擴(kuò)頻通信中過(guò)程參數(shù)的仿真研究與性能分析

韓 建 魏運(yùn)鋒 談卿瑕 趙曉丹

(1.東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田公司，黑龍江 大慶 163318)

擴(kuò)頻通信即擴(kuò)展頻譜通信(Spread Spectrum Communication，SSC)，以其較強(qiáng)的抗干擾、抗衰落和抗多徑性能成為第三代移動(dòng)通信的核心技術(shù)[1]。擴(kuò)頻通信是在發(fā)端利用偽隨機(jī)碼序列調(diào)制待傳送的初始信息，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸；在收端則用同樣的偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，恢復(fù)出原始信息數(shù)據(jù)。利用擴(kuò)展頻譜的方式換取信噪比增益[2]。

筆者對(duì)構(gòu)建的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的信號(hào)進(jìn)行跟蹤和仿真，并對(duì)其頻譜特性進(jìn)行研究和分析，為以擴(kuò)頻通信為基礎(chǔ)的現(xiàn)代通信的研究和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 擴(kuò)頻通信基本原理①

1.1 理論基礎(chǔ)

擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)是香農(nóng)定理：在高斯白噪聲干擾條件下，設(shè)信號(hào)帶寬為B(單位Hz)，信道輸出信號(hào)平均功率為S(單位W)，輸出加性高

斯噪聲功率為N(單位W)，則該通信系統(tǒng)的信道容量C=Blog2(1+S/N)，由公式可以得出，在一定的信道容量條件下，信號(hào)帶寬B跟信噪比S/N是可以互換的，而B(niǎo)與信道容量C成正比關(guān)系，C與S/N成對(duì)數(shù)關(guān)系，因此增加B比增加S/N(或發(fā)射功率S)更加有效[3]，即在信道容量相同的條件下，寬帶系統(tǒng)比窄帶系統(tǒng)的抗干擾性能要好，所以在強(qiáng)噪聲干擾環(huán)境下，可以采用擴(kuò)頻通信的方法(增加信號(hào)帶寬)來(lái)改善通信質(zhì)量。

1.2 擴(kuò)頻通信模型的建立

在擴(kuò)頻通信中，直擴(kuò)和調(diào)頻是最基本的工作方式，筆者構(gòu)建的是直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)，即直接用高碼率的擴(kuò)頻碼在發(fā)送端去擴(kuò)展待發(fā)送信號(hào)的頻譜；在接收端，用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行解擴(kuò)，將展寬的擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)成原始信息[4]。直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)如圖1所示，左邊是信息發(fā)送端，右邊是信息接收端。在信息發(fā)送端發(fā)出信息a(t)與擴(kuò)頻碼發(fā)

圖1 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)框圖

生器生成的擴(kuò)頻碼序列c(t)經(jīng)過(guò)乘法器得到擴(kuò)頻信號(hào)d(t)，擴(kuò)頻信號(hào)再被載波(頻率為f0)調(diào)制輸出s(t)并發(fā)送出去。這樣就得到已擴(kuò)頻調(diào)制的射頻信號(hào)[5]。

在信息接收端，本振可以產(chǎn)生頻率為fL高頻載波信號(hào)(本振信號(hào))，且有f0-fL=中頻(為了使放大器能夠穩(wěn)定工作并減小干擾，一般的接收機(jī)都要將高頻信號(hào)變?yōu)橹蓄l信號(hào))；接收端收到的擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)高放后與本振信號(hào)混頻后得到中頻信號(hào)r1(t)，然后r1(t)與本地生成的與發(fā)送端相同的擴(kuò)頻碼序列c′(t)相乘實(shí)現(xiàn)相關(guān)解擴(kuò)得到r1′(t)后經(jīng)解調(diào)恢復(fù)出原始信號(hào)。

2 過(guò)程信號(hào)頻譜分析

利用仿真工具Simulink對(duì)構(gòu)建的通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真。將直擴(kuò)系統(tǒng)仿真模型劃分為如圖2所示的六大模塊。

圖2 直擴(kuò)系統(tǒng)仿真模塊劃分框

以下對(duì)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)里的擴(kuò)頻解擴(kuò)、BPSK調(diào)制解調(diào)、傳輸信道與誤碼率統(tǒng)計(jì)進(jìn)行模塊仿真和頻譜分析。圖3為擴(kuò)頻調(diào)制前基帶信號(hào)的頻譜和擴(kuò)頻后的信號(hào)頻譜，可以看出原本信號(hào)帶寬近似1kHz，經(jīng)擴(kuò)頻調(diào)制后約為225kHz，這與參數(shù)設(shè)置的應(yīng)得結(jié)果相符，信號(hào)被成功擴(kuò)展。

a. 初始信號(hào)

b. 擴(kuò)頻調(diào)制后的信號(hào)

2.1 BPSK調(diào)制模塊

由圖4可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)BPSK調(diào)制，信號(hào)頻率被搬移到510kHz附近。

圖4 BPSK調(diào)制頻譜

2.2 信道模塊

圖5為解擴(kuò)后的信號(hào)頻譜圖，將其與圖4所示的BPSK調(diào)制頻繁譜進(jìn)行比較可以看出，解擴(kuò)后頻譜變窄，但仍在510kHz的頻點(diǎn)上。

圖5 解擴(kuò)后信號(hào)頻譜

2.3 BPSK解調(diào)模塊

在信號(hào)同正弦載波相乘后得到了解調(diào)后的波形，可以看到仍有很多噪聲形成的毛刺，同時(shí)也能看到明顯的信號(hào)包絡(luò)。經(jīng)過(guò)低通濾波器后，噪聲帶來(lái)的毛刺被濾除獲得光滑的信號(hào)包絡(luò)，再經(jīng)過(guò)抽樣判決器就可以得到恢復(fù)出的原始信息[6]。這里要注意的是，抽樣判決器的采樣時(shí)間應(yīng)與信號(hào)發(fā)生器采樣時(shí)間相同，即需要設(shè)為0.001，才能得到較好的解調(diào)信號(hào)。

圖6為信號(hào)在BPSK解調(diào)后的頻譜圖，可以看到帶寬為1kHz，頻率被搬移至低頻。

圖6 BPSK解調(diào)后信號(hào)頻譜

2.4 誤碼率統(tǒng)計(jì)模塊

將仿真時(shí)間設(shè)為0.1s時(shí)，示波器顯示如圖7所示，顯示了0.1s中100位信息碼元的對(duì)比，可以看出，信源波形與解擴(kuò)解調(diào)后波形完全一致，但是后者有一個(gè)延遲，這是因?yàn)榻庹{(diào)恢復(fù)輸出的信號(hào)相比輸入信號(hào)有一定延遲。因此必須在誤碼率統(tǒng)計(jì)器中有設(shè)置延遲參數(shù)為一位，否則誤碼率統(tǒng)計(jì)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤[7]。

圖7 信源與解調(diào)后信息波形

3 系統(tǒng)抗干擾性分析

由表1可見(jiàn)，該直擴(kuò)通信系統(tǒng)在信道信噪比SNR大于-24dB時(shí)都能完全實(shí)現(xiàn)零誤碼率通信，當(dāng)SNR低于-24dB后，通信質(zhì)量逐漸下滑。擴(kuò)頻通信技術(shù)使得系統(tǒng)抵抗高斯白噪聲干擾的能力很強(qiáng)，在有用信號(hào)很微弱，甚至于淹沒(méi)在噪聲(強(qiáng)干擾環(huán)境)下時(shí)仍可以保證通信質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)可靠通信。

表1 高斯白噪聲環(huán)境中不同信噪比下的誤碼率

由表2、3可見(jiàn)，有擴(kuò)頻調(diào)制時(shí)，系統(tǒng)在單頻正弦干擾幅度為13V時(shí)仍可以正?；謴?fù)出原始信息；而沒(méi)有擴(kuò)頻調(diào)制的情況下，當(dāng)單頻正弦干擾幅度達(dá)到1V時(shí)，就已經(jīng)有了0.31的誤碼率。通過(guò)對(duì)有擴(kuò)頻部分和無(wú)擴(kuò)頻部分兩種系統(tǒng)的比較可以看出，擴(kuò)頻系統(tǒng)能有效地抗單頻正弦干擾。

表2 抗單頻正弦干擾(SNR=10dB，有擴(kuò)頻模塊)

表3 抗單頻正弦干擾(SNR=10dB，無(wú)擴(kuò)頻模塊)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)示波器和頻譜示波器來(lái)觀察整個(gè)過(guò)程中信號(hào)波形和頻譜的變化，驗(yàn)證了擴(kuò)頻解擴(kuò)的功能，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可以清晰地看出，直擴(kuò)通信系統(tǒng)在較惡劣的通信環(huán)境中仍然能夠?qū)崿F(xiàn)可靠通信，相比傳統(tǒng)通信系統(tǒng)具備更強(qiáng)的抗高斯白噪聲和抗單品正弦干擾能力。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)更符合實(shí)際傳輸環(huán)境下的通信要求，特別適用于無(wú)線通信。