王鶴，張帆

（1 華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北，武漢，430074； 2 炮兵學(xué)院 信息工程系，安徽，合肥，230031）

0 引言

擴(kuò)頻通信與光纖通信、衛(wèi)星通信一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時(shí)代的3大高技術(shù)通信傳輸方式，其基本理論是根據(jù)信息論中的Shannon公式[1]，即：

式中：C為系統(tǒng)的信道容量（bit/s）；B為系統(tǒng)信道帶寬（Hz）；S為信號(hào)的平均功率；N為噪聲功率。

由式（1）可以得到，采用擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行通信的優(yōu)越性在于用擴(kuò)展頻譜的方法可以增大帶寬B來(lái)?yè)Q取信噪比S/N降低的好處，即接收機(jī)輸出的信噪比相對(duì)于輸入的信噪比有很大改善?？陆轄柲峥煞蛟谄錆撛诳垢蓴_性理論中得到關(guān)于信息傳輸差錯(cuò)概率的公式也證明了信噪比與帶寬是可以互換的，即用增加帶寬的方法可以換取信噪比上的好處[2]。

目前井下通信手段一般是有線通信，在正常情況下，可以保證一般的通信聯(lián)絡(luò)。但是一旦井下發(fā)生塌方、瓦斯爆炸時(shí)，最好的通信手段當(dāng)屬無(wú)線電通信。但是，值得注意的是，在井下通信中，電波對(duì)地面的穿透力，隨頻率增高而減低，所以常規(guī)的通信手段，如調(diào)幅、調(diào)頻其單邊帶通信在井下做穿透通信時(shí)，只有降低發(fā)射頻率才能保證通信。但是，射頻下降后在各種干擾條件下，它們根本不能保證通信聯(lián)絡(luò)。這時(shí)，具有極強(qiáng)抗干擾能力和極低信噪比的擴(kuò)頻通信，就使得它在礦井通信中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)越性。

1 擴(kuò)頻原理及模型

一般說(shuō)來(lái)，擴(kuò)頻通信又分為直接序列（DS：Direct Sequence）擴(kuò)頻、跳頻（FH：Frequency Hopping）、跳時(shí)（TH：Time Hopping）和線性調(diào)頻（Chirp）等4種類(lèi)型。為方便起見(jiàn)，在擴(kuò)頻通信的4種類(lèi)型中，我們以直接序列擴(kuò)頻（DS）為例來(lái)進(jìn)行討論。

1.1 直接序列擴(kuò)頻原理

圖1為直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的組成原理框圖。圖1（a）為發(fā)射端工作示意圖，由信源輸出的信號(hào)a(t)是碼元持續(xù)時(shí)間為T(mén)a的信息流，偽隨機(jī)碼（PN）產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼為c(t)，每一偽隨機(jī)碼碼元寬度或切普（chip）寬度為T(mén)c，將信碼a(t)與偽隨機(jī)碼c(t)進(jìn)行模2加，產(chǎn)生一速率與偽隨機(jī)碼速率相同的擴(kuò)頻序列d(t)，然后再用該擴(kuò)頻序列去調(diào)制載波，這樣就得到已擴(kuò)頻調(diào)制的射頻信號(hào)s(t)。

圖1（b）為接收端工作示意圖，接收到的擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)高放和混頻后，用于發(fā)端同步的偽隨機(jī)序列對(duì)中頻的擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，將信號(hào)的頻帶恢復(fù)為信息序列a(t)的頻帶，即為中頻調(diào)制信號(hào)；然后再進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出所傳輸?shù)男畔(t)，從而完成信息的傳輸。對(duì)于干擾信號(hào)和噪聲而言，由于與偽隨機(jī)序列不相關(guān)，在相關(guān)解擴(kuò)器的作用下，相當(dāng)于進(jìn)行了一次擴(kuò)頻。干擾信號(hào)和噪聲頻帶被擴(kuò)展后，其譜密度降低，這樣就大大降低了進(jìn)入信號(hào)通頻帶內(nèi)的干擾功率，使解調(diào)器的輸入信噪比和信干比提高，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

1.2 m序列

1.2.1 m序列的含義

m序列是最長(zhǎng)線性移位寄存器序列的簡(jiǎn)稱(chēng)。顧名思義，m序列是由多級(jí)移位寄存器或其延遲元件通過(guò)線性反饋產(chǎn)生的最長(zhǎng)的碼序列。在二進(jìn)制移位寄存器中，若n為移位寄存器的級(jí)數(shù)，n級(jí)移位寄存器共有2n個(gè)狀態(tài)，除去全零狀態(tài)外，還剩下2n-1種狀態(tài)，因此它能產(chǎn)生的最大長(zhǎng)度的碼序列為2n-1位。故產(chǎn)生m序列的線性反饋移位寄存器稱(chēng)為最長(zhǎng)線性移位寄存器。

產(chǎn)生m序列的移位寄存器的電路結(jié)構(gòu)，即反饋線連接不是隨意的，m序列的周期P也不能取任意值，而是必須滿足：

式中，n是移位寄存器的級(jí)數(shù)。

1.2.2 m序列產(chǎn)生原理

圖2示出的是由n級(jí)移位寄存器構(gòu)成的碼序列發(fā)生器。它由n個(gè)二元存儲(chǔ)器和模2開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成。二元存儲(chǔ)器通常是一種雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它的兩種狀態(tài)記作“0”和“1”，其狀態(tài)取決于時(shí)鐘控制下輸入的信息（“0”或“1”）。另圖中CP（Clock Pulse）為時(shí)鐘脈沖。

圖2 n級(jí)移位寄存器構(gòu)成的碼序列發(fā)生器

圖中C0、C1、…、C2均為反饋線，其中C0=Cn=1，表示反饋連接。因?yàn)閙序列是由循環(huán)序列發(fā)生器產(chǎn)生的，因此C0和Cn肯定為1，即參與反饋。而反饋系數(shù)C1、C2…Cn－1若為1，參與反饋，若為0，則表示斷開(kāi)反饋線，即開(kāi)路、無(wú)反饋連線。

1.2.3 產(chǎn)生m序列的條件

一個(gè)線性反饋移位寄存器能否產(chǎn)生m序列.決定于它的反饋系數(shù)Ci（C0…Cn的總稱(chēng)）。表1給出了部分m序列的反饋系數(shù)Ci。

表1 部分m序列的反饋系數(shù)Ci

2 系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案

在井下通信中，電波對(duì)地面的穿透力，隨頻率增高而減低，大約30W功率30MHz（窄帶信號(hào)）時(shí)穿透力為300m，15MHz時(shí)為800m，而5MHz時(shí)為1300m左右。因此，采用低射頻擴(kuò)頻通信技術(shù)前景十分引人關(guān)注。由于擴(kuò)頻通信具有強(qiáng)的抗干擾能力和低信噪比的相關(guān)接收特性，使它在礦井通信中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)越性，是礦井不可或缺的有力工具[3]。

實(shí)現(xiàn)方案之一如圖3所示，在發(fā)射端，話音信號(hào)經(jīng)過(guò)SCPDM調(diào)制后與偽隨機(jī)碼m序列模2加，使基帶信號(hào)被擴(kuò)展。再經(jīng)脈沖放大器放大后送至天線。在接收端，在碼元同步下進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，恢復(fù)基帶信息，再進(jìn)一步進(jìn)行基帶解調(diào)，恢復(fù)話音信號(hào)。

圖3 基于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案一

另外一種方案如圖4所示。

圖4 基于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案二

該方案采用3～5MHz作載頻。在發(fā)射端，話音經(jīng)過(guò)SCPDM調(diào)制后，再與m序列模2加，帶有基帶信息的m序列信號(hào)對(duì)載波移相鍵控調(diào)制（PSK調(diào)制），然后經(jīng)天線發(fā)射出去。在接收端，用本地m序列對(duì)PSK信號(hào)解擴(kuò)，然后得到SCPDM信號(hào)，再對(duì)基帶信息解調(diào)恢復(fù)話音。偽碼信號(hào)頻率一般為300～500kHz比較適宜，天線多采用多匝環(huán)形天線。

（1）圖3和圖4里的SCPDM即Suppressed Clock Pulse-Duration Modulator（抑制時(shí)鐘的脈寬調(diào)制），即話音數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)抽樣保持電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，使話音信號(hào)變成脈寬調(diào)制信號(hào)。其抽樣時(shí)鐘速率經(jīng)過(guò)時(shí)鐘抑制后，得到速率為先前一半的脈寬調(diào)制[4]。采用SCPDM調(diào)制降低了數(shù)字信息帶寬，有利于提高系統(tǒng)處理增益，提高系統(tǒng)抗干擾能力[5]，較之于PCM（脈碼調(diào)制）和△M（增量）調(diào)制更為優(yōu)越。當(dāng)然，這里的SCPDM調(diào)制也可用BPSK（二進(jìn)制相移鍵控）來(lái)替代。

（2）圖4中虛線部分為“DS用外差相關(guān)器”結(jié)構(gòu)圖。這里在“平衡調(diào)制1”的輸出端略去了一個(gè)中頻帶通濾波器。

（3）此外，相關(guān)資料提供了美國(guó)AMI公司生產(chǎn)的直接序列擴(kuò)頻芯片SX-043制作的Modem。SX-043主要特點(diǎn)有：1）具有可編程功能，可通過(guò)內(nèi)部108個(gè)寄存器的值控制芯片的收、發(fā)；2）完成直接序列擴(kuò)頻基帶處理的全部功能；3）采用全雙工或半雙工通信；4）支持BPSK、DBPSK、QPSK、DQPSK、QAM（8或16）等多種調(diào)制方式；5）具有高達(dá)1Mb/s（BPSK/DBPSK）、2Mb/s（QPSK/ DQPSK）、3Mb/s（8QAM）、4Mb/s（16QAM）的數(shù)據(jù)率；6）可選用長(zhǎng)度為11碼片的Barker碼和最大碼長(zhǎng)可達(dá)2047的m序列或Gold碼。采用SX-043的Modem系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。我們也可根據(jù)該圖，進(jìn)行類(lèi)似的思考和分析。

3 系統(tǒng)仿真模型的建立

3.1 MATLAB/Simulink仿真簡(jiǎn)介

MATLAB語(yǔ)言易學(xué)易用，不要求用戶(hù)有高深的數(shù)學(xué)和程序語(yǔ)言知識(shí)，不需要用戶(hù)深刻了解算法及編程技巧。MATLAB既是一種編程環(huán)境，又是一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。這種語(yǔ)言與C、Fortran語(yǔ)言一樣，有其內(nèi)定的規(guī)則，但MATLAB的規(guī)則更接近于數(shù)學(xué)表示。因此其使用更為簡(jiǎn)便，避免了其它語(yǔ)言如C、Fortran中的許多限制，如變量、矩陣無(wú)需定義。MATLAB還包括了被稱(chēng)為（工具箱）的各類(lèi)應(yīng)用問(wèn)題的求解工具。

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)集成環(huán)境，廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink的主要特點(diǎn)在于使用戶(hù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作和拷貝等命令建立起直觀的系統(tǒng)框圖模型，用戶(hù)可以很隨意地改變模型中的參數(shù)，并可以馬上看到改變參數(shù)后的結(jié)果，從而達(dá)到方便、快捷地建模和仿真的目的。

基于MATLAB/Simulink所建立的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型，能夠反映擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程，可進(jìn)行波形觀察、頻譜分析和性能分析等，同時(shí)能根據(jù)研究和設(shè)計(jì)的需要擴(kuò)展仿真模型，實(shí)現(xiàn)以擴(kuò)頻通信為基礎(chǔ)的現(xiàn)代通信的模擬仿真，為系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的平臺(tái)。

圖5 采用SX-043的Modem系統(tǒng)原理框圖

3.2 系統(tǒng)仿真的主要模塊設(shè)計(jì)

采用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)，我們提出了一種基于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行了仿真。

3.2.1 m序列發(fā)生器的模型設(shè)計(jì)

為便于模擬，選取m序列發(fā)生器的階數(shù)為5。由表1可知，周期為31，對(duì)應(yīng)的八進(jìn)制系數(shù)有45、67和75（這里采用45）。反饋系數(shù)Ci＝45，將它化成二進(jìn)制數(shù)為100101，即相應(yīng)的反饋系數(shù)依次為C0=1；C1=0；C2=0；C3=1；C4=0；C5=1。根據(jù)上面的反饋系數(shù)，畫(huà)出n＝5的m序列發(fā)生器的電路原理圖，如圖6所示。根據(jù)圖中所示電路，假設(shè)一種移位寄存器的狀態(tài)，即可產(chǎn)生相應(yīng)的碼序列。

圖6 n＝5的m序列發(fā)生器的電路原理圖

對(duì)應(yīng)的，采用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)，可以做出n＝5的m序列發(fā)生器的仿真模型，如圖7所示。

圖8 基于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的系統(tǒng)仿真模型

3.2.2 基于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)應(yīng)的，采用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，可以做出一種基于直接序列擴(kuò)頻的系統(tǒng)仿真模型[6]，如圖8所示。

4 條件設(shè)定及仿真結(jié)果

4.1 對(duì)m序列的設(shè)定及仿真

由于m序列的輸出周期為31位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并且初始狀態(tài)不可為“0”，設(shè)定寄存器初始狀態(tài)為“01010”，得到m序列輸出波形，如圖9所示。可以看出，可以很好地模擬m序列發(fā)生器的工作狀態(tài)。

圖9 m序列發(fā)生器的工作狀態(tài)

4.2 對(duì)系統(tǒng)的設(shè)定及仿真

系統(tǒng)包含了“擴(kuò)頻與解擴(kuò)”、“調(diào)制與解調(diào)”、“采用AWGN Channel模塊仿真加性高斯白噪聲信道”等模塊。結(jié)果顯示中，還可以加入示波器和誤碼儀。對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行參數(shù)配置后，可以運(yùn)行該仿真程序。注意參數(shù)設(shè)置中模塊的對(duì)稱(chēng)性及頻率一致性。

設(shè)置好各模塊參數(shù)后，進(jìn)行一定條件下的仿真。再比較發(fā)送端和接收端話音數(shù)據(jù)波形仿真結(jié)果，如圖10所示，發(fā)現(xiàn)基本無(wú)失真，可以較好地滿足傳輸需要。

圖10 擴(kuò)頻前后的波形仿真結(jié)果比較

以上結(jié)果表明，基于MATLAB的Simulink仿真模型，能夠反映模擬通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程，其可視化界面具有很好的演示效果，為通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究提供了強(qiáng)有力的工具，也為學(xué)習(xí)通信系統(tǒng)理論提供了一條非常好的途徑。

[1] 韋惠民.擴(kuò)頻通信技術(shù)及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[2] 曾興雯，劉乃安，孫獻(xiàn)璞.擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[3] 查光明，熊賢祚.擴(kuò)頻通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[4] Dean A. Gahagan, Kent; Kenneth Y. Ogami, Bothell, both of Wash. Suppressed clock pulse-duration modulator for direct sequence spread spectrum transmission system[P]. United States Patent. No.04669089, 1987, May 26th.

[5] 熊賢祚，龐建華.DS/TH擴(kuò)頻多址通信系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn)[J].成都電訊工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1985，增刊2，23-33.

[6] 鄒寧，徐松濤，牛建兵.基于MATLAB/Simulink的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真及抗干擾研究[J].計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)，2009，(3)：10-13.