常見擴(kuò)頻通信技術(shù)性能比較

孫博倫，趙國(guó)強(qiáng)，丁百一

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

擴(kuò)頻通信技術(shù)（簡(jiǎn)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(lái)，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(dòng)通信技術(shù)中。使用擴(kuò)頻技術(shù)時(shí)，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(lái)講，擴(kuò)頻后信號(hào)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(gè)獨(dú)立的碼序列來(lái)完成，該碼序列與所傳信息無(wú)關(guān)。接收端在接收時(shí)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(dòng)通信、全球個(gè)人通信和無(wú)線局域網(wǎng)等各個(gè)領(lǐng)域。本文對(duì)幾種常見的擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行介紹，通過仿真對(duì)比相同碼片時(shí)間長(zhǎng)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(duì)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(gè)“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-Noise Sequence，PN），PN并不是真正的隨機(jī)信號(hào)，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(shí)，擴(kuò)頻后的信號(hào)所占用的頻帶寬度增大。通常情況下，擴(kuò)頻后的信號(hào)所占用的頻帶寬度越大，接收機(jī)越能夠接收原始信號(hào)。

2.2 Chirp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(lái)表示0和1，其中1用從低到高的線性頻率變化來(lái)表示，如圖1 所示。0用從高到低的線性頻率變化來(lái)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(hào)基礎(chǔ)上與Chirp信號(hào)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。

圖1 Chirp脈沖表示“1”Fig.1 Chirp pulse of representing “1”

圖2 Chirp脈沖表示“0”Fig.2 Chirp pulse of representing “0”

本文與上述兩種Chirp擴(kuò)頻方式不同，將要傳輸信號(hào)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(gè)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。

圖3 Chirp擴(kuò)頻頻率變化Fig.3 Frequency variation diagram of Chirp spread spectrum

2.3 BOC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(duì)衛(wèi)星通信信號(hào)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(duì)比的是SinBOC擴(kuò)頻，其將要擴(kuò)頻的信號(hào)與SinBOC擴(kuò)頻需要的副載波相乘，信號(hào)表達(dá)式見公式（1）。

其中c(t)為需要擴(kuò)頻的信號(hào)，sign(sin(2πfst))為周期性的方波，fs為其頻率。sign()是符號(hào)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Microsoft Windows 10 家庭中文版 Version 10.0（Build 18363）。3種擴(kuò)頻技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 參數(shù)對(duì)比Tab.1 Parameter comparison

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1 000 bit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(duì)擴(kuò)頻后的信號(hào)進(jìn)行QPSK調(diào)制，并對(duì)調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行8倍過采樣，之后將過采樣的信號(hào)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1 000 bit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(duì)擴(kuò)頻后的信號(hào)進(jìn)行QPSK調(diào)制，并對(duì)調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行8倍過采樣，之后將過采樣的信號(hào)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30 bit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(hào)進(jìn)行解擴(kuò)頻處理。

4 3種擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)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(shí)間長(zhǎng)度。因?yàn)橹苯有蛄袛U(kuò)頻和BOC擴(kuò)頻中，擴(kuò)頻后的碼片時(shí)間長(zhǎng)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(shí)間長(zhǎng)度與擴(kuò)頻倍數(shù)以指數(shù)方式增長(zhǎng)。

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。

圖4 3種擴(kuò)頻方式誤碼率曲線Fig.4 Bit error rate curves of three spread spectrum modes

從圖4中可以看出，在相同碼片時(shí)間長(zhǎng)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(shí)，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(shí)，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(shí)間長(zhǎng)度相同的前提下對(duì)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(shí)間長(zhǎng)度相同時(shí)，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(duì)頻偏不敏感，可有效的抗多普勒頻移，使用擴(kuò)頻技術(shù)時(shí)應(yīng)綜合考慮。