顏劍華，任峻（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙　410128）

基于System View的擴頻通信系統(tǒng)的仿真和分析

顏劍華，任峻
（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410128）

本文闡述了擴頻通信的基本原理，使用Systemview軟件對擴頻通信進行仿真設(shè)計。在仿真設(shè)計中，我們使用了觸發(fā)器產(chǎn)生PN周期偽隨即序列作為擴頻碼，使用2PSK調(diào)制信號與擴頻碼相乘實現(xiàn)擴頻調(diào)制。最后，我們結(jié)合香農(nóng)公式以及信號在擴頻通信傳輸過程中的頻譜變化，證明通過擴頻通信，能在噪聲增加的情況下，仍然保持信號的高速無差錯傳輸。

偽隨機序列；擴頻通信；觸發(fā)器；香農(nóng)公式；擴頻碼

System View［1］是一個功能齊備的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于各種通信系統(tǒng)的設(shè)計和分析。本文使用System View構(gòu)建擴頻通信仿真系統(tǒng)，模擬信號在擴頻通信中的傳輸過程中，并通過分析比較信號在擴頻通信系統(tǒng)中各點的頻譜和波形，直觀說明了擴頻通信的原理。

1　擴頻通信原理

擴頻的理論依據(jù)為香農(nóng)公式［2］：

C為信道容量，即無差錯傳輸時的最大平均信息傳輸速率，當(dāng)實際傳信率小于C時，總能找到一種通信編碼方式，實現(xiàn)無差錯傳輸。B為信道帶寬，S/N為信噪比。當(dāng)噪聲增加，即S/N增加時，通過增加帶寬B，我們可以保持C不變，從而仍能保持以原來較大的傳輸速率無差錯的傳輸信息，這就是擴頻通信的基本原理。

2　基于System View的擴頻通信仿真

信號的擴頻有直接序列擴頻，調(diào)頻擴頻，線性擴頻和混合擴頻等。本文主要討論常見的直接序列擴頻［3］，其采用的擴頻碼為帶寬較大的周期序列。我們采用高碼率的周期性PN序列作為擴頻碼，其帶寬即為PN信號的碼速率。擴頻碼與帶寬較小的數(shù)字調(diào)制信號相乘后，可實現(xiàn)擴頻調(diào)制，得到大帶寬的擴頻信號。接收方通過將擴頻信號與發(fā)送端相同的PN序列相乘來實現(xiàn)解擴，還原成窄帶的數(shù)字調(diào)制信號。通過上述分析我們可以得到擴頻通信系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，其中數(shù)字調(diào)制信號為實際擴頻通信系統(tǒng)中常采用的2PSK信號［4］。

圖1　擴頻通信原理框圖

根據(jù)圖1的擴頻通信原理框圖，我們采用System View構(gòu)建其仿真系統(tǒng)框圖［5］如圖2所示。加法器的左邊為發(fā)送方，右邊為接收方。模塊175模擬信道中的高斯噪聲，發(fā)送方的模塊158為PN序列發(fā)生器，其Rate=400 Hz，Offset=0，它產(chǎn)生碼元速率為400 Hz的二進制偽隨機序列｛an｝的雙極性碼。模塊162為頻率4 000 Hz的高頻正弦載波，與模塊158輸出的雙極性碼相乘后得到數(shù)字序列｛an｝的2PSK信號。子系統(tǒng)201為擴頻碼發(fā)生器，它產(chǎn)生的擴頻碼與模塊4輸出的2PSK信號相乘得到擴頻信號。接收方的乘法器167將加法器輸出的擴頻信號與發(fā)送方相同的擴頻碼相乘，實現(xiàn)解擴，得到2PSK信號。為了方便起見，該系統(tǒng)沒有在擴頻信號中提取擴頻碼，而是直接將發(fā)送方擴頻器產(chǎn)生的擴頻碼輸入接收方的乘法器。子系統(tǒng)203為2PSK解調(diào)器，它將解擴輸出的2PSK信號進行相干解調(diào)，得到｛an｝的雙極性碼，再進行抽樣判決，輸出｛an｝。

圖2　擴頻通信系統(tǒng)設(shè)計圖

圖2中子系統(tǒng)201（擴頻碼發(fā)生器）的System View仿真設(shè)計如圖3所示，該發(fā)生器通過4個D觸發(fā)器，依據(jù)本源多項式1+x3以及異或運算g（t）=m（t）⊕p（t）生成周期性偽隨機序列［6］，該序列通過187輸出到系統(tǒng)的乘法器，完成擴頻和解擴調(diào)制。

圖3　PN序列發(fā)生器設(shè)計圖

圖2中的203子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，其乘法器將輸入的與發(fā)送方相同的正弦載波與2PSK信號相乘，再通過低通濾波器實現(xiàn)相干解調(diào)，得到雙極性碼。模塊164為抽樣判決器，它采用模擬緩沖器實現(xiàn)。其門限值（即判決門限電平）設(shè)為0，根據(jù)輸入的雙極性碼波形，判決輸出數(shù)字序列｛an｝。

3　仿真分析

我們首先觀察擴頻通信系統(tǒng)中的4種信號：數(shù)字基帶信號，2PSK信號，擴頻碼以及擴頻信號的頻譜圖。在這4種信號的頻譜圖中，橫軸為頻率frequency，單位為Hz；縱軸為power，單位為dB，當(dāng)縱軸的值低于-10dB時我們認為信號的功率趨近于0，其對應(yīng)的頻率為零點。圖5給出｛an｝雙極性碼的頻譜，主瓣所在頻率為［0，400］Hz。當(dāng)f=400 Hz時，其對應(yīng)功率降到-10 dB以下，即雙極性碼的帶寬為400 Hz，它與數(shù)字序列｛an｝的碼速率相同。

圖4　數(shù)字調(diào)制解調(diào)器設(shè)計圖

圖5　基帶信號功率譜密度

圖6給出2PSK信號的頻譜圖，當(dāng)f=4 000 Hz（載波頻率處）時，2PSK信號功率最大，達到峰值。當(dāng)頻率為3 600 Hz和4 400 Hz時，其對應(yīng)功率下降為-10 dB左右，從而得到2PSK的主瓣所在帶寬為［3 600，4 400］Hz，故其帶寬為800 Hz，是其雙極性碼的兩倍。

圖6　2PSK功率譜密度

圖7給出的是擴頻信號頻譜圖，當(dāng)頻率為3 200 Hz和4 800 Hz時，對應(yīng)頻率下降到-20 dB以下，因此擴頻信號的帶寬為1 600 Hz，是2PSK信號帶寬（800 Hz）的2倍，這實現(xiàn)了對小帶寬2PSK的擴頻。根據(jù)香農(nóng)公式，采用擴頻信號傳輸后，S/N只需要達到原就可以實現(xiàn)無差錯傳輸［7］。若傳輸2PSK信號要求信噪比為（50 dB），采用擴頻信號傳輸后，達到同樣的傳輸質(zhì)量，所需要的信噪比僅為（20 dB），信號功率不變時，噪聲功率增加為原噪聲的。

圖7　擴頻信號功率譜密度

圖8　發(fā)送波形與接收波形的比較

圖8比較了發(fā)送波形和接收波形，從中可以看出前后兩個波形除了時間上有一點時延外，是完全重合的，說明擴頻通信能夠還原發(fā)送信號，實現(xiàn)信號的無差錯傳輸。

4　結(jié)論

本文利用System View構(gòu)建直接序列擴頻通信系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)，并采用System View的分析工具對擴頻通信過程產(chǎn)生的雙極性碼信號，2PSK信號，擴頻碼和擴頻信號的頻譜進行分析，得出通過直接序列擴頻可以將窄帶的2PSK信號擴頻為較大帶寬的擴頻信號，而通過解擴又可以還原2PSK信號，并最終解調(diào)還原為發(fā)送的數(shù)字序列。根據(jù)香農(nóng)公式可以計算出在噪聲提高很多的情況下，通過增加信號帶寬，仍然能讓信號實現(xiàn)高速率的無差錯傳輸。

［1］陳軍.System View在通信原理課程教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.實驗技術(shù)與管理，2015（1）:153-155.

［2］劉昌錦，韋哲.香農(nóng)公式在擴頻通信中的應(yīng)用［J］.四川兵工學(xué)報，2013（4）:80-83.

［3］陳永紅，郭莉莉.基于System Vue的直序擴頻通信仿真［J］.價值工程，2015（6）:236-238.

［4］李世銀，劉玉英，宋金鈴，等.2PSK非相干解調(diào)原理研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，31（3）:315-318.

［5］張璐.System View在擴頻通信中的應(yīng)用［J］.科學(xué)之友，2011 （11）:153-155.

［6］陳軍.基于System View的4位m序列發(fā)生器數(shù)學(xué)模型的分析及電路設(shè)計［J］.電氣自動化，2015（1）:40-41+85.

［7］朱運航，張平華，鄧明元.直接序列擴頻通信系統(tǒng)性能研究［J］.兵工自動化，2013（2）:84-87.

Simulation and analysis of spread-spectrum communication system based on systemview

YAN Jian-hua，REN Jun
（College of Information Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China）

This paper describes the basic principles of spread-spectrum communication，builds simulation system of spread spectrum communication based on Systemview.In the simulation design，we use a trigger to generate a pseudo-period PN sequence as a spreading code，and multiply 2PSK signal and spread code to realize spread spectrum modulation.Finally，we combine the Shannon formula and changes of signal spectrum in the spread spectrum transmission to evidence that signal can maintain a error-free transmission at high speed under the high noise by using spread spectrum communication.

pseudo random sequences；spread spectrum communication；trigger；shannon formula；spreading code

TN914.3

A

1674－6236（2016）11-0099-03

2015-06-18稿件編號：201506186

顏劍華（1988—），男，湖南岳陽人。研究方向：通信工程。