基于LabVIEW的直接扩频通信实验系统的设计

贾 勇, 胡炜琳, 晏 超, 钟晓玲, 郭 勇

(成都理工大学 信息科学与技术学院, 四川 成都 610059)

扩展频谱通信能够有效抵抗极端恶劣甚至负信噪比条件下的干扰影响,并且在信号保密性、截获率、距离分辨和多址复用等方面有诸多优点,被广泛应用于通信、雷达、导航等领域[1-3]。其中,直接序列扩频不仅是第三代移动通信的核心技术[4],在GPS全球定位、卫星数据通信[5]、分组无线通信、无线局域网WLAN等现代通信领域中也均有应用。随着5G通信技术的到来,研发基于扩频的新技术乃是抗干扰通信发展的重中之重,也是通信专业教学中的核心内容。

在目前扩频通信仿真实验教学中,一般采用VC、Matlab/Simulink等语言工具[6-8],但在进行设计分析时会面临编程技能要求较高、程序代码复杂抽象等问题。基于LabVIEW设计通信系统,为扩频通信仿真实验教学提供了一种很好的解决办法。以LabVIEW图形化方式灵活搭建仿真环境,能够提高系统开发和理论教学的效率[9-10],且比Simulink仿真更能够体现动态信号所引起的系统内部变化[11],有利于深入理解扩频通信的技术特点。

1 系统结构

直接序列扩频通信是指用一个独立的扩频码直接对载波进行调制,完成信号频谱的扩展,送入信道传输；在接收端,使用同步的扩频码,将频带压缩回原待传输信号的带宽,还原信息,以实现信息传输目标的通信方式。

一般情况下,在直接序列扩频通信系统的前向通道中,信息调制之后先进行扩频,再调制信号发射；若先调制再扩频,则失真率较高。在接收端,室外远距离通信一般采用先解扩再解调的方式；室内无线局域网通信则先解调再解扩,能使系统结构更加简洁、通信更加便捷。本系统为更好地体现直接扩频通信的抗干扰性能优势,采用先解扩再解调的顺序搭建。

在系统调制部分,振幅调制的保密性低、抗干扰能力较差,而相移键控方式的频带利用率和功率利用率更理想[12],是直接扩频通信的最优选择。本文使用最基础的二进制相移键控(binary phase shift keying,BPSK)作为本直接扩频系统的调制方式,利用载波的相位变化传递数字信息,设计了一种BPSK调制的直接序列扩频通信实验系统,并模拟真实传输情况,使信号经过噪声信道。该直接序列扩频通信系统主要由扩频模块、BPSK调制模块、加噪信道模块、解扩模块、BPSK解调及抽样模块组成,可以产生信号、进行信道传输和还原信号。

2 系统设计

直接扩频通信实验系统分为若干子功能模块,并按照数据流的方向进行连接。系统的总体程序框图如图1所示。系统输出序列之后,在误码计算子VI中累计传输的误码个数,计算误码百分比,并在前面板上显示。由于LabVIEW并行执行程序,为防止上一次计算结果对本次计算产生影响,使用平铺式顺序结构,使误码计算子VI显示当前通信状态的误码情况。整个系统项目共15个VI,其中包括14个子VI。

图1 直扩通信实验系统总体程序框图

2.1 产生4级m序列

扩频通信中最为关键的扩频码是一种窄脉冲序列,频带宽、码速率高,并且任意两码之间正交,统计特性与白噪声信号近似,能够完成扩展频谱的功能。

伪随机序列就是一种常见的扩频码序列,其中最长线性移位寄存器序列是最基本的一种序列,简称为m序列,由多级线性反馈移位寄存器产生,是一种周期性的最长码序列。

m序列可按照一递推方程计算产生,该方程描述了移位输入ak与各级状态之间的关系。对于任意一个输入ak,有

式中,求和符表示模2相加；ci表示移存器的结构和反馈连接,用特征方程f(x)表示。当f(x)为本原多项式时,可以产生m序列。

本文设计的直接扩频通信实验系统使用4级m序列扩频。根据输入的m序列初始状态和下拉列表控件属性“编辑项”中预设的两种本原多项式,利用for循环和公式节点编写类C程序,按照本原多项式中体现出的各级状态之间关系,移位输出15位的4级m序列,如图2所示。

图2 产生m序列子VI

2.2 扩频模块

在直接扩频系统中,若扩频码与信息码都为单极性码,则必须通过2个信号进行模2相加才可以完成扩频；若2个信号都为双极性码时,直接序列扩频仅需把2个信号波形相乘即可。故扩频模块中将m序列和原信号序列调整为双极性码,再将两者相乘扩频。此时相同电平相乘结果为正,不同电平相乘结果为负,正负分别表示高低电平。通过电平的交替变化,扩频后信号保留了原始信号与扩频序列中的信号信息。

在本模块中,将信号序列码型变换,通过索引数组函数,依次取出序列中的每一位与扩频序列进行逐位相乘,再次变换回单极性,完成扩频操作。扩频后序列的长度为原始信息序列与伪随机序列的长度之积。扩频子VI的程序框图如图3所示。

图3 扩频子VI程序框图

2.3 解扩模块

解扩是扩频的反变换,序列的解扩即为信号与扩频序列再次相乘。扩频序列与其自身相乘,乘积恒为定值“1”,如此便可还原出原始信号。若在信道中存在干扰和噪音,由于与扩频码不相关或相关性很小,噪声在接收端被扩展频谱,大部分的干扰影响将被剔除,使得通信能够正常进行。

本系统中设计了解扩子VI,使其能够接收信道传输波形并进行解扩处理。将同步的m序列进行单极性到双极性的变换,扩展使之与信道传输波形等长。用此序列调制载波,形成一个能够与传输波形进行对比的波形。令对比波形与信道传输波形相乘,得到中间信号,乘积为正则表示波形相位相同,乘积为负则表示波形相位相反。由此可以对比出原序列的每一位码元,此时已经能够判断出原序列的信息情况。

为降低误码风险,需对中间信号进行处理。利用数组子集函数,将中间信号按一个码周期内点数划分成几个数组,数组的数量等于原序列的长度。对每组中所有的点取均值,若均值为正则表示高电平,即对应得到原序列为“1”,否则得到“0”,输出即为解扩序列,亦是还原出的原始信息序列。将解扩序列键控的波形输入下一级,以便进行后续解调抽样,如图4所示。

图4 解扩子VI程序框图

2.4 信道干扰模块

在扩频通信中,除高斯白噪声之外,主要需考虑窄带干扰、多径干扰和多址干扰。直接扩频通信实验系统的信道干扰模块将此3种干扰都包括在内。利用冲激函数得到窄带干扰信号,将m序列分别通过一位数组循环移位函数和重排一位数组函数,得到多径和多址干扰信号,调制之后加入信道传输,模拟几类干扰情况,如图5所示。

图5 信道干扰子VI

2.5 BPSK调制解调模块

BPSK调制解调模块分别采用模拟调制法和相干解调法。采用模拟调制法,将输入序列生成波形,码型变换成双极性信号,以便对载波信号进行调制。在BPSK已调信号的波形中,0相表示输入序列的“1”,π相表示输入序列的“0”,输出为已调信号。在BPSK解调子VI中相干解调,接收信号与同步载波相乘后得到输出波形,经低通滤波器滤除高频、保留低频,抽取解调后信号每个码元中心点的值进行判决。根据双极性码与单极性码之间的对应关系,将抽样值与0电平进行比对,若为正电平则输出“1”,否则输出“0”,还原出原始信号。

2.6 系统前面板

在设计的直接扩频通信实验系统的前面板中,可以自由设置信息序列的长度和内容,调整信道传输过程中的各参数,对扩频和几种干扰进行开关操作,方便进行不同传输状态的切换和测试分析,所有序列的情况全部显示在序列信息框中。系统内部产生的各类波形和功率谱密度同样能够在前面板中得以显示。

3 分析测试

为对比扩频与非扩频之间的差异,分别进行误码及占用带宽测试。设置采样率大于1 500 Hz,以保证采样率除以码速率时取整舍去部分的影响不大。以10位的数字信号序列“1101001101”为输入,进行系统的测试分析。

3.1 非扩频通信误码分析

在非扩频通信中,扩频和各类干扰开关关闭,设置载波频率为150 Hz,采样率为1 600 Hz,信息码速率为10 B,信道标准差为0.2 dB。非扩频通信时,程序框图中所有模块皆需使用信息码速率。从前面板中能够显示出实验结果。此时误码为0,系统正常通信。

当窄带干扰时,其他设置不变,前面板显示此时的误码率在20%。分别进行多径干扰和多址干扰时,前面板显示的误码率大致在0～30%和0～40%内浮动。

3.2 扩频通信误码分析

在扩频通信时,打开扩频开关,设置m序列初始状态为“1001”,本原多项式选择(1+x+x4),其他设置与非扩频通信一致。扩频时,所有模块皆需使用PN码速率。若解扩序列与扩频序列不同步或为不同序列时,两次相乘的结果不为定值,无法还原出原始信息,保障了信号在传输过程中的保密性。

扩频前后的序列波形如图6所示。在相同的时间间隔内,信息序列的每一位都被扩展成一个m序列。扩频开关开启后,解扩子VI中表示信号序列码元信息的中间信号波形如图7所示,波形体现出原序列的信息情况,经过解扩子VI下一步的处理,即可得到解扩后的序列,并且与原序列相同。

图6 序列扩频前后波形

图7 解扩子VI的中间信号波形

理论分析中窄带干扰信号在解扩时与扩频序列相乘,各码片间正负抵消,从而被抑制；由于扩频序列的自、互相关特性,多径和多址干扰也被有效抑制。测试时首先进行窄带干扰,结果显示误码为0,系统正常通信,干扰后的波形及功率谱密度如图8所示。分别进行多径干扰和多址干扰,前面板显示误码皆为0,系统正常通信。

图8 扩频时窄带干扰后的波形及频谱

由于程序运行和不同模块间接收数据的缘故,当信道噪声标准差大于4.4且无其他干扰时,扩频和非扩频通信均出现较明显的误码,范围分别为0～10%之间和0～20%。

从几种干扰的结果看,扩频通信能够很好地抑制窄带干扰、多径干扰和多址干扰,但对高斯噪声干扰的抵抗力只略微优于非扩频系统,与理论分析相符。总体结果表明,直接扩频通信的传输误码率得到有效降低。

3.3 占用带宽分析

带宽和基带的符号速率大致成正比关系,系统带宽约等于符号速率。由于扩频后序列中的每一位都变成一个序列,相当于码元宽度变小,带宽增加。对于原始信息序列,理论上的符号率将提高伪随机序列位数个的倍数,相应的带宽也将提高相同倍数。

根据功率谱对信号频域进行分析,对比BPSK信号的功率谱密度可以看出,扩频前后信号频谱得到扩展,比较符合理论推算,如图9所示。

图9 扩频前后的BPSK功率谱密度

4 结语

经过测试分析说明,设计的基于LabVIEW的直接扩频通信实验系统在通信码速率对比、占用带宽对比以及不同传输状态下的误码情况对比清晰,各类波形明确,能够体现出直接序列扩频通信的优势性能和各种特点。本系统界面直观,操作性强,具有实用和拓展意义,对扩频通信相关的实验教学和研究开发具有较好的应用价值。