直接序列扩频通信系统建模仿真分析

直接序列扩频通信系统建模仿真分析王玉姣北京航空航天大学电子信息工程学院电磁兼容实验室摘要：本文利用ADS(AdvancedDesignSystem)仿真平台，建立了直接序列扩频通信系统仿真模型，主要包括扩频模块、调制模块、发射机模块、接收机模块、同步模块、解扩模块、借条模块、以及整流模块。在此基础上进行仿真分析，并通过仿真结果说明ADS仿真平台在直扩通信系统的性能评估中的重要意义。关键词：ADS直接序列扩频BPSK系统级建模一、引言现代通信中遇到的一个重要问题就是日益严重的干扰问题。而在有限的频率资源拥挤的今天，干扰问题更为严重。扩频技术具有的许多特有优点，特别是具有很强的抗干扰性能，因而越来越受到人们的重视，其应用领域也在不断地扩大。扩频通信即扩展频谱通信技术(SpreadSpectrumCommunication)，是一种数字化通信技术，属于宽带通信范畴。最初是在军事抗干扰通信中发展起来的，后来又在移动通信中得到广泛的应用，目前它在这两个领域占据重要的地位。扩频通信系统是在上世纪50年代中期产生的，其最初的应用包括军事抗干扰通信、导航系统、抗多径实验系统以及其它方面。到了80年代中期扩频技术才逐步应用到民用通信中。扩频技术最初在无绳电话中获得成功应用，因为当时已经没有可用的频段供无绳电话使用，而扩频通信技术允许与其它通信系统共用频段，所以扩频技术在无绳电话的通信系统中获得了其在民用通信系统中应用的第一次成功经历。而真正使扩频通信技术成为当今通信领域研究热点的原因是码分多址(CDMA)的应用。扩频技术为共享频谱提供了可能。使用扩频技术能够实现码分多址，即在多用户通信系统中所有用户共享同一频段，但是通过给每个用户分配不同的扩频码来实现多址通信。利用扩频码的自相关特性能够实现对给定用户信号的正确接收；将其他用户的信号看作干扰，利用扩频码的互相关特性，能够有效抑制用户之间的干扰。此外由于扩频用户具有类似白噪声的宽带特性，它对其它共享频段的传统用户的干扰也达到最小。扩频通信技术也在民用通信中找到更为广阔的应用空间，而关于CDMA技术的研究热潮也一直延续到现在。二、扩频原理2.1扩频通信的理论基础所谓扩频技术是指通过注入一个更高频率的信号将发送的基带信息扩展到一个更宽的频带内的射频通信系统，即发射信号的能量被扩展到一个更宽的频带内使其看起来如同噪声一样，接收端通过相关接收，将信号恢复到信息带宽的一种技术；基于该技术的系统就称为扩展频谱系统或扩频系统。香农(Shannon)在其信息论中得出了带宽与信噪比互换的关系式，即香农公式：)1(log2NSWC+=(1)式中，C为信道容量（bit/s），意指单位时间内信道中wu差错传输的最大信息量；W为信号频带宽度（Hz）；S为信号功率（W）；N为噪声功率（W）；S/N为输入功率与噪声功率之比，称为信噪功率比，简称信噪比。这个公式说明：对于一个给定的信道容量而言，既可以用增大信道带宽同时相应降低信噪比的办法达到，又可以用减少信道带宽同时相应增大信噪比的方法实现。这就是说：信道的容量可以利用带宽与信噪比的互换而保持不变。直接序列扩频技术正是利用这一原理，用高速率的扩频码来扩展待传输数字信息的带宽。扩展带宽与初始信号之比称为处理增益(dB)，典型的扩频处理增益可以从20dB到60dB。故在相同的情况下，与其它通信方式相比，扩频通信具有较强的抗噪声干扰的能力。2.2直接序列扩频系统的组成直接序列扩频(DSSS)是目前应用最广泛的一种扩频方式。它是将要发送的信息用伪随机码(PN)码扩展到很宽的一个频带上去，在接收端，用与发送端扩展用的相同的伪随机码对接收到的信号进行相关处理，恢复出发送的信息。对于干扰信号而言，由于与伪随机码不相关，在接收端被扩展，使落入信号通频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了相关器的输出信噪比，达到了抗干扰的目的。直接序列扩展频谱通信系统发射部分和接受部分的简化方框图如图1、图2所示。图1直接序列扩频通信系统发射部分图2直接序列扩频通信系统接收部分2.3直接序列扩频系统的信号分析信号源产生的信号a(t)为信息流，其码元速率为Ra，码元宽度为Ta，Ta=1/Ra，则a(t)为∑∞=−=0)()(naannTtgata(2)式中，na为信息码，以概率P取+1和以概率1-P取-1，即⎩⎨⎧−−+=P11P1以概率以概率na⎩⎨⎧≤≤=其它001)(aaTttg为门函数。伪随机序列产生器产生的伪随机序列c(t)，其速率为Rc，切普宽度为Tc，Tc=1/Rc，则∑−=−=10)()(NnccnnTtgctc(3)式中，nc为伪随机码码元，取值+1或-1；)(tgc为门函数。扩频过程实质上是信息流a(t)与伪随机序列c(t)的模2加或相乘的过程。伪随机码速率Rc比信息速率Ra大得多，一般Rc/Ra的比值为整数，且Rc/Ra远大于1，所以扩展后的序列的速率仍为伪随机码速率Rc，扩展的序列d(t)为∑∞=−==0)()()()(nccnnTtgdtctatd(4)⎩⎨⎧≠−=+=nnnnncacad11ccnTtTn≤≤−)1(用此扩展后的序列去调制载波，将信号搬移到载频上去。本文中采用PSK调制。调制后得到的信号s(t)为twtctatwtdts00cos)()(cos)()(==(5)式中，0w为载波频率。在接收端，先经过解扩处理得到r(t)为twtatwtctctatctstr00cos)(cos)()()()()()(===(6)然后再经过PSK解调得到原始信号a(t)。以上就是扩频系统的基本信号分析过程。三、系统建模3.1模型建立直接序列扩频通信系统在Agilent公司ADS仿真平台中建立的系统模型如图3所示。信源码速率Ra为1Mbps，伪随机序列码速率Rc为10Mbps，BPSK调制器的载波为100MHz，发射机的射频载波为2GHz，接收机为两次变频的超外差接收机，第一中频为400MHz，第二中频为100MHz。最后通过BPSK解调输出基带信号。RectifierBPSKDemodulationDeSpreadDelay(synchronization)RFReceiverAttenuation(dB)RFTransmittersourceDirectSpectrumBPSKModulationpseudo-randombinarysequencegeneraterVARVAR1CodeTime=0.1usecBitTime=1usecTstep=0.001usecEqnVarVARVAR2IF_BW=10MHzR_IF2=100MHzR_IF1=400MHzRF_BW=20MHzRF_freq=2GHzT_IF=100MHzEqnVarDFDFDefaultTimeStop=100usecDefaultTimeStart=0usecDefaultNumericStop=100DefaultNumericStart=0DelayRFD6IncludeCarrierPhaseShift=YesInterpolationMethod=noneDelay=287nsecLogicToNRZL3Amplitude=1.0TestGTT2CrossingsOnly=FalseConstC3Level=0.0PM_DemodP2Phase=0Sensitivity=1RefFreq=R_IF2GainG5Gain=0.5Mpy2M2RF_RX_IFoutR2IP3in=3.2e-6WIF_BW=IF_BWIF_Freq2=R_IF2IF_Freq1=R_IF1RF_BW=RF_BWRF_Freq=RF_freqRX_NF=5.0RX_Gain=50.0RX_AntTemp=150.0IFRFRF-RXMatchedLossM3Loss=52RF_TX_IFin1R1NDensity=-173.975PSat=32WTX_Gain=20RF_BW=RF_BWRF_Freq=RF_freqIF_Freq=T_IFRFIFRF-TXPM_ModP1Phase=0Sensitivity=1Power=0.01WFCarrier=T_IFGainG1Gain=0.5DataD1Repeat=YesSequencePattern=8Type=RandomUserPattern=BitTime=BitTimeTStep=TstepGainG3Gain=0.5GainG2Gain=0.5SplitterRFS2Mpy2M1DataD2Repeat=YesSequencePattern=8Type=PrbsUserPattern=BitTime=CodeTimeTStep=TstepClockC1DutyCycle=0.5Delay=0secPeriod=BitTimeTStep=TstepIntDumpTimedI1Rectangle_NRZX2RECT21TimedSinkToutPlot=RectangularSpectrumAnalyzerSoutPlot=Rectangular图3直接序列扩频通信系统建模发射机的作用是为通信系统提供一个载波受调制的大功率射频信号，经馈线和收发开关由天线辐射出去。主要包括混频、滤波和放大三个基本单元：混频就是将中频频率搬移到更适合天线工作的射频频率处；滤波是为了使得信号占用的频带尽可能的窄，并且频谱间没有码间干扰；放大单元主要是指功率放大器，由于天线所发射的信号需要接收机进行接收，所以要达到一定的功率值，才可以被探测接收。发射机的模型如图4所示。N_TonesN1PN_Type=RandomPNPhaseNoiseData=RandomPhase=NoAdditionalTones=Phase1=0.0Power1=.010Frequency1=RF_Freq-IF_FreqTStep=0MixerRFTxUpConverterLComp=000LoRej=-200ImRej=-200RfRej=-200Type=RFplusLONoiseFigure=0AddNDensityA1NDensity=NDensityBPF_ButterworthTimedB1N=5PassBandwidth=RF_BWFCenter=RF_FreqLoss=0.0GainRFTxPowerAmpGCSat=5PSat=PSatTOIout=5*PSatGCType=PSat+GCSat+TOINoiseFigure=0Gain=dbpolar(TX_Gain,0)*sqrt(ROut/RIn)PortP2Num=2PortP1Num=1图4发射机建模接收机的作用是通过适当的滤波将天线上接收到的微弱高频信号从伴随的噪声和干扰中选择出来，并经过放大的解调得到信源输出的信号。本文中采用的是超外差式二次变频接收机，也就是通过变频将射频已调信号变频到易处理的中频上，最终对中频已调信号进行处理放大、滤波解调。其优势在于可进行详细的增益控制，可改善噪声性能并可实现高选择性和高灵敏度。接收机模型如图5所示。GainRFRxAGCGain=dbpolar(RX_Gain-G1,0)ROut=ROutBPF_ButterworthTimedRx_IF_FilterN=5PassBandwidth=1.5*IF_BWFCenter=IF_Freq1Loss=0.0BPF_ButterworthTimedRx_IF_Filter1N=5PassBandwidth=IF_BWFCenter=IF_Freq2Loss=0.0MixerRFRxDownConverterType=RFminusLOBPF_ButterworthTimedRxImgFilterPassBandwidth=RF_BWFCenter=RF_FreqLoss=0.0GainRFRxLNAGain=dbpolar(G1,Ang1)*sqrt(ROut/RIn)NoiseFigure=RX_NFGCType=TOITOIout=db