基于SystemView的直序扩频通信系统设计

基于SystemView的直序扩频通信系统设计黄海学院 09(13) 23 吴青⼀．设计⽬的

1、了解SystemView软件的运⾏环境2、熟悉扩频通信系统的概念及基本原理3、熟悉直序扩频通信系统的仿真原理4、对直序扩频通信系统进⾏仿真和分析⼆．设计原理

1.SystemView软件介绍

SystemView是⼀个信号级的系统仿真软件，主要⽤于电路与通信系统的设计、仿真，是⼀个强有⼒的动态系统分析⼯具，能满⾜从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。Systemview以模块化和交互式的界⾯，在⼤家熟悉的Windows窗⼝环境下，为⽤户提供了⼀个嵌⼊式的分析引擎。使⽤SystemView你只需要关⼼项⽬的设计思想和过程，⽽不必花费⼤量的时间去编程建⽴系统仿真模型。⽤户只需使⽤⿏标器点击图标即可完成复杂系统的建模、设计和测试，⽽不会花费过多的时间和精⼒通过编程来建⽴系统的仿真模型,也不必担⼼程序中是否存在编程错误.

SystemView是⼀个完整的动态系统设计、分析和仿真的可视化开发环境它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及多速率系统，可⽤于各种线性、⾮线性控制系统的设计和仿真。尤具特⾊的是，它可以很⽅便地进⾏各种滤波器的设计。系统备有通信、逻辑、数字信号处理(DSP)、射频/模拟、码分多址个⼈通信系统(CDMA/PCS)、数字视频⼴播(DVB)系统、⾃适应滤波器、第三代⽆线移动通信系统等专业库可供选择，适合于各种专业设计⼈员。该系统⽀持外部数据的输⼊和输出，⽀持⽤户⾃⼰编写代码(C/C++)，兼容Matlab软件。同时，提供了与硬件设计⼯具的接⼝，⽀持 Xilinx 公司的 FPGA 芯⽚和 TI 公司的DSP 芯⽚，它已⼤量地应⽤于现代数字信号处理、通信系统及控制系统设计与仿真等领域。2.扩频通信的定义及基本原理

扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，它与光纤通信、卫星通信，⼀同被誉为进⼊信息时代的三⼤⾼技术通信传输⽅式。扩频通信是将待传送的

信息数据被伪随机编码(扩频序列：Spread Sequence)调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采⽤相同的编码进⾏解调及相关处理，恢复原始信息数据。这种通信⽅式与常规的窄道通信⽅式是有区别的：⼀是信息的频谱扩展后形成宽带传输；⼆是相关处理后恢复成窄带信息数据。

扩频通信(spread spectrum communication)是近⼏年内迅速发展起来的⼀种通信技术。在早期研究这种技术的主要⽬的是为提⾼军事通信的保密和抗⼲扰的性能，因此这种技术的开发和应⽤⼀直是处于保密状态。美国在20世纪50 年代中期，就开始了对扩频通信的研究，当时主要侧重在空间探测、卫星侦察和军⽤通信等⽅⾯。以后，随着民⽤通信的频带拥挤⽇益严重，⼜由于近代微电⼦技术、信号处理技术、⼤规模集成电路和计算机技术的快速发展，与扩频通信有关的器件的成本⼤⼤地降低，从⽽进⼀步推动了扩频通信在民⽤领域的发展⾦额应⽤，⽽且也使扩频通信的理论和技术也得到了进⼀步的发展。1990年1⽉，国际⽆线电咨询委员会(CCIR,现为ITUR)在研究未来民⽤陆地移动通信系统的计划报告中已明确地建议采⽤扩频通信技术。扩频通信的基本特征是使⽤⽐发送的信息数据速率⾼许多倍的伪随机码把载有信

息数据的基带信号的频谱进⾏扩展，形成宽带的低功率谱密度的信号来发射。⾹农(Shannon)在信息论的研究中得出了信道容量的公式：C=Blog2(1+S/N)

这个公式指⽰出：如果信息传输速率C不变，则带宽B和信噪⽐S/N是可以互换的，就是说增加带宽就可以在较低的信噪⽐的情况下以相同的信息率来可靠的传输信息，甚⾄在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号带宽，仍然保持可靠的通信，也就是可以⽤扩频⽅法以宽带传输信息来换取信噪⽐上的好处。3.扩频通信系统的主要特点(1)抗⼲扰性强

表⽰扩频通信特性的⼀个重要参数是扩频增益G(Spreading Gain),其定义为扩频前的信号带宽B1与扩频后的信号带宽B2之⽐。G=B2/B1扩频通信中，接收端对接收到的信号做扩频解调，只提取扩频编码相关处理后带宽为B1的信号成份，⽽排除了

扩展到宽带B2中的⼲扰、噪声和其他⽤户通信的影响，相当于把接收信噪⽐提⾼了G倍。考虑到输出端的信噪⽐和接收系统损耗，可以认为实际的扩频增益带来的信噪⽐的改善为：M=G-输出端信噪⽐⼀系统损耗公式中的M叫做抗⼲扰容限。(2)隐蔽性强、⼲扰⼩

因信号在很宽的频带上被扩展，则单位带宽上的功率很⼩，即信号功率谱密度很低。信号淹没在⽩噪声之中，别⼈难于发现信号的存在，再加之不知扩频编码，就更难拾取有⽤信号。⽽极低的功率谱密度，也很少对其他电讯设备构成⼲扰。(3)易于实现码分多址

扩频通信占⽤宽带频谱资源通信，改善了抗⼲扰能⼒，由于扩频通信要⽤扩频编码进⾏扩频调制发送，⽽信号接收需要⽤相同的扩频编码之间的相关解扩才能得到，这就给频率复⽤和多址通信提供了基础。充分利⽤不同码型的扩频编码之间的相关特性，分配给不同⽤户不同的扩频编码，就可以区别不同的⽤户的信号，众多⽤户，只要配对使⽤⾃⼰的扩频编码，就可以互不⼲扰地同时使⽤同⼀频率通信，从⽽实现了频率复⽤，使拥挤的频谱得到充分利⽤。发送者可⽤不同的扩频编码，分别向不同接收者发送数据；同样，接收者⽤不同的扩频编码，就可以收到不同的发送者送来的数据，实现了多址通信。(4)抗多径⼲扰

在⽆线通信中，抗多径⼲扰问题⼀直是难以解决的问题，利⽤扩频编码之间的相关特性；在接收端可以⽤相关技术从多径信号中提取分离出最强的有⽤信号，也可把多个路径来的同⼀码序列的波形相加使之得到加强，从⽽达到有效的抗多径⼲扰。4.直接序列扩频通信系统

直接序列扩频系统简称直接扩频（DSS）系统或叫直接序列（DS）系统，是⽬前使⽤最多，最典型的扩频⼯作⽅式，直扩⽅式是在发端直接⽤具有⾼码率的扩频编码去扩展信号的频谱，⽽在收端⽤相同的扩频编码进⾏解扩使扩频信号还原为原始信号。直接序列系统中⽤的编码序列通常是伪随机序列或叫伪噪声（PN）码。要传送的信息经数字化后变成⼆元数字序列，它和伪随机序列模⼆相加后变成复合码去调制载波。在直接序列系统中通常对载波进⾏相依键控调制。当扩频调制后由天线发射出去。在接收机中要有⼀个和发射机中的伪随机码同步的本地码，对接收信号进⾏解扩，解扩后的信号送到解调器取出传送的信息。

直接序列调制就是载波直接被伪随机码序列调制。在发射机端, 要传送的信息先转换成⼆进制数据或符号, 与伪随机码( PN 码)进⾏模2 和运算后形成复合码，再⽤该复合码去直接调制载波。在接收机端, ⽤与发射机端完全同步的PN 码对接收信号进⾏解扩后经解调器还原输出原始数据信息。调制⽅式可以是调幅、调频、调相和其他任何形式的振幅或⾓度调制。因PSK性能最佳, 现代DS -SS中载波调制⼀般都采⽤BPSK 或DPSK 。其基本原理如图1所⽰。图1 直序扩频系统原理图5.直序扩频通信系统仿真

Systemview 是⼀个信号级的系统仿真软件,主要⽤于电路与通信系统的设计和仿真,是⼀个强有⼒的动态系统分析⼯具,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。利⽤Systemview 建⽴的直扩系统的仿真原理图,如图2所⽰。（b ）接收机模2和加法器 PN 码发⽣器功率 放⼤器

载波 发⽣器 调制器 调制器 调制器 （a ）发射机 混频器 调频器 调解调器 数据输出 本振 中放 时钟 PN 码 发⽣器 同步

图2 直扩系统仿真原理图三．设计模型

为了对扩频通信有⼀个初步认识,直接序列扩频系统为例来进⾏仿真,并进⼀步说明扩频通信的优点。直接序列扩频是⽬前应⽤最⼴的⼀种扩频技术,图3是直序扩频系统的仿真模型图。

图3 直序扩频系统仿真模型图

部分参数设置：

采样点：16384个，采样频率：1000MHz

图4

Token0：基带信号－PN码序列（频率=1KHz，电平=2Level，振幅=1V，偏移=0V）

图5 图符0参数设置

Token 1、7、11、14：乘法器

Token 2：基带信号—PN码序列（频率=10KHz，电平=2Level，振幅=1V，偏移=0V）

图6 图符2参数设置Token 3：模拟低通滤波器（频率=1000Hz，极点个数=3）

图7 图符3参数设置

Token 4、5、9、15：观察窗Token 6：加法器

Token8：扫频信号（幅度=1.5V，开始频率=90KHz, 终值频率120KHz，扫频周期0.015s）

图8 图符8参数设置

Token 10：模拟低通滤波器（频率=1000Hz，极点个数=3）

图9 图符10参数设置

Token 12：正弦波（幅度=1V ，频率=100KHz ，相位=0）

图10 图符12参数设置

Token 13：正弦波（幅度=1V，频率=100KHz，相位=0）

图11 图符13参数设置四．仿真结果

图12是经过预滤波器后（图符3）的输⼊信号波形，图13是解扩后整形的输出信号波形图，图14是未加⼲扰信号前的已调信号频谱图，图15是加⼊⼲扰信号后的已调

信号频谱图。可以⼗分明显的观察到，在100kHz附近有较强的⼲扰存在，⽽解扩后的信号与输⼊的原信号波形基本⼀致，完全未受⼲扰影响。不断加⼤噪声或⼲扰的幅度，当达到系统的⼲扰门限时，则不断准确地恢复原始波形。

图12 经预处理后的输⼊信号波形

图13 经整形后的输出信号波形

图14 未加⼲扰前的已调信号频谱图

图15 加⼊⼲扰后的已调信号频谱图

图16调制以前的信号与调制以后波形信号⽐较五．结论及⼼得体会

直接序列扩频通信系统是⼀个复杂的通信系统，凭个⼈能⼒⽆法完成如此繁重的⼯作，从本设计⽬的出发，只是从实验的⾓度完成了⼀个功能实现演⽰系统。

直接扩频系统，在发送端的设计⼀般都采⽤先扩频后调制，既先⽤扩频码和信息码进⾏模2运算，产⽣扩频信号，然后⽤此信号去调制载波，采⽤⼆相移频键控（BPSK）⽅式。⽽在接收端为了恢复出原信号，也要分两步进⾏，可以先解扩后解调，也可以先解调后解扩。但为了和发送端相对应，本设计采⽤后者，但在解扩之前不能把解调器输出信号恢复成数字信号。通过这次课程设计，收益颇丰。⾸先对直接序列扩频通信系统的原理有了⽐较深刻

的理解，因为⼀个完整的通信系统包括了很多⽅⾯的知识，充分利⽤和巩固了以前所学的各种知识和相关理论。在软件⽅⾯，学会了⽤System View仿真并分析系统。总之，这次课程设计使⾃⼰获得了很⼤的锻炼。参考资料

[1] 童成意．扩频通信技术应⽤研究[J]．湘潭师范学院学报（⾃然科学版）, 2003: 13～27

[2] 许丽艳，李雪梅，于瑞涛．扩展频谱通信系统的仿真［J］．青岛⼤学学报（⼯程技术版）, 2000：15～28

[3] ⽩⽊，周洁．扩频通信的原理、⼯作⽅式、特点和应⽤[J]．电⼒系统通信，2000：15～28

[4] 罗卫兵，张捷.System View 动态系统分析及通信系统仿真设计［M］．西安：西安电⼦科技⼤学出版社，2000：16～33

[5] 孙鹏勇．直接序列扩频通信处理增益的分析［J］．辽宁⼯程技术⼤学学报（⾃然科学版）,2000：19～20

[6] 曾兴雯.乃安.献璞.扩展频谱通信及其多址技术［M］.西安：西安电⼦科技⼤学出版社，2000：18～20