常见扩频通信技术性能比较

孙博伦，赵国强，丁百一

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

1 概述

扩频通信技术（简称扩频技术），广泛应用于通信系统中，其从军事通信技术中发展而来，具有很强的抗干扰能力和保密性。因此，扩频技术被广泛应用于卫星通信技术以及移动通信技术中。使用扩频技术时，可以明显提高通信质量。

扩频技术是一种传输信息的方式。通常来讲，扩频后信号所占用的频带宽度远远大于传信息所需要的最小频带宽度。频带宽度的扩展过程通过一个独立的码序列来完成，该码序列与所传信息无关。接收端在接收时使用同样的码序列进行接收和解扩等过程。

扩频技术通常用于卫星通信、移动通信、全球个人通信和无线局域网等各个领域。本文对几种常见的扩频技术进行介绍，通过仿真对比相同码片时间长度下不同扩频技术的误码率。

2 常见扩频技术介绍

扩频技术有许多种，常见的扩频技术有直接序列扩频技术、Chirp扩频技术和BOC扩频技术等，本文对这3种技术进行详细介绍。

2.1 直接序列扩频技术

直接序列扩频技术可以将一位数据编码为多位序列，称为一个“码片”。例如，数据“0”用码 片“01100111010”编 码，数 据“1”用 码 片“10011000101”编码，数据串“010”则编码为“01100111010”，“10011000101”，“01100111010”。其中，该过程中所需要的扩频码序列多采用伪噪声序列（Pseudo-Noise Sequence，PN），PN并不是真正的随机信号，其可以重复的产生及处理，因此称为伪噪声序列。PN有许多种，最常见的是m序列。本文中直接序列扩频技术中采用m序列。

采用直接序列扩频时，扩频后的信号所占用的频带宽度增大。通常情况下，扩频后的信号所占用的频带宽度越大，接收机越能够接收原始信号。

2.2 Chirp扩频技术

Chirp扩频技术与直接序列扩频技术不同，其主要有两种方式：第一种为二进制正交键控，其利用两种不同的Chirp脉冲来表示0和1，其中1用从低到高的线性频率变化来表示，如图1 所示。0用从高到低的线性频率变化来表示，如图2所示。第二种是直接调制，其在需要扩频的信号基础上与Chirp信号相乘进行扩频。在这种方式下，Chirp扩频类似于直接序列扩频中的PN序列。

图1 Chirp脉冲表示“1”Fig.1 Chirp pulse of representing “1”

图2 Chirp脉冲表示“0”Fig.2 Chirp pulse of representing “0”

本文与上述两种Chirp扩频方式不同，将要传输信号进行串并转换后，进行Chirp扩频。如图3所示，随机生成30个随机数，串并转换后Chirp扩频的频率变化。图3中Chirp扩频倍数为6，串并转换后的数值分别51、33、55、54和40。

图3 Chirp扩频频率变化Fig.3 Frequency variation diagram of Chirp spread spectrum

2.3 BOC扩频技术

BOC扩频技术广泛地应用在卫星通信中，其以周期性方波作为子载波，对卫星通信信号进行扩频处理。BOC扩频技术有许多种：SinBOC扩频、CosBOC扩频、AltBOC扩频和MBOC扩频等。

本文对比的是SinBOC扩频，其将要扩频的信号与SinBOC扩频需要的副载波相乘，信号表达式见公式（1）。

其中c(t)为需要扩频的信号，sign(sin(2πfst))为周期性的方波，fs为其频率。sign()是符号函数。sign(sin(2πfst))为副载波，与直接序列扩频中伪噪声序列相类似。

3 仿真环境及参数

本仿真采用matlab进行仿真，matlab版本为9.8.0.1323502(R2020a)，操作系统为Microsoft Windows 10 家庭中文版 Version 10.0（Build 18363）。3种扩频技术参数对比如表1所示。

表1 参数对比Tab.1 Parameter comparison

直接序列扩频参数及仿真步骤如下：应用层随机生成1 000 bit信息，扩频倍数为64倍，伪噪声序列采用m序列。直接序列扩频对扩频后的信号进行QPSK调制，并对调制后的信号进行8倍过采样，之后将过采样的信号通过高斯信道降采样、解调及m序列解扩频处理。

BOC扩频参数及仿真步骤如下：应用层随机生成1 000 bit信息，扩频倍数为64倍，伪噪声序列采用副值为-1、+1的周期性方波。BOC扩频对扩频后的信号进行QPSK调制，并对调制后的信号进行8倍过采样，之后将过采样的信号通过高斯信道降采样、解调及BOC解扩频处理。

Chirp扩频参数及仿真步骤如下：应用层随机生成30 bit信息，扩频倍数为6倍，将应用层信息进行串并转换并通过高斯信道，最后将通过信道的信号进行解扩频处理。

4 3种扩频技术对比

将直接序列扩频、Chirp扩频和BOC扩频进行比较并没有采用相同的扩频倍数，而是选择相同的码片时间长度。因为直接序列扩频和BOC扩频中，扩频后的码片时间长度与扩频倍数成正比，而Chirp扩频中，扩频后的码片时间长度与扩频倍数以指数方式增长。

扩频倍数为64的直接序列扩频技术、64倍BOC扩频技术及6倍Chirp扩频误码率随信噪比变化如图4所示。图4中横坐标为信噪比，取值从-20到-2。纵坐标为误码率。

图4 3种扩频方式误码率曲线Fig.4 Bit error rate curves of three spread spectrum modes

从图4中可以看出，在相同码片时间长度下，直接序列扩频和BOC扩频技术误码率几乎一样且优于Chirp扩频。当采用相同的扩频倍数时，Chirp扩频性能最好。仿真过程中，直接序列扩频和BOC扩频运行速度较快，而Chirp扩频技术运行速度较慢。但Chirp扩频技术的抗多普勒频移能力明显优于前两者且可有效的抗深度衰落，所以当通信系统中需要应用扩频技术时，应把Chirp扩频的这些优点加以考虑。

5 结论

本文介绍了3种常见的扩频通信技术：直接序列扩频技术、Chirp扩频技术和BOC扩频技术。在保证扩频后码片时间长度相同的前提下对这3种扩频技术进行仿真，证明当扩频后码片时间长度相同时，直接序列扩频和BOC扩频技术误码率几乎一样，优于Chirp扩频，且运行速度较快。而Chirp扩频对频偏不敏感，可有效的抗多普勒频移，使用扩频技术时应综合考虑。