扩频通信中过程参数的仿真研究与性能分析

韩 建 魏运锋 谈卿瑕 赵晓丹

(1.东北石油大学电子科学学院，黑龙江 大庆 163318；2.大庆油田公司，黑龙江 大庆 163318)

扩频通信即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication，SSC)，以其较强的抗干扰、抗衰落和抗多径性能成为第三代移动通信的核心技术[1]。扩频通信是在发端利用伪随机码序列调制待传送的初始信息，实现频谱扩展后再传输；在收端则用同样的伪随机码序列进行解扩，恢复出原始信息数据。利用扩展频谱的方式换取信噪比增益[2]。

笔者对构建的扩频通信系统中的信号进行跟踪和仿真，并对其频谱特性进行研究和分析，为以扩频通信为基础的现代通信的研究和设计提供依据。

1 扩频通信基本原理①

1.1 理论基础

扩频通信的理论基础是香农定理：在高斯白噪声干扰条件下，设信号带宽为B(单位Hz)，信道输出信号平均功率为S(单位W)，输出加性高

斯噪声功率为N(单位W)，则该通信系统的信道容量C=Blog2(1+S/N)，由公式可以得出，在一定的信道容量条件下，信号带宽B跟信噪比S/N是可以互换的，而B与信道容量C成正比关系，C与S/N成对数关系，因此增加B比增加S/N(或发射功率S)更加有效[3]，即在信道容量相同的条件下，宽带系统比窄带系统的抗干扰性能要好，所以在强噪声干扰环境下，可以采用扩频通信的方法(增加信号带宽)来改善通信质量。

1.2 扩频通信模型的建立

在扩频通信中，直扩和调频是最基本的工作方式，笔者构建的是直接序列扩频系统，即直接用高码率的扩频码在发送端去扩展待发送信号的频谱；在接收端，用相同的扩频码进行解扩，将展宽的扩频信号恢复成原始信息[4]。直接序列扩频系统如图1所示，左边是信息发送端，右边是信息接收端。在信息发送端发出信息a(t)与扩频码发

图1 直接序列扩频系统框图

生器生成的扩频码序列c(t)经过乘法器得到扩频信号d(t)，扩频信号再被载波(频率为f0)调制输出s(t)并发送出去。这样就得到已扩频调制的射频信号[5]。

在信息接收端，本振可以产生频率为fL高频载波信号(本振信号)，且有f0-fL=中频(为了使放大器能够稳定工作并减小干扰，一般的接收机都要将高频信号变为中频信号)；接收端收到的扩频信号经高放后与本振信号混频后得到中频信号r1(t)，然后r1(t)与本地生成的与发送端相同的扩频码序列c′(t)相乘实现相关解扩得到r1′(t)后经解调恢复出原始信号。

2 过程信号频谱分析

利用仿真工具Simulink对构建的通信系统进行仿真。将直扩系统仿真模型划分为如图2所示的六大模块。

图2 直扩系统仿真模块划分框

以下对直接序列扩频通信系统里的扩频解扩、BPSK调制解调、传输信道与误码率统计进行模块仿真和频谱分析。图3为扩频调制前基带信号的频谱和扩频后的信号频谱，可以看出原本信号带宽近似1kHz，经扩频调制后约为225kHz，这与参数设置的应得结果相符，信号被成功扩展。

a. 初始信号

b. 扩频调制后的信号

2.1 BPSK调制模块

由图4可见，经过BPSK调制，信号频率被搬移到510kHz附近。

图4 BPSK调制频谱

2.2 信道模块

图5为解扩后的信号频谱图，将其与图4所示的BPSK调制频繁谱进行比较可以看出，解扩后频谱变窄，但仍在510kHz的频点上。

图5 解扩后信号频谱

2.3 BPSK解调模块

在信号同正弦载波相乘后得到了解调后的波形，可以看到仍有很多噪声形成的毛刺，同时也能看到明显的信号包络。经过低通滤波器后，噪声带来的毛刺被滤除获得光滑的信号包络，再经过抽样判决器就可以得到恢复出的原始信息[6]。这里要注意的是，抽样判决器的采样时间应与信号发生器采样时间相同，即需要设为0.001，才能得到较好的解调信号。

图6为信号在BPSK解调后的频谱图，可以看到带宽为1kHz，频率被搬移至低频。

图6 BPSK解调后信号频谱

2.4 误码率统计模块

将仿真时间设为0.1s时，示波器显示如图7所示，显示了0.1s中100位信息码元的对比，可以看出，信源波形与解扩解调后波形完全一致，但是后者有一个延迟，这是因为解调恢复输出的信号相比输入信号有一定延迟。因此必须在误码率统计器中有设置延迟参数为一位，否则误码率统计会出现错误[7]。

图7 信源与解调后信息波形

3 系统抗干扰性分析

由表1可见，该直扩通信系统在信道信噪比SNR大于-24dB时都能完全实现零误码率通信，当SNR低于-24dB后，通信质量逐渐下滑。扩频通信技术使得系统抵抗高斯白噪声干扰的能力很强，在有用信号很微弱，甚至于淹没在噪声(强干扰环境)下时仍可以保证通信质量，实现可靠通信。

表1 高斯白噪声环境中不同信噪比下的误码率

由表2、3可见，有扩频调制时，系统在单频正弦干扰幅度为13V时仍可以正常恢复出原始信息；而没有扩频调制的情况下，当单频正弦干扰幅度达到1V时，就已经有了0.31的误码率。通过对有扩频部分和无扩频部分两种系统的比较可以看出，扩频系统能有效地抗单频正弦干扰。

表2 抗单频正弦干扰(SNR=10dB，有扩频模块)

表3 抗单频正弦干扰(SNR=10dB，无扩频模块)

4 结束语

通过示波器和频谱示波器来观察整个过程中信号波形和频谱的变化，验证了扩频解扩的功能，通过对实验数据的分析可以清晰地看出，直扩通信系统在较恶劣的通信环境中仍然能够实现可靠通信，相比传统通信系统具备更强的抗高斯白噪声和抗单品正弦干扰能力。扩频通信系统更符合实际传输环境下的通信要求，特别适用于无线通信。