基于Simulink的直接序列擴(kuò)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(kuò)展頻譜通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)越來越明顯并被接受，并在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)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(duì)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(gè)迫切技術(shù)需求。本文通過對(duì)擴(kuò)展頻譜技術(shù)的理論及直接擴(kuò)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(gè)簡單的直接擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)，并給定仿真條件運(yùn)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(kuò)展頻譜通信技術(shù) 1.1 擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)理論基礎(chǔ)

擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)是指待傳輸信息的頻譜用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)擴(kuò)展后成為寬頻帶信號(hào)，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(kuò)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(kuò)頻函數(shù)決定，此擴(kuò)頻函數(shù)常用的是偽隨機(jī)編碼信號(hào)。

(1)擴(kuò)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(hào)噪聲功率比S／N下降時(shí)，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(duì)于任意給定的信號(hào)噪聲功率比，可以用增大傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯(cuò)率。擴(kuò)展頻譜技術(shù)也是應(yīng)用這一原理，用高速率的擴(kuò)頻碼來達(dá)到擴(kuò)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(shí)現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號(hào)是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)。高斯白噪聲信號(hào)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(jì)特性逼近于高斯白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，因此用偽隨機(jī)碼擴(kuò)展待傳基帶信號(hào)頻譜的擴(kuò)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?hào)形式也應(yīng)該是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)形式。由于擴(kuò)頻通信中的偽碼逼近白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，所以擴(kuò)頻通信又具有抗多徑干擾的能力。

1.2擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)分類

擴(kuò)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(kuò)展頻譜系統(tǒng)(DS-SS)：由待傳信息信號(hào)與高速率的偽隨機(jī)碼波形相乘后，去直接控制射頻信號(hào)的某個(gè)參量，擴(kuò)展了傳輸帶寬而得名。

(2)跳頻擴(kuò)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(hào)的頻率隨偽碼的變化而跳變。 (3)跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)(TH-SS)：跳時(shí)是用偽碼序列來啟閉信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間。

(4)混合式：以上三種基本擴(kuò)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(kuò)頻，BPSK調(diào)制。BPSK調(diào)制信號(hào)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(hào)，c(u，t)表示擴(kuò)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(hào)s(u，t)表達(dá)式為：
d(u，t)與c(u，t)相互獨(dú)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(hào)和干擾噪聲的污染。

信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)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(kuò)頻接收機(jī)中，這個(gè)反變換就是解擴(kuò)和解調(diào)。一般采用相關(guān)解擴(kuò)，利用：

實(shí)際上c(u，t)是實(shí)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(gè)乘法器是相關(guān)解擴(kuò)和解調(diào)，本地?cái)U(kuò)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(duì)信道隨機(jī)延時(shí)的同步跟蹤。本地射頻壓控振蕩器輸出的信號(hào)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(gè)系統(tǒng)模型也是線性的，即從接收機(jī)輸入端到基帶輸出的整個(gè)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(jì)算后，基帶濾波器輸出的有用信號(hào)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(kuò)頻接收機(jī)提取有用信號(hào)的功能，是充分發(fā)揮了偽隨機(jī)碼尖銳的自相關(guān)特性而完成的。而各種干擾信號(hào)與本地偽碼不相關(guān)，在處理過程中其能量被擴(kuò)展到整個(gè)擴(kuò)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(gè)完整的仿真環(huán)境和圖形界面。在這個(gè)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(gè)優(yōu)點(diǎn)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(yùn)行是智能化的。
(3)輸入輸出信號(hào)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(hào)處理(DSP Blocks)模塊工具箱，定點(diǎn)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(dòng)中用到的各種子系統(tǒng)模型，他包含電源、元件、電機(jī)、電力電子、測量、聯(lián)接及其他。

數(shù)字信號(hào)處理(DSP Blocks)模塊工具箱，包括信號(hào)源庫、信號(hào)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(diǎn)處理(Fix-Point Blocks)模塊工具箱主要是為分析計(jì)算機(jī)字長有限對(duì)處理信號(hào)造成的影響而提供的各種Simulink模塊，包括定點(diǎn)的算術(shù)運(yùn)算、定點(diǎn)的邏輯運(yùn)算、定點(diǎn)的變換運(yùn)算、定點(diǎn)數(shù)的傳送和定點(diǎn)數(shù)的聯(lián)接。

通信系統(tǒng)(Comm)模塊工具箱主要包括信號(hào)源和信號(hào)終端庫、信源編碼和信源解碼庫、糾錯(cuò)編碼和糾錯(cuò)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(gè)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(yùn)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(hào)源，在用戶關(guān)心的輸出端加上信號(hào)終端(即觀測或記錄信號(hào)的設(shè)備，如示波器、電壓表或文件等)。這樣一個(gè)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。