基于Simulink的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)設(shè)計

汪洋

摘 要 針對直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)建模仿真這一問題，采用基于Simulink的直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真模型，能夠較為直觀地反映直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的全部動態(tài)運行過程，以顯示時域波形、頻譜分析和系統(tǒng)相關(guān)性能分析。在介紹擴(kuò)頻通信基本理論與Simulink仿真概述的基礎(chǔ)上，進(jìn)行直擴(kuò)通信系統(tǒng)的Simulink仿真，并對其抗干擾性能進(jìn)行分析，最后得出系統(tǒng)的抗干擾性能與擴(kuò)頻碼序列的長度及信噪比有關(guān)的結(jié)論。

關(guān)鍵詞 擴(kuò)頻通信；直接序列擴(kuò)頻；偽隨機(jī)序列；信噪比；誤碼率

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）01-0027-02

擴(kuò)頻通信是建立在Claude E.Shannon的信息論基礎(chǔ)上的一種新型通信體制，具體指用于傳輸信號的信道帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號自身帶寬的一種通信方式。擴(kuò)頻通信具有抗干擾能力強(qiáng)，隱蔽性好，容易實現(xiàn)多址傳輸?shù)葍?yōu)點，因而在數(shù)據(jù)通信、移動通信等領(lǐng)域得到越來越廣泛應(yīng)用。其中直接序列擴(kuò)頻通信是比較典型的一種擴(kuò)頻工作方式，本文先引入直序擴(kuò)頻通信原理，然后通過Simulink對直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)進(jìn)行仿真，進(jìn)而對直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾性能進(jìn)行分析，得出擴(kuò)頻通信相較普通數(shù)字通信具有更強(qiáng)抗干擾性的結(jié)論。

1 擴(kuò)頻通信基礎(chǔ)

擴(kuò)頻通信的可行性是從信息論和抗干擾理論引申來的。香農(nóng)信息論中的香農(nóng)定理描述了信道容量、信道帶寬、持續(xù)時間、信噪比之間的關(guān)系：

（1）

式（1）中，C為信道容量（用傳輸速率度量）；W為信道帶寬；T為信道持續(xù)時間；S為信號功率，N為白噪聲功率，S/N為信噪比。香農(nóng)公式表明了一個信道無誤差地傳輸信息的能力與信道的信噪比以及信道帶寬之間的關(guān)系。決定信道容量C的參數(shù)有：信道帶寬W、持續(xù)時間T，以及信噪比S/N。

在給定速率不變的情況下，信噪比和頻帶寬度可以互換。即通過增加頻帶寬度，在較低信噪比的環(huán)境下傳輸信息。擴(kuò)頻通信的一個重要特點或者說一大基礎(chǔ)是擴(kuò)展頻譜以換取對信噪比要求的降低。即為了獲得通信系統(tǒng)的高可靠性，可以“用頻帶換取信噪比”。

從功率譜密度的角度來講，在整個擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中頻譜寬度與功率譜密度有如下關(guān)系：待傳信息的頻譜被擴(kuò)展了以后，能量被均勻地分布在較寬的頻帶上，功率譜密度下降；擴(kuò)頻信號解擴(kuò)以后，寬帶信號恢復(fù)成窄帶信息，功率譜密度上升；相對信息信號，脈沖干擾只經(jīng)過了一次被模二相加的調(diào)制過程，頻譜被擴(kuò)展，功率譜密度下降，從而使有用信息在噪聲干擾中被提取出來更容易，顯示了擴(kuò)頻通信的強(qiáng)抗干擾特性。

2 直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的SIMULINK仿真

2.1 SIMULINK系統(tǒng)模型及主要參數(shù)模塊

Sources and PN sequence產(chǎn)生的二進(jìn)制隨機(jī)信號（這里把它當(dāng)成信源編碼后的二進(jìn)制信息碼），采樣周期是0.03，從out2口輸出。產(chǎn)生的二進(jìn)制偽隨機(jī)信號（PN碼重復(fù)周期為15），采樣周期為0.001，從out1口輸出。子系統(tǒng)是封裝的復(fù)合信號源。在一個脈沖發(fā)生器的控制下，觸發(fā)產(chǎn)生兩種采樣周期信號。

擴(kuò)頻的運算是：將上述兩個二進(jìn)制序列直接進(jìn)行異或操作。擴(kuò)頻后的二進(jìn)制序列進(jìn)入卷積編碼器。卷積編碼器的格型結(jié)構(gòu)是poly2trellis，它是IS-95 CDMA正相信道卷積編碼的生成多項式。

經(jīng)過卷積編碼的二列信號經(jīng)過一系列的信號變換模塊后變成為三列，以適應(yīng)頻帶M進(jìn)制差分相移鍵控調(diào)制器M-DPSK的要求。調(diào)制后的信號進(jìn)入加性高斯白噪聲（SNR為-8dB）的傳輸環(huán)境。之后進(jìn)入接收部分，經(jīng)頻帶M元差分相移鍵控解調(diào)器后，信號又經(jīng)過一系列的變換后恢復(fù)為維特比卷積譯碼器要求的雙列信號。

經(jīng)過卷積編碼后的二進(jìn)制序列與用于擴(kuò)頻的二進(jìn)制偽隨機(jī)序列經(jīng)異或操作進(jìn)行解擴(kuò)運算。

此系統(tǒng)主要模塊參數(shù)如下。

1）信號源。該模塊主要由Source and PN sequence構(gòu)成，其為復(fù)合信號源（被當(dāng)做信息的人為隨機(jī)設(shè)置的二進(jìn)制信息碼和PN序列），產(chǎn)生偽隨機(jī)擴(kuò)頻序列和相應(yīng)的信息序列。

2）擴(kuò)頻模塊。該模塊由XOR（一個異或門）構(gòu)成，信息碼和m序列通過它來產(chǎn)生擴(kuò)頻信號。其主要參數(shù)為：Sample time：-1；Output data type mode：Logical。

3）卷積編碼模塊。該模塊由Convolutional Encoder（卷積編碼器）構(gòu)成，其主要參數(shù)為：

Trellis structure：poly2trellis（9，[753 561]）。

4）調(diào)制模塊。該模塊由M元差分相移鍵控調(diào)制模塊構(gòu)成，用于進(jìn)行8元差分相移鍵控調(diào)制。其主要參數(shù)為：M-ary number：8；Symbol period：5e-4；input type：bit；Carrier frequency：2e4；Output sample time：1e-6。

設(shè)置相關(guān)的參數(shù)應(yīng)滿足如下條件：載波頻率一般應(yīng)遠(yuǎn)大于調(diào)制信號的的最高頻率。

5）加性高斯白噪聲模塊。該模塊由 AWGN Channel（加性高斯白噪聲信道）構(gòu)成。其主要參數(shù)為：Initial seed：2467；Mode：Signal to noise ratio（SNR）；SNR：-8dB；Input signal power：1watts。

6）解調(diào)模塊。該模塊由M元差分相移鍵控解調(diào)模塊構(gòu)成，用于進(jìn)行8元差分相移鍵控解調(diào)。其主要參數(shù)為：M-ary number：8；Symbol period：5e-4；input type：bit；Carrier frequency：2e4；Input sample time：1e-6。

7）維特比譯碼模塊。該模塊由維特比譯碼器構(gòu)成，主要用于對卷積編碼后的信號進(jìn)行譯碼。其主要參數(shù)為：Trellis structure：poly2trellis（9，[753 561]）；Decision type：Hard decision；Traceback depth：1；Operation mode：Continuous。endprint

其參數(shù)設(shè)置時應(yīng)注意以下幾個問題：①卷積編碼器和卷積譯碼器的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)應(yīng)該是一致的；②誤碼率計算模塊的接收延遲應(yīng)與維特比譯碼器的反饋深度相當(dāng)。

8）解擴(kuò)模塊。該模塊由XOR（一個異或門），Subsystem構(gòu)成。XOR用于進(jìn)行解擴(kuò)，其參數(shù)和接收端相同。Subsystem為一延遲模塊，在本設(shè)計中用于直接從發(fā)送端引入擴(kuò)頻碼，用于接收端的解擴(kuò)。

9）誤碼率分析模塊。該模塊由誤碼率計算模塊，顯示模塊構(gòu)成。①誤碼率計算模塊。其主要參數(shù)為：Receive delay：5；Communication delay：0；Computation mode：Entire frame；Output data：Port；②顯示模塊，顯示系統(tǒng)的誤碼率。

2.2 系統(tǒng)SIMULINK仿真的主要輸出點波形

1）信息序列的時域和頻域波形。信息序列的時域和頻域波形分別如圖1和圖2所示。

圖1 信息序列時域波形

圖2 信息序列頻域波形

2）擴(kuò)頻后信號的時域和頻域波形。擴(kuò)頻后信號的時域和頻域波形分別如圖3和圖4所示。

圖3 擴(kuò)頻后信號的時域圖形

圖4 擴(kuò)頻后信號的頻域圖形

3）加噪聲后信號的時域和頻域波形。

加噪聲后信號的時域和頻域波形分別如圖5和圖6所示。

圖5 加噪聲后信號的時域波形

圖6 加噪聲后信號的頻域波形

2.3 仿真系統(tǒng)的抗干擾性能分析

當(dāng)擴(kuò)頻序列為[1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1]，反饋深度為1，接收延次遲為5時，仿真結(jié)果如表1所示；當(dāng)擴(kuò)頻序列為 [1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1]，反饋深度為1，接受延遲為5時，仿真結(jié)果如表2所示。

表1 第一次傳輸?shù)恼`碼率

表2 第二次傳輸?shù)恼`碼率

由上述實驗結(jié)果可驗證直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的一個結(jié)論：該系統(tǒng)的抗干擾性能和擴(kuò)頻碼序列的長度以及信噪比有關(guān)。偽隨機(jī)碼序列越長則其抗干擾能力越強(qiáng)，信噪比越高則其性能也越好。

3 結(jié)束語

本文簡要介紹了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本原理和模型，以及Matlab的可視化工具Simulink。然后設(shè)計了一種基于Simulink的直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真模型，以反映直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的工作流程，同步分析其時域波形、頻域波形、抗干擾性強(qiáng)弱。最后得出直擴(kuò)系統(tǒng)的抵抗外部噪聲干擾的能力與擴(kuò)頻碼序列長度和信噪比有關(guān)的結(jié)論：偽隨機(jī)碼序列越長則其抗干擾能力越強(qiáng)，信噪比越高則其性能也越好。

參考文獻(xiàn)

[1]曾興雯，劉乃安，孫獻(xiàn)璞.擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[2]查光明，熊賢怍.擴(kuò)頻通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[3]啜鋼，王文博，常永宇，全慶一編著.移動通信原理與系統(tǒng)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009.

[4]郭梯云，鄔國揚，李建東.移動通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[5]李建新，劉乃安.現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

[6]趙剛，王燕.擴(kuò)頻通信系統(tǒng)使用仿真技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.endprint

其參數(shù)設(shè)置時應(yīng)注意以下幾個問題：①卷積編碼器和卷積譯碼器的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)應(yīng)該是一致的；②誤碼率計算模塊的接收延遲應(yīng)與維特比譯碼器的反饋深度相當(dāng)。

8）解擴(kuò)模塊。該模塊由XOR（一個異或門），Subsystem構(gòu)成。XOR用于進(jìn)行解擴(kuò)，其參數(shù)和接收端相同。Subsystem為一延遲模塊，在本設(shè)計中用于直接從發(fā)送端引入擴(kuò)頻碼，用于接收端的解擴(kuò)。

9）誤碼率分析模塊。該模塊由誤碼率計算模塊，顯示模塊構(gòu)成。①誤碼率計算模塊。其主要參數(shù)為：Receive delay：5；Communication delay：0；Computation mode：Entire frame；Output data：Port；②顯示模塊，顯示系統(tǒng)的誤碼率。

2.2 系統(tǒng)SIMULINK仿真的主要輸出點波形

1）信息序列的時域和頻域波形。信息序列的時域和頻域波形分別如圖1和圖2所示。

圖1 信息序列時域波形

圖2 信息序列頻域波形

2）擴(kuò)頻后信號的時域和頻域波形。擴(kuò)頻后信號的時域和頻域波形分別如圖3和圖4所示。

圖3 擴(kuò)頻后信號的時域圖形

圖4 擴(kuò)頻后信號的頻域圖形

3）加噪聲后信號的時域和頻域波形。

加噪聲后信號的時域和頻域波形分別如圖5和圖6所示。

圖5 加噪聲后信號的時域波形

圖6 加噪聲后信號的頻域波形

2.3 仿真系統(tǒng)的抗干擾性能分析

當(dāng)擴(kuò)頻序列為[1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1]，反饋深度為1，接收延次遲為5時，仿真結(jié)果如表1所示；當(dāng)擴(kuò)頻序列為 [1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1]，反饋深度為1，接受延遲為5時，仿真結(jié)果如表2所示。

表1 第一次傳輸?shù)恼`碼率

表2 第二次傳輸?shù)恼`碼率

由上述實驗結(jié)果可驗證直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的一個結(jié)論：該系統(tǒng)的抗干擾性能和擴(kuò)頻碼序列的長度以及信噪比有關(guān)。偽隨機(jī)碼序列越長則其抗干擾能力越強(qiáng)，信噪比越高則其性能也越好。

3 結(jié)束語

本文簡要介紹了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本原理和模型，以及Matlab的可視化工具Simulink。然后設(shè)計了一種基于Simulink的直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真模型，以反映直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的工作流程，同步分析其時域波形、頻域波形、抗干擾性強(qiáng)弱。最后得出直擴(kuò)系統(tǒng)的抵抗外部噪聲干擾的能力與擴(kuò)頻碼序列長度和信噪比有關(guān)的結(jié)論：偽隨機(jī)碼序列越長則其抗干擾能力越強(qiáng)，信噪比越高則其性能也越好。

參考文獻(xiàn)

[1]曾興雯，劉乃安，孫獻(xiàn)璞.擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[2]查光明，熊賢怍.擴(kuò)頻通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[3]啜鋼，王文博，常永宇，全慶一編著.移動通信原理與系統(tǒng)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009.

[4]郭梯云，鄔國揚，李建東.移動通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[5]李建新，劉乃安.現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

[6]趙剛，王燕.擴(kuò)頻通信系統(tǒng)使用仿真技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.endprint

其參數(shù)設(shè)置時應(yīng)注意以下幾個問題：①卷積編碼器和卷積譯碼器的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)應(yīng)該是一致的；②誤碼率計算模塊的接收延遲應(yīng)與維特比譯碼器的反饋深度相當(dāng)。

8）解擴(kuò)模塊。該模塊由XOR（一個異或門），Subsystem構(gòu)成。XOR用于進(jìn)行解擴(kuò)，其參數(shù)和接收端相同。Subsystem為一延遲模塊，在本設(shè)計中用于直接從發(fā)送端引入擴(kuò)頻碼，用于接收端的解擴(kuò)。

9）誤碼率分析模塊。該模塊由誤碼率計算模塊，顯示模塊構(gòu)成。①誤碼率計算模塊。其主要參數(shù)為：Receive delay：5；Communication delay：0；Computation mode：Entire frame；Output data：Port；②顯示模塊，顯示系統(tǒng)的誤碼率。

2.2 系統(tǒng)SIMULINK仿真的主要輸出點波形

1）信息序列的時域和頻域波形。信息序列的時域和頻域波形分別如圖1和圖2所示。

圖1 信息序列時域波形

圖2 信息序列頻域波形

2）擴(kuò)頻后信號的時域和頻域波形。擴(kuò)頻后信號的時域和頻域波形分別如圖3和圖4所示。

圖3 擴(kuò)頻后信號的時域圖形

圖4 擴(kuò)頻后信號的頻域圖形

3）加噪聲后信號的時域和頻域波形。

加噪聲后信號的時域和頻域波形分別如圖5和圖6所示。

圖5 加噪聲后信號的時域波形

圖6 加噪聲后信號的頻域波形

2.3 仿真系統(tǒng)的抗干擾性能分析

當(dāng)擴(kuò)頻序列為[1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1]，反饋深度為1，接收延次遲為5時，仿真結(jié)果如表1所示；當(dāng)擴(kuò)頻序列為 [1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1]，反饋深度為1，接受延遲為5時，仿真結(jié)果如表2所示。

表1 第一次傳輸?shù)恼`碼率

表2 第二次傳輸?shù)恼`碼率

由上述實驗結(jié)果可驗證直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的一個結(jié)論：該系統(tǒng)的抗干擾性能和擴(kuò)頻碼序列的長度以及信噪比有關(guān)。偽隨機(jī)碼序列越長則其抗干擾能力越強(qiáng)，信噪比越高則其性能也越好。

3 結(jié)束語

本文簡要介紹了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本原理和模型，以及Matlab的可視化工具Simulink。然后設(shè)計了一種基于Simulink的直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真模型，以反映直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的工作流程，同步分析其時域波形、頻域波形、抗干擾性強(qiáng)弱。最后得出直擴(kuò)系統(tǒng)的抵抗外部噪聲干擾的能力與擴(kuò)頻碼序列長度和信噪比有關(guān)的結(jié)論：偽隨機(jī)碼序列越長則其抗干擾能力越強(qiáng)，信噪比越高則其性能也越好。

參考文獻(xiàn)

[1]曾興雯，劉乃安，孫獻(xiàn)璞.擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[2]查光明，熊賢怍.擴(kuò)頻通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[3]啜鋼，王文博，常永宇，全慶一編著.移動通信原理與系統(tǒng)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009.

[4]郭梯云，鄔國揚，李建東.移動通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[5]李建新，劉乃安.現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

[6]趙剛，王燕.擴(kuò)頻通信系統(tǒng)使用仿真技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.endprint