直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的Simulink仿真

1、直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真摘要：本文利用Matlab/Simulink對直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，對其原理進(jìn) 行了相關(guān)的說明。讀者可以通過對本文的閱讀對直接序列擴(kuò)頻的相關(guān)原理有一定 的了解。關(guān)鍵字：擴(kuò)頻通信直接序列擴(kuò)頻一、仿真的意義隨著信息技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)變得越來越復(fù)雜，技術(shù)更新的周期也越來越 短。對于大部分學(xué)者，特別是我們學(xué)生來說，在學(xué)習(xí)通信技術(shù)時(shí)，若對每一個(gè)系 統(tǒng)都要實(shí)體研究是不現(xiàn)實(shí)的。此時(shí)通信系統(tǒng)仿真對我們來說可以說是必不可少 的。通過建立相應(yīng)的通信系統(tǒng)的模型，對其進(jìn)行仿真，可以使我們把瑣碎的知識 聯(lián)系在一起，形成一個(gè)個(gè)通信系統(tǒng)的概念，可以讓我們對各個(gè)知識

2、點(diǎn)的原理有更 加深刻的理解和掌握。二、直接序列擴(kuò)頻的原理擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信(Spread Spectrum Communication)是將待傳送的 信息數(shù)據(jù)用偽隨機(jī)編碼(擴(kuò)頻序列：Spread Sequence)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳 輸而接收端則采用相同的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻通 信具有抗干擾能力強(qiáng)、抗噪聲、保密性強(qiáng)、功率譜密度低，具有隱蔽性和較低的 截獲概率、可多址復(fù)用和任意選址、高精度測量等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)擴(kuò)展頻譜方式的不同，可以將擴(kuò)頻通信系統(tǒng)分為直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum)工作方式，簡稱直擴(kuò)(DS)方式；跳變

3、頻率(Frequency Hopping)工作方式，簡稱跳頻(FH)方式；跳變時(shí)間(Time Hopping)工作方式，簡 稱跳時(shí)(TH)方式；寬帶線性調(diào)頻(Chirp Modulation)工作方式，簡稱Chirp方式和 各種混合方式。直接序列(DS-Direct Scquency)擴(kuò)頻，就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在 發(fā)端去擴(kuò)展信號的頻譜，而在收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的 擴(kuò)頻信號還原成原始的信息。直接序列擴(kuò)頻是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)最基本的工作方式。假設(shè)信源序列對應(yīng)的雙極性波形為a(t)，其電平取值為土 1，碼元速率為 Rabps，碼元寬度為TaT/Ra/秒。擴(kuò)頻所使用的偽隨機(jī)

4、序列c(t)也是電平取值為土 1的雙極性波形，偽隨機(jī)序列(PN序列)的碼元也稱為碼片(chip)，碼片速率 設(shè)為Rcchip/s，對應(yīng)的碼片寬度就是Tc=1/Rc/秒。對于雙極性波形而言，擴(kuò)頻過 程等價(jià)于數(shù)據(jù)流a(t)與偽隨機(jī)序列c(t)相乘的過程，擴(kuò)頻輸出序列設(shè)為d(t)，也是 取值為1的雙極性波形，其速率等于碼片速率。擴(kuò)頻序列經(jīng)過調(diào)制后得到調(diào)制 輸出信號s(t)送入信道。對于BPSK調(diào)制，發(fā)送的信號就相當(dāng)于是數(shù)據(jù)流與偽隨 機(jī)序列相乘后再乘于一個(gè)高頻的余弦信號。在接收端，接收到的信號中有包含了 有用信號s(t)及各種干擾J(t)和噪聲n(t)。由于接收端采用相關(guān)解擴(kuò)，即將s(t)J(t)n(

5、t) 和本地PN序列c(t)相乘，只有有用信號的頻譜能夠被還原為窄帶信號，其他的 噪聲和干擾的頻譜只會被展寬，當(dāng)信號通過窄帶濾波器后只有一小部分被展寬了 的頻譜會混進(jìn)有用信號中，由此大大增強(qiáng)了其抗干擾的能力。三、仿真的系統(tǒng)與結(jié)果此處是對直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真。假設(shè)該系統(tǒng)以BPSK方式調(diào)制，數(shù)據(jù)傳輸率為100bps,擴(kuò)頻碼片速率為2000chip/s，信號通過AGWN信道后受到 了頻率為200Hz的正弦信號的干擾，建立系統(tǒng)模型并觀察各個(gè)階段信號的波形 與頻譜，測試傳輸信號的誤碼率。發(fā)射端的仿真模型如下：產(chǎn)生的-2-1012Frame: 104-0 Frequency (kHz)在上面的模型中

6、Bernoulli Binary Generator即伯努力二進(jìn)制發(fā)生器， 數(shù)據(jù)流相當(dāng)于信源，其采樣時(shí)間(sample time)設(shè)置為1/100，及數(shù)據(jù)流的傳輸 速率為100bps。PN Sequence Generator用于產(chǎn)生PN序列，設(shè)置其采樣時(shí)間 (sample time)為1/2000，即擴(kuò)頻碼片速率為2000chip/s。由于相乘時(shí)數(shù)據(jù)流的 傳輸速率要與擴(kuò)頻碼片序列相同，因此可用Rate Transition提升數(shù)據(jù)流的傳輸速 率，將其 out put sample time 設(shè)置為 1/2000。Unipolar to Bipolar Converter 模塊用 于將單極性碼

7、變?yōu)殡p極性碼，Bipolar to Unipolar Converter則剛好相反。乘法器 輸出的就是擴(kuò)頻序列。通過示波器Scope1可以觀察原信息序列、PN序列和擴(kuò)頻 序列。為了方便觀察原來信號和擴(kuò)頻后信號的頻譜變化，我們希望頻譜觀察范圍 達(dá)到8kHz，需要被觀察信號的采樣率達(dá)到16000 次/s，因此在模型中使用Rate Transition模塊是需要觀測的信號的采樣率達(dá)到16000 次/s。產(chǎn)生的-2-1012Frame: 104-0 Frequency (kHz)原數(shù)據(jù)信號的頻譜20-8-6-202468Frame: 4872Frequency kHz)擴(kuò)頻信號的頻譜LrLunru_L

8、njRr_L_n_njLr_nji_ruunnrLniinr_LJU_juLFiiLnjuumnnirLJUJiinifLru r ；：；：1111i1111F- rnFn-nnnrn- rrinnfi in nn nnnnnnnFn nnn -nn-nnnin nnnin -nn-rn- nn n三路信號的時(shí)域波形由頻譜圖可見，原數(shù)據(jù)信號的頻譜被展寬了，功率峰值下降，增強(qiáng)了抗干擾 的能力，降低了被截獲率。接收端的模型如下：其中從解擴(kuò)開始為接收端。AWGN為高斯白噪聲信道，設(shè)置其噪聲的均值為10。正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率 為200Hz的單頻干擾。PN Sequence Generator為本地P

9、N序列，是與發(fā)射機(jī)中的 PN序列完全相同的。從加法器出來的信號即為接收到的信號，其中包含有有用信號，噪聲和干擾，該信號和本地PN序列相乘進(jìn)行解擴(kuò)，Scopel頻譜儀中的頻 譜就是解擴(kuò)后的接收信號的頻譜，其中有用信號被還原為窄帶信號，噪聲和干擾 的頻譜反而被展寬。利用Error Rate Calculation模塊對誤碼率進(jìn)行測試，其中 Tx為發(fā)送端，Rx為接收端，中間加入2個(gè)數(shù)據(jù)碼元的延遲是為了補(bǔ)償接收延遲。 BPSK Demodulator Baseband1 為 BPSK 解調(diào)器。4-202Frequency (kHzO2Frame: 9104-202Frequency (kHzO2Fra

10、me: 910接收到的信號頻譜接收到的信號頻譜20100-10-20-30-8-6-20245Frame: 310Frequency (kHz)解擴(kuò)后信號的頻譜s wrILE?巨-40 -2-1.5-1-0.500.5Frame: 228 Frequency (kHz)11.52解調(diào)后信號的頻譜發(fā)送序列和解調(diào)之后的序列s wrILE?巨-40 -2-1.5-1-0.500.5Frame: 228 Frequency (kHz)11.52解調(diào)后信號的頻譜發(fā)送序列和解調(diào)之后的序列結(jié)合發(fā)送端擴(kuò)頻信號的頻譜，可以看到，發(fā)送端信號的功率峰值在接收信號 功率峰值之下，說明有用信號淹沒在了噪聲之中，大大增強(qiáng)了抗干擾能力。從解 擴(kuò)后的頻譜可以看出，只有有用信號的頻譜被還原成窄帶信號，其他信號的頻譜 反而被展寬。從誤碼率的統(tǒng)計(jì)來看，當(dāng)信號受到200Hz單頻正弦信號和噪聲均 值為10的噪聲的干擾時(shí)，誤碼率約為0.025,在實(shí)際通信中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求的。三、總結(jié)對通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以幫助我們更加理解相關(guān)技術(shù)的原理、特點(diǎn)等相關(guān) 知識，幫助我們建立起系統(tǒng)的概念，通過將一個(gè)個(gè)模塊結(jié)合起來形成一個(gè)系統(tǒng)， 可以提高我們搭建系統(tǒng)模型的能力。通過對直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的仿真，使我們更 加理解了直接序列擴(kuò)頻的相關(guān)