信号具有类似于随机噪声的特性，因此不易被敌方检测和截获，提高了信号的安全性。

3.高速数据传输：与传统的调频技术相比，DSSS技术可以支持更高的数据传输速率，从而满足高速无线传输的需求。

4.信道容量较小：由于DSSS信号占据了较宽的频带范围，因此相对于传统的调频技术，其信道容量较小。

5.对同步要求高：为了实现有效的解扩频和解调，需要在接收端实现扩频序列的精确同步。

直接序列扩频直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）工作方式，简称直扩方式（DS方式）。

就是用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。

直接序列扩频方式是直接用伪噪声序列对载波进行调制，要传送的数据信息需要经过信道编码后，与伪噪声序列进行模2和生成复合码去调制载波。

接受机在收到发射信号后，首先通过伪码同步捕获电路来捕获发送来到伪码精确相位，并由次产生跟发送端的伪码相位完全一致的伪码相位，作为本地解扩信号，以便能够及时恢复出数据信息，完成整个直扩通信系统的信号接收。

直接序列扩频系统的优点一、抗干扰能力强扩频解调器实际上是一个相关器，扩频信号通过相关器后能有效地恢复，干扰信号（包括瞄准性窄带干扰和宽带干扰）由于与本地PN码不想关而被相关器抑制掉。

表示扩频通信特性的一个重要参数是扩频增益G(Spreading Gain),其定义为扩频前的信号带宽B1与扩频后的信号带宽B2之比。

G=B2/B1扩频通信中，接收端对接收到的信号做扩频解调，只提取扩频编码相关处理后带宽为B1的信号成份，而排除了扩展到宽带B2中的干扰、噪声和其他用户通信的影响，相当于把接收信噪比提高了G倍。

考虑到输出端的信噪比和接收系统损耗，可以认为实际的扩频增益带来的信噪比的改善为：M=G-输出端信噪比——系统损耗公式中的M叫做抗干扰容限。

在第四章的系统仿真中，我们可以更直观的观察到系统的抗干扰性能。

二、具有强的抗多径干扰能力无线电波在传播的过程中，除了直接到达接收天线的直射信号外，还会有各种反射体（如大气对流层、建筑物、高山、树木、水面、地面）等引起的反射和折射信号被接收天线接收。

反射和折射信号的传播时间比直射信号长，它对直射信号产生的干扰称为多径干扰。

多径干扰会造成通信系统的严重衰落甚至无法工作。

由扩频序列的自相关函数的特性知道。

直接序列扩频的原理和应用1. 原理直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，简称DSSS），是一种用于无线通信中的传输技术。

它通过将数据序列化为一系列较长的序列，这些序列被称为码片。

在发送端，数据以较低速率传输，同时使用码片将其扩展为较高速率的信号。

在接收端，利用匹配的码片进行解扩，将信号恢复为原始数据。

DSSS的主要原理如下： - 序列生成: 在发送端，使用伪随机码生成器生成一个密集的码片序列，这个序列被称为扩频码。

扩频码通常是一个长的伪随机比特序列，与要传输的数据比特序列逐比特进行运算。

运算的方式有多种，如异或运算、加法运算等。

通过这样的运算，原始的数据序列被扩展为一个带有扩频码的序列。

- 带宽扩展: 接下来，使用扩频码对原始信号进行带宽扩展。

扩展的过程是将每个原始比特用扩频码序列中的多个比特来表示。

例如，每个原始数据比特可以扩展为10个扩频比特。

这样，信号的频谱宽度变得更宽，但传输速率也变得更快。

- 发送:扩展后的信号以较高速率发送。

由于采用了扩频码，使得信号的功率分散在宽频带上，从而使得信号的干扰抗性更强。

此外，扩频码的特殊性质还使得信号能够在多径环境下具有较好的传播性能。

- 接收与解扩: 在接收端，使用与发送端相同的伪随机码生成器生成与发送端相匹配的扩频码序列。

然后，将接收到的信号与扩频码进行相关运算，进行解扩。

解扩后，信号的带宽被还原为原始数据的带宽，然后再进行后续的信号处理，以恢复出原始数据。

2. 应用直接序列扩频技术在无线通信领域有广泛的应用，以下列举了几个常见的应用场景：2.1 无线局域网（WLAN）DSSS技术在无线局域网中的应用非常普遍。

它能够提供更高的数据传输速率和更好的抗干扰能力，有助于提升无线网络的性能和覆盖范围。

同时，DSSS技术支持多用户同时传输数据，可以提高系统的容量和吞吐量。

由于DSSS技术的成本相对较低，广泛应用于2.4GHz频段的无线局域网。

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。