擴頻通信實時仿真實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李新民

(西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

擴頻通信是通信專業(yè)一門重要的專業(yè)課，它涉及的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域和應(yīng)用較多，諸如抗干擾技術(shù)、多址技術(shù)、調(diào)制解調(diào)技術(shù)以及測距技術(shù)等[1-3]。擴頻通信概念抽象，而傳統(tǒng)教學(xué)因課時較少、受實驗條件限制，較少進行實驗教學(xué)，使學(xué)生很難獲得直觀印象和動手設(shè)計的機會[4]。本文利用Matlab/Simulink平臺設(shè)計了擴頻通信實時仿真實驗系統(tǒng)，在課堂教學(xué)中可以當(dāng)堂演示，使抽象的理論知識具體化、形象化，使擴頻知識變得通俗易懂、容易掌握。該系統(tǒng)作為一個平臺，可以增設(shè)一些擴展型的課程設(shè)計內(nèi)容，使學(xué)生在設(shè)計中增長學(xué)習(xí)的興趣和科研能力。

1 實驗系統(tǒng)的組成和設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的組成

擴頻通信實時仿真實驗系統(tǒng)主要分為兩部分：直接序列擴頻(直擴)系統(tǒng)和跳頻系統(tǒng)，涵蓋了擴頻通信課程的大部分內(nèi)容。直擴仿真系統(tǒng)分為發(fā)射端、接收端和偽碼同步模塊；跳頻系統(tǒng)也分為發(fā)射端、接收端和偽碼同步模塊。系統(tǒng)的各個模塊可以單獨運行，當(dāng)然也可以連接起來完成整個系統(tǒng)的仿真。

本文以直擴系統(tǒng)為例介紹該擴頻通信實時仿真實驗系統(tǒng)的設(shè)計。

1.2 發(fā)送端模塊

直擴系統(tǒng)的發(fā)送端仿真模塊結(jié)構(gòu)見圖1，其參數(shù)為：數(shù)據(jù)速率1kbit/s，擴頻碼速率為127kbit/s。擴頻碼使用7級移位寄存器生成的m序列，生成多項式為f(x)=1+x6+x7，碼長為127。采用BPSK調(diào)制，載波頻率為500kHz。

圖1 直擴系統(tǒng)發(fā)送端仿真模塊結(jié)構(gòu)

發(fā)送端數(shù)據(jù)由時鐘Pulse Generator控制產(chǎn)生隨機二進制數(shù)據(jù)，產(chǎn)生過程由Data_GEN模塊控制，使用了S函數(shù)Data_GEN。擴頻碼由時鐘Pulse Generator1控制產(chǎn)生碼長為127的m序列，產(chǎn)生過程由Data_GEN模塊控制，使用了S函數(shù)PN_GEN(S函數(shù)的使用參閱文獻(xiàn)[5-7])。Shaping模塊完成負(fù)邏輯映射，將二進制“1”映射為-1電平，“0”映射為+1電平。擴頻調(diào)制由模塊Product完成。射頻調(diào)制由Product1完成，使用的正弦載波由模塊Sine Wave Function產(chǎn)生，正弦載波幅度為1V。射頻調(diào)制后信號經(jīng)過加性高斯白噪聲信道，再使用模塊Sine Wave Function1產(chǎn)生的單頻正弦載波作為干擾，該干擾的頻率為3kHz。仿真中假定信噪比(信號與高斯白噪聲功率比)為20dB，單頻正弦干擾的幅度為10V。

1.3 接收端模塊

在直擴系統(tǒng)的接收端，首先利用外差式解擴器將接收信號變頻為250kHz的中頻信號，然后利用Costas環(huán)(具體實現(xiàn)參閱文獻(xiàn)[5])進行載波的恢復(fù)和中頻解調(diào)恢復(fù)出數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中各個模塊的設(shè)計與搭建參閱文獻(xiàn)[8-10]。圖2給出了直擴系統(tǒng)接收端的仿真模塊。

圖2 直擴系統(tǒng)接收端仿真模塊結(jié)構(gòu)

圖2中，模塊Sine Wave Function2產(chǎn)生一個頻率為250kHz的本地載波信號，與本地產(chǎn)生的同步偽隨機碼信號進行調(diào)制，然后與接收到的信號進行相關(guān)處理。相關(guān)處理器由模塊Product3和Digital Filter Design1組成。其中Digital Filter Design1為一中頻250kHz的窄帶濾波器，帶寬為2kHz。相關(guān)處理后的信號經(jīng)模塊Gain放大后送入Costas環(huán)路進行中頻載波的恢復(fù)和數(shù)據(jù)的解調(diào)。由于采用的是BPSK調(diào)制，所以搭建的是二相Costas環(huán)。其中壓控振蕩器的靜態(tài)頻率設(shè)為250kHz，輸出頻率的靈敏度為1Hz/V。環(huán)路濾波器由模塊Gain1、Gain3、Add2及單位延遲單元組成。解調(diào)以后的信號經(jīng)過一個簡單的判決模塊Compare to Zero恢復(fù)出有用信息數(shù)據(jù)。

1.4 偽碼同步模塊

該直擴系統(tǒng)的偽碼同步模塊在基帶中完成，采用滑動相關(guān)法，跟蹤過程使用簡化的雙Δ值延遲鎖定環(huán)。仿真模塊如圖3所示。

圖3 直擴系統(tǒng)偽碼同步仿真模塊

偽碼捕獲時使用時鐘Pulse Generator3，使本地偽碼與接收到的信號的偽碼相位滑動。當(dāng)兩碼的相位差在一個碼片之內(nèi)時，相關(guān)輸出經(jīng)過積分后電平高于門限，RS觸發(fā)器輸出高電平鎖定，并且控制開關(guān)Switch，使用時鐘Pulse Generator4的信號。時鐘Pulse Generator4的頻率低于接收偽碼的頻率，這樣經(jīng)過一定時間的累積，使稍微超前的本地碼相位逐漸滯后。累積的時間由延遲單元Unit Delay3控制。RS觸發(fā)器的Q端高電平經(jīng)過Unit Delay3延遲一定時間后輸出，從而控制Switch1，使本地偽碼時鐘轉(zhuǎn)為Pulse Generator5，即同步的時鐘127kHz。

2 實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 發(fā)送端的擴頻與調(diào)制實驗

利用發(fā)送端模塊所做的擴頻和調(diào)制實驗波形和頻譜如圖4所示。其中圖4(a)是有用信息和偽隨機碼按位模2和而完成擴頻實驗的波形圖，(b)是調(diào)制實驗前后的波形圖，圖4(c)—圖4(e)是擴頻和調(diào)制的信號頻譜圖，實驗結(jié)果均與理論分析結(jié)果相符。

2.2 接收端的解擴和解調(diào)實驗

利用接收端模塊進行外差式相關(guān)解擴和Costas環(huán)解調(diào)實驗的波形和頻譜見圖5。圖5(a)是相關(guān)解擴前后信號的波形圖，圖5(b)和圖5(c)分別是解擴前后信號的頻譜圖。圖5(d)是解調(diào)以后信號與原始信號的波形比較圖。所有實驗結(jié)果均與理論分析結(jié)果相符。

2.3 偽碼同步中捕獲和跟蹤實驗

偽碼同步過程中捕獲和跟蹤實驗的波形如圖6所示。捕獲過程采用滑動相關(guān)法進行，而跟蹤過程采用延遲鎖定環(huán)進行。其中圖6(a)是偽碼捕獲過程中信號自相關(guān)函數(shù)波形變化圖，圖6(b)是偽碼跟蹤過程中信號自相關(guān)函數(shù)變化圖。所有實驗結(jié)果均與理論分析結(jié)果相符。

2.4 其他可拓展性的實驗內(nèi)容

在擴頻通信實時仿真實驗平臺上也可以做很多其他的實驗，如信道模型實驗、調(diào)制解調(diào)實驗以及抗干擾實驗等。這些實驗均可以進行課堂演示，也可以用課程設(shè)計形式讓學(xué)生自己進行拓展性實驗，本文不一一列出實驗結(jié)果。

圖4 直擴系統(tǒng)的擴頻和調(diào)制實驗圖示

圖5 直擴系統(tǒng)的解擴和解調(diào)實驗圖示

圖6 偽碼捕獲和跟蹤實驗波形圖

3 結(jié)束語

在利用Matlab/Simulik所設(shè)計的擴頻系統(tǒng)實時仿真實驗系統(tǒng)中，各實驗所得結(jié)果均是正確的，且輸出結(jié)果會隨著輸入?yún)?shù)的變化而實時改變。因此，可以將此實驗系統(tǒng)應(yīng)用到實際教學(xué)中，使抽象的、理論性強的、難以理解和掌握的擴頻通信課程變得簡單易懂、可視化，從而降低教學(xué)的復(fù)雜度，方便學(xué)生的學(xué)習(xí)。

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