一種衛(wèi)星擴頻保密通信系統(tǒng)的Systemview仿真

趙赴暢，張 鴻

（1.河海大學，南京211100；2.船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

擴頻通信系統(tǒng)是在20世紀50年代中期產(chǎn)生的，其抗干擾、抗竊聽、低截獲等方面的能力得到很大的發(fā)展，但都只是局部的發(fā)展。隨著微處理器、超大規(guī)模集成電路、數(shù)字信號處理器件、擴頻專用器件的問世，在20世紀60年代擴頻技術獲得了重大的突破和進展，在實際的應用中優(yōu)越性更加明顯，擴頻通信成為通信的一種重要方式。其優(yōu)良的抗干擾特性、低截獲概率特性、多址接入能力和強保密性在軍事通信中發(fā)揮出了不可取代的優(yōu)勢［1］。擴頻通信的種類多種多樣，主要有直接擴頻、跳頻擴頻、混合擴頻等方式。本文主要使用的是直接擴頻通信方式。

衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無線電波，在2個或者多個地球站之間進行的通信。與其他通信方式相比，衛(wèi)星通信的通信距離遠，而且費用與通信距離無關，這是地面微波中繼通信、光纖通信以及短波通信等其他手段無法比擬的；覆蓋面積大，可以進行多址通信，只要是衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)都可以設置地球站；機動靈活，可以安裝車載、機載等移動終端；通信線路穩(wěn)定可靠，傳輸質(zhì)量高。

Systemview是一個信號級的仿真軟件，主要應用于電路與通信系統(tǒng)的設計、仿真，是一個強有力的動態(tài)分析工具，能滿足從數(shù)字信號處理、濾波器設計到復雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設計、仿真要求，基本達到在個人計算機級別上完成復雜的通信系統(tǒng)設計與仿真的目的。

1 系統(tǒng)原理及其設計

1.1 直接擴頻通信的原理及設計

擴頻通信的理論基礎主要是使用偽噪聲序列的相關特性。通常的偽噪聲序列是1個周期序列。假設某種偽隨機序列的周期為N，且碼元ci都是集合｛－1，1｝中的元素。1個周期為N，碼元為ci的偽噪聲二元序列｛ci｝的歸一化自相關函數(shù)是1個周期為N的周期函數(shù)，可以表示為：

式中：RN（τ）為偽噪聲二元序列ci一個周期內(nèi)的表達式：

式中：τ＝0，1，2，…，N。

偽噪聲序列周期N取足夠長或N→∞時，RN（τ）→R（τ），式（1）可以簡化為：

高斯白噪聲的自相關函數(shù)為：

比較式（3）和（4），看出它們比較相近，當序列周期足夠長時，式（3）就逼近式（4）。所以具有與白噪聲相類似統(tǒng)計特性的偽噪聲序列很接近于高斯信道要求的最佳信號形式［2，3］，因此用偽噪聲碼擴展待傳輸信息信號頻譜的擴頻通信系統(tǒng)，優(yōu)于常規(guī)的通信系統(tǒng)。

直接擴頻通信系統(tǒng)的簡化原理如圖1所示。

在接收端用1個和發(fā)射端同步的參考偽噪聲碼所調(diào)制的本地參考振蕩信號與接收到的信號進行相關處理。當2個信號完全相同或者相關性很好的時候，得到最大的相關峰值，經(jīng)數(shù)據(jù)檢測器恢復出發(fā)射端的信號。由于噪聲信號和多徑干擾與本地參考偽噪聲碼不相關，所以在進行相關處理時被削弱，而且相關器后面的中頻濾波器頻帶很窄，所以中頻濾波器只輸出被基帶信號調(diào)制的中頻信號和落在濾波器通頻帶內(nèi)的那部分干擾信號和噪聲，而絕大部分的干擾信號和噪聲的功率被中頻濾波器濾除，這樣就大大改善了系統(tǒng)的輸出信噪比。

圖1 直接擴頻通信系統(tǒng)原理圖

1.2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)射／接收機的原理與設計

由于現(xiàn)代通信對帶寬資源日益增加的要求，毫米波通信逐漸成為通信技術的主流，毫米波的頻帶范圍為30～60GHz。隨著科技的發(fā)展，1GHz的調(diào)制解調(diào)芯片已經(jīng)逐漸被廣泛使用?？紤]到系統(tǒng)的復雜度和體積，系統(tǒng)采用一次變頻。所以在本文中使用1GHz作為基帶載頻。

衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)射器主要由2個部分組成，如圖2所示。第1部分是基帶信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將基帶送過來的I／Q兩路正交數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，然后將輸出的模擬信號送入低通濾波器；第2部分則是上變頻模塊，將處理后的信號上變頻器件進行正交調(diào)制并且上變頻，然后將I／Q兩路信號整合后發(fā)射出去。

圖2 信號發(fā)射器

系統(tǒng)的接收器也是由2個部分組成（見圖3），第一部分是下變頻模塊，將接收信號正交解調(diào)，并且下變頻為基帶信號，將下變頻信號經(jīng)過低通濾波器送入第2部分，該部分將I／Q兩路信號通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，完成解調(diào)。

圖3 信號接收器

1.3 通信信道的設計

在本次仿真中主要使用AWGN以及單頻噪聲作為系統(tǒng)引入的噪聲。

2 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真圖如圖4所示。

系統(tǒng)的主要模塊有：

（1）信號源。使用一個1kHz的隨機數(shù)發(fā)生器作為系統(tǒng)的信號源（器件0），器件1為低通濾波器。

圖4 系統(tǒng)仿真圖

（2）擴頻模塊。使用一個2kHz的隨機數(shù)發(fā)生器（器件4）作為擴頻碼發(fā)生器，與基帶信號相乘，得到擴頻后的信號。

（3）上、下變頻模塊。使用1GHz的正弦波（器件23）作為載波，將基帶信號直接上變頻?；鶐盘柹献冾l之后，加入一段高斯白噪聲（器件7），通過增益控制（器件41），使得噪聲的功率可調(diào)，從而控制信噪比。在接收端同樣使用1GHz的正弦波（器件28）來解調(diào)。

（4）解擴模塊。將擴頻碼發(fā)生器（器件4）與得到的基帶信號相乘，根據(jù)前文分析，根據(jù)相關性可以將基帶信號解擴。

（5）誤碼率統(tǒng)計模塊。使用誤碼率分析器（器件37）將最終處理得到的信號與新源信號相比較，注意新源信號要適當延時以得到精確的結果。器件47是停止接收計算器，通過該器件可以使系統(tǒng)在改變噪聲參數(shù)的情況下循環(huán)執(zhí)行。

3 結果與分析

系統(tǒng)仿真波形如圖5～圖9所示。

比較圖7和圖8，圖7是原始信號的頻譜，它有3處尖銳的峰值，信號的信息主要集中在峰值附近；圖8是擴頻后信號的頻譜，與圖7相比，它沒有尖銳的峰值，這是因為原始信號與擴頻碼相乘之后，其頻帶被展寬，信號的能量被擴展到整個頻帶范圍之內(nèi)，所以整個信號的頻譜相對平緩。

圖5 原始信號

圖6 加入噪聲后的射頻發(fā)射信號

圖7 原始信號頻譜

圖8 擴展后的頻譜

圖9 恢復信號

圖10是誤碼率統(tǒng)計圖，統(tǒng)計了信噪比從－10dB到10dB的平均誤碼率。當信噪比為－10dB時，誤碼率大概為40%左右，在信號幾乎完全淹沒在噪聲之中的情況下，仍然能夠較好地解調(diào)出信號；在信噪比大于5dB的時候，誤碼率大概在5%左右的范圍，這樣的性能非常不錯。擴頻通信使得信號的帶寬被展寬，噪聲能量也被分散到了更寬的頻帶內(nèi)，又因為偽隨機碼良好的自相關性，使得系統(tǒng)能更好地從噪聲信號中解擴出原始信號。所以，使用擴頻通信可很好地抵抗窄帶干擾、人為瞄準式干擾、單頻干擾、多徑干擾等，達到保密通信的效果。

圖10 誤碼率統(tǒng)計圖

另外從第2節(jié)的系統(tǒng)框圖中可以看出，整個仿真系統(tǒng)比較簡單，這是因為隨著衛(wèi)星通信的發(fā)展，很多直接上變頻的模塊已經(jīng)被廣泛應用了，相對于復雜的二次變頻系統(tǒng)，直接變頻的衛(wèi)星通信系統(tǒng)顯然更具有競爭力。

［1］曾一凡，李暉.擴頻通信原理［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［2］Poise R A.現(xiàn)代通信干擾原理與技術［M］.通信對抗國防重點實驗室譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［3］吳詩其，胡劍浩，吳曉文，等.衛(wèi)星移動通信新技術［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2001.