基于Simulink的直接序列擴展頻譜通信系統仿真研究

隨著(zhù)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，擴展頻譜通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)越來(lái)越明顯并被接受，并在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用。同時(shí)隨著(zhù)計算機技術(shù)和仿真技術(shù)的日益發(fā)展和應用，如何應用一些方便、友好的軟件對通信系統進(jìn)行直觀(guān)的模型仿真，并進(jìn)行仿真結果的觀(guān)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(guò)對擴展頻譜技術(shù)的理論及直接擴展頻譜系統的構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(jiǎn)單的直接擴展頻譜通信系統，并給定仿真條件運行，為相關(guān)工作人員進(jìn)行同類(lèi)通信系統仿真提供了參考。

1 擴展頻譜通信技術(shù) 1.1 擴展頻譜通信技術(shù)理論基礎

擴展頻譜通信系統是指待傳輸信息的頻譜用某個(gè)特定的擴頻函數擴展后成為寬頻帶信號，送入信道中傳輸，再利用相應手段將其壓縮，從而獲得傳輸信息的通信系統。擴頻系統必須滿(mǎn)足以下兩條準則：傳輸帶寬遠遠大于被傳送的原始信息的帶寬；傳輸帶寬主要由擴頻函數決定，此擴頻函數常用的是偽隨機編碼信號。

(1)擴展頻譜技術(shù)的理論基礎可用香農(C.E.Shannon)信道容量公式：

來(lái)描述。該公式表明，在高斯信道中當傳輸系統的信號噪聲功率比S／N下降時(shí)，可用增加系統傳輸帶寬W的辦法來(lái)保持信道容量C不變。對于任意給定的信號噪聲功率比，可以用增大傳輸帶寬來(lái)獲得較低的信息差錯率。擴展頻譜技術(shù)也是應用這一原理，用高速率的擴頻碼來(lái)達到擴展待傳輸的數字信息帶寬的目的。

(2)香農指出：在高斯噪聲的干擾下，在限平均功率的信道上，實(shí)現有效和可靠通信的最佳信號是具有白噪聲統計特性的信號。高斯白噪聲信號具有理想的自相關(guān)特性，但是產(chǎn)生、加工和復制存在許多技術(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計特性逼近于高斯白噪聲的統計特性，因此用偽隨機碼擴展待傳基帶信號頻譜的擴展頻譜通信系統，優(yōu)于常規通信體制。

(3)哈爾凱維奇從理論上證明：要克服多徑衰落干擾的影響，信道中傳輸的最佳信號形式也應該是具有白噪聲統計特性的信號形式。由于擴頻通信中的偽碼逼近白噪聲的統計特性，所以擴頻通信又具有抗多徑干擾的能力。

1.2擴展頻譜通信系統分類(lèi)

擴展頻譜通信系統按工作方式一般可分為以下幾種：

(1)直接序列擴展頻譜系統(DS-SS)：由待傳信息信號與高速率的偽隨機碼波形相乘后，去直接控制射頻信號的某個(gè)參量，擴展了傳輸帶寬而得名。

(2)跳頻擴頻系統(FH-SS)：數字信息與二進(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)射信號的頻率隨偽碼的變化而跳變。 (3)跳時(shí)擴頻系統(TH-SS)：跳時(shí)是用偽碼序列來(lái)啟閉信號的發(fā)射時(shí)刻和持續時(shí)間。

(4)混合式：以上三種基本擴頻方式中的兩種或多種結合起來(lái)。

2 DS-SS原理及系統框圖

DS-SS系統框圖如圖1所示。假設：二元直接序列擴頻，BPSK調制。BPSK調制信號表示為：

假設A=1，φ0(t)=0。用d(u，t)表示數據源{an}經(jīng)編碼后的數字信號，c(u，t)表示擴頻碼波形，d(u，t)和c(u，t)都是二進(jìn)制波形。因此發(fā)射系統的輸出信號s(u，t)表達式為：
d(u，t)與c(u，t)相互獨立。s(u，t)經(jīng)由天線(xiàn)輻射到空間，在傳播過(guò)程中受空間各種信號和干擾噪聲的污染。

信號進(jìn)入接收機后進(jìn)行與發(fā)射端相反的變換即可恢復發(fā)射端傳送的信息，在擴頻接收機中，這個(gè)反變換就是解擴和解調。一般采用相關(guān)解擴，利用：

實(shí)際上c(u，t)是實(shí)函數，因此c*(u，t)=c(u，t)。

通常載波解調用相干解調，接收系統中兩個(gè)乘法器是相關(guān)解擴和解調，本地擴頻碼與發(fā)射端同步，延遲鎖定環(huán)路提供的控制跟蹤量作為對信道隨機延時(shí)的同步跟蹤。本地射頻壓控振蕩器輸出的信號也是由鎖相環(huán)路提供的同步跟蹤量跟蹤。如果接收系統中相關(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(xiàn)性的，則整個(gè)系統模型也是線(xiàn)性的，即從接收機輸入端到基帶輸出的整個(gè)處理過(guò)程都是線(xiàn)性的?？梢约僭O其他干擾和噪聲為零，通過(guò)積分變換等計算后，基帶濾波器輸出的有用信號為：

由此可知，只要基帶濾波器無(wú)失真地傳送數字信息d[u，t-τ(u)]，經(jīng)基帶數字檢測器處理后，便能恢復出發(fā)射端信源傳來(lái)的信息{an)。

擴頻接收機提取有用信號的功能，是充分發(fā)揮了偽隨機碼尖銳的自相關(guān)特性而完成的。而各種干擾信號與本地偽碼不相關(guān)，在處理過(guò)程中其能量被擴展到整個(gè)擴頻帶寬內，因此通過(guò)基帶濾波器的輸出很小。

3 系統仿真(Simulink)工具箱簡(jiǎn)介

Simulink工具箱是Matlab各種工具箱中比較特別的，他是從底層開(kāi)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(hù)可以利用鼠標或鍵盤(pán)，完成面向框圖系統仿真的全部過(guò)程，并且更加直觀(guān)、快速和準確地達到仿真的目標。Simulink工具箱的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是他不給出任何新的函數。

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(xiě)。
(2)仿真的建立和運行是智能化的。
(3)輸入輸出信號來(lái)源形式的多樣化。

通常在通信系統仿真模型中使用的工具箱除了Simulink之外，還有一些以Simulink為基礎的模塊工具箱。最常用的有電力系統(Powersys)模塊工具箱，數字信號處理(DSP Blocks)模塊工具箱，定點(diǎn)處理(Fix-PointBlocks)模塊工具箱和通信系統(Comm)模塊工具箱。

電力系統(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模型，他包含電源、元件、電機、電力電子、測量、聯(lián)接及其他。

數字信號處理(DSP Blocks)模塊工具箱，包括信號源庫、信號漏(終端庫)、通用DSP庫、數學(xué)函數庫、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算機字長(cháng)有限對處理信號造成的影響而提供的各種Simulink模塊，包括定點(diǎn)的算術(shù)運算、定點(diǎn)的邏輯運算、定點(diǎn)的變換運算、定點(diǎn)數的傳送和定點(diǎn)數的聯(lián)接。

通信系統(Comm)模塊工具箱主要包括信號源和信號終端庫、信源編碼和信源解碼庫、糾錯編碼和糾錯解碼庫、調制和解調庫、多路存取庫、發(fā)送濾波和接收濾波庫以及信道庫等。 通過(guò)使用Simulink工具箱以及以他為基礎的其他工具箱可以很容易地建立起一個(gè)直觀(guān)的通信系統模型。第一階段是用圖形方式來(lái)畫(huà)結構圖并進(jìn)行編輯；第二階段是進(jìn)行運算仿真。在第一階段中首先要進(jìn)行環(huán)節庫框圖的建立，從各種庫中查找到需要的圖標后進(jìn)行排列；然后把各環(huán)節的端口按框圖連接起來(lái)；最后進(jìn)行環(huán)節參數的設定。要注意在系統輸入端加上信號源，在用戶(hù)關(guān)心的輸出端加上信號終端(即觀(guān)測或記錄信號的設備，如示波器、電壓表或文件等)。這樣一個(gè)通信系統就確定了，接下來(lái)可以進(jìn)行仿真、確定系統的性能指標及方案比較。