盐城师范学院黄海学院0913班课程设计报告
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
第 1 页 共 15 页
盐城师范学院黄海学院0913班课程设计报告
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
第 2 页 共 15 页
盐城师范学院黄海学院0913班课程设计报告
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
第 3 页 共 15 页
盐城师范学院黄海学院0913班课程设计报告
DPSK。其基本原理如图1所示。
PN码 发生器 （b）接收机 图1 直序扩频系统原理图
本振 同步 调频器 PN码 发生器 时钟 混频器 中放 调解调器 数据输出 （a）发射机 调制器 调制器 载波 发生器 模2和加法器 调制器 功率 放大器 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。
第 4 页 共 15 页
盐城师范学院黄海学院0913班课程设计报告
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：
第 5 页 共 15 页
盐城师范学院黄海学院0913班课程设计报告
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）
第 6 页 共 15 页
盐城师范学院黄海学院0913班课程设计报告
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）
第 7 页 共 15 页
盐城师范学院黄海学院0913班课程设计报告
图7 图符3参数设置
Token 4、5、9、15：观察窗 Token 6：加法器
Token 8：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）
第 8 页 共 15 页
盐城师范学院黄海学院0913班课程设计报告
图9 图符10参数设置
Token 12：正弦波（幅度=1V，频率=100KHz，相位=0）
第 9 页 共 15 页
盐城师范学院黄海学院0913班课程设计报告
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
第 10 页 共 15 页
盐城师范学院黄海学院0913班课程设计报告
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
第 11 页 共 15 页
盐城师范学院黄海学院0913班课程设计报告
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
第 12 页 共 15 页
盐城师范学院黄海学院0913班课程设计报告
图15 加入干扰后的已调信号频谱图
第 13 页 共 15 页
盐城师范学院黄海学院0913班课程设计报告
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
第 14 页 共 15 页
盐城师范学院黄海学院0913班课程设计报告
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
第 15 页 共 15 页