讲义 第五章 直接序列扩频信号的捕获方法(short)

直接序列扩频通信系统与MATLAB仿真摘要：扩频通信系统具有的较强的抗干扰能力，保密性好、易于实现多址保密通信等特点，正从军事应用向民用通信发展。

本文主要介绍了直接序列扩频系统的模型，并利用MATLAB对直扩系统实现仿真。

关键词：扩频通信系统；直接序列扩频；伪随机码；仿真0引言扩频通信（即扩展频谱通信），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。

随着通信容量的不断增加，频率资源愈发紧张，为了缓解这一突出问题，通常在窄带通信系统中，主要是通过频率划分来防止各信道之间的干扰。

但是，随着扩频通信的研究和运用，由于其对接收端要求强相关性，使得频率可以重复使用，提高了频率利用率。

同时扩频通信的抗干扰能力强，现在已经广泛应用于移动电话、无线电微波通信、无线数据通信、跟踪和报警等系统中。

1扩频通信的理论基础信息论中关于信息容量的仙农（Shannon）公式为其中C为信道容量；W为信号频带宽度；S/N为信噪比。

由式1可得到以下结论：在信道容量C不变的条件下，可用不同带宽W和信噪比S/N组合来传输。

即可以通过增加信号带宽，实现在比较低的信噪比下传送信息。

这样使得有用信号的功率接近噪声的功率甚至淹没在噪声之下，从而具有很好的隐蔽性。

扩频通信就是用扩展频谱来换取信噪比要求的降低，这正是扩频通信的主要特点和理论依据。

扩频通信从早期用于军事保密通信，到现在广泛用于民用通信系统中，并成为现代通信主要发展的方向，是因为它具有窄带通信系统无法比拟的优良性能。

1）抗干扰性强，误码率较低。

接收机必须采用相关检测才能对PN码相同的扩频信号进行解扩，同频信号或其他干扰经解扩后，带宽被展宽，具有良好的抑制能力。

因此误码率也比较低，一般可低于l0-10，完全能满足国内相关系统对通道传输质量的要求。

2）可以实现码分多址。

因为在扩频通信中是采用扩频码序进行扩频调制，可以利用不同的扩频码序列之间较强的自相关性和较弱的互相关性，在接收端利用相关检测技术进行解扩。

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。

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。

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。

扩频技术原理扩频技术，是一种在通信中广泛应用的调制技术，它通过将信号在频域上进行扩展，使其带宽变宽，从而提高了通信系统的抗干扰性能和传输速率。

扩频技术主要应用于无线通信、卫星通信、雷达系统等领域，成为现代通信技术中不可或缺的一部分。

一、扩频技术的基本原理扩频技术的基本原理是将原始信号通过乘法运算与扩频码相乘，从而实现信号的扩展。

扩频码是一种特殊的序列，通常是伪随机序列。

扩频码序列具有良好的互相关性，可以在接收端实现信号的解扩。

二、扩频技术的信号传输方式扩频技术有两种主要的信号传输方式：直接序列扩频和频率跳变扩频。

1. 直接序列扩频(DSSS)直接序列扩频是最常见的扩频技术之一，它将原始信号与扩频码进行乘法运算，通过改变扩频码的周期来改变信号的传输速率。

在发送端，原始信号被扩展成宽带信号，然后通过信道进行传输。

在接收端，接收到的扩频信号通过与扩频码的相关运算，得到原始信号。

2. 频率跳变扩频(FHSS)频率跳变扩频是另一种常见的扩频技术，它将原始信号通过频率跳变的方式进行扩展。

发送端将原始信号与扩频码进行乘法运算后，将信号的载频按照一定规律进行频率跳变。

接收端根据事先约定好的频率跳变规律，对接收到的信号进行解扩。

三、扩频技术的优点扩频技术具有以下几个优点：1. 抗干扰能力强：扩频技术通过将信号扩展到宽带，使得信号在频域上分散，降低了窄带干扰的影响，提高了通信系统的抗干扰能力。

2. 隐蔽性好：扩频技术将信号扩展到宽带，使得信号的功率密度降低，相对于窄带信号，扩频信号在频谱上更加分散，难以被敌方窃听。

3. 传输容量大：扩频技术通过将信号的带宽扩展，提高了信号的传输速率，可以同时传输多路信号。

4. 高精度定位：扩频技术在卫星导航系统中得到广泛应用，通过对接收到的多个扩频信号进行测距和测角，可以实现高精度的定位。

四、扩频技术的应用领域扩频技术在无线通信、卫星通信、雷达系统等领域广泛应用。

1. 无线通信：扩频技术在无线局域网(WLAN)、蓝牙、CDMA等无线通信系统中得到广泛应用，提高了通信系统的抗干扰性能和传输速率。

扩频通信技术长期以来，扩频通信主要用于军事保密通信和电子对抗系统，随着世界范围政治格局的变化和冷战的结束，该项技术才逐步转向"商业化"。

数年前扩频通信在我国通信领域仍鲜为人知，有关资料介绍也比较少，一九九三年开始, 吉隆公司即致力于向我国引进扩频产品, 已经在电力、金融、公安、交通等行业收到了明显的社会、经济效益，引起国内通信界人士的广泛注意。

第一章扩展频谱通信简介第二章扩频通信的定义第三章扩频通信的理论基础第四章扩频增益和抗干扰容限第五章频谱的扩展的实现和直接序列扩频第六章扩频通信的主要特点我们知道，传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。

例如语音信息的带宽大约为20Hz~20000Hz、普通电视图像信息带宽大约为6MHz。

为了充分利用频率资源，通常都是尽量压缩传输带宽。

如电话是基带传输，人们通常把带宽限制在3400Hz左右。

如使用调幅信号传输，因为调制过程中将产生上下两个边带，信号带宽需要达到信息带宽的两倍，而在实际传输中，人们采用压缩限幅技术，把广播语音的带宽限制在大约为2×4500Hz=9KHz左右；采用边带压缩技术，把普通电视信号包括语音信号一起限制在1.2×6.5MHz=8MHz左右。

即使在普通的调频通信上，人们最大也只把信号带宽放宽到信息带宽的十几倍左右，这些都是采用了窄带通信技术。

扩频通信属于宽带通信技术，通常的扩频信号带宽与信息带宽之比将高达几百甚至几千倍。

有人要问为什么要这么做？这样是不是太浪费频率资源了？这些问题可以用信息论和抗干扰理论来解释。

扩频通信，即扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication），它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。

除此以外，扩频通信还具有如下特征:2.1 是一种数字传输方式；2.2 带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息进行调制实现的； 2.3 在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。

扩频通信课后习题解答完整版扩频通信课后习题解答-完整版第一章1-1、在高斯黑噪声阻碍的信道中，信号传输频宽为16khz，信噪比为4，谋信道的容量c。

在此信道容量维持不变的条件下，分别将信号频宽减少1倍和增大一半，分别谋此两种情况系统的信噪比和信号功率的变化值。

求解：c?blb(1?s)?1.6?103?log2(1?4)?37.156kbit/sncss?2b?1由c?blb(1?)得nn（1）信道容量不变，带宽增加1倍信噪比：s?2c/2b?1?1.23n信号功率：s?2bn0(2c/2b?1)?39.36n0kw（2）信道容量维持不变，频宽增大一半s?22c/b?1?24.01nb2c/b?1)?192.089n0kw信号功率：s?n0(22信噪比：1-2、某一高斯白色噪声阻碍信道，信道频宽为8khz，试求在系统信噪比为25db条件下容许的最小信息传输速率。

求解：c?blog2(1?1-3、某系统的扩频处理增益gp为40db，系统内部损耗ls=2db，为保证系统正常工作，相关解码器的输出信噪比(s/n)out?10db，则系统的干扰容限为多少？解：mj?gp?[ls?(s/n)out]?40?[2?10]?28db1-4、某系统在干扰信号的有价值信号功率250倍的环境下工作，解码器信号输入信噪比为12db，系统内部损耗为3db，则系统的QPSK处置增益至少应属多少？求解：mj?10lg250dbs)?8000log2(1?102.5)?66.475kbit/sng?mj?(ls?s)?10lg250?3?12?38.98dbn1-5、某轻易序列QPSK系统的伪随机码速率为5mbit/s，信号速率为8kbit/s，信号的QPSK频宽和处置增益各为多少？解：扩频带宽：b?2rc?2*5?10mhz信息频宽：bm?8khzb10*106处理增益：g?10lg?10lg?30.97db3bm8*101-6、先行表明扩频通信系统与传统调制方式通信系统的主要差别。

扩频通信信号抗干扰方法一、引言在现代无线通信中，扩频通信技术被广泛应用。

扩频通信技术通过在发送端将信号扩展至宽带信号，然后在接收端再进行窄带滤波，从而提高了通信系统的抗干扰性能。

本文将介绍扩频通信信号抗干扰的方法。

二、频谱扩展技术频谱扩展技术是扩频通信的核心。

通过将窄带信号转换为宽带信号，可以提高通信系统的抗干扰性能。

常见的频谱扩展技术包括直接序列扩频（DS-CDMA）、频率跳变扩频（FH-CDMA）和混合扩频技术。

1. 直接序列扩频（DS-CDMA）直接序列扩频是一种基于码片的扩频技术。

发送端将原始数据信号与一个码片序列进行逐位乘积，从而将信号扩展为宽带信号。

接收端通过与发送端使用相同的码片序列进行相关运算，可以将宽带信号恢复为窄带信号。

由于码片序列的随机性，直接序列扩频技术具有较好的抗干扰性能。

2. 频率跳变扩频（FH-CDMA）频率跳变扩频是一种基于频率跳变的扩频技术。

发送端将原始数据信号按照一定的频率跳变规律进行调制，从而将信号扩展为宽带信号。

接收端按照相同的频率跳变规律进行解调，可以将宽带信号恢复为窄带信号。

频率跳变扩频技术通过频率的快速变化，提高了通信系统的抗干扰性能。

3. 混合扩频技术混合扩频技术将直接序列扩频和频率跳变扩频相结合，充分利用两种技术的优势。

在发送端，可以通过同时使用码片序列和频率跳变规律对信号进行扩展。

在接收端，也需要同时进行码片相关运算和频率跳变解调。

混合扩频技术可以更好地抵抗多径干扰和窄带干扰，提高通信系统的抗干扰性能。

三、码片设计与选择码片是扩频通信中的重要组成部分，码片的设计与选择直接影响到通信系统的抗干扰性能。

在设计码片时，需要考虑码片的互相关性、自相关性和周期性。

常用的码片设计方法包括伪随机码（PN码）和黄金码（Gold码）。

PN码具有良好的互相关性和自相关性，适用于直接序列扩频技术；而Gold码具有较长的周期，适用于频率跳变扩频技术。

四、功率控制技术功率控制技术是扩频通信中常用的抗干扰方法之一。

第８卷第１期　２００７年２月　解放军理工大学学报（自然科学版）　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＰＩ　Ａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．８　Ｎｏ．１　

Ｆｅｂ．２００７　

文章编号：１００９—３４４３（２００７）０１—００２０—０３　

直接序列扩频信号的信噪比估计　胡建强　’　赵杭生　（总参谋部第６３研究所，江苏南京２１０００７）　

摘　要：准确可靠地估计直接序列扩频信号的信噪比，对于辅助完成通信过程中扩频信号的同步捕获及在　电子对抗中都具有很重要的意义。针对直接序列扩频信号工作中信噪比较低的特点，提出了一种通过求解接　收信号相关矩阵的特征值来估计信号信噪比的方法。分析了在相同数据和随机数据扩频调制条件下接收信　号信噪比估计的计算方法，并对于有频差情况下的计算方法进行了说明。计算机仿真结果表明．该方法在低　信噪比的条件下具有较强的可靠性。　关键词：直接序列扩频；信噪比估计；相关矩阵；特征值　中图分类号：ＴＮ９１１　文献标识码：Ａ　、　

Ｓｉｇｎａｌ—－ｎｏｉｓｅ——ｒａｔｉｏ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｄｉｒｅｃｔ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ　ｓｐｒｅａｄ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｓｉｇｎａｌｓ　ＨＵ　Ｊｉａｎ－ｑｉａｎｇ．　ＺＨＡＯ　Ｈａｎｇ—ｓｈｅｎｇ　（Ｔｈｅ　６３ｒｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＰＬＡ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｓｔａｆｆ　Ｈｅａｄｑｕａｒｔｅｒｓ。Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００７，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｉｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｔｏ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｙ　ｅｓｔｉｍａｔｅ　ｔｈｅ　ＳＮＲ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＤＳＳＳ　ｓｉｇｎａｌ　ｆｏｒ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａ—　ｔｉｏｎ　ｃａｐｔｕｒｉｎｇ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｏｕｎｔｅｒ　ｍｅａｓｕｒｅｓ（ＥＣＭ）．Ｉｎ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｓｉｇｎａｌ—ｎｏｉｓｅ—ｒａ—　ｔｉｏ（ＳＮＲ）ｏｆ　ＤＳＳＳ　ｓｉｇｎａｌｓ，ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ＳＮＲ　ｗａｓ　ｇｉｖｅｎ　ｂｙ　ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｉｖｅｄ　ｓｉｇｎａｌ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｍａｔｒｉｘ．Ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｃａｓｅｓ　ｏｆ　ｐｉｌｏｔ　ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ｒａｎｄｏｍ　ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　ｄａｔａ　ｗｅｒｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ａｌｓｏ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆｆｓｅｔ　ｅｘｉｓｔｅｄ．　Ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ＳＮＲ　ＤＳＳＳ　ｓｉｇｎａｌｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＤＳＳＳ（ｄｉｒｅｃｔ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ　ｓｐｒｅａｄ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ）；ｓｉｇｎａｌ—ｎｏｉｓｅ—ｒａｔｉｏ　ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ；ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｍａｔｒｉｘ；　ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ　

扩频通信的基本原理所谓扩展频谱通信，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”。

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基本思想和理论依据。

一、扩频通信系统的主要优点●易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率●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，而接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。

这祥，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。

●保密性好，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，因此说其保密性好。

●可以实现码分多址。

扩频通信提高了抗干扰性能，代价是占用频带宽。

但是如果许多用户共用这一宽频带，则可提高频带的利用率。

由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。

这样在这一频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。

●抗多径干扰。

在无线通信中，长期以来，多径干扰始终是一个难以解决的问题之一。

在扩频通信中利用扩频码的自相关特性，在接收端从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或把多个路径来的同一码序列的波形相加合成，都可以起到抗多径干扰的作用。

序言：直接序列扩频是高安全性高抗扰性的一种无线序列型号传输方式，英文全称Direct Sequence Spread Spectrum，简称直扩方式（DS方式）。

直接序列扩频通过利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。

直接序列扩频技术在军事通信和机密工业中得到了广泛的应用，现在甚至普及到一些民用的高端产品，例如信号基站、无线电视、蜂窝手机、监控宝护神、婴儿监视器等，是一种可靠安全的工业应用方案。

DSSS直扩方式传输工作原理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。

（一）传送原理直接序列扩频的原理如图所示：例如我们用窄脉冲序列对某一载波进行二相相移键控调制。

如果采用平衡调制器，则调制后的输出为二相相移键控信号，它相当于载波抑制的调幅双边带信号。

图中输入载波信号的频率为fc，窄脉冲序列的频谱函数为G(C)，它具有很宽的频带。

平衡调制器的输出则为两倍脉冲频谱宽度，而fc被抑制的双边带的展宽了的扩频信号，其频谱函数为fc+G(C)。

在接收端应用相同的平衡调制器作为解扩器。

可将频谱为fc+G(C)的扩频信号，用相同的码序列进行再调制，将其恢复成原始的载波信号fc。

（二）抗干扰原理直扩系统的抗干扰能力是由接收机对干扰的抑制产生的，如果干扰信号的带宽与信息带宽相同（即窄带），此干扰信号经过接收机伪噪声码调制后将展宽为与发送信号相同的带宽，而其谱密度却降低了若干倍。

相反，直扩信号经伪噪声码解扩后变成了窄带信息，从而使增益提高了若干倍。

此增益我们称为直扩处理增益GDS，也就是直扩系统的抗干扰能力，其定义式如下：GDS＝10lg（Rc／Rb）其中：Rc为直扩码速率；Rb为信息码速率，其比率即为扩频码长度，也称扩频信号的带宽扩展因子。