基于System View的擴頻通信系統的仿真和分析

顏劍華，任峻（湖南農業大學 信息科學技術學院，湖南 長沙　410128）

基于System View的擴頻通信系統的仿真和分析

顏劍華，任峻
（湖南農業大學 信息科學技術學院，湖南 長沙410128）

本文闡述了擴頻通信的基本原理，使用Systemview軟件對擴頻通信進行仿真設計。在仿真設計中，我們使用了觸發器產生PN周期偽隨即序列作為擴頻碼，使用2PSK調制信號與擴頻碼相乘實現擴頻調制。最后，我們結合香農公式以及信號在擴頻通信傳輸過程中的頻譜變化，證明通過擴頻通信，能在噪聲增加的情況下，仍然保持信號的高速無差錯傳輸。

偽隨機序列；擴頻通信；觸發器；香農公式；擴頻碼

System View［1］是一個功能齊備的系統仿真軟件，主要用于各種通信系統的設計和分析。本文使用System View構建擴頻通信仿真系統，模擬信號在擴頻通信中的傳輸過程中，并通過分析比較信號在擴頻通信系統中各點的頻譜和波形，直觀說明了擴頻通信的原理。

1　擴頻通信原理

擴頻的理論依據為香農公式［2］：

C為信道容量，即無差錯傳輸時的最大平均信息傳輸速率，當實際傳信率小于C時，總能找到一種通信編碼方式，實現無差錯傳輸。B為信道帶寬，S/N為信噪比。當噪聲增加，即S/N增加時，通過增加帶寬B，我們可以保持C不變，從而仍能保持以原來較大的傳輸速率無差錯的傳輸信息，這就是擴頻通信的基本原理。

2　基于System View的擴頻通信仿真

信號的擴頻有直接序列擴頻，調頻擴頻，線性擴頻和混合擴頻等。本文主要討論常見的直接序列擴頻［3］，其采用的擴頻碼為帶寬較大的周期序列。我們采用高碼率的周期性PN序列作為擴頻碼，其帶寬即為PN信號的碼速率。擴頻碼與帶寬較小的數字調制信號相乘后，可實現擴頻調制，得到大帶寬的擴頻信號。接收方通過將擴頻信號與發送端相同的PN序列相乘來實現解擴，還原成窄帶的數字調制信號。通過上述分析我們可以得到擴頻通信系統原理框圖如圖1所示，其中數字調制信號為實際擴頻通信系統中常采用的2PSK信號［4］。

圖1　擴頻通信原理框圖

根據圖1的擴頻通信原理框圖，我們采用System View構建其仿真系統框圖［5］如圖2所示。加法器的左邊為發送方，右邊為接收方。模塊175模擬信道中的高斯噪聲，發送方的模塊158為PN序列發生器，其Rate=400 Hz，Offset=0，它產生碼元速率為400 Hz的二進制偽隨機序列｛an｝的雙極性碼。模塊162為頻率4 000 Hz的高頻正弦載波，與模塊158輸出的雙極性碼相乘后得到數字序列｛an｝的2PSK信號。子系統201為擴頻碼發生器，它產生的擴頻碼與模塊4輸出的2PSK信號相乘得到擴頻信號。接收方的乘法器167將加法器輸出的擴頻信號與發送方相同的擴頻碼相乘，實現解擴，得到2PSK信號。為了方便起見，該系統沒有在擴頻信號中提取擴頻碼，而是直接將發送方擴頻器產生的擴頻碼輸入接收方的乘法器。子系統203為2PSK解調器，它將解擴輸出的2PSK信號進行相干解調，得到｛an｝的雙極性碼，再進行抽樣判決，輸出｛an｝。

圖2　擴頻通信系統設計圖

圖2中子系統201（擴頻碼發生器）的System View仿真設計如圖3所示，該發生器通過4個D觸發器，依據本源多項式1+x3以及異或運算g（t）=m（t）⊕p（t）生成周期性偽隨機序列［6］，該序列通過187輸出到系統的乘法器，完成擴頻和解擴調制。

圖3　PN序列發生器設計圖

圖2中的203子系統的內部結構如圖4所示，其乘法器將輸入的與發送方相同的正弦載波與2PSK信號相乘，再通過低通濾波器實現相干解調，得到雙極性碼。模塊164為抽樣判決器，它采用模擬緩沖器實現。其門限值（即判決門限電平）設為0，根據輸入的雙極性碼波形，判決輸出數字序列｛an｝。

3　仿真分析

我們首先觀察擴頻通信系統中的4種信號：數字基帶信號，2PSK信號，擴頻碼以及擴頻信號的頻譜圖。在這4種信號的頻譜圖中，橫軸為頻率frequency，單位為Hz；縱軸為power，單位為dB，當縱軸的值低于-10dB時我們認為信號的功率趨近于0，其對應的頻率為零點。圖5給出｛an｝雙極性碼的頻譜，主瓣所在頻率為［0，400］Hz。當f=400 Hz時，其對應功率降到-10 dB以下，即雙極性碼的帶寬為400 Hz，它與數字序列｛an｝的碼速率相同。

圖4　數字調制解調器設計圖

圖5　基帶信號功率譜密度

圖6給出2PSK信號的頻譜圖，當f=4 000 Hz（載波頻率處）時，2PSK信號功率最大，達到峰值。當頻率為3 600 Hz和4 400 Hz時，其對應功率下降為-10 dB左右，從而得到2PSK的主瓣所在帶寬為［3 600，4 400］Hz，故其帶寬為800 Hz，是其雙極性碼的兩倍。

圖6　2PSK功率譜密度

圖7給出的是擴頻信號頻譜圖，當頻率為3 200 Hz和4 800 Hz時，對應頻率下降到-20 dB以下，因此擴頻信號的帶寬為1 600 Hz，是2PSK信號帶寬（800 Hz）的2倍，這實現了對小帶寬2PSK的擴頻。根據香農公式，采用擴頻信號傳輸后，S/N只需要達到原就可以實現無差錯傳輸［7］。若傳輸2PSK信號要求信噪比為（50 dB），采用擴頻信號傳輸后，達到同樣的傳輸質量，所需要的信噪比僅為（20 dB），信號功率不變時，噪聲功率增加為原噪聲的。

圖7　擴頻信號功率譜密度

圖8　發送波形與接收波形的比較

圖8比較了發送波形和接收波形，從中可以看出前后兩個波形除了時間上有一點時延外，是完全重合的，說明擴頻通信能夠還原發送信號，實現信號的無差錯傳輸。

4　結論

本文利用System View構建直接序列擴頻通信系統的仿真系統，并采用System View的分析工具對擴頻通信過程產生的雙極性碼信號，2PSK信號，擴頻碼和擴頻信號的頻譜進行分析，得出通過直接序列擴頻可以將窄帶的2PSK信號擴頻為較大帶寬的擴頻信號，而通過解擴又可以還原2PSK信號，并最終解調還原為發送的數字序列。根據香農公式可以計算出在噪聲提高很多的情況下，通過增加信號帶寬，仍然能讓信號實現高速率的無差錯傳輸。

［1］陳軍.System View在通信原理課程教學中的應用研究［J］.實驗技術與管理，2015（1）:153-155.

［2］劉昌錦，韋哲.香農公式在擴頻通信中的應用［J］.四川兵工學報，2013（4）:80-83.

［3］陳永紅，郭莉莉.基于System Vue的直序擴頻通信仿真［J］.價值工程，2015（6）:236-238.

［4］李世銀，劉玉英，宋金鈴，等.2PSK非相干解調原理研究［J］.中國礦業大學學報，2002，31（3）:315-318.

［5］張璐.System View在擴頻通信中的應用［J］.科學之友，2011 （11）:153-155.

［6］陳軍.基于System View的4位m序列發生器數學模型的分析及電路設計［J］.電氣自動化，2015（1）:40-41+85.

［7］朱運航，張平華，鄧明元.直接序列擴頻通信系統性能研究［J］.兵工自動化，2013（2）:84-87.

Simulation and analysis of spread-spectrum communication system based on systemview

YAN Jian-hua，REN Jun
（College of Information Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China）

This paper describes the basic principles of spread-spectrum communication，builds simulation system of spread spectrum communication based on Systemview.In the simulation design，we use a trigger to generate a pseudo-period PN sequence as a spreading code，and multiply 2PSK signal and spread code to realize spread spectrum modulation.Finally，we combine the Shannon formula and changes of signal spectrum in the spread spectrum transmission to evidence that signal can maintain a error-free transmission at high speed under the high noise by using spread spectrum communication.

pseudo random sequences；spread spectrum communication；trigger；shannon formula；spreading code

TN914.3

A

1674－6236（2016）11-0099-03

2015-06-18稿件編號：201506186

顏劍華（1988—），男，湖南岳陽人。研究方向：通信工程。