基于LabVIEW的直接擴頻通信實驗系統的設計

賈 勇, 胡煒琳, 晏 超, 鐘曉玲, 郭 勇

(成都理工大學 信息科學與技術學院, 四川 成都 610059)

擴展頻譜通信能夠有效抵抗極端惡劣甚至負信噪比條件下的干擾影響,并且在信號保密性、截獲率、距離分辨和多址復用等方面有諸多優點,被廣泛應用于通信、雷達、導航等領域[1-3]。其中,直接序列擴頻不僅是第三代移動通信的核心技術[4],在GPS全球定位、衛星數據通信[5]、分組無線通信、無線局域網WLAN等現代通信領域中也均有應用。隨著5G通信技術的到來,研發基于擴頻的新技術乃是抗干擾通信發展的重中之重,也是通信專業教學中的核心內容。

在目前擴頻通信仿真實驗教學中,一般采用VC、Matlab/Simulink等語言工具[6-8],但在進行設計分析時會面臨編程技能要求較高、程序代碼復雜抽象等問題。基于LabVIEW設計通信系統,為擴頻通信仿真實驗教學提供了一種很好的解決辦法。以LabVIEW圖形化方式靈活搭建仿真環境,能夠提高系統開發和理論教學的效率[9-10],且比Simulink仿真更能夠體現動態信號所引起的系統內部變化[11],有利于深入理解擴頻通信的技術特點。

1 系統結構

直接序列擴頻通信是指用一個獨立的擴頻碼直接對載波進行調制,完成信號頻譜的擴展,送入信道傳輸；在接收端,使用同步的擴頻碼,將頻帶壓縮回原待傳輸信號的帶寬,還原信息,以實現信息傳輸目標的通信方式。

一般情況下,在直接序列擴頻通信系統的前向通道中,信息調制之后先進行擴頻,再調制信號發射；若先調制再擴頻,則失真率較高。在接收端,室外遠距離通信一般采用先解擴再解調的方式；室內無線局域網通信則先解調再解擴,能使系統結構更加簡潔、通信更加便捷。本系統為更好地體現直接擴頻通信的抗干擾性能優勢,采用先解擴再解調的順序搭建。

在系統調制部分,振幅調制的保密性低、抗干擾能力較差,而相移鍵控方式的頻帶利用率和功率利用率更理想[12],是直接擴頻通信的最優選擇。本文使用最基礎的二進制相移鍵控(binary phase shift keying,BPSK)作為本直接擴頻系統的調制方式,利用載波的相位變化傳遞數字信息,設計了一種BPSK調制的直接序列擴頻通信實驗系統,并模擬真實傳輸情況,使信號經過噪聲信道。該直接序列擴頻通信系統主要由擴頻模塊、BPSK調制模塊、加噪信道模塊、解擴模塊、BPSK解調及抽樣模塊組成,可以產生信號、進行信道傳輸和還原信號。

2 系統設計

直接擴頻通信實驗系統分為若干子功能模塊,并按照數據流的方向進行連接。系統的總體程序框圖如圖1所示。系統輸出序列之后,在誤碼計算子VI中累計傳輸的誤碼個數,計算誤碼百分比,并在前面板上顯示。由于LabVIEW并行執行程序,為防止上一次計算結果對本次計算產生影響,使用平鋪式順序結構,使誤碼計算子VI顯示當前通信狀態的誤碼情況。整個系統項目共15個VI,其中包括14個子VI。

圖1 直擴通信實驗系統總體程序框圖

2.1 產生4級m序列

擴頻通信中最為關鍵的擴頻碼是一種窄脈沖序列,頻帶寬、碼速率高,并且任意兩碼之間正交,統計特性與白噪聲信號近似,能夠完成擴展頻譜的功能。

偽隨機序列就是一種常見的擴頻碼序列,其中最長線性移位寄存器序列是最基本的一種序列,簡稱為m序列,由多級線性反饋移位寄存器產生,是一種周期性的最長碼序列。

m序列可按照一遞推方程計算產生,該方程描述了移位輸入ak與各級狀態之間的關系。對于任意一個輸入ak,有

式中,求和符表示模2相加；ci表示移存器的結構和反饋連接,用特征方程f(x)表示。當f(x)為本原多項式時,可以產生m序列。

本文設計的直接擴頻通信實驗系統使用4級m序列擴頻。根據輸入的m序列初始狀態和下拉列表控件屬性“編輯項”中預設的兩種本原多項式,利用for循環和公式節點編寫類C程序,按照本原多項式中體現出的各級狀態之間關系,移位輸出15位的4級m序列,如圖2所示。

圖2 產生m序列子VI

2.2 擴頻模塊

在直接擴頻系統中,若擴頻碼與信息碼都為單極性碼,則必須通過2個信號進行模2相加才可以完成擴頻；若2個信號都為雙極性碼時,直接序列擴頻僅需把2個信號波形相乘即可。故擴頻模塊中將m序列和原信號序列調整為雙極性碼,再將兩者相乘擴頻。此時相同電平相乘結果為正,不同電平相乘結果為負,正負分別表示高低電平。通過電平的交替變化,擴頻后信號保留了原始信號與擴頻序列中的信號信息。

在本模塊中,將信號序列碼型變換,通過索引數組函數,依次取出序列中的每一位與擴頻序列進行逐位相乘,再次變換回單極性,完成擴頻操作。擴頻后序列的長度為原始信息序列與偽隨機序列的長度之積。擴頻子VI的程序框圖如圖3所示。

圖3 擴頻子VI程序框圖

2.3 解擴模塊

解擴是擴頻的反變換,序列的解擴即為信號與擴頻序列再次相乘。擴頻序列與其自身相乘,乘積恒為定值“1”,如此便可還原出原始信號。若在信道中存在干擾和噪音,由于與擴頻碼不相關或相關性很小,噪聲在接收端被擴展頻譜,大部分的干擾影響將被剔除,使得通信能夠正常進行。

本系統中設計了解擴子VI,使其能夠接收信道傳輸波形并進行解擴處理。將同步的m序列進行單極性到雙極性的變換,擴展使之與信道傳輸波形等長。用此序列調制載波,形成一個能夠與傳輸波形進行對比的波形。令對比波形與信道傳輸波形相乘,得到中間信號,乘積為正則表示波形相位相同,乘積為負則表示波形相位相反。由此可以對比出原序列的每一位碼元,此時已經能夠判斷出原序列的信息情況。

為降低誤碼風險,需對中間信號進行處理。利用數組子集函數,將中間信號按一個碼周期內點數劃分成幾個數組,數組的數量等于原序列的長度。對每組中所有的點取均值,若均值為正則表示高電平,即對應得到原序列為“1”,否則得到“0”,輸出即為解擴序列,亦是還原出的原始信息序列。將解擴序列鍵控的波形輸入下一級,以便進行后續解調抽樣,如圖4所示。

圖4 解擴子VI程序框圖

2.4 信道干擾模塊

在擴頻通信中,除高斯白噪聲之外,主要需考慮窄帶干擾、多徑干擾和多址干擾。直接擴頻通信實驗系統的信道干擾模塊將此3種干擾都包括在內。利用沖激函數得到窄帶干擾信號,將m序列分別通過一位數組循環移位函數和重排一位數組函數,得到多徑和多址干擾信號,調制之后加入信道傳輸,模擬幾類干擾情況,如圖5所示。

圖5 信道干擾子VI

2.5 BPSK調制解調模塊

BPSK調制解調模塊分別采用模擬調制法和相干解調法。采用模擬調制法,將輸入序列生成波形,碼型變換成雙極性信號,以便對載波信號進行調制。在BPSK已調信號的波形中,0相表示輸入序列的“1”,π相表示輸入序列的“0”,輸出為已調信號。在BPSK解調子VI中相干解調,接收信號與同步載波相乘后得到輸出波形,經低通濾波器濾除高頻、保留低頻,抽取解調后信號每個碼元中心點的值進行判決。根據雙極性碼與單極性碼之間的對應關系,將抽樣值與0電平進行比對,若為正電平則輸出“1”,否則輸出“0”,還原出原始信號。

2.6 系統前面板

在設計的直接擴頻通信實驗系統的前面板中,可以自由設置信息序列的長度和內容,調整信道傳輸過程中的各參數,對擴頻和幾種干擾進行開關操作,方便進行不同傳輸狀態的切換和測試分析,所有序列的情況全部顯示在序列信息框中。系統內部產生的各類波形和功率譜密度同樣能夠在前面板中得以顯示。

3 分析測試

為對比擴頻與非擴頻之間的差異,分別進行誤碼及占用帶寬測試。設置采樣率大于1 500 Hz,以保證采樣率除以碼速率時取整舍去部分的影響不大。以10位的數字信號序列“1101001101”為輸入,進行系統的測試分析。

3.1 非擴頻通信誤碼分析

在非擴頻通信中,擴頻和各類干擾開關關閉,設置載波頻率為150 Hz,采樣率為1 600 Hz,信息碼速率為10 B,信道標準差為0.2 dB。非擴頻通信時,程序框圖中所有模塊皆需使用信息碼速率。從前面板中能夠顯示出實驗結果。此時誤碼為0,系統正常通信。

當窄帶干擾時,其他設置不變,前面板顯示此時的誤碼率在20%。分別進行多徑干擾和多址干擾時,前面板顯示的誤碼率大致在0～30%和0～40%內浮動。

3.2 擴頻通信誤碼分析

在擴頻通信時,打開擴頻開關,設置m序列初始狀態為“1001”,本原多項式選擇(1+x+x4),其他設置與非擴頻通信一致。擴頻時,所有模塊皆需使用PN碼速率。若解擴序列與擴頻序列不同步或為不同序列時,兩次相乘的結果不為定值,無法還原出原始信息,保障了信號在傳輸過程中的保密性。

擴頻前后的序列波形如圖6所示。在相同的時間間隔內,信息序列的每一位都被擴展成一個m序列。擴頻開關開啟后,解擴子VI中表示信號序列碼元信息的中間信號波形如圖7所示,波形體現出原序列的信息情況,經過解擴子VI下一步的處理,即可得到解擴后的序列,并且與原序列相同。

圖6 序列擴頻前后波形

圖7 解擴子VI的中間信號波形

理論分析中窄帶干擾信號在解擴時與擴頻序列相乘,各碼片間正負抵消,從而被抑制；由于擴頻序列的自、互相關特性,多徑和多址干擾也被有效抑制。測試時首先進行窄帶干擾,結果顯示誤碼為0,系統正常通信,干擾后的波形及功率譜密度如圖8所示。分別進行多徑干擾和多址干擾,前面板顯示誤碼皆為0,系統正常通信。

圖8 擴頻時窄帶干擾后的波形及頻譜

由于程序運行和不同模塊間接收數據的緣故,當信道噪聲標準差大于4.4且無其他干擾時,擴頻和非擴頻通信均出現較明顯的誤碼,范圍分別為0～10%之間和0～20%。

從幾種干擾的結果看,擴頻通信能夠很好地抑制窄帶干擾、多徑干擾和多址干擾,但對高斯噪聲干擾的抵抗力只略微優于非擴頻系統,與理論分析相符。總體結果表明,直接擴頻通信的傳輸誤碼率得到有效降低。

3.3 占用帶寬分析

帶寬和基帶的符號速率大致成正比關系,系統帶寬約等于符號速率。由于擴頻后序列中的每一位都變成一個序列,相當于碼元寬度變小,帶寬增加。對于原始信息序列,理論上的符號率將提高偽隨機序列位數個的倍數,相應的帶寬也將提高相同倍數。

根據功率譜對信號頻域進行分析,對比BPSK信號的功率譜密度可以看出,擴頻前后信號頻譜得到擴展,比較符合理論推算,如圖9所示。

圖9 擴頻前后的BPSK功率譜密度

4 結語

經過測試分析說明,設計的基于LabVIEW的直接擴頻通信實驗系統在通信碼速率對比、占用帶寬對比以及不同傳輸狀態下的誤碼情況對比清晰,各類波形明確,能夠體現出直接序列擴頻通信的優勢性能和各種特點。本系統界面直觀,操作性強,具有實用和拓展意義,對擴頻通信相關的實驗教學和研究開發具有較好的應用價值。