擴頻通信技術(shù)性能淺析
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摘要：對幾種常見的擴頻技術(shù)進行介紹，在保證擴頻后碼片時間長度相同的情況下，對直接序列擴頻技術(shù)、Chirp擴頻技術(shù)以及BOC擴頻技術(shù)進行比較。旨在幫助讀者對擴頻通信技術(shù)進行更深層次的了解，當(dāng)通信系統(tǒng)中需要使用擴頻通信技術(shù)時，為讀者選擇性能更優(yōu)的擴頻通信技術(shù)提供參考。
關(guān)鍵詞：擴頻通信技術(shù)；移動通信技術(shù)；直接序列擴頻技術(shù)；Chirp擴頻技術(shù)；BOC擴頻技術(shù)
1概述
擴頻通信技術(shù)（簡稱擴頻技術(shù)），廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)中，其從軍事通信技術(shù)中發(fā)展而來，具有很強的抗干擾能力和保密性。因此，擴頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信技術(shù)以及移動通信技術(shù)中。使用擴頻技術(shù)時，可以明顯提高通信質(zhì)量。擴頻技術(shù)是一種傳輸信息的方式。通常來講，擴頻后信號所占用的頻帶寬度遠遠大于傳信息所需要的最小頻帶寬度。頻帶寬度的擴展過程通過一個獨立的碼序列來完成，該碼序列與所傳信息無關(guān)。接收端在接收時使用同樣的碼序列進行接收和解擴等過程。擴頻技術(shù)通常用于衛(wèi)星通信、移動通信、全球個人通信和無線局域網(wǎng)等各個領(lǐng)域。本文對幾種常見的擴頻技術(shù)進行介紹，通過仿真對比相同碼片時間長度下不同擴頻技術(shù)的誤碼率。
2常見擴頻技術(shù)介紹
擴頻技術(shù)有許多種，常見的擴頻技術(shù)有直接序列擴頻技術(shù)、Chirp擴頻技術(shù)和BOC擴頻技術(shù)等，本文對這3種技術(shù)進行詳細介紹。
2.1直接序列擴頻技術(shù)
直接序列擴頻技術(shù)可以將一位數(shù)據(jù)編碼為多位序列，稱為一個“碼片”。例如，數(shù)據(jù)“0”用碼片“01100111010”編碼，數(shù)據(jù)“1”用碼片“10011000101”編碼，數(shù)據(jù)串“010”則編碼為“01100111010”，“10011000101”，“01100111010”。其中，該過程中所需要的擴頻碼序列多采用偽噪聲序列（Pseudo-NoiseSequence，PN），PN并不是真正的隨機信號，其可以重復(fù)的產(chǎn)生及處理，因此稱為偽噪聲序列。PN有許多種，最常見的是m序列。本文中直接序列擴頻技術(shù)中采用m序列。采用直接序列擴頻時，擴頻后的信號所占用的頻帶寬度增大。通常情況下，擴頻后的信號所占用的頻帶寬度越大，接收機越能夠接收原始信號。
2.2Chirp擴頻技術(shù)
Chirp擴頻技術(shù)與直接序列擴頻技術(shù)不同，其主要有兩種方式：第一種為二進制正交鍵控，其利用兩種不同的Chirp脈沖來表示0和1，其中1用從低到高的線性頻率變化來表示，如圖1所示。0用從高到低的線性頻率變化來表示，如圖2所示。第二種是直接調(diào)制，其在需要擴頻的信號基礎(chǔ)上與Chirp信號相乘進行擴頻。在這種方式下，Chirp擴頻類似于直接序列擴頻中的PN序列。本文與上述兩種Chirp擴頻方式不同，將要傳輸信號進行串并轉(zhuǎn)換后，進行Chirp擴頻。如圖3所示，隨機生成30個隨機數(shù)，串并轉(zhuǎn)換后Chirp擴頻的頻率變化。圖3中Chirp擴頻倍數(shù)為6，串并轉(zhuǎn)換后的數(shù)值分別51、33、55、54和40。
2.3BOC擴頻技術(shù)
BOC擴頻技術(shù)廣泛地應(yīng)用在衛(wèi)星通信中，其以周期性方波作為子載波，對衛(wèi)星通信信號進行擴頻處理。BOC擴頻技術(shù)有許多種：SinBOC擴頻、CosBOC擴頻、AltBOC擴頻和MBOC擴頻等。本文對比的是SinBOC擴頻，其將要擴頻的信號與SinBOC擴頻需要的副載波相乘，信號表達式見公式（1）。x(t)=c(t)×sign(sin(2πfst))（1）其中c(t)為需要擴頻的信號，sign(sin(2πfst))為周期性的方波，fs為其頻率。sign()是符號函數(shù)。sign(sin(2πfst))為副載波，與直接序列擴頻中偽噪聲序列相類似。
3仿真環(huán)境及參數(shù)
本仿真采用matlab進行仿真，matlab版本為9.8.0.1323502(R2020a)，操作系統(tǒng)為MicrosoftWindows10家庭中文版Version10.0（Build18363）。3種擴頻技術(shù)參數(shù)對比如表1所示。直接序列擴頻參數(shù)及仿真步驟如下：應(yīng)用層隨機生成1000bit信息，擴頻倍數(shù)為64倍，偽噪聲序列采用m序列。直接序列擴頻對擴頻后的信號進行QPSK調(diào)制，并對調(diào)制后的信號進行8倍過采樣，之后將過采樣的信號通過高斯信道降采樣、解調(diào)及m序列解擴頻處理。BOC擴頻參數(shù)及仿真步驟如下：應(yīng)用層隨機生成1000bit信息，擴頻倍數(shù)為64倍，偽噪聲序列采用副值為-1、+1的周期性方波。BOC擴頻對擴頻后的信號進行QPSK調(diào)制，并對調(diào)制后的信號進行8倍過采樣，之后將過采樣的信號通過高斯信道降采樣、解調(diào)及BOC解擴頻處理。Chirp擴頻參數(shù)及仿真步驟如下：應(yīng)用層隨機生成30bit信息，擴頻倍數(shù)為6倍，將應(yīng)用層信息進行串并轉(zhuǎn)換并通過高斯信道，最后將通過信道的信號進行解擴頻處理。
43種擴頻技術(shù)對比
將直接序列擴頻、Chirp擴頻和BOC擴頻進行比較并沒有采用相同的擴頻倍數(shù)，而是選擇相同的碼片時間長度。因為直接序列擴頻和BOC擴頻中，擴頻后的碼片時間長度與擴頻倍數(shù)成正比，而Chirp擴頻中，擴頻后的碼片時間長度與擴頻倍數(shù)以指數(shù)方式增長。擴頻倍數(shù)為64的直接序列擴頻技術(shù)、64倍BOC擴頻技術(shù)及6倍Chirp擴頻誤碼率隨信噪比變化如圖4所示。圖4中橫坐標(biāo)為信噪比，取值從-20到-2。縱坐標(biāo)為誤碼率。從圖4中可以看出，在相同碼片時間長度下，直接序列擴頻和BOC擴頻技術(shù)誤碼率幾乎一樣且優(yōu)于Chirp擴頻。當(dāng)采用相同的擴頻倍數(shù)時，Chirp擴頻性能最好。仿真過程中，直接序列擴頻和BOC擴頻運行速度較快，而Chirp擴頻技術(shù)運行速度較慢。但Chirp擴頻技術(shù)的抗多普勒頻移能力明顯優(yōu)于前兩者且可有效的抗深度衰落，所以當(dāng)通信系統(tǒng)中需要應(yīng)用擴頻技術(shù)時，應(yīng)把Chirp擴頻的這些優(yōu)點加以考慮。
5結(jié)論
本文介紹了3種常見的擴頻通信技術(shù)：直接序列擴頻技術(shù)、Chirp擴頻技術(shù)和BOC擴頻技術(shù)。在保證擴頻后碼片時間長度相同的前提下對這3種擴頻技術(shù)進行仿真，證明當(dāng)擴頻后碼片時間長度相同時，直接序列擴頻和BOC擴頻技術(shù)誤碼率幾乎一樣，優(yōu)于Chirp擴頻，且運行速度較快。而Chirp擴頻對頻偏不敏感，可有效的抗多普勒頻移，使用擴頻技術(shù)時應(yīng)綜合考慮。
作者:孫博倫 趙國強 丁百一 單位:北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司