直擴通信原理的課堂教學輔助系統(tǒng)設計

李明媚 董麗元 唐磊磊

摘 要：文中以直擴通信原理的教學思路為依據(jù)，LabVIEW為平臺，開發(fā)了由m序列生成與特性分析、直擴系統(tǒng)（DSSS）抗窄帶干擾和直擴系統(tǒng)抗多徑干擾三部分構成的課堂教學輔助系統(tǒng)。系統(tǒng)借助原理圖指引操作，按步顯示各階段數(shù)據(jù)變化，通過人機交互實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、運算與特性曲線動態(tài)繪制，用理論計算與仿真結果的對比及仿真結果的變化規(guī)律，驗證m序列和直擴系統(tǒng)的各項性能。系統(tǒng)將理論直觀化、動態(tài)化，應用于線上或線下課堂教

學，易于吸引學生的注意力，達到提升學生學習興趣和提高教師教學質量的目的。

關鍵詞：偽隨機序列;擴頻;特性分析;抗多徑干擾;抗窄帶干擾;教學輔助

中圖分類號：TP391.9;TN914.4文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-0-03

0 引 言

擴頻技術作為移動通信、物聯(lián)網通信等課程的重要教學內容，利用偽隨機序列擴展信號頻譜雖然會使信號的傳輸占用更多的資源，但偽隨機序列的自相關和互相關特性，使擴頻通信系統(tǒng)具有很好的抗窄帶和抗多徑干擾性能。因此，擴頻技術被廣泛使用。隨著虛擬仿真實驗教學項目的建設，越來越多的高校教師投入到通信、電子類虛擬仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)工作中，為實驗和課堂教學提供了很多寶貴的素材和經驗[1-4]。與擴頻原理相關的仿真可在多種平臺上實現(xiàn)，如FPGA、MATLAB/Simulink、SystemView、LabVIEW等[5-9]。

本文依據(jù)擴頻技術中直擴通信原理的課堂教學思路，充分利用LabVIEW的圖形化、可視化編程特點[10]，開發(fā)了由m序列生成與特性分析、直擴系統(tǒng)抗窄帶干擾、直擴系統(tǒng)抗多徑干擾三部分構成的教學輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)結合VI動態(tài)調用[11]、人機交互、動態(tài)演示、數(shù)據(jù)對比與分析等設計，實現(xiàn)高效的課堂教學。

1 直擴通信原理課堂教學思路

偽噪聲序列有多種，最基本、最常用的一種是最長線性反饋移位寄存器序列，也稱作m序列[12]。因此本文以m序列為例，按照圖1所示的教學思路進行了直擴通信原理教學輔助系統(tǒng)設計。

2 m序列生成與特性分析設計

m序列由n級寄存器構成的線性反饋移位寄存器的結構如圖2所示。n級移位寄存器有2n種組合狀態(tài)，除了全零狀態(tài)，圖2結構能夠輸出的最長序列長度為m=2n-1，即m序列周期長度。在m序列的周期時長Tb不變，周期長度m（或序列級數(shù)n）不同時，m序列的碼片寬度Tc=Tb/m不同，雙極性m序列信號的帶寬B=1/Tc=m/Tb亦不相同。m序列的平衡、游程和移位相加特性，使得它的自相關值表現(xiàn)出尖銳的二值特性，其互相關值則會隨著周期長度m（或序列級數(shù)n）的增大[13]而更加接近于0。

根據(jù)m序列的生成原理和特性設計的仿真實驗系統(tǒng)主界面運行效果如圖3（a）所示。系統(tǒng)可顯示2-5級m序列的產生器結構，生成不同輸入狀態(tài)下的m序列;m序列的每一個特性都配有概念說明;平衡、游程和移位相加特性都在主界面上顯示，功率譜、自相關和互相關通過VI的動態(tài)調用，彈出如圖3（b）、圖3（c）和圖3（d）所示的操作與顯示界面;移位相加、自相關和互相關的特性分析借助人機交互實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、運算與動態(tài)顯示。仿真實驗生成的特性曲線和功率譜分布都可以導出，并在實驗結束后顯示在主界面上，便于對比和分析。

根據(jù)圖3（b）提供的仿真參數(shù)得到3-5級m序列下的信號帶寬理論值見表1所列。它與圖3（a）所示的各級功率譜第一譜零點帶寬相符，驗證了m序列周期長度m（或序列級數(shù)n）與帶寬之間的關系。自相關和互相關特性可對2-4級m序列下的特性曲線進行對比，達到驗證目的。

3 直擴系統(tǒng)抗窄帶干擾設計

直擴系統(tǒng)（DSSS）抗窄帶干擾仿真實驗系統(tǒng)主界面運行效果如圖4（a）所示，主要用于參數(shù)設置、波形顯示和實驗選擇。實驗內容安排中的各項實驗通過VI的動態(tài)調用，可彈出如圖4（b）、圖4（c）、圖4（d）所示的操作及顯示界面。根據(jù)界面上原理圖所提供的順序，依次按下相應按鍵即可完成各階段的波形顯示，獲得最終的判決輸出結果。

圖4（e）和圖4（f）為誤碼分析實驗下的實驗數(shù)據(jù)顯示界面。由此可見，高斯白噪聲影響下的2PSK（二進制相移鍵控）系統(tǒng)和DSSS系統(tǒng)的誤碼特性曲線無明顯差異，但加入了窄帶干擾后，DSSS系統(tǒng)的性能明顯優(yōu)于2PSK系統(tǒng)，由此驗證了直擴系統(tǒng)的抗窄帶干擾性能。更改主界面的m序列級數(shù)，重復操作即可得到不同級數(shù)下直擴系統(tǒng)的誤碼特性曲線，得出級數(shù)變化對直擴系統(tǒng)抗窄帶干擾性能的影響規(guī)律。

4 直擴系統(tǒng)抗多徑干擾設計

直擴系統(tǒng)抗多徑干擾仿真實驗系統(tǒng)界面如圖5所示。系統(tǒng)搭建了1-2用戶的1-4路信號傳播模型，可分別在3級和5級m序列下完成有無高斯白噪聲影響的多徑通信實驗。以m1序列作為用戶1數(shù)據(jù)的擴頻碼測得的仿真實驗數(shù)據(jù)見表2所列。由此可見，采用同步m1序列對多徑信號進行解擴時，系統(tǒng)誤碼率明顯低于不同步時的誤碼率;有噪聲影響時，5級序列下2-4路信號的通信誤碼率明顯低于3級序列下的誤碼率;采用同級但不同結構產生的m2序列對無噪聲影響下的兩用戶2-4路信號進行解擴時，通信誤碼率很高，不能正確恢復用戶1的數(shù)據(jù)。由此驗證了m序列的自相關和互相關特性，使直擴系統(tǒng)具有很好的抗多徑干擾性能，且m序列級數(shù)越大，直擴系統(tǒng)的抗多徑干擾性能越好。

5 結 語

直擴通信原理的課堂教學輔助系統(tǒng)按照教學思路展開設計，有條理地動態(tài)顯示了各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)和曲線變化，驗證了m序列及直擴系統(tǒng)的特性與性能，適用于線上和線下課堂教學。信號處理功能模塊化是下一階段的設計任務，便于課上靈活且快速地搭建起相應的系統(tǒng)模型;直擴通信應用于無線通信當中，物聯(lián)網又是當前比較熱門的研究方向，利用物聯(lián)網技術搭建無線傳輸信道，令仿真環(huán)境更為真實、數(shù)據(jù)更為可信，是系統(tǒng)未來的改進目標。

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