直接序列扩频信号的产生原理和应用

　　直接序列扩频系统是目前广泛应用的一种扩展频谱系统。美国的国际卫星通信系统和定位系统都是直接序列扩频系统的应用实例。
　　直接序列扩频系统采用直接序列扩频信号体制。下面就从伪随机码序列（m序列和GOLD码序列）的产生原理、调制信号的产生原理几方面来说明直接序列扩频信号的产生原理。
1、m码序列的产生原理
　　伪随机码序列是一种具有类似白噪声统计特性的编码信号，通常作为扩频系统的扩展码。M码序列是移位寄存器序列。M码序列可以由移位寄存器加反馈产生，如图1所示。

　　Cn是每个移位寄存器的初值，可以是1或0，An是第n级移位寄存器的反馈系数，An=0时表示无反馈，反馈线断开：An=1时表示有反馈，反馈线相连。这种结构的A0和An必须有反馈，否则n级长线性反馈移位寄存器将简化为n-1级长线性反馈移位寄存器。采用不同的反馈逻辑，即An的不同取值将产生不同的移位寄存序列。
N级长线性反馈移位寄存器的周期为2n-1，n为移位寄存器的级数。
2、GOLD码序列的产生原理
　　由于m码序列具有的移位寄存序列不能满足扩频系统码分多址的要求，因此实际采用的地址由2个长度和速率相同的m码序列优选对模2相加得到GOLD码序列。GOLD码序列产生的移位寄存序列为2n+1个。GOLD码序列可以通过2个m码序列优选对串联产生，如图2所示。

　　由2个n=6的m码序列优选对串联组成1个n=12的移位寄存器序列（GOLD码序列）不是长线性移位寄存器序列。根据Cn和Dn（n+1…6）的不同取值产生的GOLD码序列总共为26+1=65条。
3、直接序列扩频原理
　　直接序列扩频的实质是用一组编码序列调制载波，其调制过程可以简化表示为：信码和扩展码序列模2相加进行扩频调制，产生扩频调制信号；扩频调制信号对载波反相键控进行载波调制，产生直接序列扩频信号，如图3所示。
任意波形发生器的实现方法

　　理想的任意波形发生器既是一种信号源，又是一种调制源。例如TEK公司生产的任意波形发生器AWG520，既可以产生单载波和伪随机码序列（m序列和GOLD码序列）信号，又可以完成调制过程，因此可以直接利用AWG520产生直接序列扩频信号。
　　1．M码序列的实现方法
　　AWG520具有长n=32的移位寄存器，寄存器的输出和中间抽头可以构成反馈环路进行模2运算，因此AWG520长可以产生n=32级长线性移位寄存器序列。由Edit的面板键进入Edit的底菜单，选中Shift Register Generator（移位寄存器发生器），进入移位寄存器对话窗框设置移位寄存器的个数、反馈位置和移位寄存器的初值，AWG520默认的设置为长线性移位寄存器序列。例如，设置n=6的长线性移位寄存器序列，产生的伪随机码序列保存为m.wfm，移位寄存器的初值可以任意设置为1或0，移位寄存器不同的一组初值对应不同的伪随机码序列。
　　2．GOLD码序列的实现方法
　　2个m码序列优选对串联在AWG520的移位寄存器上可以产生GOLD码序列。产生的GOLD码序列的优选m码序列对需要计算，对于n比较小的情况，有现成的计算结果可以直接利用。
　　3．载波的实现方法
　　AWG520可以产生单载波信号，任意波形发生器产生的单载波信号的输出频率与仪器的采样率和每个波形的采样点有关。
　　输出频率=仪器采样率/波形采样点，其中输出频率的单位为Hz，仪器采样率的单位为Sa/s，波形采样点的单位为Sa。
　　由此可见，单载波信号的输出频率和仪器采样率与波形分辨率有关。要描述一个波形，必然要求每个波形的采样点要多，因此仪器的采样率就限制了任意波形发生器的输出频率。例如，AWG520的采样率为1GSa/s，如果波形分辨率为10s，则输出频率为260MHz。由此可见，任意波形发生器产生的单载波信号属于中频范畴。也就是说，由于目前任意波形发生器采样率的限制，还无法产生微波信号，因此无法完成射频调制。

　　例如用编程的方法产生输出频率为70MHz的单载波信号，设置任意波形发生器的采样率为840MSa/s，波形分辨率为12s，产生的单载波信号保存为carrier.wfm，如图4所示。
　　4．直接序列扩频信号的实现方法
　　直接序列扩频信号的调制分为扩频调制两部分。
扩频调制为信息码和扩展码模2相加，这里为了简单，采用m序列作为扩展码调制信息码，信息码用全0代替进行扩频调制。当信息码为全0时，扩频调制信号即原来的m码序列。扩展码的设计码速率为4MHz，扩频调制产生的扩频调制信号即m码序列存为ds.wfm。要注意的是，实际扩频调制时，由于信息码和扩展码速率不同，需要对信息码波形进行水平扩展，扩展的倍数约等于扩展码速率与信息码速率的比值。例如，实际调制码分多址信号时，信息码速率为20KHz，扩展码速率为4MHz，则ds.wfm=expand（“infor.wfm”，constant）“GOLD .wfm”，constant约为200。

　　载波调制为扩频调制信号与载波相乘，即dsspread.wfm×carrier.wfm，产生的载波调制信号存为ds-out.wfm，如图6所示。要注意的是扩频调制信号对载波进行反相键控时，要求扩频调制信号必须为1、-1两种状态，另外，由于扩频调制信号的码速率和载波频率不同，载波调制时需要对扩频调制信号进行水平扩展（expand），扩展的倍数约等于载波频率与扩频调制信号速率的比值。例如载波信号的频率为70MHz，扩频调制信号的速率为4MHz，则ds-spread.wfm=expand（“ds.wfm”，13），水平扩展倍数为13。
应用
　　由图6可以发现，任意波形发生器产生的直接序列扩频信号存在两点不足，一是输出频率是中频，不能进行射频调制；二是扩频信号的副瓣没有抑制，仪器内置的数字滤波器频率上限为50MHz，因此不能直接利用仪器内置的数字滤波器对载波为50MHz以上的直接序列扩频信号滤波。因此任意波形发生器在实际应用中，往往需要和其他测试仪器配合完成射频调制过程，另外需要单独使用带通滤波器进行滤波，如图7所示。

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