一種衛星擴頻保密通信系統的Systemview仿真

趙赴暢，張 鴻

（1.河海大學，南京211100；2.船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

擴頻通信系統是在20世紀50年代中期產生的，其抗干擾、抗竊聽、低截獲等方面的能力得到很大的發展，但都只是局部的發展。隨著微處理器、超大規模集成電路、數字信號處理器件、擴頻專用器件的問世，在20世紀60年代擴頻技術獲得了重大的突破和進展，在實際的應用中優越性更加明顯，擴頻通信成為通信的一種重要方式。其優良的抗干擾特性、低截獲概率特性、多址接入能力和強保密性在軍事通信中發揮出了不可取代的優勢［1］。擴頻通信的種類多種多樣，主要有直接擴頻、跳頻擴頻、混合擴頻等方式。本文主要使用的是直接擴頻通信方式。

衛星通信是指利用人造地球衛星作為中繼站轉發無線電波，在2個或者多個地球站之間進行的通信。與其他通信方式相比，衛星通信的通信距離遠，而且費用與通信距離無關，這是地面微波中繼通信、光纖通信以及短波通信等其他手段無法比擬的；覆蓋面積大，可以進行多址通信，只要是衛星的覆蓋范圍內都可以設置地球站；機動靈活，可以安裝車載、機載等移動終端；通信線路穩定可靠，傳輸質量高。

Systemview是一個信號級的仿真軟件，主要應用于電路與通信系統的設計、仿真，是一個強有力的動態分析工具，能滿足從數字信號處理、濾波器設計到復雜的通信系統等不同層次的設計、仿真要求，基本達到在個人計算機級別上完成復雜的通信系統設計與仿真的目的。

1 系統原理及其設計

1.1 直接擴頻通信的原理及設計

擴頻通信的理論基礎主要是使用偽噪聲序列的相關特性。通常的偽噪聲序列是1個周期序列。假設某種偽隨機序列的周期為N，且碼元ci都是集合｛－1，1｝中的元素。1個周期為N，碼元為ci的偽噪聲二元序列｛ci｝的歸一化自相關函數是1個周期為N的周期函數，可以表示為：

式中：RN（τ）為偽噪聲二元序列ci一個周期內的表達式：

式中：τ＝0，1，2，…，N。

偽噪聲序列周期N取足夠長或N→∞時，RN（τ）→R（τ），式（1）可以簡化為：

高斯白噪聲的自相關函數為：

比較式（3）和（4），看出它們比較相近，當序列周期足夠長時，式（3）就逼近式（4）。所以具有與白噪聲相類似統計特性的偽噪聲序列很接近于高斯信道要求的最佳信號形式［2，3］，因此用偽噪聲碼擴展待傳輸信息信號頻譜的擴頻通信系統，優于常規的通信系統。

直接擴頻通信系統的簡化原理如圖1所示。

在接收端用1個和發射端同步的參考偽噪聲碼所調制的本地參考振蕩信號與接收到的信號進行相關處理。當2個信號完全相同或者相關性很好的時候，得到最大的相關峰值，經數據檢測器恢復出發射端的信號。由于噪聲信號和多徑干擾與本地參考偽噪聲碼不相關，所以在進行相關處理時被削弱，而且相關器后面的中頻濾波器頻帶很窄，所以中頻濾波器只輸出被基帶信號調制的中頻信號和落在濾波器通頻帶內的那部分干擾信號和噪聲，而絕大部分的干擾信號和噪聲的功率被中頻濾波器濾除，這樣就大大改善了系統的輸出信噪比。

圖1 直接擴頻通信系統原理圖

1.2 衛星通信系統發射／接收機的原理與設計

由于現代通信對帶寬資源日益增加的要求，毫米波通信逐漸成為通信技術的主流，毫米波的頻帶范圍為30～60GHz。隨著科技的發展，1GHz的調制解調芯片已經逐漸被廣泛使用。考慮到系統的復雜度和體積，系統采用一次變頻。所以在本文中使用1GHz作為基帶載頻。

衛星系統發射器主要由2個部分組成，如圖2所示。第1部分是基帶信號的數模轉換器，將基帶送過來的I／Q兩路正交數字信號轉換為模擬信號，然后將輸出的模擬信號送入低通濾波器；第2部分則是上變頻模塊，將處理后的信號上變頻器件進行正交調制并且上變頻，然后將I／Q兩路信號整合后發射出去。

圖2 信號發射器

系統的接收器也是由2個部分組成（見圖3），第一部分是下變頻模塊，將接收信號正交解調，并且下變頻為基帶信號，將下變頻信號經過低通濾波器送入第2部分，該部分將I／Q兩路信號通過模擬數字轉換器（ADC）轉換為數字信號，完成解調。

圖3 信號接收器

1.3 通信信道的設計

在本次仿真中主要使用AWGN以及單頻噪聲作為系統引入的噪聲。

2 系統仿真

系統仿真圖如圖4所示。

系統的主要模塊有：

（1）信號源。使用一個1kHz的隨機數發生器作為系統的信號源（器件0），器件1為低通濾波器。

圖4 系統仿真圖

（2）擴頻模塊。使用一個2kHz的隨機數發生器（器件4）作為擴頻碼發生器，與基帶信號相乘，得到擴頻后的信號。

（3）上、下變頻模塊。使用1GHz的正弦波（器件23）作為載波，將基帶信號直接上變頻。基帶信號上變頻之后，加入一段高斯白噪聲（器件7），通過增益控制（器件41），使得噪聲的功率可調，從而控制信噪比。在接收端同樣使用1GHz的正弦波（器件28）來解調。

（4）解擴模塊。將擴頻碼發生器（器件4）與得到的基帶信號相乘，根據前文分析，根據相關性可以將基帶信號解擴。

（5）誤碼率統計模塊。使用誤碼率分析器（器件37）將最終處理得到的信號與新源信號相比較，注意新源信號要適當延時以得到精確的結果。器件47是停止接收計算器，通過該器件可以使系統在改變噪聲參數的情況下循環執行。

3 結果與分析

系統仿真波形如圖5～圖9所示。

比較圖7和圖8，圖7是原始信號的頻譜，它有3處尖銳的峰值，信號的信息主要集中在峰值附近；圖8是擴頻后信號的頻譜，與圖7相比，它沒有尖銳的峰值，這是因為原始信號與擴頻碼相乘之后，其頻帶被展寬，信號的能量被擴展到整個頻帶范圍之內，所以整個信號的頻譜相對平緩。

圖5 原始信號

圖6 加入噪聲后的射頻發射信號

圖7 原始信號頻譜

圖8 擴展后的頻譜

圖9 恢復信號

圖10是誤碼率統計圖，統計了信噪比從－10dB到10dB的平均誤碼率。當信噪比為－10dB時，誤碼率大概為40%左右，在信號幾乎完全淹沒在噪聲之中的情況下，仍然能夠較好地解調出信號；在信噪比大于5dB的時候，誤碼率大概在5%左右的范圍，這樣的性能非常不錯。擴頻通信使得信號的帶寬被展寬，噪聲能量也被分散到了更寬的頻帶內，又因為偽隨機碼良好的自相關性，使得系統能更好地從噪聲信號中解擴出原始信號。所以，使用擴頻通信可很好地抵抗窄帶干擾、人為瞄準式干擾、單頻干擾、多徑干擾等，達到保密通信的效果。

圖10 誤碼率統計圖

另外從第2節的系統框圖中可以看出，整個仿真系統比較簡單，這是因為隨著衛星通信的發展，很多直接上變頻的模塊已經被廣泛應用了，相對于復雜的二次變頻系統，直接變頻的衛星通信系統顯然更具有競爭力。

［1］曾一凡，李暉.擴頻通信原理［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［2］Poise R A.現代通信干擾原理與技術［M］.通信對抗國防重點實驗室譯.北京：電子工業出版社，2005.

［3］吳詩其，胡劍浩，吳曉文，等.衛星移動通信新技術［M］.北京：國防工業出版社，2001.