扩频通信系统的设计

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

图1.发送系统

图2.接收系统

三、各模块硬件设计及原理图

<1> 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28分频，1A计数器时钟端输入的是512K信号，可得从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

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=∑=7

0i i i M D

根据上式设计状态方程如下

Z=(-3Q Q 2Q 1)*1+(Q 3-2Q -1Q )*Q 0+( Q 3Q 2-

1Q )*Q 0+(Q 3Q 2Q 1)*Q 0 因此可得74LS151的数据端输入的数据如下

D 0=D 1=D 2=D 5=0 D 3=1 D 4=D 6=D 7=Q 0

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)=∑=r i i i x c 0,c 0=1,c r =1 是F 2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 2上的本原多项式。所谓本原多项式是指F(x)是不可约的，F(x)可整除1+x p ，p=2r -1，F(x)除不尽1+x q ，q

在实际应用时，常常是根据需要确定所要求的码长，有p=2r -1确定移位寄存器的级数r ，查本原多项式表，确定F(x)，由F(x)就可以决定线性移位寄存器的反馈连线。本设计产生m 序列的方法是采用7级移位寄存器网络实现，m 序列发生器电路如图5所示。

图5.m序列发生器电路图

4.扩频信号产生模块

设信息码发生器产生的信息码为d(t)，扩频码发生器产生的m序列为m(t),两信号都是TTL信号，把两信号异或就可得到扩展频谱的信号码，设为c(t),为了便于表达用下式表示：

c(t)=d(t)*m(t) 为了将待传送的信息同扩频码序列进行准确的模2加，必须对信息序列用时钟进行定时，定时用D触发器来实现。电路图如图6所示。

图6.扩频信号产生电路图

如上所示，定时用256K的时钟信号，信息码速率2 kb/s，m 序列速率64 kb/s，在两个D触发器的作用下，信息码和m序列可以准确的模2加，此运算用异或门74LS86来实现。扩频后信号输出速率为64 kb/s。

5.平衡调制器模块

为了节省发射功率和提高发射机工作效率，通常使用抑制载波的双相平衡调制。BPSK信号可用双极性的二进制信号和载波相乘而获得，所以BPSK调制可用平衡调制器来实现。

（1） TTL信号变双极性电路

因为扩频信号产生电路输出的是TTL信号，故在进行平衡调制之前，要先把此TTL信号变成双极性信号，即当二进制信号是1的时候，信号电平是-V，当二进制信号是0的时候，信号电平是+V。根据TTL信号的特点，变换电路可用反相器74LS04或CD4069和运算放大器LF353组合电路实现。电路图如图7所示。

图7.单极性变成双极性电路