直擴(kuò)通信原理的課堂教學(xué)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李明媚 董麗元 唐磊磊

摘 要：文中以直擴(kuò)通信原理的教學(xué)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(kuò)系統(tǒng)（DSSS）抗窄帶干擾和直擴(kuò)系統(tǒng)抗多徑干擾三部分構(gòu)成的課堂教學(xué)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(jī)交互實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算與特性曲線動(dòng)態(tài)繪制，用理論計(jì)算與仿真結(jié)果的對比及仿真結(jié)果的變化規(guī)律，驗(yàn)證m序列和直擴(kuò)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。系統(tǒng)將理論直觀化、動(dòng)態(tài)化，應(yīng)用于線上或線下課堂教

學(xué)，易于吸引學(xué)生的注意力，達(dá)到提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和提高教師教學(xué)質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞：偽隨機(jī)序列;擴(kuò)頻;特性分析;抗多徑干擾;抗窄帶干擾;教學(xué)輔助

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

0 引 言

擴(kuò)頻技術(shù)作為移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)通信等課程的重要教學(xué)內(nèi)容，利用偽隨機(jī)序列擴(kuò)展信號頻譜雖然會(huì)使信號的傳輸占用更多的資源，但偽隨機(jī)序列的自相關(guān)和互相關(guān)特性，使擴(kuò)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(kuò)頻技術(shù)被廣泛使用。隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)，越來越多的高校教師投入到通信、電子類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)工作中，為實(shí)驗(yàn)和課堂教學(xué)提供了很多寶貴的素材和經(jīng)驗(yàn)[1-4]。與擴(kuò)頻原理相關(guān)的仿真可在多種平臺上實(shí)現(xiàn)，如FPGA、MATLAB/Simulink、SystemView、LabVIEW等[5-9]。

本文依據(jù)擴(kuò)頻技術(shù)中直擴(kuò)通信原理的課堂教學(xué)思路，充分利用LabVIEW的圖形化、可視化編程特點(diǎn)[10]，開發(fā)了由m序列生成與特性分析、直擴(kuò)系統(tǒng)抗窄帶干擾、直擴(kuò)系統(tǒng)抗多徑干擾三部分構(gòu)成的教學(xué)輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合VI動(dòng)態(tài)調(diào)用[11]、人機(jī)交互、動(dòng)態(tài)演示、數(shù)據(jù)對比與分析等設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效的課堂教學(xué)。

1 直擴(kuò)通信原理課堂教學(xué)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(xué)思路進(jìn)行了直擴(kuò)通信原理教學(xué)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 m序列生成與特性分析設(shè)計(jì)

m序列由n級寄存器構(gòu)成的線性反饋移位寄存器的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shí)長Tb不變，周期長度m（或序列級數(shù)n）不同時(shí)，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(guān)值表現(xiàn)出尖銳的二值特性，其互相關(guān)值則會(huì)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(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面運(yùn)行效果如圖3（a）所示。系統(tǒng)可顯示2-5級m序列的產(chǎn)生器結(jié)構(gòu)，生成不同輸入狀態(tài)下的m序列;m序列的每一個(gè)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(guān)和互相關(guān)通過VI的動(dòng)態(tài)調(diào)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(guān)和互相關(guān)的特性分析借助人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算與動(dòng)態(tài)顯示。仿真實(shí)驗(yàn)生成的特性曲線和功率譜分布都可以導(dǎo)出，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)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(diǎn)帶寬相符，驗(yàn)證了m序列周期長度m（或序列級數(shù)n）與帶寬之間的關(guān)系。自相關(guān)和互相關(guān)特性可對2-4級m序列下的特性曲線進(jìn)行對比，達(dá)到驗(yàn)證目的。

3 直擴(kuò)系統(tǒng)抗窄帶干擾設(shè)計(jì)

直擴(kuò)系統(tǒng)（DSSS）抗窄帶干擾仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面運(yùn)行效果如圖4（a）所示，主要用于參數(shù)設(shè)置、波形顯示和實(shí)驗(yàn)選擇。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排中的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)通過VI的動(dòng)態(tài)調(diào)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(yīng)按鍵即可完成各階段的波形顯示，獲得最終的判決輸出結(jié)果。

圖4（e）和圖4（f）為誤碼分析實(shí)驗(yàn)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示界面。由此可見，高斯白噪聲影響下的2PSK（二進(jìn)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(yàn)證了直擴(kuò)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(fù)操作即可得到不同級數(shù)下直擴(kuò)系統(tǒng)的誤碼特性曲線，得出級數(shù)變化對直擴(kuò)系統(tǒng)抗窄帶干擾性能的影響規(guī)律。

4 直擴(kuò)系統(tǒng)抗多徑干擾設(shè)計(jì)

直擴(kuò)系統(tǒng)抗多徑干擾仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。以m1序列作為用戶1數(shù)據(jù)的擴(kuò)頻碼測得的仿真實(shí)驗(yàn)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(jìn)行解擴(kuò)時(shí)，系統(tǒng)誤碼率明顯低于不同步時(shí)的誤碼率;有噪聲影響時(shí)，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(jié)構(gòu)產(chǎn)生的m2序列對無噪聲影響下的兩用戶2-4路信號進(jìn)行解擴(kuò)時(shí)，通信誤碼率很高，不能正確恢復(fù)用戶1的數(shù)據(jù)。由此驗(yàn)證了m序列的自相關(guān)和互相關(guān)特性，使直擴(kuò)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(kuò)系統(tǒng)的抗多徑干擾性能越好。

5 結(jié) 語

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

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