扩频通信实时仿真实验系统的设计与实现

李新民

(西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710054)

扩频通信是通信专业一门重要的专业课，它涉及的相关技术领域和应用较多，诸如抗干扰技术、多址技术、调制解调技术以及测距技术等[1-3]。扩频通信概念抽象，而传统教学因课时较少、受实验条件限制，较少进行实验教学，使学生很难获得直观印象和动手设计的机会[4]。本文利用Matlab/Simulink平台设计了扩频通信实时仿真实验系统，在课堂教学中可以当堂演示，使抽象的理论知识具体化、形象化，使扩频知识变得通俗易懂、容易掌握。该系统作为一个平台，可以增设一些扩展型的课程设计内容，使学生在设计中增长学习的兴趣和科研能力。

1 实验系统的组成和设计

1.1 系统的组成

扩频通信实时仿真实验系统主要分为两部分：直接序列扩频(直扩)系统和跳频系统，涵盖了扩频通信课程的大部分内容。直扩仿真系统分为发射端、接收端和伪码同步模块；跳频系统也分为发射端、接收端和伪码同步模块。系统的各个模块可以单独运行，当然也可以连接起来完成整个系统的仿真。

本文以直扩系统为例介绍该扩频通信实时仿真实验系统的设计。

1.2 发送端模块

直扩系统的发送端仿真模块结构见图1，其参数为：数据速率1kbit/s，扩频码速率为127kbit/s。扩频码使用7级移位寄存器生成的m序列，生成多项式为f(x)=1+x6+x7，码长为127。采用BPSK调制，载波频率为500kHz。

图1 直扩系统发送端仿真模块结构

发送端数据由时钟Pulse Generator控制产生随机二进制数据，产生过程由Data_GEN模块控制，使用了S函数Data_GEN。扩频码由时钟Pulse Generator1控制产生码长为127的m序列，产生过程由Data_GEN模块控制，使用了S函数PN_GEN(S函数的使用参阅文献[5-7])。Shaping模块完成负逻辑映射，将二进制“1”映射为-1电平，“0”映射为+1电平。扩频调制由模块Product完成。射频调制由Product1完成，使用的正弦载波由模块Sine Wave Function产生，正弦载波幅度为1V。射频调制后信号经过加性高斯白噪声信道，再使用模块Sine Wave Function1产生的单频正弦载波作为干扰，该干扰的频率为3kHz。仿真中假定信噪比(信号与高斯白噪声功率比)为20dB，单频正弦干扰的幅度为10V。

1.3 接收端模块

在直扩系统的接收端，首先利用外差式解扩器将接收信号变频为250kHz的中频信号，然后利用Costas环(具体实现参阅文献[5])进行载波的恢复和中频解调恢复出数据，系统中各个模块的设计与搭建参阅文献[8-10]。图2给出了直扩系统接收端的仿真模块。

图2 直扩系统接收端仿真模块结构

图2中，模块Sine Wave Function2产生一个频率为250kHz的本地载波信号，与本地产生的同步伪随机码信号进行调制，然后与接收到的信号进行相关处理。相关处理器由模块Product3和Digital Filter Design1组成。其中Digital Filter Design1为一中频250kHz的窄带滤波器，带宽为2kHz。相关处理后的信号经模块Gain放大后送入Costas环路进行中频载波的恢复和数据的解调。由于采用的是BPSK调制，所以搭建的是二相Costas环。其中压控振荡器的静态频率设为250kHz，输出频率的灵敏度为1Hz/V。环路滤波器由模块Gain1、Gain3、Add2及单位延迟单元组成。解调以后的信号经过一个简单的判决模块Compare to Zero恢复出有用信息数据。

1.4 伪码同步模块

该直扩系统的伪码同步模块在基带中完成，采用滑动相关法，跟踪过程使用简化的双Δ值延迟锁定环。仿真模块如图3所示。

图3 直扩系统伪码同步仿真模块

伪码捕获时使用时钟Pulse Generator3，使本地伪码与接收到的信号的伪码相位滑动。当两码的相位差在一个码片之内时，相关输出经过积分后电平高于门限，RS触发器输出高电平锁定，并且控制开关Switch，使用时钟Pulse Generator4的信号。时钟Pulse Generator4的频率低于接收伪码的频率，这样经过一定时间的累积，使稍微超前的本地码相位逐渐滞后。累积的时间由延迟单元Unit Delay3控制。RS触发器的Q端高电平经过Unit Delay3延迟一定时间后输出，从而控制Switch1，使本地伪码时钟转为Pulse Generator5，即同步的时钟127kHz。

2 实验系统的实现

2.1 发送端的扩频与调制实验

利用发送端模块所做的扩频和调制实验波形和频谱如图4所示。其中图4(a)是有用信息和伪随机码按位模2和而完成扩频实验的波形图，(b)是调制实验前后的波形图，图4(c)—图4(e)是扩频和调制的信号频谱图，实验结果均与理论分析结果相符。

2.2 接收端的解扩和解调实验

利用接收端模块进行外差式相关解扩和Costas环解调实验的波形和频谱见图5。图5(a)是相关解扩前后信号的波形图，图5(b)和图5(c)分别是解扩前后信号的频谱图。图5(d)是解调以后信号与原始信号的波形比较图。所有实验结果均与理论分析结果相符。

2.3 伪码同步中捕获和跟踪实验

伪码同步过程中捕获和跟踪实验的波形如图6所示。捕获过程采用滑动相关法进行，而跟踪过程采用延迟锁定环进行。其中图6(a)是伪码捕获过程中信号自相关函数波形变化图，图6(b)是伪码跟踪过程中信号自相关函数变化图。所有实验结果均与理论分析结果相符。

2.4 其他可拓展性的实验内容

在扩频通信实时仿真实验平台上也可以做很多其他的实验，如信道模型实验、调制解调实验以及抗干扰实验等。这些实验均可以进行课堂演示，也可以用课程设计形式让学生自己进行拓展性实验，本文不一一列出实验结果。

图4 直扩系统的扩频和调制实验图示

图5 直扩系统的解扩和解调实验图示

图6 伪码捕获和跟踪实验波形图

3 结束语

在利用Matlab/Simulik所设计的扩频系统实时仿真实验系统中，各实验所得结果均是正确的，且输出结果会随着输入参数的变化而实时改变。因此，可以将此实验系统应用到实际教学中，使抽象的、理论性强的、难以理解和掌握的扩频通信课程变得简单易懂、可视化，从而降低教学的复杂度，方便学生的学习。

[1] 田日才.扩频通信[M].北京：清华大学出版社，2007.

[2] 暴宇，李新民.扩频通信技术及应用[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，2011.[3] 曾一凡，李晖.扩频通信原理[M].北京：机械工业出版社，2005.

[4] 王芳.基于Matlab平台的通信专业柔性实验系统研究与实践[J].实验技术与管理，2012，29(7)：77-79.

[5] 赵刚.扩频通信系统实用仿真技术[M].北京：国防工业出版社，2009.

[6] 王立宁，乐光新，詹菲.MATLAB与通信仿真[M].北京：人民邮电出版社，2000.

[7] 孙屹，李妍.MATLAB通信仿真开发手册[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[8] 范伟，翟传润，战兴群.基于MATLAB的扩频通信系统仿真研究[J].微计算机信息，2006，22(7)：242-244.

[9] 徐明远，邵玉斌.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005.

[10] 王典洪，李东峰，刘兵.直接扩频技术的仿真以及实现[J].通信技术，2007，40(9)：1-2.