扩频通信发展应用论文

2022-04-18

摘要:为了适应智能电网的发展要求,本文提出了一种基于扩频通信理论的低压电力线载波扩频通信芯片的设计。通过对有关文献资料中相关设计的大量分析、比较,以及对最新理论建模工具SystemView的应用,本文应用Verilog-HDL语言对该电路进行了设计,并利用FPGA(FieldProgrammableGataArray)进行了实验验证。以下是小编精心整理的《扩频通信发展应用论文(精选3篇)》，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助！

扩频通信发展应用论文篇1：

多通道直接序列扩频/跳频接收机的设计与实现

在现代通信中，为了充分利用频率资源，扩频通信的应用范围越来越广泛，扩频通信技术最早在1940年为军用保密通信而开发。近年来，随着超大规模集成电路和数字信号处理技术的飞速发展，使扩频技术的民用化成为可能，无论是在移动通信、室内通信还是个人通信中，扩频通信都显示出了其抗干扰性强、低截获概率、抗多径衰落能力强等特点。另外，在军事通信、空间探测、卫星侦察等方面对通信保密的要求也越来越强烈，而采用了直接序列扩频/跳频的混合扩频体制技术的接收机，充分利用二者相结合的优点提高系统的抗干扰能力，有很广泛的应用前景。

作者：王伟

扩频通信发展应用论文篇2：

基于扩频通信的低压电力线载波芯片的设计

摘要:为了适应智能电网的发展要求,本文提出了一种基于扩频通信理论的低压电力线载波扩频通信芯片的设计。通过对有关文献资料中相关设计的大量分析、比较,以及对最新理论建模工具SystemView的应用,本文应用Verilog-HDL语言对该电路进行了设计,并利用FPGA(Field Programmable Gata Array)进行了实验验证。实验结果表明,本设计电路可以准确地解调出电力线上的数据信号,并很好地满足相关的性能指标,从而完成电力线上信息的数字化通信的功能。

关键词:解调;FPGA;扩频通信

Design of spread–spectrum Integuate Circuit

for data communication over power line

RONG Yue-dong1 ,XU Dong-ming2 ,ZHOU Xiao-gang3

(1.Xi‘an University of Posts and Telcommunications Xi‘an 710061;

2.Xi‘an University of Posts and Telcommunications Xi‘an 710061;

3.Xi‘an Supermicro Electronics Co., LTD Xi‘an 710061)

Key words: demodulation; Field Programmable Gate Array; spread-spectrum

1引言

随着科学技术的发展以及人们生活水平的提高,传统的人工抄表模式已无法适应信息时代数字化的要求,因而,远程数字抄表系统应运而生。目前,远程抄表可以通过无线电波,电话线,低压电力线等介质进行传输。但考虑到成本以及实现的过程,低压电力线载波利用已有的电网,而且不必占用已有的频谱资源,因此低压电力线载波通讯传输方式比其他通讯方式具有明显的优势。虽然由于信号在电力线上的衰减以及背景噪音的干扰等都很大,电力线并非理想的通信信道。但是根据香农定理,在信道容量固定的前提下,牺牲带宽可以以较低的信噪比获取可靠的数据传输,本文正是根据这一理论进行了设计。

2扩频通信工作原理

扩频通信与一般现有的常规通信方式完全不同[1]。它用伪随机编码把基带信号(信息数据窄带信号)的频谱进行扩展,形成相当带宽的低功率谱密度信号发射出去。使用不同的伪随机编码,不同通信用户可在同一频段、同一时间工作,互不影响或影响极小地进行通信。因此,扩频通信在调制、解调上是与众不同的。扩频通信的基本原理如图1所示。信息数据D经通常的数据调制后变成带宽为B1的信号(B1为基带信号带宽),用扩频码发生器产生的伪随机码(PN码)去对基带信号作扩频调制,形成带宽为B2(B2>>B1)、功率谱密度极低的扩频信号后再发射出去。在接收端,首先使用与扩频信号发送端相同的伪随机码做扩频解调处理,把宽带信号恢复成通常的基带信号,再使用通常的通信处理手段解调出发送来的信息数据D。其理论基础是信息论中的香农定理[2]:

C=W log1+

其中:C为信道容量(比特/秒);N为噪声功率;W为信号带宽(赫兹);S为信号功率。由此可见,C不变时,增加带宽,则信号的信噪比在较低的情况下,也可以以相同的速率可靠的传输信息。因此,增加信号带宽,可以使信号甚至在被噪声淹没的情况下,仍能保持可靠的传输。扩频通信正是使用了这一点,采用扩展信号带宽的方法以提高数据传输中的抗干扰性。

3系统及主要模块设计

3.1系统的结构框图及工作原理

系统结构框图如图2所示。它的工作模式为半双工工作模式。

该电路主要有以下几个电路模块组成:差分编解码模块,扩频调制模块,伪随机发生模块,捕获与跟踪模块,解扩解调模块,低通滤波器模块,带通滤波器模块以及收发控制接口模块等。

当系统处于发射态时(I/O_C=0),SYNO脚由芯片内部的PN码电路产生同步信号。外部的单片机在SYNO的下降沿时将数据置于DATA_IO管脚,该管脚将数据送入内部的差分编码及扩频调制单元与PN码及80 kHz的载波信号产生80 kHz的直序扩频信号(调制信号)。该信号经过功率放大之后即可以耦合到低压电力线上进行传输。

当系统处于接收态时(I/O_C = 1),管脚ASI输入的80 kHz载频信号与芯片内部电路进行混频产生320 kHz的中频信号,该320 kHz的混频信号经过带通滤波电路,低通滤波电路,最后再经过与发送端同步的的m序列相关同步解扩及数字信号处理之后,便恢复出原始信号。

3.2主要模块设计

3.2.1 m序列发生器

m序列发生器是在n级线性移位寄存器的基础上,加上反馈逻辑电路构成的。m序列信号发生器有两中结构:Fabonacci型和Galois型[3]。本文采用Fabonacc型移位寄存器产生m序列。该结构的特点是移位寄存器的反馈抽头位置与本原多项式一致,序列与初始状态相对应,码序列的产生速度主要受反馈网络的时延限制。

本设计电路采用m序列发生器[4],其生成的多项式为G(x)=X4+X+1。图3为其产生电路。其中,4个小方格代表4个寄存器D,把他们从左至右依次叫做第1级、第2级、第3级、第4级寄存器。对于系数C1=1,表示第1级输出参与反馈。开始时,设初始状态为0001,则根据图3可生成15位的伪随机序列。图4为采用Verilog对图3电路设计仿真的结果。从图中可以看出15位伪随机序列的产生,即111101011001000序列。

3.2.2同步电路模块设计

同步技术是扩频通信系统中的关键技术。只有实现了同步,使收发两端相关的信号在频率、相位上取得一致,整个系统才能正常的工作。

这一过程分为两个阶段,第一阶段为捕获过程即粗调过程[5],它通过调节送到解扩器的本地码相位实现两个伪码之间初始同步,当捕获过程完成时用于解扩的本地参考信号码相位与接收扩频信号码相位偏差将小于直扩系统一个PN码单元,这时接收机能大致正常解调出信息。第二阶段为PN码的定时跟踪即细调过程[6],跟踪是通过相位锁定方法不断调节补偿本地码相位漂移,以达到进一步缩小同步误差和保持这种精确同步的目的。在扩频码同步系统工作过程中,同步捕获和跟踪状态应该可以相互转换[7]。在捕获出现因强干扰引起失步时,同步系统必须能够能迅速地从跟踪状态重新转入捕获状态。而在捕获真正锁定时,同步系统也应迅速转入到跟踪状态。所以同步系统应采用同步识别控制系统以控制捕获和跟踪之间的相互转换。

本设计也是基于以上的理论方法而进行的同步电路的设计。图5为本设计所采用的同步电路原理图。如图所示,接收到的信号经宽带滤波器后,在乘法器中与本地PN码进行相关运算。此时,捕获电路调整压控钟源,使PN码发生器产生的本地脉冲序列的频率和相位重复接收信号的频率和相位,以捕获有用信号[8]。一旦捕获到有用信号后,则启动码跟踪电路,由其来控制压控钟源,使本地PN码发生器与外来信号保持同步。如果由于某种原因引起失步,则重新开始新的一轮捕获和跟踪过程。图6为同步电路仿真结果,从图中可以看到同步电路工作的两个过程即捕获和跟踪过程。

4系统仿真结果

本设计应用SystemView进行理论建模仿真,应用Verilog-HDL语言进行代码设计。

图7为系统配置成接收端,芯片主要信号的仿真波形。图8为整体仿真局部放大后的电路仿真波形。图中DATA_IN为所要经过电力线传输的数据信号,top_data_out_1为系统解调后接收到的数据。SYNC_SH_FA为发送端系统的同步信号SYNC;SYNC_SH_SHOU为接收端系统的同步信号SYNC;从图可以看出系统在同步的前提下可以正确的解调出电力线上数据信号,从而完成电力线通信的功能。

5结束语

本文设计了一款基于扩频通信的低压电力线载波调制解调芯片,详细的描述了其工作原理及主要模块的设计思想,并用Verilog语言进行了代码设计。此外,本设计通过了严格的FPGA验证,验证结果表明本设计能很好的满足设计要求,因而具有很高的实用价值。

参考文献

[1]韦惠民张邦宁. 扩频通信技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社 2003年

[2]曾一凡李晖 .扩频通信原理[M] .北京:机械工业出版社 2005年

[3]樊昌信张甫翊徐炳祥吴成柯.通信原理.[M]北京:国防工业出版社 2003

[4]查光明熊贤祚.扩频通信[M]. 西安:西安电子科技大学出版社 2007年

[5]田日才.扩频通信[M]. 北京:清华大学出版社 2007年

[6]赵刚.扩频通信系统实用仿真技术[M].北京:国防工业出版社 2009年

[7]张容娟张大茂 .电力线载波扩频通信调制模块的设计[J]. 现代电子技术, 2010 6(3): 114-118

[8]杨迪直接扩频接收机的码捕获与跟踪技术研究[D].昆明: 昆明理工大学, 2007.

作者简介

荣岳栋,硕士,通信专用集成电路与系统设计

徐东明,教授,硕士,通信专用集成电路与系统设计。

周晓刚,工程师,本科,数字集成电路系统设计及测试。

作者：荣岳栋,徐东明,周晓刚

扩频通信发展应用论文篇3：

直接序列扩频通信系统仿真与分析

【摘要】直接序列扩频通信系统抗干扰性强、隐蔽性好、易于提高信号接收质量、易于实现码分多址、抗多径干扰、增加信道容量等众多优点，在军事战术通信等领域得到广泛应用。本文扩频通信理论为基础，分析了伪随机序列，并用 Matlab对直接序列扩频通信系统进行了仿真分析。

【关键词】直接序列扩频通信伪随机序列

一、基本原理分析

扩展频譜通信技术是一种信息传输方式，又称为扩频通信（Spread Spectrum communication）[1]。其中，直接序列扩频（DSSS—Direct Sequence Spread Spectrum）技术是人们所熟知的扩频技术之一。扩展频谱通信系统是指待传信息的频谱用某个待定的扩频函数扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，再利用相应手段将其压缩，从而获取传输信息的通信系统[1]。目前应用较为广泛的一种扩展频谱系统是直接序列扩展频谱系统。

扩频通信的基本原理：所谓扩频通信，可简单表述如下：“扩频通信技术是一种信息传输方式，在发端采用扩频码调制，使信号所占用的频带宽度远远大于所传信息必须的带宽；在收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复所传信息数据”。对干扰信号而言，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，从而提高了相关的输出信噪比，达到了抗干扰的目的。直扩系统一般采用频率调制或相位调制的方式来进行数据调制，在码分多址通信中，其调制多采用BPSK、DPSK、QPSK、MPSK等方式[2～3]。

扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引申而来的。信息论中关于信息容量的香农公式为：

式中：C为信道容量（bit/s）W为信道带宽（Hz），S为信道功率（W）。上式说明，在给定的传输传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比S/N是可以互换的。即可通过增加频带宽度可以降低信噪比的要求，是有用信号的功率接近甚至消失在噪声功率之下。香农公式表明了一个信道无误差地传输信息的能力即信道容量与存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。扩频通信系统的带宽比常规通信体制大几百倍乃至几万倍，所以在相同信噪比的条件下，具有较强的抗干扰能力[4～5]。例如直接序列扩频、跳频扩频、跳时扩频等。这次实验将对直接序列扩频进行分析和仿真。

在发送端输入信息m（t）（二进制数据），码元宽度为Tb，加入扩频解调器（模二加法器），扩频码是一个PN码（伪随机码），记作p（t）。伪码的波形如图 1-2 中的第（2）个波形，其码元宽度为Tp，且取Tb=16Tp。 c（t）=m（t）p（t）运算，c（t）的波形如图1-2所示中的第（3）个波形。由图可见，当信码m（t）为0时，c（t）与p（t）相同；而当信码m（t）为1时，则c（t）为p（t）取反既是。显然，包含信码的c（t）其码元宽度已变成了Tp，即已进行了频谱扩展[6]。

经过分析可知，通过扩频调制信号c（t）可看作只取1的二进制波形，然后对载频进行调制。s1（t）通过发射机中推动级、功放和输出电路加至天线发射出去。发射信号经过信道传输，经过接收机的输入电路、高频放大器等，输出信号仍为s1（t）。相关器完成相干解调和解扩。接收端的PN码与发端的PN码相同。接收端本地调相情况与发端相似，这里的调制信号是p（t），即调相器输出信号s2（t）的相位仅取决于p（t）。相关器在这里可等效为对输入相关器的s1（t）、s2（t）进行模2相加，经检波后输出原始信息。

二、直接序列扩频系统matlab 仿真

直接序列扩频通信系统MATLAB仿真过程直接序列扩频通信系统主要组成分为七个部分，分别为信源部分、扩频部分、调制部分、信道传输部分、解调部分、解扩部分和信宿部分。用PN码扩频后的波形，PN码的产生是由一个PN码发生器来完成的。

扩频之后进行调制，在本次试验中，我们采用BPSK调制。数据调制后输送出其调制之后的波形。调制后的传输信道选用的高斯白噪声信道，在本次仿真中信噪比设定为20。调制之后送入信道等待传输至接收端。经过BPSK调制后的波形在信道的接收端进行的过程和输入端是相反的。

首先解调，这里选用的也是BPSK的解调。解调之后进行解扩，解扩时使用的PN码和扩频时使用PN码需保持一致，以此保证解扩出的信息的正确性。

三、总结仿真实验归纳如下：

1.系统误码率与信道里的信噪比大小有关。

2.正弦干扰信号的振幅越大，误码率越大。从系统仿真的结果看来，直序扩频技术拥有良好的抗干扰能力。

四、直接序列扩频通信系统的优点

1.抗同频干扰性能好。接收机采用相关运算只接收PN码相同的扩频信号，对所有载波频率相同的信号或干扰具有很强的抑制能力。

2.良好的抗衰落性能。一般信道中的衰落是有频率选择性的，不会对宽频带的扩频信号接收产生太大的影响。

3.抗多径干扰能力强。由于扩频系统中采用的PN码具有很好的自相关性，互相关性很弱，不同的路径传输来的信号能容易地被分离开，并在时间和相位上重新对齐，形成几路信号功率的叠加，从而改善了接收系统的性能，增加了系统的可靠性。

随着社会通信事业的迅猛发展，扩展频谱技术的应用大有潜力可以挖掘，尤其在军用中的地位也将越来越显著。