基于Simulink的直接序列擴展頻譜通信系統(tǒng)仿真研究

隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，擴展頻譜通信技術(shù)的優(yōu)點已經(jīng)越來越明顯并被接受，并在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。同時隨著計算機技術(shù)和仿真技術(shù)的日益發(fā)展和應(yīng)用，如何應(yīng)用一些方便、友好的軟件對通信系統(tǒng)進(jìn)行直觀的模型仿真，并進(jìn)行仿真結(jié)果的觀測和分析，已經(jīng)成為通信工作者的一個迫切技術(shù)需求。本文通過對擴展頻譜技術(shù)的理論及直接擴展頻譜系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理的闡述，利用Matlab和Simulink工具箱以及其他相關(guān)的工具箱仿真了一個簡單的直接擴展頻譜通信系統(tǒng)，并給定仿真條件運行，為相關(guān)工作人員進(jìn)行同類通信系統(tǒng)仿真提供了參考。

1 擴展頻譜通信技術(shù) 1.1 擴展頻譜通信技術(shù)理論基礎(chǔ)

擴展頻譜通信系統(tǒng)是指待傳輸信息的頻譜用某個特定的擴頻函數(shù)擴展后成為寬頻帶信號，送入信道中傳輸，再利用相應(yīng)手段將其壓縮，從而獲得傳輸信息的通信系統(tǒng)。擴頻系統(tǒng)必須滿足以下兩條準(zhǔn)則：傳輸帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被傳送的原始信息的帶寬；傳輸帶寬主要由擴頻函數(shù)決定，此擴頻函數(shù)常用的是偽隨機編碼信號。

(1)擴展頻譜技術(shù)的理論基礎(chǔ)可用香農(nóng)(C.E.Shannon)信道容量公式：

來描述。該公式表明，在高斯信道中當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信號噪聲功率比S／N下降時，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬W的辦法來保持信道容量C不變。對于任意給定的信號噪聲功率比，可以用增大傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯率。擴展頻譜技術(shù)也是應(yīng)用這一原理，用高速率的擴頻碼來達(dá)到擴展待傳輸?shù)臄?shù)字信息帶寬的目的。

(2)香農(nóng)指出：在高斯噪聲的干擾下，在限平均功率的信道上，實現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號是具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號。高斯白噪聲信號具有理想的自相關(guān)特性，但是產(chǎn)生、加工和復(fù)制存在許多技術(shù)困難。而一些易產(chǎn)生又便于加工和控制的偽噪聲序列的統(tǒng)計特性逼近于高斯白噪聲的統(tǒng)計特性，因此用偽隨機碼擴展待傳基帶信號頻譜的擴展頻譜通信系統(tǒng)，優(yōu)于常規(guī)通信體制。

(3)哈爾凱維奇從理論上證明：要克服多徑衰落干擾的影響，信道中傳輸?shù)淖罴研盘栃问揭矐?yīng)該是具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號形式。由于擴頻通信中的偽碼逼近白噪聲的統(tǒng)計特性，所以擴頻通信又具有抗多徑干擾的能力。

1.2擴展頻譜通信系統(tǒng)分類

擴展頻譜通信系統(tǒng)按工作方式一般可分為以下幾種：

(1)直接序列擴展頻譜系統(tǒng)(DS-SS)：由待傳信息信號與高速率的偽隨機碼波形相乘后，去直接控制射頻信號的某個參量，擴展了傳輸帶寬而得名。

(2)跳頻擴頻系統(tǒng)(FH-SS)：數(shù)字信息與二進(jìn)制偽碼序列模二相加后，去離散地控制射頻載波振蕩器的輸出頻率，使發(fā)射信號的頻率隨偽碼的變化而跳變。 (3)跳時擴頻系統(tǒng)(TH-SS)：跳時是用偽碼序列來啟閉信號的發(fā)射時刻和持續(xù)時間。

(4)混合式：以上三種基本擴頻方式中的兩種或多種結(jié)合起來。

2 DS-SS原理及系統(tǒng)框圖

DS-SS系統(tǒng)框圖如圖1所示。假設(shè)：二元直接序列擴頻，BPSK調(diào)制。BPSK調(diào)制信號表示為：

假設(shè)A=1，φ0(t)=0。用d(u，t)表示數(shù)據(jù)源{an}經(jīng)編碼后的數(shù)字信號，c(u，t)表示擴頻碼波形，d(u，t)和c(u，t)都是二進(jìn)制波形。因此發(fā)射系統(tǒng)的輸出信號s(u，t)表達(dá)式為：
d(u，t)與c(u，t)相互獨立。s(u，t)經(jīng)由天線輻射到空間，在傳播過程中受空間各種信號和干擾噪聲的污染。

信號進(jìn)入接收機后進(jìn)行與發(fā)射端相反的變換即可恢復(fù)發(fā)射端傳送的信息，在擴頻接收機中，這個反變換就是解擴和解調(diào)。一般采用相關(guān)解擴，利用：

實際上c(u，t)是實函數(shù)，因此c*(u，t)=c(u，t)。

通常載波解調(diào)用相干解調(diào)，接收系統(tǒng)中兩個乘法器是相關(guān)解擴和解調(diào)，本地擴頻碼與發(fā)射端同步，延遲鎖定環(huán)路提供的控制跟蹤量作為對信道隨機延時的同步跟蹤。本地射頻壓控振蕩器輸出的信號也是由鎖相環(huán)路提供的同步跟蹤量跟蹤。如果接收系統(tǒng)中相關(guān)器是理想的(并能濾除二次諧波)，且射頻濾波器和基帶濾波器都是線性的，則整個系統(tǒng)模型也是線性的，即從接收機輸入端到基帶輸出的整個處理過程都是線性的?？梢约僭O(shè)其他干擾和噪聲為零，通過積分變換等計算后，基帶濾波器輸出的有用信號為：

由此可知，只要基帶濾波器無失真地傳送數(shù)字信息d[u，t-τ(u)]，經(jīng)基帶數(shù)字檢測器處理后，便能恢復(fù)出發(fā)射端信源傳來的信息{an)。

擴頻接收機提取有用信號的功能，是充分發(fā)揮了偽隨機碼尖銳的自相關(guān)特性而完成的。而各種干擾信號與本地偽碼不相關(guān)，在處理過程中其能量被擴展到整個擴頻帶寬內(nèi)，因此通過基帶濾波器的輸出很小。

3 系統(tǒng)仿真(Simulink)工具箱簡介

Simulink工具箱是Matlab各種工具箱中比較特別的，他是從底層開發(fā)的一個完整的仿真環(huán)境和圖形界面。在這個環(huán)境中，用戶可以利用鼠標(biāo)或鍵盤，完成面向框圖系統(tǒng)仿真的全部過程，并且更加直觀、快速和準(zhǔn)確地達(dá)到仿真的目標(biāo)。Simulink工具箱的另一個優(yōu)點是他不給出任何新的函數(shù)。

Simulink作為面向框圖的仿真軟件，具有以下功能：

(1)用方框圖的繪制代替程序的編寫。
(2)仿真的建立和運行是智能化的。
(3)輸入輸出信號來源形式的多樣化。

通常在通信系統(tǒng)仿真模型中使用的工具箱除了Simulink之外，還有一些以Simulink為基礎(chǔ)的模塊工具箱。最常用的有電力系統(tǒng)(Powersys)模塊工具箱，數(shù)字信號處理(DSP Blocks)模塊工具箱，定點處理(Fix-PointBlocks)模塊工具箱和通信系統(tǒng)(Comm)模塊工具箱。

電力系統(tǒng)(Powersys)模塊工具箱提供了電力傳輸和拖動中用到的各種子系統(tǒng)模型，他包含電源、元件、電機、電力電子、測量、聯(lián)接及其他。

數(shù)字信號處理(DSP Blocks)模塊工具箱，包括信號源庫、信號漏(終端庫)、通用DSP庫、數(shù)學(xué)函數(shù)庫、濾波器庫、頻譜分析庫及演示庫。

定點處理(Fix-Point Blocks)模塊工具箱主要是為分析計算機字長有限對處理信號造成的影響而提供的各種Simulink模塊，包括定點的算術(shù)運算、定點的邏輯運算、定點的變換運算、定點數(shù)的傳送和定點數(shù)的聯(lián)接。

通信系統(tǒng)(Comm)模塊工具箱主要包括信號源和信號終端庫、信源編碼和信源解碼庫、糾錯編碼和糾錯解碼庫、調(diào)制和解調(diào)庫、多路存取庫、發(fā)送濾波和接收濾波庫以及信道庫等。 通過使用Simulink工具箱以及以他為基礎(chǔ)的其他工具箱可以很容易地建立起一個直觀的通信系統(tǒng)模型。第一階段是用圖形方式來畫結(jié)構(gòu)圖并進(jìn)行編輯；第二階段是進(jìn)行運算仿真。在第一階段中首先要進(jìn)行環(huán)節(jié)庫框圖的建立，從各種庫中查找到需要的圖標(biāo)后進(jìn)行排列；然后把各環(huán)節(jié)的端口按框圖連接起來；最后進(jìn)行環(huán)節(jié)參數(shù)的設(shè)定。要注意在系統(tǒng)輸入端加上信號源，在用戶關(guān)心的輸出端加上信號終端(即觀測或記錄信號的設(shè)備，如示波器、電壓表或文件等)。這樣一個通信系統(tǒng)就確定了，接下來可以進(jìn)行仿真、確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)及方案比較。

4系統(tǒng)的Simulink仿真

利用Simulink仿真的簡單直擴系統(tǒng)模型如圖2所示。

信源：采用Random Integer Generator產(chǎn)生，該整數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生隨機的二進(jìn)制隨機信號作為擴頻通信系統(tǒng)的信源。

擴頻與解擴：采用PN序列發(fā)生器(PN Sequence Generator)產(chǎn)生偽隨機碼與信源相乘后進(jìn)行頻譜擴展，在接收端用該序列與解調(diào)后的信號相乘完成解擴。

極性轉(zhuǎn)換：為了擴頻信源和偽隨機碼都必須經(jīng)過由單極性變?yōu)殡p極性，為了便于調(diào)制需要再進(jìn)行一次變換，變?yōu)閱螛O性信號；在接收端，為了便于解擴，在解調(diào)后需要由單極性信號變換成雙極性信號，而為了便于顯示需要再進(jìn)行一次極性變換，由雙極性還原為單極性信號后進(jìn)行顯示。

調(diào)制與解調(diào)：采用BPSK調(diào)制與相干解調(diào)法?？梢允褂肂PSK Modulator Baseband模塊PSK DemodulatorBaseband模塊直接進(jìn)行仿真，也可以使用一個Sine Wave產(chǎn)生的載波與擴頻后的信號相乘，再經(jīng)過一個Zero-Order Hold實現(xiàn)調(diào)制；同時在接收端使用一個Zero-OrderHold后用與發(fā)射端相同頻率幅度相位的Sine Wave載波與之相乘實現(xiàn)解調(diào)。

信道：采用AWGN Channel模塊仿真一個加性高斯白噪聲信道，該信道的信噪比(Es／No)可以進(jìn)行設(shè)置，該仿真程序中設(shè)置為10 dB。

結(jié)果顯示：可以加入示波器(Scope)和誤碼儀(ErrorRate Calculation)進(jìn)行發(fā)送和接收端波形的比較輸出，以及信號經(jīng)過擴頻、調(diào)制、解擴、解調(diào)后的錯誤率計算。將示波器坐標(biāo)數(shù)設(shè)置為3，即可同時顯示原信號源波形、接收端波形以及兩者通過關(guān)系運算模塊比較后的結(jié)果。

仿真程序的運行：對各個模塊進(jìn)行參數(shù)配置后，可以運行該仿真程序。注意參數(shù)設(shè)置中模塊的對稱性及頻率一致。

運行結(jié)果如圖3所示。

圖3(a)顯示為信源的波形，圖3(c)顯示為接收端最后得到的信號波形，圖3(b)顯示為發(fā)送和接收端的信號經(jīng)過關(guān)系運算后比較的結(jié)果。由示波器顯示結(jié)果可知，該模型能正確的實現(xiàn)直接序列擴頻通信系統(tǒng)的功能，得到良好的仿真效果。

5結(jié)語

在對直接序列擴展頻譜通信系統(tǒng)工作原理的介紹及Simulink工具箱功能和特點的介紹的基礎(chǔ)上，建立起一個DS-SS通信系統(tǒng)的仿真模型，并得到了較好的運行結(jié)果。證明了Simulink在通信系統(tǒng)仿真中的實用性，并為擴展頻譜通信系統(tǒng)的進(jìn)一步研究提供了一個快捷靈活的平臺，為建模提供了經(jīng)驗積累。