李永軍,李莎莎, 徐曉蓉,李耀, 張倩

(1. 河南大學(xué)物理與電子學(xué)院, 河南 開封 475001；2. 湖南文理學(xué)院, 湖南 常德 415000)

直接序列(DS)擴(kuò)頻，就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜.而在收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息[1].直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)因其抗干擾性強(qiáng)、隱蔽性好、易于實(shí)現(xiàn)碼分多址(CDMA)、抗多徑干擾、直擴(kuò)通信速率高等眾多優(yōu)點(diǎn)，在個(gè)人通信網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、第三代移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信以及軍事戰(zhàn)術(shù)通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2].但是直接序列(DS)擴(kuò)頻技術(shù)理論性較強(qiáng)，學(xué)生難以形成感性認(rèn)識(shí).本文根據(jù)直接序列通信系統(tǒng)原理，使用Simulink設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了適用于教學(xué)的直接序列(DS)擴(kuò)頻系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)直接序列(DS)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行了仿真和分析.在該仿真模型上還進(jìn)一步驗(yàn)證了直接序列(DS)擴(kuò)頻信號(hào)在抑制正弦干擾方面的有效性及在碼分多址復(fù)用中的應(yīng)用.該仿真系統(tǒng)可幫助學(xué)生理解抽象的直接序列(DS)擴(kuò)頻概念和原理，進(jìn)而對(duì)直接序列(DS)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)有一個(gè)完整的認(rèn)識(shí)，并使認(rèn)識(shí)過程具體化、形象化和可視化.

1 直接序列(DS)擴(kuò)頻系統(tǒng)原理

直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)主要由信源部分、擴(kuò)頻部分、調(diào)制部分、信道傳輸部分、解調(diào)部分、解擴(kuò)部分和信宿部分等組成，如圖1所示[3].

圖1 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)源輸出的數(shù)據(jù)序列為{an},其對(duì)應(yīng)的雙極性波形a(t)與高速率偽碼波形c(t)相乘進(jìn)行擴(kuò)頻后，直接控制載波信號(hào)的某個(gè)參量進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，設(shè)為BPSK調(diào)制，則輸出擴(kuò)頻信號(hào)s(t)為：

s(t)=d(t)cos2πfct=a(t)c(t)cos2πfct

(1)

式(1)中fc為載波中心頻率.擴(kuò)頻信號(hào)s(t)經(jīng)過信道傳到接收端，傳播過程中，受到各種干擾影響，要產(chǎn)生隨機(jī)延時(shí)Td，多普勒頻移fd和隨機(jī)相移φd，在接收端接收的信號(hào)r(t)為：

r(t)=s(t-Td)+N(t)+t-Td(t-Tid)=

a(t-Td)c(t-Td)cos[2π(f0+fd)t+φd]+

N(t)+Si(t-Tid)

(2)

式(2)中N(t)為加性噪聲，Si(t-Tid)為多址干擾及其它人為干擾.接收端采用相關(guān)解擴(kuò)技術(shù)，即本地?cái)U(kuò)頻碼cr(t-Tl)與接收信號(hào)相乘，因此解擴(kuò)輸出信號(hào)m(t)為：

m(t)=

a(t-Td)c(t-Td)cr(t-Tl)cos[2π(f0+fd)t+φd]

+N(t)cr(t-Tl)+Si(t-Tid)cr(t-Tl)=

a(t-Td)cos[2π(f0+fd)t+φd]+

N(t)cr(t-Tl)+Si(t-Tid)cr(t-Tl)

(3)

2 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)仿真模型的建立

根據(jù)直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1及式(1)、式(2)和式(3)，使用Simulink構(gòu)建直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)仿真模型如圖2所示[3].該仿真模型虛框中是一路完整的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)，可以仿真、觀察和分析直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)全過程.虛框部分在信道中簡單加入單頻干擾源即可測(cè)量直接序列擴(kuò)頻信號(hào)在抑制正弦干擾方面的有效性.整個(gè)圖2是兩路直接序列擴(kuò)頻系組成碼分多址復(fù)用系統(tǒng)，這是直接序列擴(kuò)頻的一個(gè)比較廣泛和經(jīng)典的應(yīng)用.

圖2 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型

在圖2的虛框中，Bernoulli Binary模塊產(chǎn)生100 bps的二進(jìn)制信源，經(jīng)過Rate Transition進(jìn)行速率提升后，通過Unipolar to Bipolar Converter轉(zhuǎn)換為雙極性信號(hào)[4].該雙極性信號(hào)進(jìn)入乘法器Product1與PN Sequence Generator產(chǎn)生并轉(zhuǎn)換成雙極性的偽隨機(jī)擴(kuò)頻序列相乘進(jìn)行擴(kuò)頻.擴(kuò)頻后的信號(hào)經(jīng)Bipolar to Unipolar Converter模塊轉(zhuǎn)換成單極性信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)BPSK Modulator Baseband模塊調(diào)制后，送入了由AWGN Channel模塊、采樣率為2000次/s的300 Hz離散正弦波源以及加法器模塊組成的信道，到達(dá)接收端.在接收端，接收到的已調(diào)信號(hào)與本地PN序列相乘進(jìn)行解擴(kuò)，解擴(kuò)后的信號(hào)再送入BPSK Demodulator Baseband模塊進(jìn)行解調(diào).理想情況下，解調(diào)后的數(shù)據(jù)流即為發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)流.

圖2中，Scope1、Scope2和Scope3是時(shí)域示波器，Scope1輸出數(shù)據(jù)流、PN序列以及擴(kuò)頻輸出信號(hào)的時(shí)波形方便理解擴(kuò)頻的過程，Scope2輸出第一路收發(fā)的數(shù)據(jù)流波形方便對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較.而Scope3輸出碼分復(fù)用的第二路收發(fā)的數(shù)據(jù)流波形方便對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較.SS1到SS5是頻譜儀以便測(cè)量和觀察不同地方信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu).Error Rate Calculation模塊和Display模塊用來計(jì)算和顯示誤碼率.

3 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析

對(duì)圖2中虛框部分加上單頻干擾源進(jìn)行仿真，SS1測(cè)得的擴(kuò)頻前信號(hào)的頻譜如圖3所示，可見，數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬約100 Hz，其功率峰值約為20 dB.SS2測(cè)得擴(kuò)頻后的信號(hào)的頻譜如圖4所示，可見擴(kuò)頻輸出信號(hào)約為2 kHz，帶寬展寬了約20倍，而其功率峰值下降到約7 dB.

圖3 解擴(kuò)前信號(hào)的頻譜

圖4 擴(kuò)頻后信號(hào)的頻譜

圖2中SS3測(cè)得接收端解擴(kuò)前信號(hào)的頻譜如圖5所示，圖中的尖峰是擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)過信道時(shí)疊加的單頻干擾.可看出，經(jīng)過信道傳輸并添加單頻干擾后，擴(kuò)頻信號(hào)被淹沒在噪聲和干擾之中，這有利于提高傳輸信號(hào)的保密程度.

圖5 擴(kuò)頻前信號(hào)的頻譜

圖6是SS4測(cè)的接收端解擴(kuò)后的信號(hào)頻譜.由圖可知，解擴(kuò)后，原來被展寬的信號(hào)頻譜將收縮成帶寬為100 Hz的BPSK調(diào)制信號(hào)，而單頻正弦以及噪聲信號(hào)將被解擴(kuò)器進(jìn)行頻譜擴(kuò)展.這使得直接序列(DS)擴(kuò)頻信號(hào)在抑制單頻干擾方面非常有效，同時(shí)也使得直接序列(DS)擴(kuò)頻系統(tǒng)能很好的完成低可探測(cè)性信號(hào)的傳輸.

圖6 解擴(kuò)后的信號(hào)頻譜

圖2中兩個(gè)虛框合在一塊可以對(duì)直接序列(DS)擴(kuò)頻系統(tǒng)的廣泛經(jīng)典的應(yīng)用碼分多址復(fù)用(CDMA)進(jìn)行試驗(yàn).設(shè)置第一路直接序列(DS)擴(kuò)頻系統(tǒng)的PN序列的特征多項(xiàng)式為[1 0 0 0 0 1 1]，初始狀態(tài)為[1 0 0 1 0 1]；信源Bernoulli Binary模塊的隨機(jī)數(shù)種子為69.而第二路PN序列的特征多項(xiàng)式與第一路相同，而初始狀態(tài)為[0 1 0 1 1 0]；信源Bernoulli Binary模塊的隨機(jī)數(shù)種子為83.這樣兩個(gè)擴(kuò)頻輸出信號(hào)使用了相同的m序列的不同相位作為擴(kuò)頻碼.兩個(gè)擴(kuò)頻信號(hào)疊加后送入同一個(gè)AWGN信道傳輸，信道噪聲方差設(shè)置為4，初始種子設(shè)置為67.仿真結(jié)果如圖7和圖8所示.圖7是圖2中Scope2測(cè)得的第一路直接序列(DS)擴(kuò)頻系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)波形圖.圖8是圖2中Scope3測(cè)得的第二路發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)波形圖.由圖7和圖8可看出各接收機(jī)的解調(diào)波形與對(duì)應(yīng)發(fā)送數(shù)據(jù)波形相同.

圖7 第一路發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)

圖8 第一路發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了適用于教學(xué)的直接序列(DS)擴(kuò)頻系統(tǒng)仿真模型，該模型能夠反映直接序列(DS)擴(kuò)頻系統(tǒng)通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作過程，可進(jìn)行波形觀察、頻譜分析和性能分析等，將相對(duì)復(fù)雜的跳頻通信系統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)完整地展示了出來，大大增加了感性認(rèn)識(shí).同時(shí)以該模型為基礎(chǔ)對(duì)直接序列(DS)擴(kuò)頻系統(tǒng)在碼分多址復(fù)用(CDMA)、低可探測(cè)性信號(hào)傳輸和抑制單頻干擾中的應(yīng)用進(jìn)行了仿真和分析，使學(xué)生對(duì)直接序列(DS)擴(kuò)頻系統(tǒng)有一個(gè)完整的認(rèn)識(shí)，建立了系統(tǒng)級(jí)概念.