MATLAB仿真在現(xiàn)代通信中的應(yīng)用：新技術(shù)

新技術(shù)7.1擴頻7.2多元擴頻7.3跳頻7.4正交多載波調(diào)制OFDM

擴頻通信是近年來在民用移動通信中得到迅速推廣應(yīng)用的先進技術(shù)。

擴頻通信即擴展頻譜通信，是將基帶信息數(shù)據(jù)用速率高得多的正交碼組調(diào)制，實現(xiàn)頻譜擴展后再傳輸，接收端則采用相同的碼進行解調(diào)處理，恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。這種通信方法與常規(guī)的窄帶通信方式相比具有以下三大特點：7.1擴頻

(1)信息的頻譜擴展后形成寬帶傳輸(擴頻信號的特征是其帶寬W遠遠大于信息傳輸速率R)；

(2)相關(guān)處理后，恢復(fù)成窄帶信息數(shù)據(jù)。

(3)抗干擾、抗噪聲、保密性強、功率譜密度低，具有隱蔽性好、低的截獲概率、可多址復(fù)用等。通常應(yīng)用于擴頻系統(tǒng)的擴頻碼是最大長度線性反饋移位寄存器序列(亦稱m序列)。m

是該碼字生成多項式的長度，生成的碼組長度為 。m序列的碼組之間具有很好的正交性(很低的互相關(guān)性)。完全相同的碼組，即具有相同的生成多項式和相同的初始狀態(tài)的碼組，則具有很高的自相關(guān)性。MATLAB的偽隨機序列產(chǎn)生器PNSequenceGenerator就可以直接產(chǎn)生m序列。通過生成多項式和初始狀態(tài)的設(shè)定，得到所需要的m序列。

生成多項式描述了線性反饋序列的結(jié)構(gòu)，并不是所有的生成多項式都可以產(chǎn)生m序列，必須是本原多項式才可以生成。MATLAB提供了簡單的指令尋找本原多項式?？梢酝ㄟ^程序7-1來產(chǎn)生。

程序7-1

%求出m=5;的所有本原多項式的系數(shù)序列

m=5;

x=gfprimfd(m，'all');

運行結(jié)果是：

101001

100101

111101

111011

110111

101111將結(jié)果中的任意一行，填入偽隨機序列產(chǎn)生器對話框中的生成多項式欄。圖7-1所示仿真系統(tǒng)中是采用上述第3行，見圖7-2偽隨機序列產(chǎn)生器的參數(shù)設(shè)置對話框，即將“111101”填入。然后，在偽隨機序列產(chǎn)生器的初始狀態(tài)一欄，只要填入長度為m，任意的非全零二進制數(shù)列即可。注意，不同的生成多項式、不同的初始狀態(tài)產(chǎn)生不同的碼組，初始狀態(tài)不同，正交性有一些差別。正交性的顯示，可以由程序7-2(以及SCHX7_1.mdl)完成。SCHX7_1.mdl如圖7-1所示。

圖7-1收集偽隨機序列產(chǎn)生器的輸出數(shù)據(jù)(SCHX7_1.mdl)

圖7-2偽隨機序列產(chǎn)生器的參數(shù)設(shè)置對話框圖7-1的仿真框圖中ToWorkspace(到工作空間)是一個重要的聯(lián)系m文件仿真和Simulink仿真的模塊，它可以隨意地設(shè)置在Simulink仿真的圖中，連接在希望取出仿真過程中數(shù)據(jù)的地方。通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)，將數(shù)據(jù)從仿真系統(tǒng)中取出，放到工作空間。以后可以用m文件編程等方法對取出的數(shù)據(jù)進行處理。“ToWorkspace”模塊的參數(shù)如下：

(1)取出數(shù)據(jù)的文件(變量)名，本例是s。

(2)采樣速率，本例是-1(即與輸出數(shù)據(jù)同步)。

(3)取多少個數(shù)據(jù)，本例是63。

(4)存儲格式，本例是Array。

程序7-2

%(求m序列的自相關(guān)特性)

sim('SCHX7_1'); %啟動并運行仿真系統(tǒng)

x1=[(2*s)-1]'; %將運行結(jié)果m序列S從單極性序列變?yōu)殡p極性序列

y1=xcorr(x1); %求自相關(guān)性

t=1:61;

plot(t，y1(1:61));axis([1，61，-5，35]) %繪出信號的相關(guān)圖

gridon

圖7-3偽隨機序列的相關(guān)特性(m=5)圖7-4是一個直接擴頻系統(tǒng)的仿真模型(SCHX7_4.mdl)。在圖7-4所示的系統(tǒng)中，發(fā)射端、接收端應(yīng)用具有相同的生成多項式與初始狀態(tài)的碼組分別作為擴頻與解擴的碼組，與M-PSK(m?=?2)基帶調(diào)制解調(diào)器一起共同完成二進制基帶信號的發(fā)射與接收。

如果一個基帶信號寬度等于一個擴頻碼組的寬度，那么，擴頻增益GdB為

也就是說m越大，擴頻增益越大，系統(tǒng)的抗干擾性越強，但是傳輸效率也就越低。

圖7-4直接擴頻的仿真系統(tǒng)(SCHX7_4.mdl)系統(tǒng)傳輸特性顯示：可以將傳輸環(huán)境(加性高斯白噪聲AWGN)中的信噪比SNR設(shè)置為變量，然后收集各個變量對應(yīng)的系統(tǒng)傳輸誤碼率，再作圖顯示。運行程序7-5，圖7-5呈現(xiàn)了系統(tǒng)的傳輸特性。

程序7-5

clear

ErproVec=-32:1:-12;

forn=1:length(ErproVec)

SNR=ErproVec(n);

sim('SCHX7_4')

S2(n)=[mean(m)]';

S1(n)=log10(S2(n)+eps);

S3(n)=S2(n)+eps;

EN(n)=[ErproVec(n)]';

end

semilogy(EN，(S3))

grid

title('直接擴頻系統(tǒng)的傳輸特性');

xlabel('信噪比');

ylabel('誤碼率');

圖7-5直接擴頻仿真系統(tǒng)的傳輸特性圖7-5的傳輸特性顯示了作為擴頻碼的m序列長度分別為15和63(點劃線)的兩條曲線，擴頻增益相差6.3dB，傳輸特性約有2.1dB的差別。

多元擴頻的擴頻增益與用戶數(shù)安排十分靈活。圖7-6所示仿真系統(tǒng)中將二進制基帶信號變?yōu)樗倪M制整數(shù)，每個整數(shù)對應(yīng)一個碼組(二進制的m序列)，碼組的切換由四進制碼的數(shù)值決定。碼組與經(jīng)過二相相移鍵控調(diào)制后的二進制基帶信號進行擴頻操作。發(fā)射端、接收端應(yīng)用具有相同的生成多項式與初始狀態(tài)的碼組分別作為擴頻與解擴的碼組。用較多的碼組產(chǎn)生器為代價，換來非常大的靈活性。7.2多元擴頻

圖7-6多元擴頻的仿真系統(tǒng)(SCHX7_6.mdl)頻譜儀將基帶信號與擴頻信號的頻譜同時顯示在屏幕上?？梢姅U頻后信號頻帶寬度大為擴展了。

將加性高斯白噪聲的傳輸環(huán)境的信噪比設(shè)置成變量SNR，應(yīng)用循環(huán)語句逐次將從小到大的信噪比數(shù)值代入，再將測得的系統(tǒng)誤碼率與對應(yīng)的信噪比數(shù)值做成曲線，就可以得到系統(tǒng)的傳輸特性(運行程序7-7)。如果暫時將頻譜儀刪除，仿真過程得出傳輸特性的時間將大為縮短。

程序7-7

clear

ErproVec=-34:1:-12;

forn=1:length(ErproVec)

SNR=ErproVec(n);

sim('SCHX7_6d')

S2(n)=[mean(m2)]';

S1(n)=log10(S2(n)+eps);

S3(n)=S2(n)+eps;

EN(n)=[ErproVec(n)]';

end

semilogy(EN，(S3))

axis([-35，-12，1e-16，1])

grid

title('多元擴頻傳輸特性');

xlabel('信噪比');

ylabel('誤碼率');仿真結(jié)果如圖7-7和圖7-8所示。圖7-7給出了多元擴頻系統(tǒng)的誤碼率傳輸特性，隨著信道信噪比的增加，誤碼率減小。圖7-8是頻譜儀中顯示的擴頻前后的頻譜對比。

圖7-7多元擴頻仿真系統(tǒng)的傳輸特性

圖7-8多元擴頻仿真系統(tǒng)的頻譜特性

跳頻系統(tǒng)又稱為FH系統(tǒng)，是收發(fā)雙方的載波頻率同時按照某種規(guī)律同步跳變的通信系統(tǒng)。在跳頻通信系統(tǒng)中把可用的信道帶寬分割成大量相鄰的頻率間隔(簡稱頻隙)。在任意一個信號傳輸間隔內(nèi)，發(fā)送信號占據(jù)一個或者多個可用的頻隙。跳頻通信系統(tǒng)原理框圖見圖7-9。7.3跳頻

圖7-9跳頻通信系統(tǒng)原理框圖

圖7-10跳頻通信仿真系統(tǒng)(SCHX7_10.mdl)產(chǎn)生跳頻信號的方法有多種，在圖7-10所示的跳頻通信仿真系統(tǒng)中跳頻信號產(chǎn)生器是圖中左下角的一個子系統(tǒng)模塊Subsystem。點擊后彈出圖7-11所示的框圖。

圖7-11跳頻信號產(chǎn)生器工作原理簡述如下：

偽隨機序列產(chǎn)生器產(chǎn)生采樣速率為1/500s的二進制碼流。經(jīng)過兩個緩存器以及二進制到整數(shù)的變換，生成采樣速率為1/100s的五進制隨機整數(shù)碼流。用它來控制壓控振蕩器VCO，使其輸出頻率隨整數(shù)值跳變的正弦信號。VCO模塊的主要參數(shù)是靜止頻率(QuiescentFrequency)為500Hz，輸入靈敏度(InputSensitivity)為100Hz/V。產(chǎn)生500～2600Hz的31個頻率。跳頻通信系統(tǒng)時域圖如圖7-12所示。圖的上半部分是輸入壓控振蕩器VCO產(chǎn)生跳變的直流電壓，圖的下半部分是與圖的上半部分時間對應(yīng)的輸出跳頻信號。

圖7-12跳頻通信系統(tǒng)信號時域圖為了在頻譜儀上觀察跳頻信號的蹤跡，可將頻譜儀的參數(shù)設(shè)置中的顯示特性(DisplayProperties)中的永久(Persistence)選項激活，并且存儲器交疊(MemoryOverlap)置為0，傅里葉變換及存儲器長度均設(shè)為256，即可得到圖7-13所示的跳頻系統(tǒng)的頻譜蹤跡圖，本例中設(shè)置了31個頻率。

圖7-13跳頻通信系統(tǒng)的頻譜蹤跡圖通過運行程序7-14可以繪出跳頻系統(tǒng)的傳輸特性，如圖7-14所示，其中，水平軸是信噪比，垂直軸是誤碼率。

程序7-14

clear

ErproVec=-34:2:-12;

forn=1:length(ErproVec)

SNR=ErproVec(n);

sim('SCHX7_10d')

S2(n)=[mean(m3)]';

S1(n)=log10(S2(n)+eps);

S3(n)=S2(n)+eps;

EN(n)=[ErproVec(n)]';

end

semilogy(EN，(S3))

axis([-35，-12，1e-16，1])

grid

title('跳頻通信系統(tǒng)的傳輸特性');

xlabel('信噪比');

ylabel('誤碼率');

圖7-14跳頻通信系統(tǒng)的傳輸特性跳頻圖案可以直觀地展示系統(tǒng)跳頻特性。通過運行程序7-15可以繪出跳頻系統(tǒng)的跳頻圖案，如圖7-15所示，水平軸是時間，垂直軸是頻率。

圖7-15跳頻通信系統(tǒng)的跳頻圖案

程序7-15

t=1:256;

T=t';

f=500+100*s;

plot(T，f，'bs')

axis([-5，270，400，3700])

gridon

xlabel('ms')

ylabel('Hz')

OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，也是第四代移動通信采用的技術(shù)之一。該技術(shù)的基本原理是將高速串行數(shù)據(jù)變換成多路相對低速的并行數(shù)據(jù)，并對不同的載波進行調(diào)制。這種并行傳輸體制大大擴展了符號的脈沖寬度，降低了信號的傳輸帶寬；提高了抗多徑衰落的性能。7.4正交多載波調(diào)制OFDM傳統(tǒng)的頻分復(fù)用方法中各個子載波的頻譜是互不重疊的，需要使用大量的發(fā)送濾波器和接收濾波器，這樣就大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。同時，為了減小各個子載波間的相互竄擾，各子載波間必須保持足夠的頻率間隔，這樣會降低系統(tǒng)的頻率利用率。而現(xiàn)代OFDM系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理技術(shù)，各子載波的產(chǎn)生和接收都由數(shù)字信號處理算法完成，這樣極大地簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，同時也提高了系統(tǒng)的頻譜利用率。這些頻譜在整個符號周期內(nèi)滿足正交性，從而保證接收端能夠不失真地復(fù)原信號。傅里葉變換是聯(lián)系信號序列的時域表達式與頻域表達式的數(shù)學(xué)工具，由于快速傅里葉變換的誕生，使得它在信號處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。MATLAB軟件中的FFT與IFFT指令以及功能模塊，使得快速傅里葉變換和反向快速傅里葉變換在仿真系統(tǒng)的應(yīng)用中大為簡化。工程實踐中，也有了適應(yīng)各種需要的專用芯片。

數(shù)據(jù)通信中的信號流用時間域的表達式來描述容易理解。經(jīng)過傅里葉變換以后的表達式，是含有頻率成分的系數(shù)的序列值。在經(jīng)過復(fù)指數(shù)的運算后，因為有正負(fù)的頻率成分，故頻率域表達式中的序列值是排列在零頻率兩側(cè)的與序列頻率成分幅度有關(guān)的系數(shù)值。

圖7-16所示的OFDM仿真系統(tǒng)的第一個模塊是伯努利分布的二進制隨機數(shù)發(fā)生器，它產(chǎn)生一個采樣速率為200Hz、每幀發(fā)送200路數(shù)據(jù)、出現(xiàn)1或者零的概率為0.5的二進制數(shù)據(jù)流?；蛘哒f我們將一個采樣速率為200Hz的二進制數(shù)據(jù)流，變成了200行并行的采樣速率為1Hz的二進制數(shù)據(jù)流，碼元寬度大了200倍，多徑效應(yīng)因為調(diào)制基帶信號周期大了200倍而大為減輕。并行的200路信號同時被二元幅度調(diào)制(2QAM)，雖然進行的是基帶調(diào)制，在后面的填零及分配模塊中卻做了一件構(gòu)思巧妙的工作。首先將200路信號經(jīng)過填零操作變?yōu)?56行的數(shù)據(jù)流(傅里葉變換以及反變換要求序列長度是2的冪次方)；然后將排列作了變化，將填零的行擺在重新排列后的以1