赵赴畅，张 鸿

（1.河海大学，南京211100；2.船舶重工集团公司723所，扬州225001）

0 引 言

扩频通信系统是在20世纪50年代中期产生的，其抗干扰、抗窃听、低截获等方面的能力得到很大的发展，但都只是局部的发展。随着微处理器、超大规模集成电路、数字信号处理器件、扩频专用器件的问世，在20世纪60年代扩频技术获得了重大的突破和进展，在实际的应用中优越性更加明显，扩频通信成为通信的一种重要方式。其优良的抗干扰特性、低截获概率特性、多址接入能力和强保密性在军事通信中发挥出了不可取代的优势［1］。扩频通信的种类多种多样，主要有直接扩频、跳频扩频、混合扩频等方式。本文主要使用的是直接扩频通信方式。

卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在2个或者多个地球站之间进行的通信。与其他通信方式相比，卫星通信的通信距离远，而且费用与通信距离无关，这是地面微波中继通信、光纤通信以及短波通信等其他手段无法比拟的；覆盖面积大，可以进行多址通信，只要是卫星的覆盖范围内都可以设置地球站；机动灵活，可以安装车载、机载等移动终端；通信线路稳定可靠，传输质量高。

Systemview是一个信号级的仿真软件，主要应用于电路与通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求，基本达到在个人计算机级别上完成复杂的通信系统设计与仿真的目的。

1 系统原理及其设计

1.1 直接扩频通信的原理及设计

扩频通信的理论基础主要是使用伪噪声序列的相关特性。通常的伪噪声序列是1个周期序列。假设某种伪随机序列的周期为N，且码元ci都是集合｛－1，1｝中的元素。1个周期为N，码元为ci的伪噪声二元序列｛ci｝的归一化自相关函数是1个周期为N的周期函数，可以表示为：

式中：RN（τ）为伪噪声二元序列ci一个周期内的表达式：

式中：τ＝0，1，2，…，N。

伪噪声序列周期N取足够长或N→∞时，RN（τ）→R（τ），式（1）可以简化为：

高斯白噪声的自相关函数为：

比较式（3）和（4），看出它们比较相近，当序列周期足够长时，式（3）就逼近式（4）。所以具有与白噪声相类似统计特性的伪噪声序列很接近于高斯信道要求的最佳信号形式［2，3］，因此用伪噪声码扩展待传输信息信号频谱的扩频通信系统，优于常规的通信系统。

直接扩频通信系统的简化原理如图1所示。

在接收端用1个和发射端同步的参考伪噪声码所调制的本地参考振荡信号与接收到的信号进行相关处理。当2个信号完全相同或者相关性很好的时候，得到最大的相关峰值，经数据检测器恢复出发射端的信号。由于噪声信号和多径干扰与本地参考伪噪声码不相关，所以在进行相关处理时被削弱，而且相关器后面的中频滤波器频带很窄，所以中频滤波器只输出被基带信号调制的中频信号和落在滤波器通频带内的那部分干扰信号和噪声，而绝大部分的干扰信号和噪声的功率被中频滤波器滤除，这样就大大改善了系统的输出信噪比。

图1 直接扩频通信系统原理图

1.2 卫星通信系统发射／接收机的原理与设计

由于现代通信对带宽资源日益增加的要求，毫米波通信逐渐成为通信技术的主流，毫米波的频带范围为30～60GHz。随着科技的发展，1GHz的调制解调芯片已经逐渐被广泛使用。考虑到系统的复杂度和体积，系统采用一次变频。所以在本文中使用1GHz作为基带载频。

卫星系统发射器主要由2个部分组成，如图2所示。第1部分是基带信号的数模转换器，将基带送过来的I／Q两路正交数字信号转换为模拟信号，然后将输出的模拟信号送入低通滤波器；第2部分则是上变频模块，将处理后的信号上变频器件进行正交调制并且上变频，然后将I／Q两路信号整合后发射出去。

图2 信号发射器

系统的接收器也是由2个部分组成（见图3），第一部分是下变频模块，将接收信号正交解调，并且下变频为基带信号，将下变频信号经过低通滤波器送入第2部分，该部分将I／Q两路信号通过模拟数字转换器（ADC）转换为数字信号，完成解调。

图3 信号接收器

1.3 通信信道的设计

在本次仿真中主要使用AWGN以及单频噪声作为系统引入的噪声。

2 系统仿真

系统仿真图如图4所示。

系统的主要模块有：

（1）信号源。使用一个1kHz的随机数发生器作为系统的信号源（器件0），器件1为低通滤波器。

图4 系统仿真图

（2）扩频模块。使用一个2kHz的随机数发生器（器件4）作为扩频码发生器，与基带信号相乘，得到扩频后的信号。

（3）上、下变频模块。使用1GHz的正弦波（器件23）作为载波，将基带信号直接上变频。基带信号上变频之后，加入一段高斯白噪声（器件7），通过增益控制（器件41），使得噪声的功率可调，从而控制信噪比。在接收端同样使用1GHz的正弦波（器件28）来解调。

（4）解扩模块。将扩频码发生器（器件4）与得到的基带信号相乘，根据前文分析，根据相关性可以将基带信号解扩。

（5）误码率统计模块。使用误码率分析器（器件37）将最终处理得到的信号与新源信号相比较，注意新源信号要适当延时以得到精确的结果。器件47是停止接收计算器，通过该器件可以使系统在改变噪声参数的情况下循环执行。

3 结果与分析

系统仿真波形如图5～图9所示。

比较图7和图8，图7是原始信号的频谱，它有3处尖锐的峰值，信号的信息主要集中在峰值附近；图8是扩频后信号的频谱，与图7相比，它没有尖锐的峰值，这是因为原始信号与扩频码相乘之后，其频带被展宽，信号的能量被扩展到整个频带范围之内，所以整个信号的频谱相对平缓。

图5 原始信号

图6 加入噪声后的射频发射信号

图7 原始信号频谱

图8 扩展后的频谱

图9 恢复信号

图10是误码率统计图，统计了信噪比从－10dB到10dB的平均误码率。当信噪比为－10dB时，误码率大概为40%左右，在信号几乎完全淹没在噪声之中的情况下，仍然能够较好地解调出信号；在信噪比大于5dB的时候，误码率大概在5%左右的范围，这样的性能非常不错。扩频通信使得信号的带宽被展宽，噪声能量也被分散到了更宽的频带内，又因为伪随机码良好的自相关性，使得系统能更好地从噪声信号中解扩出原始信号。所以，使用扩频通信可很好地抵抗窄带干扰、人为瞄准式干扰、单频干扰、多径干扰等，达到保密通信的效果。

图10 误码率统计图

另外从第2节的系统框图中可以看出，整个仿真系统比较简单，这是因为随着卫星通信的发展，很多直接上变频的模块已经被广泛应用了，相对于复杂的二次变频系统，直接变频的卫星通信系统显然更具有竞争力。

［1］曾一凡，李晖.扩频通信原理［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［2］Poise R A.现代通信干扰原理与技术［M］.通信对抗国防重点实验室译.北京：电子工业出版社，2005.

［3］吴诗其，胡剑浩，吴晓文，等.卫星移动通信新技术［M］.北京：国防工业出版社，2001.