直扩通信原理的课堂教学辅助系统设计

2020-12-07李明媚董丽元唐磊磊

物联网技术 2020年11期

李明媚董丽元唐磊磊

摘要：文中以直扩通信原理的教学思路为依据，LabVIEW为平台，开发了由m序列生成与特性分析、直扩系统（DSSS）抗窄带干扰和直扩系统抗多径干扰三部分构成的课堂教学辅助系统。系统借助原理图指引操作，按步显示各阶段数据变化，通过人机交互实现数据采集、运算与特性曲线动态绘制，用理论计算与仿真结果的对比及仿真结果的变化规律，验证m序列和直扩系统的各项性能。系统将理论直观化、动态化，应用于线上或线下课堂教

学，易于吸引学生的注意力，达到提升学生学习兴趣和提高教师教学质量的目的。

关键词：伪随机序列;扩频;特性分析;抗多径干扰;抗窄带干扰;教学辅助

中图分类号：TP391.9;TN914.4文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）11-0-03

0 引言

扩频技术作为移动通信、物联网通信等课程的重要教学内容，利用伪随机序列扩展信号频谱虽然会使信号的传输占用更多的资源，但伪随机序列的自相关和互相关特性，使扩频通信系统具有很好的抗窄带和抗多径干扰性能。因此，扩频技术被广泛使用。随着虚拟仿真实验教学项目的建设，越来越多的高校教师投入到通信、电子类虚拟仿真实验系统的开发工作中，为实验和课堂教学提供了很多宝贵的素材和经验[1-4]。与扩频原理相关的仿真可在多种平台上实现，如FPGA、MATLAB/Simulink、SystemView、LabVIEW等[5-9]。

本文依据扩频技术中直扩通信原理的课堂教学思路，充分利用LabVIEW的图形化、可视化编程特点[10]，开发了由m序列生成与特性分析、直扩系统抗窄带干扰、直扩系统抗多径干扰三部分构成的教学辅助系统。该系统结合VI动态调用[11]、人机交互、动态演示、数据对比与分析等设计，实现高效的课堂教学。

1 直扩通信原理课堂教学思路

伪噪声序列有多种，最基本、最常用的一种是最长线性反馈移位寄存器序列，也称作m序列[12]。因此本文以m序列为例，按照图1所示的教学思路进行了直扩通信原理教学辅助系统设计。

2 m序列生成与特性分析设计

m序列由n级寄存器构成的线性反馈移位寄存器的结构如图2所示。n级移位寄存器有2n种组合状态，除了全零状态，图2结构能够输出的最长序列长度为m=2n-1，即m序列周期长度。在m序列的周期时长Tb不变，周期长度m（或序列级数n）不同时，m序列的码片宽度Tc=Tb/m不同，双极性m序列信号的带宽B=1/Tc=m/Tb亦不相同。m序列的平衡、游程和移位相加特性，使得它的自相关值表现出尖锐的二值特性，其互相关值则会随着周期长度m（或序列级数n）的增大[13]而更加接近于0。

根据m序列的生成原理和特性設计的仿真实验系统主界面运行效果如图3（a）所示。系统可显示2-5级m序列的产生器结构，生成不同输入状态下的m序列;m序列的每一个特性都配有概念说明;平衡、游程和移位相加特性都在主界面上显示，功率谱、自相关和互相关通过VI的动态调用，弹出如图3（b）、图3（c）和图3（d）所示的操作与显示界面;移位相加、自相关和互相关的特性分析借助人机交互实现了数据采集、运算与动态显示。仿真实验生成的特性曲线和功率谱分布都可以导出，并在实验结束后显示在主界面上，便于对比和分析。

根据图3（b）提供的仿真参数得到3-5级m序列下的信号带宽理论值见表1所列。它与图3（a）所示的各级功率谱第一谱零点带宽相符，验证了m序列周期长度m（或序列级数n）与带宽之间的关系。自相关和互相关特性可对2-4级m序列下的特性曲线进行对比，达到验证目的。

3 直扩系统抗窄带干扰设计

直扩系统（DSSS）抗窄带干扰仿真实验系统主界面运行效果如图4（a）所示，主要用于参数设置、波形显示和实验选择。实验内容安排中的各项实验通过VI的动态调用，可弹出如图4（b）、图4（c）、图4（d）所示的操作及显示界面。根据界面上原理图所提供的顺序，依次按下相应按键即可完成各阶段的波形显示，获得最终的判决输出结果。

图4（e）和图4（f）为误码分析实验下的实验数据显示界面。由此可见，高斯白噪声影响下的2PSK（二进制相移键控）系统和DSSS系统的误码特性曲线无明显差异，但加入了窄带干扰后，DSSS系统的性能明显优于2PSK系统，由此验证了直扩系统的抗窄带干扰性能。更改主界面的m序列级数，重复操作即可得到不同级数下直扩系统的误码特性曲线，得出级数变化对直扩系统抗窄带干扰性能的影响规律。

4 直扩系统抗多径干扰设计

直扩系统抗多径干扰仿真实验系统界面如图5所示。系统搭建了1-2用户的1-4路信号传播模型，可分别在3级和5级m序列下完成有无高斯白噪声影响的多径通信实验。以m1序列作为用户1数据的扩频码测得的仿真实验数据见表2所列。由此可见，采用同步m1序列对多径信号进行解扩时，系统误码率明显低于不同步时的误码率;有噪声影响时，5级序列下2-4路信号的通信误码率明显低于3级序列下的误码率;采用同级但不同结构产生的m2序列对无噪声影响下的两用户2-4路信号进行解扩时，通信误码率很高，不能正确恢复用户1的数据。由此验证了m序列的自相关和互相关特性，使直扩系统具有很好的抗多径干扰性能，且m序列级数越大，直扩系统的抗多径干扰性能越好。

5 结语

直扩通信原理的课堂教学辅助系统按照教学思路展开设计，有条理地动态显示了各环节的数据和曲线变化，验证了m序列及直扩系统的特性与性能，适用于线上和线下课堂教学。信号处理功能模块化是下一阶段的设计任务，便于课上灵活且快速地搭建起相应的系统模型;直扩通信应用于无线通信当中，物联网又是当前比较热门的研究方向，利用物联网技术搭建无线传输信道，令仿真环境更为真实、数据更为可信，是系统未来的改进目标。

参考文献

[1]兰萍，严李强，刘俊平，等. 虚拟仿真在电子电路类课程实验教学改革中的应用研究[J]. 工业和信息化教育，2020，8（4）：57-60.

[2]席军强，宗莹，王文硕. 车辆电子控制虚拟实验教学平台研究[J]. 实验室研究与探索，2015，34（1）：79-83.

[3]刘明珠，刘雨晴，乔季军，等. 基于LabVIEW的通信原理虚拟实验平台的设计[J]. 实验技术与管理，2015，32（4）：123-126.

[4]全晓莉，古良玲. 基于LabVIEW的电子类虚拟实验系统设计[J]. 实验技术与管理，2018，35（2）：121-123.

[5]齐国元，胡玉庆，万彰凯. 基于超混沌的伪随机数发生器的FPGA设计[J]. 天津工业大学学报，2018，37（1）：62-67.

[6]马小青.基于Simulink的直接序列扩频通信系统仿真设计[J]. 现代电子技术，2014，37（22）：34-37.

[7]冯月华，陈军. 基于SystemView的m序列发生器模型电路设计实现[J]. 自动化与仪器仪表，2014，34（7）：179-180.

[8]贾勇，胡炜琳，晏超，等. 基于LabVIEW的直接扩频通信实验系统的设计[J]. 实验技术与管理，2019，57（3）：165-169.

[9]李毅，杨栋，李晓辉. 基于LabVIEW-USRP的直接序列扩频通信系统仿真实验[J]. 实验技术与管理，2018，35（12）：139-142.

[10]严雨，夏宁. LabVIEW入门与实战开发100例[M]. 3版.北京：电子工业出版社，2017.

[11]陈锡辉，张银鸿. LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M]. 北京：清华大学出版社，2007.