扩频通信系统的设计

1、一、基本原理扩展频谱通信(spread spectrum communication)简称扩频通信。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=wlog2(1+p/n) 这个公式指示出：如果信息传输速率c不变，则带宽w和信噪比p/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

2、的好处。这就是扩频通信的基本思想和理论依据。信息数据d经过常规的数据调制，变成了带宽为b1的基带(窄带)信号，再用扩频编码发生器产生的伪随机编码(pn码：pseudo noise code)，对基带信号作扩频调制，形成带宽b2(b2远大于b1)、功率谱密度极低的扩频信号，这相当于把窄带b1的信号以pn码所规定的规律分散到宽带b2上，再发射出去。接收端用与发射时相同的伪随机编码做扩频解调，把宽带信号恢复成常规的基带信号，即依pn码的规律从宽带中提取与发射对应的成份积分起来，形成普通的基带信号，然后，可再用常规的通信处理解调出发送来的信息数据d。二、设计思想及系统总体框图1.设计思想本设计中采用的

3、扩频序列为周期127的m序列，码片速率为64kb/s，要传送的数字信息速率为2 kb/s，它和m序列模2加后变成复合码去调制载波，调制方式采用bpsk。为了节省发射功率和提高发射机工作效率，扩频系统中采用平衡调制器，载波为1mhz的正弦波。为了和发送电路相对应，接收端首先进行相干解调，解调后输出的信号再进行相关解扩，输出的信息进行抽样判决就可恢复出原信息。2.系统总体框图时钟信号m序列256分频8分频信息码触发器触发器=1极性变换1m载波平衡调制器信息发送256k256k图1.发送系统相乘器相乘器1m载波m序列低通滤波器接收滤波器抽样保持比较器参考电平信息恢复图2.接收系统三、各模块硬件设计及

4、原理图 发射电路1. 时钟信号产生及分频电路模块时钟采用简单的ttl时钟发生器，这个电路适用于大多数ttl系统，它只需要一块六反相器集成电路中的3个反相器和3个无源元件。时钟频率取决于c的电容量：c为200pf时，频率为5mhz；c为1600pf时，频率为1mhz；c 为0.018时，频率为100khz。本电路要求产生512k的时钟信号，故电容选用2000pf。电路图如图3所示：图3.512k时钟信号发生器及分频电路前一部分电路产生512k时钟信号，后面接一分频器以便产生本系统所需各种时钟信号，分频器用双16进制计数器74ls393实现，共可实现2分频，1a计数器时钟端输入的是512k信号，可

5、得从74ls393的3脚到6脚输出依次为256k，128k，64k，32k，从74ls393的11脚到8脚输出依次为16k，8k，4k，2k。这样就得到了各种时钟信号。2.信息码产生模块一般来说，信息码也是伪随机序列，在这里选用一个固定的序列做信息码，可以用各种方式产生这种序列，可以用移位寄存器加反馈网络产生，也可以用计数器加反馈网络产生等多种方法，本设计采用后者。选用周期为10的序列1101000101作为信息码。计数器选用16进制计数器cd40161，状态表如下：状态表q q q qz0 1 1 010 1 1 111 0 0 001 0 0 111 0 1 001 0 1 101 1 0

6、 001 1 0 111 1 1 001 1 1 11 反馈网络可以用门电路实现，但为了简化电路，可用8选1数据选择器74ls151来设计，74ls151的输出方程为 y= 根据上式设计状态方程如下 z=(qq)*1+(q)*q+( qq)*q+(qqq)*q因此可得74ls151的数据端输入的数据如下d=d=d=d=0 d=1 d=d=d=q信息码发生器电路图4所示。图4. 信息码发生器电路图3.m序列产生模块设f(x)=,c=1,c=1 是f域上的特征多项式，以g(f)代表由特征多项式所产生的所有非零序列的集合。于是g(f)中之非零序列均为m序列的充要条件是f(x)为f上的本原多项式。所谓

7、本原多项式是指f(x)是不可约的，f(x)可整除1+x，p=2-1，f(x)除不尽1+x，q2,故取r1为500,r2为1.5k。(3) 信息调制用极性变换电路输出的双极性信号以dsb方式去调制载波就可得到bpsk信号,可用集成模拟乘法器来实现。由mc1496构成的平衡调制器电路如图9所示。图9.平衡调制器电路如图9所示,载波信号vc经高频耦合电容从10脚输入，c3为高频旁路电容，使8脚交流接地；调制信号c(t)从脚输入，c4为低频旁路电容，使4脚交流接地。bpsk信号从12脚输出。采用双电源供电方式，所以5脚的偏置电阻r5接地。调整50k的电位器可得到输出的最大的载频抑制。输出滤波用来去掉不

8、需要的谐波。可知此调制信号的输出为s(t)=ac(t)cost，其中c(t)=d(t)*m(t),为扩频后且变为双极性的信号，所以发送信号的完整表达式为：s(t)=ad(t)*m(t)cost 接收电路1.接收滤波器模块由上面的分析可知，因为调制信号是二进制的数字信号，理论上讲bpsk信号的功率分布在整个频率范围，但是以m序列为调制信号的bpsk的功率分布主要集中在载波附近，即f1fc，因此bpsk信号带宽为2fc。为了限制信道噪声，信号在进入接收机之前首先要经过接收滤波器，接收滤波器应设计为以载波f1为中心频率，带宽为2fc的带通滤波器。对于本系统来讲，f1=1mhz，fc=128k。可用r

9、c元件与运算放大器组成的rc有源滤波器来实现，因受元器件的限制，具有理想特性的滤波器是很难实现的，只能用实际特性去逼近理想的。因要设计的带通滤波器中心频率为1mhz，且带宽比较宽，所以选用增益带宽积较大的运算放大器lf353来设计，设计出的带通滤波器如图10所示。 图10.接收滤波器电路2.解调器模块在发送端，是先扩频后调制，所以接收端要恢复出数据信息，和发送端对应，采用先解调后解扩。我们知道发射机输出信号可表示为如下：s(t)=ac(t)*cost= ad(t)*m(t)*cost 其中c(t)为信息码d(t)和m序列m(t)的乘积,是一个数字信号，因此s(t)就相当于c(t)对载波进行bp

10、sk调制。所以解调就相当于bpsk解调。解调有多种方式，在这里采用相干解调，即用与发送端同步的载波acost和接收到信号相乘(忽略干扰)，解调器电路如图11所示。图11.解调器3.解扩模块扩频系统具有很强的抗干扰性，能作到这一点的重要原因是扩频接收机中采用相关检测进行解扩。解调器输出的信号中，有用分量为：c(t)= d(t)*m(t) 进入解扩器的信号中的有用信号c(t)是与发送端扩频后调制前相对应的信号，也就是信息码和扩频码m序列异或后又经过极性变换后的的信号，它是一双极性信号。单极性信号变成双极性信号后，0变成1,1变成-1，所以双极性信号的相乘运算就相当于单极性信号的异或运算。所以，在接

11、收端进行相关解扩，就是把c(t)再和与本地同发送端同步的m序列相乘（此时的m序列应变成双极性信号），就可以把扩展后的频带压缩回基带信息频带。 相乘器电路图如图12所示。图12.相乘器相乘器输出的信号中包含信息码d(t)和高频分量，信息码的速率为2k，所以设计的低通滤波器的截止频率应为2k。二阶rc低通滤波器传输函数如下：a(s)= 其中a-电压增益 -截止频率 q-品质因数， q(当bw远小于时)电路的传输函数表达式为：a(s)= 低通滤波器电路如图13所示。图13.低通滤波器4. 抽样判决模块 低通滤波器输出是模拟信号，为了恢复信息，需把它变成数字信号这就需要一抽样判决电路把模拟信号变成数字

12、信号。抽样保持电路可用芯片lf398来实现。电路图如图下14所示。图14.抽样保持电路如上图所示，3端输入模拟信号，采样脉冲从8端输入，因信号速率为2 kb/s，故采样脉冲选用4k的方波信号。5.电压比较器模块要想获得数字信号，还需把抽样/保持信号经一判决电路，此电路可用简单的电压比较器来实现。如图15所示：图15.电压比较器如上图所示，比较器输出接一5v的稳压管，就可得到近似ttl信号,此电路的输出信号即接收端恢复出的信息码，它应该和发送端发射的信息码相同。四、系统软件仿真1.系统模型如图16所示。图16直接扩频通信系统（无噪声情况）此系统主要模块参数如下:发送部分1(token 1)为信息

13、码发生器，主要参数如下：source: pn seq amp =1v offset =0v rate = 2e+3 hz2(token 2)为m序列发生器，它的时钟信号是128k的脉冲信号，所以产生的m序列速率为128k，主要参数如下：comm: pn gen reg len = 7 taps = 6- 7 true = 1 false =-1 rate = 128e+33(token 3)为异或门，信息码和m序列通过它来产生扩频信号，它的输出信号为双极性的二进制信号，主要参数如下：operator: xorthreshold = 500.e-3 true = 1 false = -14(to

14、ken 5)为正弦波发生器，主要参数如下：source: sinusoidamp =1v freq=1e+6 hz phase =0 deg 5(token 6)为平衡调制器，它是一乘法器。接收部分1(token 9)为接收滤波器，它是一带通滤波器，主要参数如下：operator: linear syslow fc = 850e+3 hz hi fc = 1.15e+6 hz2(token 10)为解调器，它是一乘法器。3(token 11)为本地载波信号，和发送端的载波信号参数相同。4(token 18)为解扩器，它是一乘法器。5(token 19)为本地m序列发生器，它发送端的m序列参数相

15、同。6(token 12)为低通滤波器，主要参数如下：operator: linear sysfc = 2.2e+3 hz7(token 13及14)为抽样保持模块，主要参数如下：operator: samplerrate = 4e+3 hz8(token 15)为比较器，主要参数如下：operator: comparecomparison = true output =1v false output =-1va input =采样保持模块输出 b input =参考电平2.主要输出点波形为了更清晰的表现，此系统工作过程，故把主要点的波形进行了比较。如图17所示：（1）调制以前的信号与解调后信

16、号比较：图17.调制前后信号如上图所示，上面的波形为调制前即扩频后的信号，下面的波形为解调后即解扩前的信号。(2) 调制后的信号功率谱密度如图18所示。图18.调制后信号功率谱密度(3) 发送波形、低通滤波输出波形、接收波形比较如图19所示。 图19.发送波形、低通滤波器输出波形、接收波形如上图所示，第一个波形为发送信号，第二个波形为接收端低通滤波器输出信号，第三个波形为恢复出的信号，它和发送信号有一段时延。五、总结与体会随着两个星期的结束，此次专业设计也接近了尾声。由于专业设计之前我们本学期的课程和考试已经全部结束，所以有较充分的时间和精力去进行这次设计。通过此次专业设计，我不仅加深了对通信原理课程原理的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新，是要我们学会将理论很好地联系实际，并不断地去开动自己的大脑，从为人类造福的意愿出发，做自己力所能及的，别人却没想到的事。使之不断地战胜别人，超越前人。同时，更重要的是，在这一设计过程中，学我会了坚持不懈，不轻易言