直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真研究*

周風(fēng)波　黃乘順

(邵陽學(xué)院　邵陽　422000)

?

直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真研究*

周風(fēng)波黃乘順

(邵陽學(xué)院邵陽422000)

直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具有抗干擾性強(qiáng)、隱蔽性好、易于提高信號接收質(zhì)量、抗多徑干擾、增加信道容量等眾多優(yōu)點(diǎn)，在蜂窩電話、無線數(shù)據(jù)通信、衛(wèi)星通信以及軍事戰(zhàn)術(shù)通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。論文以擴(kuò)頻通信理論為基礎(chǔ)，分析了偽隨機(jī)序列，并用Matlab對直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。

直接序列擴(kuò)頻通信;偽隨機(jī)序列

Class NumberTP391

1　引言

擴(kuò)頻通信 (Spread Spectrum Communication),與衛(wèi)星通信、光纖通信一同被譽(yù)為信息時代的三種高技術(shù)通信手段[1]。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)工作原理:發(fā)送端用某種特定的擴(kuò)頻函數(shù)對傳輸信息的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展后變?yōu)閷掝l帶信號，然后送入信道進(jìn)行傳輸，接收端則用對應(yīng)的本地偽隨機(jī)碼進(jìn)行解擴(kuò)處理,從而獲取發(fā)送端的傳輸信息。在擴(kuò)頻通信中,由于擴(kuò)頻后的擴(kuò)頻碼序列的帶寬遠(yuǎn)大于擴(kuò)頻前的信息序列帶寬，因此調(diào)制信號的帶寬主要由擴(kuò)頻信號來決定，一般使用偽隨機(jī)編碼信號作為擴(kuò)頻函數(shù)。

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)與常規(guī)通信系統(tǒng)相比，具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，發(fā)射功率譜密度低，具有信息隱蔽、多址保密通信等特點(diǎn)[2]。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)一般分為四種：直接序列擴(kuò)頻、跳頻、跳時和混合擴(kuò)頻。本文研究直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。

2　直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)

2.1直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)原理

圖1為直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的發(fā)送框圖，圖2為直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的接收框圖。在發(fā)送端，a(t)為碼元持續(xù)時間為Ta的信息流，c(t)為偽隨機(jī)碼發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼，每一個偽隨機(jī)碼的長度為Tc，將信息流a(t)和偽隨機(jī)碼c(t)進(jìn)行模2相加，產(chǎn)生帶寬遠(yuǎn)大于信息序列a(t)帶寬的擴(kuò)頻序列，然后再對擴(kuò)頻序列進(jìn)行調(diào)制得到已擴(kuò)頻調(diào)制的射頻信號，發(fā)送到無線信道中。在接收端，對接收的擴(kuò)頻信號進(jìn)行高放和混頻，然后用與發(fā)送端相同的偽隨機(jī)序列進(jìn)行相關(guān)的解擴(kuò)處理，再進(jìn)行解調(diào)，從而恢復(fù)出所傳輸?shù)男畔⑿蛄衋(t)。對于噪聲和干擾信號，由于與偽隨機(jī)序列具有不相關(guān)性，在對其進(jìn)行解擴(kuò)處理，導(dǎo)致干擾信號和噪聲頻譜被擴(kuò)展，從而降低了譜密度，因此極大地降低了對信號的干擾功率，使得解調(diào)器的輸入信噪比的信干比得到提高，極大地提高了直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力[5]。

圖1　直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)送框圖

圖2　直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)接收框圖

2.2直接序列擴(kuò)頻通信的性能分析

直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)來自信息論，可以用香農(nóng)信道容量公式描述：

C=Wlog2(1+S/N)

其中，C表示信道容量，W為信號帶寬，S表示信號功率，N為噪聲功率。

香農(nóng)公式表明，在給定的傳輸速率不變的條件下，可以通過增大傳輸信號的帶寬，從而可以在信噪比較低的條件下進(jìn)行信息的傳輸。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)就是利用這一原理，在相同的信噪比條件下，與常規(guī)通信系統(tǒng)相比，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的一個重要參數(shù)是處理增益。處理增益定義為接收相關(guān)處理器輸出信噪比與輸入信噪比之比值，即：

經(jīng)過分析可知，

處理增益可以反映直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾能力的強(qiáng)弱，因此，提高直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的處理增益，可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的另一個重要參數(shù)是干擾容限。干擾容限是指在確保擴(kuò)頻系統(tǒng)正常工作的情況下，接收機(jī)可以接受的干擾信號比傳輸信號高出的分貝值，用Mj表示：

其中，S/N表示系統(tǒng)正常工作所需的最小輸出信噪比，Gp表示系統(tǒng)的處理增益，LS表示系統(tǒng)的內(nèi)部損耗。

干擾容限直接反映了直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的極限干擾強(qiáng)度，因此只有干擾信號的功率超過干擾容限時，才能夠?qū)χ苯有蛄袛U(kuò)頻系統(tǒng)形成干擾。因此，與處理增益相比，干擾容限能夠更準(zhǔn)確地反映直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力。

3　偽隨機(jī)序列

在直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，使用擴(kuò)頻碼對傳輸信號進(jìn)行頻譜的擴(kuò)展。擴(kuò)頻碼需要滿足以下條件：具有隨機(jī)性，容易產(chǎn)生，具有較長的周期，從而避免干擾者從擴(kuò)頻碼的一小部分重構(gòu)整個擴(kuò)頻碼序列，同時具有良好的自相關(guān)性和互相關(guān)性，從而便于捕獲和跟蹤。

一般常用的擴(kuò)頻碼序列有m序列和gold序列。

3.1m序列

m序列易于實(shí)現(xiàn)，具有良好的自相關(guān)特性，是非常重要的一種偽隨機(jī)序列。m序列是一種最長線性移位寄存器序列，是由移位寄存器以及反饋后產(chǎn)生的，如圖3所示。

圖3　反饋移位寄存器機(jī)構(gòu)

圖3中an-i(i=1,2,3,…,r)表示移位寄存器中每個寄存器的狀態(tài)，取值為0或者1，ci(i=1,2,3,…,r)表示第i位寄存器的反饋系數(shù)，若ci為0則表示無反饋，ci為1表示有反饋。

m序列的主要特點(diǎn)有：

1)均衡性

周期為N的序列中，1的個數(shù)為2N-1，0的個數(shù)為2N-1-1，從而1的數(shù)目比0的數(shù)目多一個，根據(jù)這一性質(zhì)，得到碼序列調(diào)制信號的直流分量將決定于碼的均衡性。

2)移位相加性

一個序列與經(jīng)過m次延遲移位得到的另一個序列進(jìn)行模2相加，產(chǎn)生的序列仍然是原來序列的m次延遲移位序列。

3)偽隨機(jī)性

m序列的性質(zhì)與隨機(jī)序列的特征很相似，因此我們把m序列看做一種常用的偽隨機(jī)序列。

4)周期性

m序列的周期是2r-1，其中r表示移位寄存器的反饋級數(shù)。

5)相關(guān)特性

m序列的自相關(guān)函數(shù)的取值只有1和-1/N兩種。

3.2Gold序列

Gold碼是一種優(yōu)選對的復(fù)合碼，它是由兩個速率相同，長度一樣，但碼字不相同的m序列優(yōu)選對進(jìn)行模2相加后產(chǎn)生的，從而具有良好的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性。Gold碼序列繼承了m序列的很多特征，但是可用碼的數(shù)目又遠(yuǎn)多于m序列，是種很好的偽隨機(jī)序列。

Gold碼可以通過兩個方式產(chǎn)生：一種方式是將兩個移位寄存器并聯(lián)后進(jìn)行模2相加產(chǎn)生，另一種方式是將兩個優(yōu)選對的移位寄存器串聯(lián)成2r級的線性移位寄存器產(chǎn)生。

4　仿真分析

在Matlab平臺下，仿真參數(shù)設(shè)置如下：碼元速率為256ksps，使用QPSK調(diào)制方式，對應(yīng)的比特速率為512kbps，采用的擴(kuò)頻碼為m序列和Gold序列，擴(kuò)頻碼階數(shù)設(shè)為3，擴(kuò)頻因子設(shè)為7，信道模型為加性高斯白噪聲信道。

圖4　直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)采用不同擴(kuò)頻序列的性能仿真

圖4為直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在高斯信道下采用不同擴(kuò)頻序列的性能仿真曲線，由圖可知，隨著信噪比的提高，誤碼率逐漸減低，且在高斯信道下，系統(tǒng)采用m序列和Gold序列的性能相似，由于系統(tǒng)的性能與擴(kuò)頻增益和擴(kuò)頻碼速率有關(guān)，因此，在實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的不同要求來選擇不同的擴(kuò)頻碼序列。

5　結(jié)語

本文研究了直接序列擴(kuò)頻通信原理，分析常用的m序列和Gold擴(kuò)頻序列，研究擴(kuò)頻處理增益和干擾容限對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響,在高斯信道下使用不同擴(kuò)頻碼對系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真研究,為今后直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用和研究提供了依據(jù)。

[1]曾一凡，李輝.擴(kuò)頻通信原理[M].北京：機(jī)械出版社，2005.

[2]韋惠民.擴(kuò)頻通信技術(shù)及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2007.

[3]曾興雯,劉乃安,孫獻(xiàn)璞.擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004.

[4]AJViterbi著,李世鶴,鮑剛等譯.CDMA擴(kuò)頻通信原理[M].北京:人民郵電出版社,1997.

[5]康麗，邵玉斌.直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾性能研究[J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2006，6(3)：212-215.

[6]S.Spinsante,S.Andrenacci,E.Gambi.Modified de Bruijn Sequences for Spread Spectrum Communications[C]//IEEE Conference Publications,2011:1-9.

[7]Zhang Zhong.Pseudo-code Tracking Technology in Spread Spectrum Communication[C]//IEEE Conference Publications,2012:331-333.

[8]張欣.擴(kuò)頻通信數(shù)字基帶信號處理算法及其 VLSI 實(shí)現(xiàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[9]程樂.基于 FPGA 的直擴(kuò)接收機(jī)偽碼同步跟蹤技術(shù)的研究[D].成都:成都理工大學(xué),2009.

[10]孫麗萍,胡光銳.直接序列擴(kuò)頻通信中抑制窄帶干擾的非線性濾波方法明[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,37(3):338,340.

Direct Sequence Spread Spectrum Communication System

ZHOU FengboHUANG Chengshun

(Shaoyang University,Shaoyang422000)

The direct sequence spread spectrum communication system has many advantages,including strong anti-interference,good for hiding,easy to improve signal reception,anti-multipath interference,and increasing channel capacity.So it is widely used in various areas,such as cellular phone,wireless data communication,satellite communications and military tactical communications.Based on spread spectrum communication theory,the direct sequence spread frequency communication is simulated by using Matlab function.

direct sequence spread spectrum system(DSSS),pseudo-random sequence

2016年3月17日,

2016年4月25日

周風(fēng)波,男,工程師,研究方向：通信與信息處理。黃乘順,男,副教授,研究方向：通信與信息處理。

TP391DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.018