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(duì)直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，對(duì)其原理進(jìn)行了相關(guān)的說明。讀者可以通過對(duì)本文的閱讀對(duì)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1、 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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)其進(jìn)行仿真，可以使我們把瑣碎的知識(shí)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(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)

2、的原理有更加深刻的理解和掌握。2、 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利制，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(cè)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(DirectSequence Spread Spectrum)工作方式，簡(jiǎn)稱直擴(kuò)(DS)方式；跳變頻率(

3、Frequency Hopping)工作方式，簡(jiǎn)稱跳頻(FH)方式；跳變時(shí)間(Time Hopping)工作方式，簡(jiǎn) 稱跳時(shí)(TH)方式；寬帶線性調(diào)頻(Chirp Modulation)工作方式，簡(jiǎn)稱Chirp方式和 各種混合方式。直接序列(DS-Direct Scquency)T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(hào)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(hào)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(duì)應(yīng)白雙極性波形為a(t),其電平取值為± 1 ,碼元速率為Rabps,碼元寬度為Ta=1/Ra渺。擴(kuò)頻所使用的偽隨機(jī)

4、序列c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(duì)應(yīng)的碼片寬度就是Tc=1/Rc電'。對(duì)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(hào)s送入信道。對(duì)于BPSK調(diào)制，發(fā)送的信號(hào)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(hào)。在接收端，接收到的信號(hào)中有包含了有用信號(hào)s及各種干擾J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(t

5、) 和本地PN序列c(t)相乘，只有有用信號(hào)的頻譜能夠被還原為窄帶信號(hào)，其他的 噪聲和干擾的頻譜只會(huì)被展寬，當(dāng)信號(hào)通過窄帶濾波器后只有一小部分被展寬了的頻譜會(huì)混進(jìn)有用信號(hào)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(duì)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(hào)通過AGWN信道后受到 了頻率為200Hz的正弦信號(hào)的干擾，建立系統(tǒng)模型并觀察各個(gè)階段信號(hào)的波形 與頻譜，測(cè)試傳輸信號(hào)的誤碼率。發(fā)射端的仿真模型如下：F - ：-« ir.印301E UOF¥* *Bwmuli Brirf

6、 ffaiji 7ffc-"fclnanLMIgly 第 日»lfEfpBIN2 Lmipclar 匚 gnyaner 目 0 kJ UfHgl.三戶占篦 g ter8«；&式日中FH til ElliJGipciari 二> TiJ0-ffT6Scooel在上面的模型中Bernoulli Binary Generator即伯努力二進(jìn)制發(fā)生器，產(chǎn)生的 數(shù)據(jù)流相當(dāng)于信源，具采樣時(shí)間(sample time)設(shè)置為1/100,及數(shù)據(jù)流的傳輸 速率為100bpso PN Sequence Generator用于產(chǎn)生 PN序列，設(shè)置其采樣時(shí)間 (sample

7、 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(hào)和擴(kuò)頻后信號(hào)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(hào)的采樣率

8、達(dá)到16000次/s,因此在模型中使用RateTransition模塊是需要觀測(cè)的信號(hào)的采樣率達(dá)到16000次/s。o o o o o o O 2 1-1-2-34mp 癡PWUKmlAI2-1012Frame 1040 Frequency (kHz)原數(shù)據(jù)信號(hào)的頻譜擴(kuò)頻信號(hào)的頻譜三路信號(hào)的時(shí)域波形由頻譜圖可見，原數(shù)據(jù)信號(hào)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：扇.EBernoulliBinaryBipolarConverterUnipolar toGenerator數(shù)據(jù)流提高數(shù)據(jù)流的速率BipolarConverterPN Sequence IG

9、enerator reqnenGeneratorlUnipolai lo BipolarConverterUnipolar toBipolarBaseband單極性變換Unipolar ConverterBipolar to Unipolar ConverterBPSK ModulatorBPSKBPSK調(diào)制PN Sequence GeneratorPN Sequence GeneratorB BipolarConverterScope2接收信號(hào)Converter3偽隨機(jī)碼序列雙極性變換其中從解擴(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(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率 為200

10、Hz的單頻干擾。PN Sequence Generate的本地PN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(hào)即為接收到的信號(hào)，其中包含有有用信號(hào)，噪聲和干擾，該信號(hào)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(hào)的頻譜，其中有用信號(hào)被還原為窄帶信號(hào)，噪聲和干擾 的頻譜反而被展寬。利用 Error Rate Calculation模塊對(duì)誤碼率進(jìn)行測(cè)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 Basebandl為 BPSK 解調(diào)器。40 Y 4 Y -Z Q 268O 0 m

11、p -CDprn-UH WFrame: 910Frequency (kHz)S接收到的信號(hào)頻譜O2gp 一官一一柒三40-5-64-202Frame 910Frequency (kHz)解擴(kuò)后信號(hào)的頻譜-2-15-1Frame 229-0.500.511.52Frequency (khz)解調(diào)后信號(hào)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(hào)的頻譜，可以看到，發(fā)送端信號(hào)的功率峰值在接收信號(hào) 功率峰值之下，說明有用信號(hào)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(hào)的頻譜被還原成窄帶信號(hào)，其他信號(hào)的頻譜 反而被展寬。從誤碼率的統(tǒng)計(jì)來看，當(dāng)信號(hào)受到200Hz單頻正弦信號(hào)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(duì)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(shí)，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(duì)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)原理，對(duì)其特點(diǎn)