扩频通信系统的仿真设计

摘 要：扩频通信就是让待传输信号乘上特定的扩频码，将信号频谱大大展宽的通信过程。通过频谱的扩展，有效地提高保密性和抗干扰能力，提高通信系统的可靠性。本文依靠信息化手段，借助计算机软件仿真技术设计了扩频通信系统。先后分析了扩频的实现方法、解扩的实现方法、整体的仿真系统设计和性能比较，验证了算法是切实可行的。从仿真波形上可以清晰看出，有扩频比没有扩频的波形失真度小得多；扩频技术能够有效地抗击噪声的影响，提高系统的信噪比，提高系统性能。

关键词：扩频；解扩；仿真

中图分类号：TN914.42 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）03-0045-03

Simulation Design of Spread Spectrum Communication System

GUAN Yu

（Nanjing Vocational Institute of Transport Technology，Nanjing 211188，China）

Abstract：Spread spectrum communication is a communication process in which the signal to be transmitted is multiplied by a specific spread spectrum code and the spectrum of the signal is greatly broadened. Through the expansion of spectrum，the security and anti-jamming ability can be effectively improved，and the reliability of communication system can be improved. In this paper，the spread spectrum communication system is designed by means of information technology and computer software simulation technology. The implementation methods of spread spectrum，despreading，overall simulation system design and performance comparison are analyzed successively，and the feasibility of the algorithm is verified. From the simulation waveform，it can be clearly seen that the waveform distortion with spread spectrum is much smaller than that without spread spectrum. Spread spectrum technology can effectively resist the influence of noise，improve the signal-to-noise ratio of the system and improve the system performance.

Keywords：spread spectrum；despreading；simulation

0 引 言

如果已調信号的带宽扩大很多，并且超过了初始信号带宽的100倍以上，这种调制方式就可以称为扩频。扩频出现在发送端，接收端信号带宽还原的操作就叫作解扩，解扩往往和扩频操作一致。这就好比乘法上负负得正的道理，只经历一次扩频（或只经历一次解扩）频谱就会被扩展；经历过一次扩频和一次解扩作用，频谱就会被还原成原先面目。

1 扩频仿真

扩频就是将信号的频谱展得很宽，在实现时可以借助高频的伪随机数字码进行扩频调制得到。初始信号是一个带宽有限的常规信号，可以是模拟信号，可以是数字信号，也可以是混合信号。高频的伪随机数字码是一个频率很高的数字随机信号。扩频调制的过程可以采用异或运算或者乘法运算实现，在教学过程中需要指明注意事项。

1.1 伪随机数字码的频率要比初始信号频率高得多

由数字信号的特点可以知道，数字信号的频谱是花瓣状的，主瓣集中了数字信号绝大多数能量，因此常用主瓣宽度去衡量带宽。主瓣宽度在数值上等于数字信号的频率，较高的频率就保证了伪随机数字码拥有较高的带宽。只有伪随机数字码的高带宽，才能使得扩频后的信号具备高带宽的可能。由常识可以知道，一个低频信号和高频信号相乘后，得到的信号频率和高频信号一致。也就是扩频后信号频率提高了很多，与伪随机数字码的频率一致。因此调制后的带宽也就由伪随机数字码的频率决定，伪随机数字码的频率越高，扩频后信号的带宽越宽。

1.2 在理论上异或运算可以实现扩频调制，但是异或运算只适合数字信号源

因为异或运算属于逻辑运算，对于模拟信号源不适用。如果原始信号是模拟信号或者原始信号中含有模拟成分，只能采用乘法运算实现扩频。乘法运算既适用模拟信号源，又可以用在数字信号的扩频操作，具备通用性，在仿真设计中可以统一采用乘法器实现调制。

1.3 扩频中，频谱到底需要展宽多少，由分配给系统的可用频带决定

需要注意分配的频带宽度，不能超过给定范围，否则会对其他系统造成干扰。

仿真可以采用SystemView软件，它具备面向用户的可视化的特点，方便理实一体化教学，便于学生系统操作和掌握。扩频部分的仿真教学中，引导学生调用信号源模块，调用高频的数字随机信号作为伪随机码，将两者同时送入乘法器实现扩频。在参数设置时，需要留心注意事项，保证信号频谱被扩展到设定值。

2 解扩仿真

解扩就是扩频的逆过程，实现信号的还原。目的是将频带展宽的信号恢复成原来的窄带信号，完成通信的任务。解扩时需要注意以下两个方面。

2.1 解扩和扩频的操作过程一样

如果扩频采用的是异或运算实现调制，在接收端就需要用异或运算完成窄带信号的恢复；如果扩频采用的是乘法运算实现调制，在接收端需要用乘法运算完成窄带信号的恢复。

2.2 解扩采用相同的数字码才能还原信号

扩频通信的完整过程可以简单描述为：信号乘以高频数字码，再乘高频数字码。如果利用乘法结合率，可以看成高频码乘上自身，再与原信号相乘。高频码与自身相乘后得到常数，也就是直流量。任何信号与直流量相乘后得到本身，因此先后经历扩频和解扩的信号得到了还原。但是在解扩中如果采用不同高频数字码，扩频和解扩的整体过程就相当于初始信号与随机码相乘，最终无法还原信号，无法实现通信过程。

仿真在SystemView中进行，如果扩频时采用乘法器实现，解扩时应将扩频后的信号、发送端用的高频的数字随机码，同时送入乘法器。要保证与发送端相同的操作和相同的码型，才能将宽带信号正确的恢复成初始窄带信号。

3 扩频解扩系统的整体仿真

扩频解扩系统的整体流程为：原始信息也就是窄带信号，经过扩频后频谱被大大展宽；将扩频后的信号送入信道传递，在信道中混入了噪声和干扰；夹杂着噪声的信号到达接收端进行解扩，原有的信息通过解扩还原成窄带信号；而噪声只经历一次解扩，相当于经历一次扩频变成了宽带信号；由于有用信号为窄带，而噪声为宽带，因此可以通过很窄的低通滤波器后，有用信号被提取，而带外噪声被滤除，噪声功率大大降低，从而提高了信噪比，也就提高了系统性能。在Systemview中分两路进行对比仿真，一路引入扩频解扩技术，第二路不用扩频解扩直接叠加噪声，通过对比试验，验证扩频通信技术能够有效对抗噪声，提高性噪比。仿真图如图1所示。

图1 扩频通信系统仿真图

模块0 产生初始信号，可以选择频率较低的窄带任意信号，可以是模拟信号、数字信号或者模拟数字混合信号等，这里采用正弦信号，频率为10Hz。

模块1 产生高频数字码，选取频率较高的数字随机信号，这里设置PN码的频率为3000Hz，高频码的频率远大于初始信号的频率，满足要求。

模块2 乘法器，初始信号和高频随机码的相乘实现扩频。这里选择乘法器实现扩频是由于初始信号是模拟信号，不能进行数字逻辑的异或运算。相乘后频率升高了，频谱扩展了。

模块3 产生高斯噪声，用高斯噪声模拟信息传输中受到的加性噪声的影响，便于分析系统的抗噪性能。

模块5 低通滤波器，将不限频带的高斯噪声信号变成频带受限的带限噪声，便于观察解扩作用对于噪声的影响。

模块4、12 加法器，在信号上叠加噪声影响。

模块6 乘法器，完成信号的解扩和恢复。与模块2相同，扩频时用乘法器实现，解扩时也用乘法器实现。

模块7、13 低通滤波器，是个窄带低通滤波器，带通略大于初始信号，目的是尽可能提取信号滤除带外干扰。

模块8、9、10、11、14 观测窗，观测各点波形，并可以结合工具完成频谱等图形的绘制。

系统搭建好后，设置噪声功率参数，并设置时钟，对比观测有无扩频的输出波形。其中图2为扩频通信系統的输出波形；图3为不加扩频的输出波形。图2的波形受到的噪声影响明显小得多，说明了扩频通信在抗击噪声影响方面的优越性能。

4 结 论

扩频通信系统能将信号的频谱展宽很多，大大增强了保密性，能够有效地抗击噪声和干扰，主要应用于移动通信。这部分的理论性较强，因此借助仿真技术手段，分步骤引导搭建系统。可视化地改变参数、观测波形，方便系统进行验证。可以看到算法是切实可行的，有扩频比没有扩频的波形失真度小得多；扩频技术能够有效地抗击噪声的影响，提高系统性能。

参考文献：

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作者简介：管宇（1984-），女，汉族，江苏镇江人，硕士，讲师，研究方向：短波通信、数字通信、移动通信。