趙旭東，任斌，胡明宇，王丹，秦雯，陳亮集

（遼寧石油化工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

基于Systemview的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

趙旭東，任斌，胡明宇，王丹，秦雯，陳亮集

（遼寧石油化工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

由于通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)通信的迅速、準(zhǔn)確、保密和不間斷要求提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，擴(kuò)展頻譜通信作為通信的一個(gè)重要分支和發(fā)展方向，越來越受到人們的重視。基于Systemview擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，以擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行了直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)和數(shù)字頻率合成器的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用Systemview軟件進(jìn)行擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真分析，并得出了相應(yīng)結(jié)論。

擴(kuò)頻通信；直接序列；數(shù)字頻率合成計(jì)；仿真分析

現(xiàn)代通信中遇到的一個(gè)重要問題就是干擾問題。擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠解決無線通信系統(tǒng)中多址、抗干擾和保密性等問題，在民用移動(dòng)通信、衛(wèi)星全球定位、軍用通信、航天通信和深空探測(cè)等領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用［1］。

1　擴(kuò)頻通信

擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)，是指在發(fā)送端采用擴(kuò)頻碼調(diào)制，將發(fā)送信息的頻帶展寬，使信號(hào)所占的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息所需的帶寬，在接收端通過相關(guān)接收，將信號(hào)恢復(fù)到信息帶寬的一種信息傳輸方式［2］。

擴(kuò)頻通信的主要方式有直接序列擴(kuò)頻（Direct Sequence）與跳頻（Frequency Hopping）。擴(kuò)頻通信具有抗干擾能力強(qiáng)、誤碼率低、易于實(shí)現(xiàn)碼分多址、抗多徑干擾性能好、保密性好、抗衰落和數(shù)模兼容等特點(diǎn)［3］，越來越受到人們的重視，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大，廣泛地應(yīng)用于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、定位等領(lǐng)域。

2　直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

直接序列調(diào)制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為直擴(kuò)系統(tǒng)，就是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)序列擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上，在接收端，用與發(fā)端擴(kuò)展用的相同的偽隨機(jī)序列對(duì)接收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，恢復(fù)出原來的信息。直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1　直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)原理圖

直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)由調(diào)制子系統(tǒng)、混頻子系統(tǒng)、解擴(kuò)子系統(tǒng)和解調(diào)子系統(tǒng)4個(gè)部分組成。設(shè)計(jì)中利用Systemview軟件來進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。根據(jù)直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)工作原理建立了如圖2所示的系統(tǒng)模型，噪聲和干擾的仿真通過對(duì)圖中的圖符2加入假定噪聲和干擾信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)占用22 MHZ帶寬，由于參考信號(hào)不是在本地產(chǎn)生，而是通過信道傳送得到的，因此引入了噪聲。

在發(fā)射機(jī)端，將要傳送的信息轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)后，與偽隨機(jī)碼進(jìn)行模2和運(yùn)算后形成擴(kuò)頻序列，用該擴(kuò)頻序列去調(diào)制載波，得到已擴(kuò)頻調(diào)制的射頻信號(hào)。在接收機(jī)端，接收到的擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)過高頻放大器和混頻后，將信號(hào)的頻帶恢復(fù)為信息序列的頻帶，即中頻信號(hào)。然后再進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出數(shù)據(jù)信息。

信號(hào)源和經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)的功率譜分別為圖3、圖4和圖5所示。從圖中可以看出，經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制，對(duì)于干擾信號(hào)和噪聲信號(hào)，經(jīng)解擴(kuò)處理后，被大大削弱。干擾信號(hào)和噪聲信號(hào)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)和噪聲信號(hào)的頻譜被擴(kuò)展后，譜密度降低，相乘器后接的濾波器的頻帶只能讓有用信號(hào)通過，能夠進(jìn)入到解調(diào)器輸入端的干擾功率只能是與信號(hào)頻帶相同的那一部分。解擴(kuò)前后的頻帶相差很大，大大降低了干擾功率，使輸入信噪比和信干比提高，達(dá)到了提高系統(tǒng)的抗干擾能力的目的［4］。

信號(hào)源信號(hào)和接收端接調(diào)信號(hào)的波形如圖6中波形2和波形1所示。從圖中可以看出它們是一致的，可見信號(hào)源經(jīng)過發(fā)送端的擴(kuò)展、調(diào)制，再由擾衰落信道的傳輸，最后在接收端進(jìn)行混頻、解擴(kuò)和解調(diào)后正確恢復(fù)了原來信號(hào)源的信息，該直接擴(kuò)頻系統(tǒng)能夠正常地工作，設(shè)計(jì)方案是合理的［3-4］。

圖2　直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的Systemview模型

圖3　信號(hào)源功率譜

圖4　擴(kuò)頻調(diào)制后信號(hào)功率譜

圖5　解擴(kuò)后信號(hào)功率譜圖

圖6　信號(hào)源與接收端解調(diào)輸出信號(hào)波形

3　跳頻系統(tǒng)中的數(shù)字頻率合成器

跳頻通信是一種擴(kuò)頻通信。跳頻系統(tǒng)的載頻受一偽隨機(jī)碼的控制，載波頻率在很寬頻帶范圍內(nèi)不斷地、隨機(jī)地跳變，躲避干擾。與直接跳頻系統(tǒng)相比，跳頻系統(tǒng)中的偽隨機(jī)序列并不直接傳輸，而是用于選擇信道。跳頻系統(tǒng)用信源產(chǎn)生的信息流去調(diào)制頻率合成器產(chǎn)生的載頻，得到射頻信號(hào)。接收系統(tǒng)采用非相干解調(diào)，使本機(jī)偽隨機(jī)序列控制的頻率跳變與接收到的跳頻信號(hào)同步，混頻后使之進(jìn)入中頻頻帶內(nèi)。而干擾信號(hào)由于不知道跳頻系統(tǒng)的載頻變化規(guī)律，不能進(jìn)入中頻頻帶內(nèi)，不能形成對(duì)信號(hào)的干擾，從而達(dá)到了抗干擾的目的。

跳頻系統(tǒng)最重要的參數(shù)是擴(kuò)頻增益，對(duì)跳頻系統(tǒng)來說又稱跳頻增益。跳頻系統(tǒng)的可變頻率合成器能提供N個(gè)不同頻率，即跳頻數(shù)為N。本設(shè)計(jì)中的跳頻系統(tǒng)采用數(shù)字鎖相環(huán)頻率合成器，由參考振蕩源、參考分頻器、鎖相環(huán)3部分組成。參考振蕩器采用了頻率較低的10 MHz正弦波信號(hào)，其載波頻率設(shè)置為195 MHz，增益為20 MHz/V。環(huán)路低通濾波器用了一個(gè)8極點(diǎn)的貝塞爾低通濾波器，帶通為5 MHz。在濾波器前加一個(gè)100 MHz的采樣圖符以減少系統(tǒng)仿真時(shí)的運(yùn)行時(shí)間。分頻器使用通信圖符庫中的倍分頻器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型如圖7所示。若取分頻比N=20，則鎖相環(huán)的輸出f0應(yīng)該鎖定在200 MHz上，輸出信號(hào)的頻譜圖如圖8所示，在200 MHz處有較高的能量峰值，說明輸出的信號(hào)被鎖定在200 MHz上了［5-6］。

圖7　鎖相環(huán)頻率合成器模型

圖8　頻率合成器輸出信號(hào)的頻譜圖

4　結(jié)束語

通過對(duì)直接序列擴(kuò)頻與跳頻系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，直擴(kuò)系統(tǒng)與跳頻系統(tǒng)都可以有效的降低干擾功率，提高解調(diào)器的信干比，達(dá)到抗干擾的目的。但是直擴(kuò)系統(tǒng)和跳頻系統(tǒng)的抗干擾機(jī)理是不同的，直擴(kuò)系統(tǒng)采用把干擾功率分散的方法來降低干擾，是一種被動(dòng)的抗干擾方式；而跳頻系統(tǒng)以躲避干擾的方式抗干擾，是一種主動(dòng)抗干擾方式。兩種擴(kuò)頻方式既有自己的獨(dú)到之處，也存在著各自的不足，將兩者有機(jī)結(jié)合起來，可以大大改善擴(kuò)頻系統(tǒng)性能，提高抗干擾能力。

今后，隨著擴(kuò)頻技術(shù)理論和技術(shù)都趨于完善，將擴(kuò)頻系統(tǒng)硬件的研究及性能的改善與新技術(shù)密切結(jié)合，會(huì)使擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能有較大的提升空間。

［1］何世彪，譚曉衡.擴(kuò)頻技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［2］韋惠民，李興民.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.

［3］孫屹，戴妍峰.SystemView通信仿真開發(fā)手冊(cè)［M］.北京：北京國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

［4］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.

［5］劉正瓊.基于Systenview擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真與分析［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，12（4）：23-46.

［6］YANG Wei-xiang，XU Bo-qing.The application of System Viewinexperimentionofcommunicationprinciple［J］.Research and Management，2006，25（8）：106-128.

Design and emulation of spread spectrum communication system based on Systemview

ZHAO Xu-dong，REN Bin，HU Ming-yu，WANG Dan，QIN Wen，CHEN Liang-ji
（School of Computer and Communication Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China）

Due to the rapid development of communication technology，the rapid，accurate，confidential communications and continuous requirement put forward severe challenges，spread spectrum communication as an important branch of communication and the development direction，more and more get people's attention.Design and simulation based on Systemview spread spectrum communication system，based on the theory of spread spectrum communication system，the direct sequence spread spectrum system and the design of digital frequency synthesizer.On the basis of the design，the use of Systemview software to the simulation analysis of the spread spectrum communication system，and the corresponding conclusions.

spread spectrum communication；direct sequence；digital frequency synthesis；simulation and analysis

TN914

A

1674－6236（2016）17-0098-03

2015-08-19稿件編號(hào)：201508104

趙旭東（1992—），男，安徽阜陽人，研究方向：通信電子線路。