常見擴頻通信技術性能比較

孫博倫，趙國強，丁百一

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

擴頻通信技術（簡稱擴頻技術），廣泛應用于通信系統中，其從軍事通信技術中發展而來，具有很強的抗干擾能力和保密性。因此，擴頻技術被廣泛應用于衛星通信技術以及移動通信技術中。使用擴頻技術時，可以明顯提高通信質量。

擴頻技術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。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。

擴頻技術通常用于衛星通信、移動通信、全球個人通信和無線局域網等各個領域。本文對幾種常見的擴頻技術進行介紹，通過仿真對比相同碼片時間長度下不同擴頻技術的誤碼率。

2 常見擴頻技術介紹

擴頻技術有許多種，常見的擴頻技術有直接序列擴頻技術、Chirp擴頻技術和BOC擴頻技術等，本文對這3種技術進行詳細介紹。

2.1 直接序列擴頻技術

直接序列擴頻技術可以將一位數據編碼為多位序列，稱為一個“碼片”。例如，數據“0”用碼 片“01100111010”編 碼，數 據“1”用 碼 片“10011000101”編碼，數據串“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-Noise Sequence，PN），PN并不是真正的隨機信號，其可以重復的產生及處理，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。

2.2 Chirp擴頻技術

Chirp擴頻技術與直接序列擴頻技術不同，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。第二種是直接調制，其在需要擴頻的信號基礎上與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。

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擴頻方式不同，將要傳輸信號進行串并轉換后，進行Chirp擴頻。如圖3所示，隨機生成30個隨機數，串并轉換后Chirp擴頻的頻率變化。圖3中Chirp擴頻倍數為6，串并轉換后的數值分別51、33、55、54和40。

圖3 Chirp擴頻頻率變化Fig.3 Frequency variation diagram of Chirp spread spectrum

2.3 BOC擴頻技術

BOC擴頻技術廣泛地應用在衛星通信中，其以周期性方波作為子載波，對衛星通信信號進行擴頻處理。BOC擴頻技術有許多種：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）。

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。sign(sin(2πfst))為副載波，與直接序列擴頻中偽噪聲序列相類似。

3 仿真環境及參數

本仿真采用matlab進行仿真，matlab版本為9.8.0.1323502(R2020a)，操作系統為Microsoft Windows 10 家庭中文版 Version 10.0（Build 18363）。3種擴頻技術參數對比如表1所示。

表1 參數對比Tab.1 Parameter comparison

直接序列擴頻參數及仿真步驟如下：應用層隨機生成1 000 bit信息，擴頻倍數為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調制，并對調制后的信號進行8倍過采樣，之后將過采樣的信號通過高斯信道降采樣、解調及m序列解擴頻處理。

BOC擴頻參數及仿真步驟如下：應用層隨機生成1 000 bit信息，擴頻倍數為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調制，并對調制后的信號進行8倍過采樣，之后將過采樣的信號通過高斯信道降采樣、解調及BOC解擴頻處理。

Chirp擴頻參數及仿真步驟如下：應用層隨機生成30 bit信息，擴頻倍數為6倍，將應用層信息進行串并轉換并通過高斯信道，最后將通過信道的信號進行解擴頻處理。

4 3種擴頻技術對比

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，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成正比，而Chirp擴頻中，擴頻后的碼片時間長度與擴頻倍數以指數方式增長。

擴頻倍數為64的直接序列擴頻技術、64倍BOC擴頻技術及6倍Chirp擴頻誤碼率隨信噪比變化如圖4所示。圖4中橫坐標為信噪比，取值從-20到-2。縱坐標為誤碼率。

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

從圖4中可以看出，在相同碼片時間長度下，直接序列擴頻和BOC擴頻技術誤碼率幾乎一樣且優于Chirp擴頻。當采用相同的擴頻倍數時，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擴頻技術運行速度較慢。但Chirp擴頻技術的抗多普勒頻移能力明顯優于前兩者且可有效的抗深度衰落，所以當通信系統中需要應用擴頻技術時，應把Chirp擴頻的這些優點加以考慮。

5 結論

本文介紹了3種常見的擴頻通信技術：直接序列擴頻技術、Chirp擴頻技術和BOC擴頻技術。在保證擴頻后碼片時間長度相同的前提下對這3種擴頻技術進行仿真，證明當擴頻后碼片時間長度相同時，直接序列擴頻和BOC擴頻技術誤碼率幾乎一樣，優于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，使用擴頻技術時應綜合考慮。