劉馥嘉 孫杜娟 柏羽

【摘要】直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾性強(qiáng)、隱蔽性好、易于提高信號(hào)接收質(zhì)量、易于實(shí)現(xiàn)碼分多址、抗多徑干擾、增加信道容量等眾多優(yōu)點(diǎn)，在軍事戰(zhàn)術(shù)通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文擴(kuò)頻通信理論為基礎(chǔ)，分析了偽隨機(jī)序列，并用 Matlab對(duì)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。

【關(guān)鍵詞】直接序列擴(kuò)頻通信 偽隨機(jī)序列

【中圖分類號(hào)】TN914.42 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）06-0043-02

一、基本原理分析

擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，又稱為擴(kuò)頻通信（Spread Spectrum communication）[1]。其中，直接序列擴(kuò)頻（DSSS—Direct Sequence Spread Spectrum）技術(shù)是人們所熟知的擴(kuò)頻技術(shù)之一。擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)是指待傳信息的頻譜用某個(gè)待定的擴(kuò)頻函數(shù)擴(kuò)展后成為寬頻帶信號(hào)，送入信道中傳輸，再利用相應(yīng)手段將其壓縮，從而獲取傳輸信息的通信系統(tǒng)[1]。目前應(yīng)用較為廣泛的一種擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)是直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)。

擴(kuò)頻通信的基本原理：所謂擴(kuò)頻通信，可簡(jiǎn)單表述如下：“擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，在發(fā)端采用擴(kuò)頻碼調(diào)制，使信號(hào)所占用的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所傳信息必須的帶寬；在收端采用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)以恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)”。對(duì)干擾信號(hào)而言，與偽隨機(jī)碼不相關(guān)，在接收端被擴(kuò)展，使落入信號(hào)通頻帶內(nèi)的干擾信號(hào)功率大大降低，從而提高了相關(guān)的輸出信噪比，達(dá)到了抗干擾的目的。直擴(kuò)系統(tǒng)一般采用頻率調(diào)制或相位調(diào)制的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制，在碼分多址通信中，其調(diào)制多采用BPSK、DPSK、QPSK、MPSK等方式[2～3]。

擴(kuò)頻通信的可行性，是從信息論和抗干擾理論的基本公式中引申而來的。信息論中關(guān)于信息容量的香農(nóng)公式為：

式中：C為信道容量（bit/s）W為信道帶寬（Hz），S為信道功率（W）。上式說明，在給定的傳輸傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比S/N是可以互換的。即可通過增加頻帶寬度可以降低信噪比的要求，是有用信號(hào)的功率接近甚至消失在噪聲功率之下。香農(nóng)公式表明了一個(gè)信道無誤差地傳輸信息的能力即信道容量與存在于信道中的信噪比以及用于傳輸信息的信道帶寬之間的關(guān)系。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)通信體制大幾百倍乃至幾萬倍，所以在相同信噪比的條件下，具有較強(qiáng)的抗干擾能力[4～5]。例如直接序列擴(kuò)頻、跳頻擴(kuò)頻、跳時(shí)擴(kuò)頻等。這次實(shí)驗(yàn)將對(duì)直接序列擴(kuò)頻進(jìn)行分析和仿真。

在發(fā)送端輸入信息m（t）（二進(jìn)制數(shù)據(jù)），碼元寬度為Tb，加入擴(kuò)頻解調(diào)器（模二加法器），擴(kuò)頻碼是一個(gè)PN碼（偽隨機(jī)碼），記作p（t）。偽碼的波形如圖 1-2 中的第（2）個(gè)波形，其碼元寬度為Tp，且取Tb=16Tp。 c（t）=m（t）p（t）運(yùn)算 ，c（t）的波形如圖1-2所示中的第（3）個(gè)波形。由圖可見，當(dāng)信碼m（t）為0時(shí)，c（t）與p（t）相同；而當(dāng)信碼m（t）為1時(shí)，則c（t）為p（t）取反既是。顯然，包含信碼的c（t）其碼元寬度已變成了Tp，即已進(jìn)行了頻譜擴(kuò)展[6]。

經(jīng)過分析可知，通過擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)c（t）可看作只取1的二進(jìn)制波形，然后對(duì)載頻進(jìn)行調(diào)制。s1（t）通過發(fā)射機(jī)中推動(dòng)級(jí)、功放和輸出電路加至天線發(fā)射出去。發(fā)射信號(hào)經(jīng)過信道傳輸，經(jīng)過接收機(jī)的輸入電路、高頻放大器等，輸出信號(hào)仍為s1（t）。相關(guān)器完成相干解調(diào)和解擴(kuò)。接收端的PN碼與發(fā)端的PN碼相同。接收端本地調(diào)相情況與發(fā)端相似，這里的調(diào)制信號(hào)是p（t），即調(diào)相器輸出信號(hào)s2（t）的相位僅取決于p（t）。相關(guān)器在這里可等效為對(duì)輸入相關(guān)器的s1（t）、s2（t）進(jìn)行模2相加，經(jīng)檢波后輸出原始信息。

二、直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)matlab 仿真

直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)MATLAB仿真過程直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)主要組成分為七個(gè)部分，分別為信源部分、擴(kuò)頻部分、調(diào)制部分、信道傳輸部分、解調(diào)部分、解擴(kuò)部分和信宿部分。 用PN碼擴(kuò)頻后的波形，PN碼的產(chǎn)生是由一個(gè)PN碼發(fā)生器來完成的。

擴(kuò)頻之后進(jìn)行調(diào)制，在本次試驗(yàn)中，我們采用BPSK調(diào)制。數(shù)據(jù)調(diào)制后輸送出其調(diào)制之后的波形。調(diào)制后的傳輸信道選用的高斯白噪聲信道，在本次仿真中信噪比設(shè)定為20。調(diào)制之后送入信道等待傳輸至接收端。經(jīng)過BPSK調(diào)制后的波形在信道的接收端進(jìn)行的過程和輸入端是相反的。

首先解調(diào)，這里選用的也是BPSK的解調(diào)。解調(diào)之后進(jìn)行解擴(kuò)，解擴(kuò)時(shí)使用的PN碼和擴(kuò)頻時(shí)使用PN碼需保持一致，以此保證解擴(kuò)出的信息的正確性。

三、總結(jié)仿真實(shí)驗(yàn)歸納如下：

1.系統(tǒng)誤碼率與信道里的信噪比大小有關(guān)。

2.正弦干擾信號(hào)的振幅越大，誤碼率越大。從系統(tǒng)仿真的結(jié)果看來，直序擴(kuò)頻技術(shù)擁有良好的抗干擾能力。

四、直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

1.抗同頻干擾性能好。接收機(jī)采用相關(guān)運(yùn)算只接收PN碼相同的擴(kuò)頻信號(hào)，對(duì)所有載波頻率相同的信號(hào)或干擾具有很強(qiáng)的抑制能力。

2.良好的抗衰落性能。一般信道中的衰落是有頻率選擇性的，不會(huì)對(duì)寬頻帶的擴(kuò)頻信號(hào)接收產(chǎn)生太大的影響。

3.抗多徑干擾能力強(qiáng)。由于擴(kuò)頻系統(tǒng)中采用的PN碼具有很好的自相關(guān)性，互相關(guān)性很弱，不同的路徑傳輸來的信號(hào)能容易地被分離開，并在時(shí)間和相位上重新對(duì)齊，形成幾路信號(hào)功率的疊加，從而改善了接收系統(tǒng)的性能，增加了系統(tǒng)的可靠性。

隨著社會(huì)通信事業(yè)的迅猛發(fā)展，擴(kuò)展頻譜技術(shù)的應(yīng)用大有潛力可以挖掘，尤其在軍用中的地位也將越來越顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]基于Simulink的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，馬小青，現(xiàn)代電子技術(shù)2014年11月15日.

[2]樊昌信，張甫翊，徐炳祥.通信原理 [M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2014.

[3]張力，羅忠相.基于軟件無線電的 QPSK 解調(diào)器仿真及實(shí)現(xiàn) [J].中國(guó)有線電視，2015，10（6）：557-561.

[4]Guo hai yan ，An advanced monolithic digitalized random carrier frequency spread-spectrum clock generator for EMI suppression[S]，2010，6.

[5]張?zhí)祢U，基于最小二乘的同步多用戶非周期長(zhǎng)碼直擴(kuò)信號(hào)擴(kuò)頻序列估計(jì)[J]，電波 科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，31（6）1113-1123.

[6]楊洪軍，張修軍，喻曉紅.海上擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的時(shí)變干擾抑制算法研究[J].艦舶科學(xué)技術(shù)，2016：2.