DSSS|直接系列扩频技术

DSSS

简介

Direct Sequence Spread Spectrum，中文翻译为直接 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。DSSS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。

工作原理

    DSSS是一种扩频 通信技术，用高速率的伪噪声码序列与信息码序列模二加（波形相乘）后的复合码序列去控制 载波的相位而获得直接序列扩频信号，即将原来较高功率、较窄的频率变成具有较宽频的低功率频率，以在无线通信领域获得令人满意的抗噪声干扰性能。DSSS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
　　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。

DSSS序列

 

（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＝10 lg（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。

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。当两个接收信号序列相对时间超过码元宽度时，相关器输出只为码长的倒数，故被很大程度地抑制掉。直序扩频技术还有一种更先进的接收技术，叫RAKE接收技术，它可以实现多径分集接收，即将各种路径来的信号，包括直接、折射、反射绕射信号解扩后在相位上根据峰值校齐并进行叠加，使信号强度更高，不仅避免了多径干扰还增强了接收信号强度。但是RAKE接收技术的实现比较复杂且昂贵。


（三）对其他电台干扰小，抗截获能力强
    理论分析表明，信号的检测概率与信号能量与噪声功率谱密度之比成正比，与信号的频带宽度成反比。直扩信号正好具有这两方面的优势，它的功率谱密度很低，单位时间内的能量就很小，同时它的频带很宽。因此，它具有很强的抗截获性。简单的说：由于信息信号经过扩频调制后频谱被大大扩展，使信号的功率谱密度大大降低，接收端接收到的信号谱密度比接收机噪声低，即信号完全淹没在噪声中，这样对其他同频段电台的接收不会形成干扰，信号也就不容易被发现，进一步检测出信号就更难，所以有非常高的隐蔽性，非常适合保密通信，特别适合应用于军事领域的通信。正因为有此特点，FCC规定使用扩频通信机不必申请专用频率。


（ 四）可以同频工作
    由于采用相关解扩，所以只要每部通信的解扩码（PN）不同，几部通信机就可以使用同一载频而不会有互相干扰，只是多增加一点背景噪声而已。


（五）便于实现多址通信
    由于不同的扩频码是正交或接近正交的，彼此相互影响很小，所以可以把不同的扩频码作为用户的地址码，则很容易实现码分多址（CDMA）通信。移动通信系统采用CDMA方式，理论上可以使通信容量比目前的蜂窝式通信容量大。

DSSS应用缺陷

    直接序列扩频在实际应用中往往会遇到以下几个问题： 

（一）频道数减少
     当采用跳频／扩频体制时，为获得足够大的处理增益，系统占用带宽太大，这就减少了可供跳频的信道数。 

（二）带宽增大
     系统带宽太大，进入接收机前端的干扰信号增多。 

（三）信息量增大
     要得到有效的抗多径和利用多径的能力，扩频码片必须足够窄，信息比特必须足够宽，而后者又限制了信息传输速率的提高。 

     为了解决系统占用频带过宽、外部干扰增多和传输速率受限的矛盾，当前各国大多采用多进制扩频技术，相对有效的解决这些问题。

DSSS与其他传播方式的比较

    不同的无线传播方式有不同的特性。这些特性决定了在不同距离上传输不同数据量的能力。以下提及的传输方式已被运用到各种无线技术中。

DSSS无线比较

 

（一）固定频率
    在一个特定的频段范围（通常非常窄）内传播信号的方式。通过此方式传输的信号通常要求高功率的信号发射器并且获得使用许可。如果遇到较强的干扰，信道内或者附近的固定频率发射器将受到影响。对于许可证的要求就是为了减少相邻的系统在使用相同的信道时产生的干扰。

（二）跳频扩频
    使用被发射器和接收器都知晓的伪随机序列，在很多频率信道内快速跳变以发射无线电信号。FHSS有较强的抗干扰能力，一旦信号在某信道中受阻，它将迅速再下一跳中重新发送信号。

（三）直接序列扩频
    在设备的特定的发射频率内以广播形式发射信号。用户数据在空间传送之前，先附加“扩频码”，实现扩频传输。接收器在解调制的过程中将干扰剔除。在去除扩频码、提取有效信号时，噪声信号同时剔除。

（四）正交频分复用
    同时在多个子载波频率上以广播形式发射信号。每个子载波的带宽都很窄，可以承载高速数据信号。OFDM适用于严酷的信道条件。由于OFDM具有较高的复杂度，有很多方式来抗干扰。对窄带干扰的抗干扰能力也不错，因为大量的正交的子载波和与DSSS相似的信道编码机制。

DSSS实现方法

   直接序列扩频信号的调制分为扩频调制和载波调制两部分。

（一）扩频调制
    扩频调制为信息码和扩展码模2相加，这里为了简单，采用m序列作为扩展码调制信息码，信息码用全0代替进行扩频调制。当信息码为全0时，扩频调制信号即原来的m码序列。扩展码的设计码速率为4MHz，扩频调制产生的扩频调制信号即m码序列存为ds.wfm。要注意的是，实际扩频调制时，由于信息码和扩展码速率不同，需要对信息码波形进行水平扩展，扩展的倍数约等于扩展码速率与信息码速率的比值。例如，宝护神婴儿监视器实际调制码分多址信号时，信息码速率为20KHz，扩展码速率为4MHz，则ds.wfm=expand（“infor.wfm”，constant）“GOLD .wfm”，constant约为200。

（二）载波调制
    载波调制为扩频调制信号与载波相乘，即dsspread.wfm×carrier.wfm，产生的载波调制信号存为ds-out.wfm，如图6所示。要注意的是扩频调制信号对载波进行反相键控时，要求扩频调制信号必须为1、-1两种状态，另外，由于扩频调制信号的码速率和载波频率不同，载波调制时需要对扩频调制信号进行水平扩展（expand），扩展的倍数约等于载波频率与扩频调制信号速率的比值。例如载波信号的频率为70MHz，扩频调制信号的速率为4MHz，则ds-spread.wfm=expand（“ds.wfm”，13），水平扩展倍数为13。

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