CC2430ZIGBEE 无线单片机系列技术文章之一： CC2430 无线单片机 直接序列扩频通信原理 前言： CC2430 无线单片机内部集成了全部 802.15.4 短距离无线通讯标准所需要的 高频电路部分；图一是 CC2430 2.4GH 数字高频部分的框图： 其数字高频部分，采用了直接序列扩频（DSSS）技术，不仅能够非常方便 的实现 802.15.4 短距离无线通讯标准兼容，而且大大提高了无线通讯的可靠性；下 面，就简单介绍直接序列扩频（DSSS）的原理，对于 CC2430 无线单片机高频部 分的其他优点和工作原理，我们将在本系列文章陆续进行介绍。 一直接序列扩频通讯的优点 直接序列扩频（DSSS），（Direct seqcuence spread spectrdm）是直接利用 具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端， 用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。它是一种 数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的 PN 码（伪噪声码）进行摸二加。例 如说在发射端将"1"用 11000100110，而将"0"用 00110010110 去代替，这个过程就 实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是 11000100110 就恢复成"1"是 00110010110 就恢复成"0"，这就是解扩。这样信源速率就被提高了 11 倍，同时也 使处理增益达到 10dB 以上，从而有效地提高了整机倍噪比。 直接序列扩频的优点是： * 直扩系统射频带宽很宽。小部分频谱衰落不会使信号频谱严重的畸变。 * 多径干扰是由于电波传播过程中遇到各种反射体（高山，建筑物）引起， 使接受端接受信号产生失真，导致码间串扰，引起噪音增加。而直扩系统可以利用 这些干扰能量提高系统的性能。 1 

* 直扩系统除了一般通信系统所要求的同步以外，还必须完成伪随机码的同 步，以便接受机用此同步后的伪随机码去对接受信号进行相关解扩。直扩系统随着 伪随机码字的加长，要求的同步精度也就高，因而同步时间就长。 * 直扩和跳频系统都有很强的保密性能。对于直扩系统而言，射频带宽很宽， 谱密度很低，甚至淹没在噪音中，就很难检查到信号的存在。由于直扩信号的频谱 密度很低，直扩系统对其它系统的影响就很小。 * 直扩系统一般采用相干解调解扩，其调制方式多采用 BPSK、DPSK、 QPSK、MPSK 等调制方式。而跳频方式由于频率不断变化、频率的驻留时间内都 要完成一次载波同步，随着跳频频率的增加，要求的同步时间就越短。因此跳频多 采用非相干解调，采用的解调方式多为 FSK 或 ASK，从性能上看，直扩系统利用 了频率和相位的信息，性能优于跳频。 二直接序列扩频通信技术特点： 直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)系统是将要发送的信息用 伪随机码（PN 码）扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展用的相 同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信息。 直接序列扩频通讯的主要技术特点是： * 抗干扰性强 抗干扰是扩频通信主要特性之一，比如信号扩频宽度为 100 倍，窄带干扰基本 上不起作用，而宽带干扰的强度降低了 100 倍，如要保持原干扰强度，则需加大 100 倍总功率，这实质上是难以实现的。因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处 理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰，在不知道信号的扩频码的情况下， 由于不同扩频编码之间的不同的相关性，干扰也不起作用。正因为扩频技术抗干扰 性强，美国军方在海湾战争等处广泛采用扩频技术的无线网桥来连接分布在不同区 域的计算机网络。 * 隐蔽性好 因为信号在很宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密 度很低，信号淹没在白噪声之中，别人难以发现信号的存在，加之不知扩频编码， 很难拾取有用信号，而极低的功率谱密度，也很少对于其他电讯设备构成干扰。 * 易于实现码分多址（CDMA） 直扩通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，是否浪费了频段？其实 正相反，扩频通信提高了频带的利用率。正是由于直扩通信要用扩频编码进行扩频 调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码作相关解扩才能得到，这就给频率复 用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性，分配给 不同用户不同的扩频编码，就可以区别不同的用户的信号，众多用户，只要配对使 用自己的扩频编码，就可以互不干扰地同时使用同一频率通信，从而实现了频率复 用，使拥挤的频谱得到充分利用。发送者可用不同的扩频编码，分别向不同的接收 者发送数据；同样，接收者用不同的扩频编码，就可以收到不同的发送者送来的数 2 

据，实现了多址通信。美国国家航天管理局（NASA）的技术报告指出：采用扩频 通信提高了频谱利用率。另外，扩频码分多址还易于解决随时增加新用户的问题。 * 抗多径干扰 无线通信中抗多径干扰一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特 性，在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多 个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。 * 直扩通信速率高 直扩通信速率可达 2M，8M，11M，无须申请频率资源，建网简单，网络性能 好。在 802.15.4 通讯标准中，要求的无线通讯的速度是 250K BPS, 所以,CC2430 高 频部分也是使用这个通讯速度。 三、直接序列扩频技术概述 直接序列扩频(DSSS)技术是当今人们所熟知的扩频技术之一。它是二战期间 开发的，最初的用途是为军事通信提供安全保障。直接序列扩频技术将窄带信息信 号扩展 成宽带噪声信号。这种技术使敌人很难探测到信号。即便探测到信号，如 果不知道正确的编码，也不可能将噪声信号重新汇编成原始的信号。 由于它的抗噪声的特性，直接序列扩频技术也非常适合商业应用。在容许无线 设备公开使用的电磁环境里，它对其他传统微波设备造成最小的干扰，同时对附近 其他设备有更高的抗扰性。上世纪 80 年代末，晶体电子技术的先进程度已经足以 提供商用的、成本效益好的直接序列扩频系统。 直接序列扩频技术通过将射频载波和伪噪声（PN）数字信号有效地相乘来执 行数据处理。首先，它通过相应的调制手段（如： BPSK、QPSK、 QAM 等）将 PN 码调制到信息信号上。然后，用一个双重平衡混频器将射频载波和经 PN 码调 制的信息信号相乘。 这种数据处理方法将射频信号替换成一个与噪声信号频谱相同的, 但带宽很宽 的信号。在接收端，它将接收的射频信号与同一个经 PN 码调制的载波相乘来进行 解调。解调后输出一个接收端的射频信号。这解调的射频信号和噪声信号的功率最 接近时它的功率最高，并且和信道的噪声最“相关”（correlated）。然后，将这“相 关”的信号过滤、解调，就可以恢复初始数据。 由于 PN 码的带宽很宽，所以可在不丢失信息的情况下，将信号能量降低到噪 声限度以下：通常将功率输出频谱主瓣的零值到零值（null to null）的带宽(2Rc) (Rc 是码片率) 认定为直接序列扩频系统的带宽。应该注意的是，扩频主瓣中包含 的能量构成了扩频信号 90％以上的总能量。因此容许在较窄的射频带宽里把接收 信号还原为清晰的时域脉冲信号。 四、直接序列扩频系统的处理增益 在发射机端，通过使用伪随机噪声码片序列，将窄带调制信号的带宽扩大（至 少 10 倍）。直接序列扩频信号的生成（扩展）扩频传输的主要特色是：图 3 中所 3 

示的窄带信号和扩频信号中，两者的射频功率和承载的信息都相同。但是在扩频信 号里，由于窄带信号的功率被分解在扩宽了的信道，扩频信号的功率密度比窄带信 号的功率密度小得多。因此，要探测到扩频信号比探测到窄带信号的难度要大得 多。功率密度是信号在某个频率区间里的平均功率。在这个例子中，假定扩展比是 11，那么，窄带信号的功率密度比扩频信号的功率密度大 11 倍。这个例子中使用 11 个芯片，是因为它符合 FCC 第 15 部分关于最小处理增益的规定。在接收端， 扩频信号被解扩后，被还原为原始的窄带信号：如果同一频带设备在临近同时使 用，便会引起干扰（同频干扰）。 一个直扩系统在扩频、解扩过程中，干扰信号将同时被扩展，因而大大降低 了干扰的影响。这就是直接序列扩频设备的抗干扰能力的来源。干扰信号至少被扩 展了 10 倍（扩展系数）。也就是说，干扰信号的幅度被大大降低了，至少降低 90%。这就是直接序列扩频系统的“处理增益系数”。它等于传输带宽与信号带宽的 比： Gp= BWt / BWi。 处理增益还取决于所用的伪随机噪声序列（PN 序列）中的码片数。PN 序列的 范例有 M 序列和巴克序列, Wi-lan 的直接序列扩频产品中都使用了这两种序列。 这些 PN 序列都具有优良的自相关特性和交叉相关特性。 五、直接序列扩频技术和多径问题 直接序列扩频技术还因它的抗多径干扰性能而闻名。多径干扰导致信号的衰 落、抖动和分解。这是在市区应用的室内或室外无线电通信技术固有的问题，因为 金属设备和建筑物结构很容易反射射频信号而形成干扰。这些反射使接收信号包含 了多个不同传送路径的折射信号, 这些折射波到达接收端的时间不同而做成多径干 扰。标准的 DSSS 接收机用一个相关器（correlator）自动选择幅度最大的折射波， 并与之锁定同步。这样可以把多径干扰大大地降低。倾斜的 Rake DSSS 接收机不 仅能减小了多径效应，同时更优化了无线电设备的性能。Rake DSSS 接收机可以使 不同的折射波重新同步，并将他们组合起来，大大提高了接收信号的清晰度和强 度。 六、直接序列扩频与窄带相比的优点 低功率频谱密度： 因为信号被扩展到一个宽频带上，功率频谱密度很低,不易被探测到。 对 其他系统没有干扰或干扰很小：因为它的功率频谱密度很低，所以邻近的通信系 统不会受到很强的干扰（不过，高斯噪声水平增加了）。 在所有情况下，都使用整个频谱；因此干扰的情况比较恒定。 随机码难以 识别，保护用户隐私：只有发射机和接收机能够识别所应用的 PN 码。这就意味 着，几乎不可能译解另一用户的信息。 4 

应用扩频技术，降低多径干扰： 这取决于所使用的 PN 码的特性。 解决同区使用（co-location）的问题: 只要系统使用正交的扩频码，即可在同地区 使用而不受同频干扰的限制。 结束语： 上面的讨论，涉及很多无线通讯和数据通讯的基本原理和基础知识，对于刚 刚进入这个新领域的单片机工程师和电子工程师，不一定能很快完全理解，但我们 从上面的讨论，已经了解到了直接序列扩频的简单原理和在抗干扰，兼容和符合 FCC 的要求，高可靠性无线通讯方面的显著优点，这就是很大的收获，由于这些 高频电路已经完全集成到了芯片内部，我们要做的，只是用 C51 工具进行我们的 应用软件开发，通过若干寄存器的控制，我们就能服从容易的实现在我们的实际应 用中，使用先进的直接序列扩频无线通讯技术了。 成都无线龙通讯科技有限公司整理 2006-5-14 5