颜剑华，任峻（湖南农业大学 信息科学技术学院，湖南 长沙　410128）

基于System View的扩频通信系统的仿真和分析

颜剑华，任峻
（湖南农业大学 信息科学技术学院，湖南 长沙410128）

本文阐述了扩频通信的基本原理，使用Systemview软件对扩频通信进行仿真设计。在仿真设计中，我们使用了触发器产生PN周期伪随即序列作为扩频码，使用2PSK调制信号与扩频码相乘实现扩频调制。最后，我们结合香农公式以及信号在扩频通信传输过程中的频谱变化，证明通过扩频通信，能在噪声增加的情况下，仍然保持信号的高速无差错传输。

伪随机序列；扩频通信；触发器；香农公式；扩频码

System View［1］是一个功能齐备的系统仿真软件，主要用于各种通信系统的设计和分析。本文使用System View构建扩频通信仿真系统，模拟信号在扩频通信中的传输过程中，并通过分析比较信号在扩频通信系统中各点的频谱和波形，直观说明了扩频通信的原理。

1　扩频通信原理

扩频的理论依据为香农公式［2］：

C为信道容量，即无差错传输时的最大平均信息传输速率，当实际传信率小于C时，总能找到一种通信编码方式，实现无差错传输。B为信道带宽，S/N为信噪比。当噪声增加，即S/N增加时，通过增加带宽B，我们可以保持C不变，从而仍能保持以原来较大的传输速率无差错的传输信息，这就是扩频通信的基本原理。

2　基于System View的扩频通信仿真

信号的扩频有直接序列扩频，调频扩频，线性扩频和混合扩频等。本文主要讨论常见的直接序列扩频［3］，其采用的扩频码为带宽较大的周期序列。我们采用高码率的周期性PN序列作为扩频码，其带宽即为PN信号的码速率。扩频码与带宽较小的数字调制信号相乘后，可实现扩频调制，得到大带宽的扩频信号。接收方通过将扩频信号与发送端相同的PN序列相乘来实现解扩，还原成窄带的数字调制信号。通过上述分析我们可以得到扩频通信系统原理框图如图1所示，其中数字调制信号为实际扩频通信系统中常采用的2PSK信号［4］。

图1　扩频通信原理框图

根据图1的扩频通信原理框图，我们采用System View构建其仿真系统框图［5］如图2所示。加法器的左边为发送方，右边为接收方。模块175模拟信道中的高斯噪声，发送方的模块158为PN序列发生器，其Rate=400 Hz，Offset=0，它产生码元速率为400 Hz的二进制伪随机序列｛an｝的双极性码。模块162为频率4 000 Hz的高频正弦载波，与模块158输出的双极性码相乘后得到数字序列｛an｝的2PSK信号。子系统201为扩频码发生器，它产生的扩频码与模块4输出的2PSK信号相乘得到扩频信号。接收方的乘法器167将加法器输出的扩频信号与发送方相同的扩频码相乘，实现解扩，得到2PSK信号。为了方便起见，该系统没有在扩频信号中提取扩频码，而是直接将发送方扩频器产生的扩频码输入接收方的乘法器。子系统203为2PSK解调器，它将解扩输出的2PSK信号进行相干解调，得到｛an｝的双极性码，再进行抽样判决，输出｛an｝。

图2　扩频通信系统设计图

图2中子系统201（扩频码发生器）的System View仿真设计如图3所示，该发生器通过4个D触发器，依据本源多项式1+x3以及异或运算g（t）=m（t）⊕p（t）生成周期性伪随机序列［6］，该序列通过187输出到系统的乘法器，完成扩频和解扩调制。

图3　PN序列发生器设计图

图2中的203子系统的内部结构如图4所示，其乘法器将输入的与发送方相同的正弦载波与2PSK信号相乘，再通过低通滤波器实现相干解调，得到双极性码。模块164为抽样判决器，它采用模拟缓冲器实现。其门限值（即判决门限电平）设为0，根据输入的双极性码波形，判决输出数字序列｛an｝。

3　仿真分析

我们首先观察扩频通信系统中的4种信号：数字基带信号，2PSK信号，扩频码以及扩频信号的频谱图。在这4种信号的频谱图中，横轴为频率frequency，单位为Hz；纵轴为power，单位为dB，当纵轴的值低于-10dB时我们认为信号的功率趋近于0，其对应的频率为零点。图5给出｛an｝双极性码的频谱，主瓣所在频率为［0，400］Hz。当f=400 Hz时，其对应功率降到-10 dB以下，即双极性码的带宽为400 Hz，它与数字序列｛an｝的码速率相同。

图4　数字调制解调器设计图

图5　基带信号功率谱密度

图6给出2PSK信号的频谱图，当f=4 000 Hz（载波频率处）时，2PSK信号功率最大，达到峰值。当频率为3 600 Hz和4 400 Hz时，其对应功率下降为-10 dB左右，从而得到2PSK的主瓣所在带宽为［3 600，4 400］Hz，故其带宽为800 Hz，是其双极性码的两倍。

图6　2PSK功率谱密度

图7给出的是扩频信号频谱图，当频率为3 200 Hz和4 800 Hz时，对应频率下降到-20 dB以下，因此扩频信号的带宽为1 600 Hz，是2PSK信号带宽（800 Hz）的2倍，这实现了对小带宽2PSK的扩频。根据香农公式，采用扩频信号传输后，S/N只需要达到原就可以实现无差错传输［7］。若传输2PSK信号要求信噪比为（50 dB），采用扩频信号传输后，达到同样的传输质量，所需要的信噪比仅为（20 dB），信号功率不变时，噪声功率增加为原噪声的。

图7　扩频信号功率谱密度

图8　发送波形与接收波形的比较

图8比较了发送波形和接收波形，从中可以看出前后两个波形除了时间上有一点时延外，是完全重合的，说明扩频通信能够还原发送信号，实现信号的无差错传输。

4　结论

本文利用System View构建直接序列扩频通信系统的仿真系统，并采用System View的分析工具对扩频通信过程产生的双极性码信号，2PSK信号，扩频码和扩频信号的频谱进行分析，得出通过直接序列扩频可以将窄带的2PSK信号扩频为较大带宽的扩频信号，而通过解扩又可以还原2PSK信号，并最终解调还原为发送的数字序列。根据香农公式可以计算出在噪声提高很多的情况下，通过增加信号带宽，仍然能让信号实现高速率的无差错传输。

［1］陈军.System View在通信原理课程教学中的应用研究［J］.实验技术与管理，2015（1）:153-155.

［2］刘昌锦，韦哲.香农公式在扩频通信中的应用［J］.四川兵工学报，2013（4）:80-83.

［3］陈永红，郭莉莉.基于System Vue的直序扩频通信仿真［J］.价值工程，2015（6）:236-238.

［4］李世银，刘玉英，宋金铃，等.2PSK非相干解调原理研究［J］.中国矿业大学学报，2002，31（3）:315-318.

［5］张璐.System View在扩频通信中的应用［J］.科学之友，2011 （11）:153-155.

［6］陈军.基于System View的4位m序列发生器数学模型的分析及电路设计［J］.电气自动化，2015（1）:40-41+85.

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Simulation and analysis of spread-spectrum communication system based on systemview

YAN Jian-hua，REN Jun
（College of Information Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China）

This paper describes the basic principles of spread-spectrum communication，builds simulation system of spread spectrum communication based on Systemview.In the simulation design，we use a trigger to generate a pseudo-period PN sequence as a spreading code，and multiply 2PSK signal and spread code to realize spread spectrum modulation.Finally，we combine the Shannon formula and changes of signal spectrum in the spread spectrum transmission to evidence that signal can maintain a error-free transmission at high speed under the high noise by using spread spectrum communication.

pseudo random sequences；spread spectrum communication；trigger；shannon formula；spreading code

TN914.3

A

1674－6236（2016）11-0099-03

2015-06-18稿件编号：201506186

颜剑华（1988—），男，湖南岳阳人。研究方向：通信工程。