擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)

摘 要：擴(kuò)頻通信就是讓待傳輸信號(hào)乘上特定的擴(kuò)頻碼，將信號(hào)頻譜大大展寬的通信過程。通過頻譜的擴(kuò)展，有效地提高保密性和抗干擾能力，提高通信系統(tǒng)的可靠性。本文依靠信息化手段，借助計(jì)算機(jī)軟件仿真技術(shù)設(shè)計(jì)了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。先后分析了擴(kuò)頻的實(shí)現(xiàn)方法、解擴(kuò)的實(shí)現(xiàn)方法、整體的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能比較，驗(yàn)證了算法是切實(shí)可行的。從仿真波形上可以清晰看出，有擴(kuò)頻比沒有擴(kuò)頻的波形失真度小得多；擴(kuò)頻技術(shù)能夠有效地抗擊噪聲的影響，提高系統(tǒng)的信噪比，提高系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞：擴(kuò)頻；解擴(kuò)；仿真

中圖分類號(hào)：TN914.42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）03-0045-03

Simulation Design of Spread Spectrum Communication System

GUAN Yu

（Nanjing Vocational Institute of Transport Technology，Nanjing 211188，China）

Abstract：Spread spectrum communication is a communication process in which the signal to be transmitted is multiplied by a specific spread spectrum code and the spectrum of the signal is greatly broadened. Through the expansion of spectrum，the security and anti-jamming ability can be effectively improved，and the reliability of communication system can be improved. In this paper，the spread spectrum communication system is designed by means of information technology and computer software simulation technology. The implementation methods of spread spectrum，despreading，overall simulation system design and performance comparison are analyzed successively，and the feasibility of the algorithm is verified. From the simulation waveform，it can be clearly seen that the waveform distortion with spread spectrum is much smaller than that without spread spectrum. Spread spectrum technology can effectively resist the influence of noise，improve the signal-to-noise ratio of the system and improve the system performance.

Keywords：spread spectrum；despreading；simulation

0 引 言

如果已調(diào)信號(hào)的帶寬擴(kuò)大很多，并且超過了初始信號(hào)帶寬的100倍以上，這種調(diào)制方式就可以稱為擴(kuò)頻。擴(kuò)頻出現(xiàn)在發(fā)送端，接收端信號(hào)帶寬還原的操作就叫作解擴(kuò)，解擴(kuò)往往和擴(kuò)頻操作一致。這就好比乘法上負(fù)負(fù)得正的道理，只經(jīng)歷一次擴(kuò)頻（或只經(jīng)歷一次解擴(kuò)）頻譜就會(huì)被擴(kuò)展；經(jīng)歷過一次擴(kuò)頻和一次解擴(kuò)作用，頻譜就會(huì)被還原成原先面目。

1 擴(kuò)頻仿真

擴(kuò)頻就是將信號(hào)的頻譜展得很寬，在實(shí)現(xiàn)時(shí)可以借助高頻的偽隨機(jī)數(shù)字碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制得到。初始信號(hào)是一個(gè)帶寬有限的常規(guī)信號(hào)，可以是模擬信號(hào)，可以是數(shù)字信號(hào)，也可以是混合信號(hào)。高頻的偽隨機(jī)數(shù)字碼是一個(gè)頻率很高的數(shù)字隨機(jī)信號(hào)。擴(kuò)頻調(diào)制的過程可以采用異或運(yùn)算或者乘法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，在教學(xué)過程中需要指明注意事項(xiàng)。

1.1 偽隨機(jī)數(shù)字碼的頻率要比初始信號(hào)頻率高得多

由數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)可以知道，數(shù)字信號(hào)的頻譜是花瓣?duì)畹模靼昙辛藬?shù)字信號(hào)絕大多數(shù)能量，因此常用主瓣寬度去衡量帶寬。主瓣寬度在數(shù)值上等于數(shù)字信號(hào)的頻率，較高的頻率就保證了偽隨機(jī)數(shù)字碼擁有較高的帶寬。只有偽隨機(jī)數(shù)字碼的高帶寬，才能使得擴(kuò)頻后的信號(hào)具備高帶寬的可能。由常識(shí)可以知道，一個(gè)低頻信號(hào)和高頻信號(hào)相乘后，得到的信號(hào)頻率和高頻信號(hào)一致。也就是擴(kuò)頻后信號(hào)頻率提高了很多，與偽隨機(jī)數(shù)字碼的頻率一致。因此調(diào)制后的帶寬也就由偽隨機(jī)數(shù)字碼的頻率決定，偽隨機(jī)數(shù)字碼的頻率越高，擴(kuò)頻后信號(hào)的帶寬越寬。

1.2 在理論上異或運(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻調(diào)制，但是異或運(yùn)算只適合數(shù)字信號(hào)源

因?yàn)楫惢蜻\(yùn)算屬于邏輯運(yùn)算，對(duì)于模擬信號(hào)源不適用。如果原始信號(hào)是模擬信號(hào)或者原始信號(hào)中含有模擬成分，只能采用乘法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。乘法運(yùn)算既適用模擬信號(hào)源，又可以用在數(shù)字信號(hào)的擴(kuò)頻操作，具備通用性，在仿真設(shè)計(jì)中可以統(tǒng)一采用乘法器實(shí)現(xiàn)調(diào)制。

1.3 擴(kuò)頻中，頻譜到底需要展寬多少，由分配給系統(tǒng)的可用頻帶決定

需要注意分配的頻帶寬度，不能超過給定范圍，否則會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)造成干擾。

仿真可以采用SystemView軟件，它具備面向用戶的可視化的特點(diǎn)，方便理實(shí)一體化教學(xué)，便于學(xué)生系統(tǒng)操作和掌握。擴(kuò)頻部分的仿真教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生調(diào)用信號(hào)源模塊，調(diào)用高頻的數(shù)字隨機(jī)信號(hào)作為偽隨機(jī)碼，將兩者同時(shí)送入乘法器實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。在參數(shù)設(shè)置時(shí)，需要留心注意事項(xiàng)，保證信號(hào)頻譜被擴(kuò)展到設(shè)定值。

2 解擴(kuò)仿真

解擴(kuò)就是擴(kuò)頻的逆過程，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的還原。目的是將頻帶展寬的信號(hào)恢復(fù)成原來的窄帶信號(hào)，完成通信的任務(wù)。解擴(kuò)時(shí)需要注意以下兩個(gè)方面。

2.1 解擴(kuò)和擴(kuò)頻的操作過程一樣

如果擴(kuò)頻采用的是異或運(yùn)算實(shí)現(xiàn)調(diào)制，在接收端就需要用異或運(yùn)算完成窄帶信號(hào)的恢復(fù)；如果擴(kuò)頻采用的是乘法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)調(diào)制，在接收端需要用乘法運(yùn)算完成窄帶信號(hào)的恢復(fù)。

2.2 解擴(kuò)采用相同的數(shù)字碼才能還原信號(hào)

擴(kuò)頻通信的完整過程可以簡(jiǎn)單描述為：信號(hào)乘以高頻數(shù)字碼，再乘高頻數(shù)字碼。如果利用乘法結(jié)合率，可以看成高頻碼乘上自身，再與原信號(hào)相乘。高頻碼與自身相乘后得到常數(shù)，也就是直流量。任何信號(hào)與直流量相乘后得到本身，因此先后經(jīng)歷擴(kuò)頻和解擴(kuò)的信號(hào)得到了還原。但是在解擴(kuò)中如果采用不同高頻數(shù)字碼，擴(kuò)頻和解擴(kuò)的整體過程就相當(dāng)于初始信號(hào)與隨機(jī)碼相乘，最終無法還原信號(hào)，無法實(shí)現(xiàn)通信過程。

仿真在SystemView中進(jìn)行，如果擴(kuò)頻時(shí)采用乘法器實(shí)現(xiàn)，解擴(kuò)時(shí)應(yīng)將擴(kuò)頻后的信號(hào)、發(fā)送端用的高頻的數(shù)字隨機(jī)碼，同時(shí)送入乘法器。要保證與發(fā)送端相同的操作和相同的碼型，才能將寬帶信號(hào)正確的恢復(fù)成初始窄帶信號(hào)。

3 擴(kuò)頻解擴(kuò)系統(tǒng)的整體仿真

擴(kuò)頻解擴(kuò)系統(tǒng)的整體流程為：原始信息也就是窄帶信號(hào)，經(jīng)過擴(kuò)頻后頻譜被大大展寬；將擴(kuò)頻后的信號(hào)送入信道傳遞，在信道中混入了噪聲和干擾；夾雜著噪聲的信號(hào)到達(dá)接收端進(jìn)行解擴(kuò)，原有的信息通過解擴(kuò)還原成窄帶信號(hào)；而噪聲只經(jīng)歷一次解擴(kuò)，相當(dāng)于經(jīng)歷一次擴(kuò)頻變成了寬帶信號(hào)；由于有用信號(hào)為窄帶，而噪聲為寬帶，因此可以通過很窄的低通濾波器后，有用信號(hào)被提取，而帶外噪聲被濾除，噪聲功率大大降低，從而提高了信噪比，也就提高了系統(tǒng)性能。在Systemview中分兩路進(jìn)行對(duì)比仿真，一路引入擴(kuò)頻解擴(kuò)技術(shù)，第二路不用擴(kuò)頻解擴(kuò)直接疊加噪聲，通過對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證擴(kuò)頻通信技術(shù)能夠有效對(duì)抗噪聲，提高性噪比。仿真圖如圖1所示。

圖1 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真圖

模塊0 產(chǎn)生初始信號(hào)，可以選擇頻率較低的窄帶任意信號(hào)，可以是模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)或者模擬數(shù)字混合信號(hào)等，這里采用正弦信號(hào)，頻率為10Hz。

模塊1 產(chǎn)生高頻數(shù)字碼，選取頻率較高的數(shù)字隨機(jī)信號(hào)，這里設(shè)置PN碼的頻率為3000Hz，高頻碼的頻率遠(yuǎn)大于初始信號(hào)的頻率，滿足要求。

模塊2 乘法器，初始信號(hào)和高頻隨機(jī)碼的相乘實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。這里選擇乘法器實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻是由于初始信號(hào)是模擬信號(hào)，不能進(jìn)行數(shù)字邏輯的異或運(yùn)算。相乘后頻率升高了，頻譜擴(kuò)展了。

模塊3 產(chǎn)生高斯噪聲，用高斯噪聲模擬信息傳輸中受到的加性噪聲的影響，便于分析系統(tǒng)的抗噪性能。

模塊5 低通濾波器，將不限頻帶的高斯噪聲信號(hào)變成頻帶受限的帶限噪聲，便于觀察解擴(kuò)作用對(duì)于噪聲的影響。

模塊4、12 加法器，在信號(hào)上疊加噪聲影響。

模塊6 乘法器，完成信號(hào)的解擴(kuò)和恢復(fù)。與模塊2相同，擴(kuò)頻時(shí)用乘法器實(shí)現(xiàn)，解擴(kuò)時(shí)也用乘法器實(shí)現(xiàn)。

模塊7、13 低通濾波器，是個(gè)窄帶低通濾波器，帶通略大于初始信號(hào)，目的是盡可能提取信號(hào)濾除帶外干擾。

模塊8、9、10、11、14 觀測(cè)窗，觀測(cè)各點(diǎn)波形，并可以結(jié)合工具完成頻譜等圖形的繪制。

系統(tǒng)搭建好后，設(shè)置噪聲功率參數(shù)，并設(shè)置時(shí)鐘，對(duì)比觀測(cè)有無擴(kuò)頻的輸出波形。其中圖2為擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的輸出波形；圖3為不加擴(kuò)頻的輸出波形。圖2的波形受到的噪聲影響明顯小得多，說明了擴(kuò)頻通信在抗擊噪聲影響方面的優(yōu)越性能。

4 結(jié) 論

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)能將信號(hào)的頻譜展寬很多，大大增強(qiáng)了保密性，能夠有效地抗擊噪聲和干擾，主要應(yīng)用于移動(dòng)通信。這部分的理論性較強(qiáng)，因此借助仿真技術(shù)手段，分步驟引導(dǎo)搭建系統(tǒng)。可視化地改變參數(shù)、觀測(cè)波形，方便系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。可以看到算法是切實(shí)可行的，有擴(kuò)頻比沒有擴(kuò)頻的波形失真度小得多；擴(kuò)頻技術(shù)能夠有效地抗擊噪聲的影響，提高系統(tǒng)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李莉，趙蓉，項(xiàng)東.通信原理綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的實(shí)踐 [J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（8）：179-181.

[2] 高文歡.擴(kuò)頻通信技術(shù)淺析 [J].中國(guó)無線電，2015（8）：40-41.

[3] 劉瑾瑾，李培培，臧俊杉.擴(kuò)頻通信技術(shù)及應(yīng)用 [J].科學(xué)與財(cái)富，2015（23）：108-109.

作者簡(jiǎn)介：管宇（1984-），女，漢族，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士，講師，研究方向：短波通信、數(shù)字通信、移動(dòng)通信。