擴頻通信實時仿真實驗系統的設計與實現

李新民

(西安科技大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710054)

擴頻通信是通信專業一門重要的專業課，它涉及的相關技術領域和應用較多，諸如抗干擾技術、多址技術、調制解調技術以及測距技術等[1-3]。擴頻通信概念抽象，而傳統教學因課時較少、受實驗條件限制，較少進行實驗教學，使學生很難獲得直觀印象和動手設計的機會[4]。本文利用Matlab/Simulink平臺設計了擴頻通信實時仿真實驗系統，在課堂教學中可以當堂演示，使抽象的理論知識具體化、形象化，使擴頻知識變得通俗易懂、容易掌握。該系統作為一個平臺，可以增設一些擴展型的課程設計內容，使學生在設計中增長學習的興趣和科研能力。

1 實驗系統的組成和設計

1.1 系統的組成

擴頻通信實時仿真實驗系統主要分為兩部分：直接序列擴頻(直擴)系統和跳頻系統，涵蓋了擴頻通信課程的大部分內容。直擴仿真系統分為發射端、接收端和偽碼同步模塊；跳頻系統也分為發射端、接收端和偽碼同步模塊。系統的各個模塊可以單獨運行，當然也可以連接起來完成整個系統的仿真。

本文以直擴系統為例介紹該擴頻通信實時仿真實驗系統的設計。

1.2 發送端模塊

直擴系統的發送端仿真模塊結構見圖1，其參數為：數據速率1kbit/s，擴頻碼速率為127kbit/s。擴頻碼使用7級移位寄存器生成的m序列，生成多項式為f(x)=1+x6+x7，碼長為127。采用BPSK調制，載波頻率為500kHz。

圖1 直擴系統發送端仿真模塊結構

發送端數據由時鐘Pulse Generator控制產生隨機二進制數據，產生過程由Data_GEN模塊控制，使用了S函數Data_GEN。擴頻碼由時鐘Pulse Generator1控制產生碼長為127的m序列，產生過程由Data_GEN模塊控制，使用了S函數PN_GEN(S函數的使用參閱文獻[5-7])。Shaping模塊完成負邏輯映射，將二進制“1”映射為-1電平，“0”映射為+1電平。擴頻調制由模塊Product完成。射頻調制由Product1完成，使用的正弦載波由模塊Sine Wave Function產生，正弦載波幅度為1V。射頻調制后信號經過加性高斯白噪聲信道，再使用模塊Sine Wave Function1產生的單頻正弦載波作為干擾，該干擾的頻率為3kHz。仿真中假定信噪比(信號與高斯白噪聲功率比)為20dB，單頻正弦干擾的幅度為10V。

1.3 接收端模塊

在直擴系統的接收端，首先利用外差式解擴器將接收信號變頻為250kHz的中頻信號，然后利用Costas環(具體實現參閱文獻[5])進行載波的恢復和中頻解調恢復出數據，系統中各個模塊的設計與搭建參閱文獻[8-10]。圖2給出了直擴系統接收端的仿真模塊。

圖2 直擴系統接收端仿真模塊結構

圖2中，模塊Sine Wave Function2產生一個頻率為250kHz的本地載波信號，與本地產生的同步偽隨機碼信號進行調制，然后與接收到的信號進行相關處理。相關處理器由模塊Product3和Digital Filter Design1組成。其中Digital Filter Design1為一中頻250kHz的窄帶濾波器，帶寬為2kHz。相關處理后的信號經模塊Gain放大后送入Costas環路進行中頻載波的恢復和數據的解調。由于采用的是BPSK調制，所以搭建的是二相Costas環。其中壓控振蕩器的靜態頻率設為250kHz，輸出頻率的靈敏度為1Hz/V。環路濾波器由模塊Gain1、Gain3、Add2及單位延遲單元組成。解調以后的信號經過一個簡單的判決模塊Compare to Zero恢復出有用信息數據。

1.4 偽碼同步模塊

該直擴系統的偽碼同步模塊在基帶中完成，采用滑動相關法，跟蹤過程使用簡化的雙Δ值延遲鎖定環。仿真模塊如圖3所示。

圖3 直擴系統偽碼同步仿真模塊

偽碼捕獲時使用時鐘Pulse Generator3，使本地偽碼與接收到的信號的偽碼相位滑動。當兩碼的相位差在一個碼片之內時，相關輸出經過積分后電平高于門限，RS觸發器輸出高電平鎖定，并且控制開關Switch，使用時鐘Pulse Generator4的信號。時鐘Pulse Generator4的頻率低于接收偽碼的頻率，這樣經過一定時間的累積，使稍微超前的本地碼相位逐漸滯后。累積的時間由延遲單元Unit Delay3控制。RS觸發器的Q端高電平經過Unit Delay3延遲一定時間后輸出，從而控制Switch1，使本地偽碼時鐘轉為Pulse Generator5，即同步的時鐘127kHz。

2 實驗系統的實現

2.1 發送端的擴頻與調制實驗

利用發送端模塊所做的擴頻和調制實驗波形和頻譜如圖4所示。其中圖4(a)是有用信息和偽隨機碼按位模2和而完成擴頻實驗的波形圖，(b)是調制實驗前后的波形圖，圖4(c)—圖4(e)是擴頻和調制的信號頻譜圖，實驗結果均與理論分析結果相符。

2.2 接收端的解擴和解調實驗

利用接收端模塊進行外差式相關解擴和Costas環解調實驗的波形和頻譜見圖5。圖5(a)是相關解擴前后信號的波形圖，圖5(b)和圖5(c)分別是解擴前后信號的頻譜圖。圖5(d)是解調以后信號與原始信號的波形比較圖。所有實驗結果均與理論分析結果相符。

2.3 偽碼同步中捕獲和跟蹤實驗

偽碼同步過程中捕獲和跟蹤實驗的波形如圖6所示。捕獲過程采用滑動相關法進行，而跟蹤過程采用延遲鎖定環進行。其中圖6(a)是偽碼捕獲過程中信號自相關函數波形變化圖，圖6(b)是偽碼跟蹤過程中信號自相關函數變化圖。所有實驗結果均與理論分析結果相符。

2.4 其他可拓展性的實驗內容

在擴頻通信實時仿真實驗平臺上也可以做很多其他的實驗，如信道模型實驗、調制解調實驗以及抗干擾實驗等。這些實驗均可以進行課堂演示，也可以用課程設計形式讓學生自己進行拓展性實驗，本文不一一列出實驗結果。

圖4 直擴系統的擴頻和調制實驗圖示

圖5 直擴系統的解擴和解調實驗圖示

圖6 偽碼捕獲和跟蹤實驗波形圖

3 結束語

在利用Matlab/Simulik所設計的擴頻系統實時仿真實驗系統中，各實驗所得結果均是正確的，且輸出結果會隨著輸入參數的變化而實時改變。因此，可以將此實驗系統應用到實際教學中，使抽象的、理論性強的、難以理解和掌握的擴頻通信課程變得簡單易懂、可視化，從而降低教學的復雜度，方便學生的學習。

[1] 田日才.擴頻通信[M].北京：清華大學出版社，2007.

[2] 暴宇，李新民.擴頻通信技術及應用[M].2版.西安：西安電子科技大學出版社，2011.[3] 曾一凡，李暉.擴頻通信原理[M].北京：機械工業出版社，2005.

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