擴(kuò)頻通信技術(shù)性能淺析
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摘要：對幾種常見的擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行介紹，在保證擴(kuò)頻后碼片時間長度相同的情況下，對直接序列擴(kuò)頻技術(shù)、Chirp擴(kuò)頻技術(shù)以及BOC擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行比較。旨在幫助讀者對擴(kuò)頻通信技術(shù)進(jìn)行更深層次的了解，當(dāng)通信系統(tǒng)中需要使用擴(kuò)頻通信技術(shù)時，為讀者選擇性能更優(yōu)的擴(kuò)頻通信技術(shù)提供參考。
關(guān)鍵詞：擴(kuò)頻通信技術(shù)；移動通信技術(shù)；直接序列擴(kuò)頻技術(shù)；Chirp擴(kuò)頻技術(shù)；BOC擴(kuò)頻技術(shù)
1概述
擴(kuò)頻通信技術(shù)（簡稱擴(kuò)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(qiáng)的抗干擾能力和保密性。因此，擴(kuò)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(kuò)頻技術(shù)時，可以明顯提高通信質(zhì)量。擴(kuò)頻技術(shù)是一種傳輸信息的方式。通常來講，擴(kuò)頻后信號所占用的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳信息所需要的最小頻帶寬度。頻帶寬度的擴(kuò)展過程通過一個獨(dú)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(jìn)行接收和解擴(kuò)等過程。擴(kuò)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(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行介紹，通過仿真對比相同碼片時間長度下不同擴(kuò)頻技術(shù)的誤碼率。
2常見擴(kuò)頻技術(shù)介紹
擴(kuò)頻技術(shù)有許多種，常見的擴(kuò)頻技術(shù)有直接序列擴(kuò)頻技術(shù)、Chirp擴(kuò)頻技術(shù)和BOC擴(kuò)頻技術(shù)等，本文對這3種技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。
2.1直接序列擴(kuò)頻技術(shù)
直接序列擴(kuò)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(kuò)頻碼序列多采用偽噪聲序列（Pseudo-NoiseSequence，PN），PN并不是真正的隨機(jī)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(kuò)頻技術(shù)中采用m序列。采用直接序列擴(kuò)頻時，擴(kuò)頻后的信號所占用的頻帶寬度增大。通常情況下，擴(kuò)頻后的信號所占用的頻帶寬度越大，接收機(jī)越能夠接收原始信號。
2.2Chirp擴(kuò)頻技術(shù)
Chirp擴(kuò)頻技術(shù)與直接序列擴(kuò)頻技術(shù)不同，其主要有兩種方式：第一種為二進(jìn)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(kuò)頻的信號基礎(chǔ)上與Chirp信號相乘進(jìn)行擴(kuò)頻。在這種方式下，Chirp擴(kuò)頻類似于直接序列擴(kuò)頻中的PN序列。本文與上述兩種Chirp擴(kuò)頻方式不同，將要傳輸信號進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行Chirp擴(kuò)頻。如圖3所示，隨機(jī)生成30個隨機(jī)數(shù)，串并轉(zhuǎn)換后Chirp擴(kuò)頻的頻率變化。圖3中Chirp擴(kuò)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(kuò)頻技術(shù)
BOC擴(kuò)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(jìn)行擴(kuò)頻處理。BOC擴(kuò)頻技術(shù)有許多種：SinBOC擴(kuò)頻、CosBOC擴(kuò)頻、AltBOC擴(kuò)頻和MBOC擴(kuò)頻等。本文對比的是SinBOC擴(kuò)頻，其將要擴(kuò)頻的信號與SinBOC擴(kuò)頻需要的副載波相乘，信號表達(dá)式見公式（1）。x(t)=c(t)×sign(sin(2πfst))（1）其中c(t)為需要擴(kuò)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(kuò)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(jìn)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(kuò)頻技術(shù)參數(shù)對比如表1所示。直接序列擴(kuò)頻參數(shù)及仿真步驟如下：應(yīng)用層隨機(jī)生成1000bit信息，擴(kuò)頻倍數(shù)為64倍，偽噪聲序列采用m序列。直接序列擴(kuò)頻對擴(kuò)頻后的信號進(jìn)行QPSK調(diào)制，并對調(diào)制后的信號進(jìn)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(kuò)頻處理。BOC擴(kuò)頻參數(shù)及仿真步驟如下：應(yīng)用層隨機(jī)生成1000bit信息，擴(kuò)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(kuò)頻對擴(kuò)頻后的信號進(jìn)行QPSK調(diào)制，并對調(diào)制后的信號進(jìn)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(kuò)頻處理。Chirp擴(kuò)頻參數(shù)及仿真步驟如下：應(yīng)用層隨機(jī)生成30bit信息，擴(kuò)頻倍數(shù)為6倍，將應(yīng)用層信息進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換并通過高斯信道，最后將通過信道的信號進(jìn)行解擴(kuò)頻處理。
43種擴(kuò)頻技術(shù)對比
將直接序列擴(kuò)頻、Chirp擴(kuò)頻和BOC擴(kuò)頻進(jìn)行比較并沒有采用相同的擴(kuò)頻倍數(shù)，而是選擇相同的碼片時間長度。因為直接序列擴(kuò)頻和BOC擴(kuò)頻中，擴(kuò)頻后的碼片時間長度與擴(kuò)頻倍數(shù)成正比，而Chirp擴(kuò)頻中，擴(kuò)頻后的碼片時間長度與擴(kuò)頻倍數(shù)以指數(shù)方式增長。擴(kuò)頻倍數(shù)為64的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)、64倍BOC擴(kuò)頻技術(shù)及6倍Chirp擴(kuò)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?？v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(kuò)頻和BOC擴(kuò)頻技術(shù)誤碼率幾乎一樣且優(yōu)于Chirp擴(kuò)頻。當(dāng)采用相同的擴(kuò)頻倍數(shù)時，Chirp擴(kuò)頻性能最好。仿真過程中，直接序列擴(kuò)頻和BOC擴(kuò)頻運(yùn)行速度較快，而Chirp擴(kuò)頻技術(shù)運(yùn)行速度較慢。但Chirp擴(kuò)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(kuò)頻技術(shù)時，應(yīng)把Chirp擴(kuò)頻的這些優(yōu)點(diǎn)加以考慮。
5結(jié)論
本文介紹了3種常見的擴(kuò)頻通信技術(shù)：直接序列擴(kuò)頻技術(shù)、Chirp擴(kuò)頻技術(shù)和BOC擴(kuò)頻技術(shù)。在保證擴(kuò)頻后碼片時間長度相同的前提下對這3種擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行仿真，證明當(dāng)擴(kuò)頻后碼片時間長度相同時，直接序列擴(kuò)頻和BOC擴(kuò)頻技術(shù)誤碼率幾乎一樣，優(yōu)于Chirp擴(kuò)頻，且運(yùn)行速度較快。而Chirp擴(kuò)頻對頻偏不敏感，可有效的抗多普勒頻移，使用擴(kuò)頻技術(shù)時應(yīng)綜合考慮。
作者:孫博倫 趙國強(qiáng) 丁百一 單位:北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司