第二章 直接序列展頻通訊系統
2.1 展頻通訊的概念及原理
擴展頻譜 (Spread Spectrum, SS) 通訊簡稱展頻通訊，一般指用比訊號頻寬寬 得多的頻帶寬度來傳輸資訊的技術。它是一種資訊傳輸方式，在發送端採用展頻碼 調變，使訊號所占的頻帶寬度遠遠大於所傳資訊必需的頻寬，在接收端採用相同的 展頻碼來進行相關解調來解展頻以恢復所傳資訊資料。一種典型的擴展頻譜系統如 圖 2-1 所示：
訊 號 源 訊 源 編 碼 通 道 編 碼 載 波 調 變 展 頻 調 變
通 道
解 展 頻 載 波 解 調
通 道 解 碼 訊 源 解 碼
訊 息 輸 出
圖 2-1 典型擴展頻譜系統框圖
它主要由原始資訊，訊源編解碼，通道編解碼（錯誤控制），載波調變與解調，
展頻調變與解展頻和通道六大部分組成。訊源編碼的目的是去掉資訊的冗餘度，壓 縮訊源的數碼率，提高通道的傳輸效率。錯誤控制的目的是增加資訊在通道傳輸中 的冗餘度，使其具有檢錯或糾錯能力，提高通道傳輸品質。調變部分是為使經通道 編碼後的符號能在適當的頻段傳輸，如微波頻段，短波頻段等。展頻調變和解展頻 是為了某種目的而進行的訊號頻譜展寬和還原技術。與傳統通訊系統不同的是，在 通道中傳輸的是一個寬頻的低頻譜密度的訊號。為什麼要進行展頻？這是因為它具 有一些獨特的優點：
(一) 抗干擾能力強，特別是抗窄帶干擾能力。
(二) 可檢性低，(LPI---LOWPROBABILITYOFINTERCEPT)，不容易被偵破。
(三) 具有多址能力，易於實現碼分多址（CDMA）技術。
(四) 可抗多重路徑干擾。
(五) 可抗頻率選擇性衰落。
(六) 頻譜利用率高，容量大（可有效利用糾錯技術、正交波形編碼技術）。
(七) 具有測距能力。
(八) 技術複雜。
擴展頻譜技術的理論基礎是資訊理論中的香農定理[9]：
log (12 S) C W
= +N (2.1) 其中 C為通道容量（位元/秒）；N為雜訊功率；W為頻寬（赫茲）；S為訊號 功率。當 S N 很小時（≤0.1）得到：
1.44 W C N
= S (2.2) 在無錯誤傳輸的資訊速率C不變時，如 N S 很大，則必須使用足夠大的頻寬W 來 傳 輸 訊 號 。擴 展 頻 譜 的 方 式 主 要 有 直 接 序 列 (Direct Sequence, DS)， 跳 頻 (Frequency Hopping, FH)，跳時（Time Hopping, TH）及其幾者的混合[11,12]。
直接序列展頻就是用比資訊速率高很多倍的偽隨機雜訊碼(Pseudo-random Noise, PN)與訊號相乘來達到擴展訊號的頻寬。跳頻是使原訊號隨機的用不同載波傳輸發 送，跳時是使用偽隨機碼序列來開通或關斷發射機，即訊號的發射時刻和持續時間 是隨機的。跳頻展頻（Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS），即載波頻率 按照一個碼序列產生的圖形以離散增量變動，有時需要選擇編碼以避免與其它非 SS 系統的干擾。在一個 FHSS 系統中，訊號頻率在一個特定的時間段（稱為碼片）內保 持不變，系統可以是快跳頻或慢跳頻。在一個快跳頻系統中，跳頻發生的速率比消 息位元速率高，慢跳頻系統中則恰相反。跳時系統中，傳輸時間劃分成稱作幀的時 間段，每個幀分成若干時隙，在每幀內，有且只有一個時隙被調變一個消息。
圖 2-2 直接序列擴展頻譜展頻過程
所謂直接序列的展頻系統是用比資訊位元速率高許多的虛擬碼序列對已調載波 訊號進行第二次調變（展頻調變）的系統。直接序列展頻即一個載波經過一個數位 編碼調變，該編碼位元速率比資訊訊號位元速率高很多，這類系統也稱作偽雜訊
（PN）系統，這是民用通訊系統特別是第三代移動通訊所採取的主要展頻技術。使 用 DSSS 系統，其錯誤會隨機地分佈在時域上，而 FHSS 系統中的錯誤則會成群分佈。
突發性錯誤歸因於與時間和頻率有關的衰減和特定頻率干擾，而 DSSS 系統在時域和 頻域對資訊進行擴展因而實現了時間和頻率分集，減少了衰減和干擾的影響。直接 序列擴展頻譜展頻過程如圖 2-2 所示。基帶系統可以是類比的也可以是數位的。常 用的 BPSK 直接序列擴展頻譜系統調變器如圖 2-3 所示。
圖 2-3 BPSK 直接序列擴展頻譜系統框圖
調 變 器
⊕
基 帶 訊 號
載 波
展 頻 碼 訊 號
輸 出
調 變 器
⊕
二 進 位 資 料
偽 隨 機 碼 波 形 d t
( )
cos
(
ω θt+)
d t
( ) (
cos ω θt+)
c t
( )
s t ( ) ( ) ( ) (
=d t c t
cosω θ t
+)
若二進位資訊為d t ，取值為±1， 虛擬碼
( )
c t 也為二進位資訊，取值為±1，( )
一次調變為d t
( ) (
cos ω θt+)
。二次調變後為s t( )
=d t c t( ) ( ) (
cos ω θt+)
。由上式可以 看出，在電路系統中可先進行d t c t 然後再對載波進行二相調變。數位表達與電( ) ( )
路系統不同。數學上d t 與
( )
c t 取值為±1，但在數位電路中( )
d t 與( )
c t 取值為 0，1。( )
圖 2-4 調變器電路實現
解調器如圖 2-5 所示（先解展頻後解調）。
圖 2-5 解調器電路實現
Shannon 給出的通訊通道的理論指出：對於同樣的理論容量C，可以透過增加頻 帶寬B 來降低對訊雜比的要求，DS-CDMA 系統就是透過增加頻帶寬w B 來降低對訊w 雜比門限值，這也正是展頻通訊的精髓，即用頻帶換取訊雜比。圖 2-6 為一個採用 PN 碼展頻的 DS-CDMA 系統原理框圖。
調 變 器
⊕
二 進 位 序 列
偽 隨 機 碼 波 形 d t
( )
cos
(
ω θt+)
c t
( )
s t
( )
=d t c t( ) ( ) (
cos ω θt+)
帶 通 濾 波
⊕
估 計 資 料
偽 隨 機 碼 波 形 c t
( )
二 相 解 調 器
圖 2-6 DS-CDMA 系統原理框圖