擴頻通信中過程參數的仿真研究與性能分析

韓 建 魏運鋒 談卿瑕 趙曉丹

(1.東北石油大學電子科學學院，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田公司，黑龍江 大慶 163318)

擴頻通信即擴展頻譜通信(Spread Spectrum Communication，SSC)，以其較強的抗干擾、抗衰落和抗多徑性能成為第三代移動通信的核心技術[1]。擴頻通信是在發端利用偽隨機碼序列調制待傳送的初始信息，實現頻譜擴展后再傳輸；在收端則用同樣的偽隨機碼序列進行解擴，恢復出原始信息數據。利用擴展頻譜的方式換取信噪比增益[2]。

筆者對構建的擴頻通信系統中的信號進行跟蹤和仿真，并對其頻譜特性進行研究和分析，為以擴頻通信為基礎的現代通信的研究和設計提供依據。

1 擴頻通信基本原理①

1.1 理論基礎

擴頻通信的理論基礎是香農定理：在高斯白噪聲干擾條件下，設信號帶寬為B(單位Hz)，信道輸出信號平均功率為S(單位W)，輸出加性高

斯噪聲功率為N(單位W)，則該通信系統的信道容量C=Blog2(1+S/N)，由公式可以得出，在一定的信道容量條件下，信號帶寬B跟信噪比S/N是可以互換的，而B與信道容量C成正比關系，C與S/N成對數關系，因此增加B比增加S/N(或發射功率S)更加有效[3]，即在信道容量相同的條件下，寬帶系統比窄帶系統的抗干擾性能要好，所以在強噪聲干擾環境下，可以采用擴頻通信的方法(增加信號帶寬)來改善通信質量。

1.2 擴頻通信模型的建立

在擴頻通信中，直擴和調頻是最基本的工作方式，筆者構建的是直接序列擴頻系統，即直接用高碼率的擴頻碼在發送端去擴展待發送信號的頻譜；在接收端，用相同的擴頻碼進行解擴，將展寬的擴頻信號恢復成原始信息[4]。直接序列擴頻系統如圖1所示，左邊是信息發送端，右邊是信息接收端。在信息發送端發出信息a(t)與擴頻碼發

圖1 直接序列擴頻系統框圖

生器生成的擴頻碼序列c(t)經過乘法器得到擴頻信號d(t)，擴頻信號再被載波(頻率為f0)調制輸出s(t)并發送出去。這樣就得到已擴頻調制的射頻信號[5]。

在信息接收端，本振可以產生頻率為fL高頻載波信號(本振信號)，且有f0-fL=中頻(為了使放大器能夠穩定工作并減小干擾，一般的接收機都要將高頻信號變為中頻信號)；接收端收到的擴頻信號經高放后與本振信號混頻后得到中頻信號r1(t)，然后r1(t)與本地生成的與發送端相同的擴頻碼序列c′(t)相乘實現相關解擴得到r1′(t)后經解調恢復出原始信號。

2 過程信號頻譜分析

利用仿真工具Simulink對構建的通信系統進行仿真。將直擴系統仿真模型劃分為如圖2所示的六大模塊。

圖2 直擴系統仿真模塊劃分框

以下對直接序列擴頻通信系統里的擴頻解擴、BPSK調制解調、傳輸信道與誤碼率統計進行模塊仿真和頻譜分析。圖3為擴頻調制前基帶信號的頻譜和擴頻后的信號頻譜，可以看出原本信號帶寬近似1kHz，經擴頻調制后約為225kHz，這與參數設置的應得結果相符，信號被成功擴展。

a. 初始信號

b. 擴頻調制后的信號

2.1 BPSK調制模塊

由圖4可見，經過BPSK調制，信號頻率被搬移到510kHz附近。

圖4 BPSK調制頻譜

2.2 信道模塊

圖5為解擴后的信號頻譜圖，將其與圖4所示的BPSK調制頻繁譜進行比較可以看出，解擴后頻譜變窄，但仍在510kHz的頻點上。

圖5 解擴后信號頻譜

2.3 BPSK解調模塊

在信號同正弦載波相乘后得到了解調后的波形，可以看到仍有很多噪聲形成的毛刺，同時也能看到明顯的信號包絡。經過低通濾波器后，噪聲帶來的毛刺被濾除獲得光滑的信號包絡，再經過抽樣判決器就可以得到恢復出的原始信息[6]。這里要注意的是，抽樣判決器的采樣時間應與信號發生器采樣時間相同，即需要設為0.001，才能得到較好的解調信號。

圖6為信號在BPSK解調后的頻譜圖，可以看到帶寬為1kHz，頻率被搬移至低頻。

圖6 BPSK解調后信號頻譜

2.4 誤碼率統計模塊

將仿真時間設為0.1s時，示波器顯示如圖7所示，顯示了0.1s中100位信息碼元的對比，可以看出，信源波形與解擴解調后波形完全一致，但是后者有一個延遲，這是因為解調恢復輸出的信號相比輸入信號有一定延遲。因此必須在誤碼率統計器中有設置延遲參數為一位，否則誤碼率統計會出現錯誤[7]。

圖7 信源與解調后信息波形

3 系統抗干擾性分析

由表1可見，該直擴通信系統在信道信噪比SNR大于-24dB時都能完全實現零誤碼率通信，當SNR低于-24dB后，通信質量逐漸下滑。擴頻通信技術使得系統抵抗高斯白噪聲干擾的能力很強，在有用信號很微弱，甚至于淹沒在噪聲(強干擾環境)下時仍可以保證通信質量，實現可靠通信。

表1 高斯白噪聲環境中不同信噪比下的誤碼率

由表2、3可見，有擴頻調制時，系統在單頻正弦干擾幅度為13V時仍可以正常恢復出原始信息；而沒有擴頻調制的情況下，當單頻正弦干擾幅度達到1V時，就已經有了0.31的誤碼率。通過對有擴頻部分和無擴頻部分兩種系統的比較可以看出，擴頻系統能有效地抗單頻正弦干擾。

表2 抗單頻正弦干擾(SNR=10dB，有擴頻模塊)

表3 抗單頻正弦干擾(SNR=10dB，無擴頻模塊)

4 結束語

通過示波器和頻譜示波器來觀察整個過程中信號波形和頻譜的變化，驗證了擴頻解擴的功能，通過對實驗數據的分析可以清晰地看出，直擴通信系統在較惡劣的通信環境中仍然能夠實現可靠通信，相比傳統通信系統具備更強的抗高斯白噪聲和抗單品正弦干擾能力。擴頻通信系統更符合實際傳輸環境下的通信要求，特別適用于無線通信。