基于Simulink的直接序列擴展頻譜通信系統(tǒng)仿真研究

隨著通信技術的迅猛發(fā)展，擴展頻譜通信技術的優(yōu)點已經(jīng)越來越明顯并被接受，并在各個領域得到了廣泛的應用。同時隨著計算機技術和仿真技術的日益發(fā)展和應用，如何應用一些方便、友好的軟件對通信系統(tǒng)進行直觀的模型仿真，并進行仿真結果的觀測和分析，已經(jīng)成為通信工作者的一個迫切技術需求。本文通過對擴展頻譜技術的理論及直接擴展頻譜系統(tǒng)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的工具箱仿真了一個簡單的直接擴展頻譜通信系統(tǒng)，并給定仿真條件運行，為相關工作人員進行同類通信系統(tǒng)仿真提供了參考。

1 擴展頻譜通信技術 1.1 擴展頻譜通信技術理論基礎

擴展頻譜通信系統(tǒng)是指待傳輸信息的頻譜用某個特定的擴頻函數(shù)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(tǒng)。擴頻系統(tǒng)必須滿足以下兩條準則：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(shù)決定，此擴頻函數(shù)常用的是偽隨機編碼信號。

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

來描述。該公式表明，在高斯信道中當傳輸系統(tǒng)的信號噪聲功率比S／N下降時，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。對于任意給定的信號噪聲功率比，可以用增大傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯率。擴展頻譜技術也是應用這一原理，用高速率的擴頻碼來達到擴展待傳輸?shù)臄?shù)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，實現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號是具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號。高斯白噪聲信號具有理想的自相關特性，但是產生、加工和復制存在許多技術困難。而一些易產生又便于加工和控制的偽噪聲序列的統(tǒng)計特性逼近于高斯白噪聲的統(tǒng)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(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)淖罴研盘栃问揭矐撌蔷哂邪自肼暯y(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)分類

擴展頻譜通信系統(tǒng)按工作方式一般可分為以下幾種：

(1)直接序列擴展頻譜系統(tǒng)(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參量，擴展了傳輸帶寬而得名。

(2)跳頻擴頻系統(tǒng)(FH-SS)：數(shù)字信息與二進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)跳時擴頻系統(tǒng)(TH-SS)：跳時是用偽碼序列來啟閉信號的發(fā)射時刻和持續(xù)時間。

(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。

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：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(shù)據(jù)源{an}經(jīng)編碼后的數(shù)字信號，c(u，t)表示擴頻碼波形，d(u，t)和c(u，t)都是二進制波形。因此發(fā)射系統(tǒng)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)由天線輻射到空間，在傳播過程中受空間各種信號和干擾噪聲的污染。

信號進入接收機后進行與發(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，這個反變換就是解擴和解調。一般采用相關解擴，利用：

實際上c(u，t)是實函數(shù)，因此c*(u，t)=c(u，t)。

通常載波解調用相干解調，接收系統(tǒng)中兩個乘法器是相關解擴和解調，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(tǒng)中相關器是理想的(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，則整個系統(tǒng)模型也是線性的，即從接收機輸入端到基帶輸出的整個處理過程都是線性的?？梢约僭O其他干擾和噪聲為零，通過積分變換等計算后，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，便能恢復出發(fā)射端信源傳來的信息{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特性而完成的。而各種干擾信號與本地偽碼不相關，在處理過程中其能量被擴展到整個擴頻帶寬內，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)的一個完整的仿真環(huán)境和圖形界面。在這個環(huán)境中，用戶可以利用鼠標或鍵盤，完成面向框圖系統(tǒng)仿真的全部過程，并且更加直觀、快速和準確地達到仿真的目標。Simulink工具箱的另一個優(yōu)點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)仿真的建立和運行是智能化的。
(3)輸入輸出信號來源形式的多樣化。

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)字信號處理(DSP Blocks)模塊工具箱，定點處理(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中用到的各種子系統(tǒng)模型，他包含電源、元件、電機、電力電子、測量、聯(lián)接及其他。

數(shù)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(shù)學函數(shù)庫、濾波器庫、頻譜分析庫及演示庫。

定點處理(Fix-Point Blocks)模塊工具箱主要是為分析計算機字長有限對處理信號造成的影響而提供的各種Simulink模塊，包括定點的算術運算、定點的邏輯運算、定點的變換運算、定點數(shù)的傳送和定點數(shù)的聯(lián)接。

通信系統(tǒng)(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直觀的通信系統(tǒng)模型。第一階段是用圖形方式來畫結構圖并進行編輯；第二階段是進行運算仿真。在第一階段中首先要進行環(huán)節(jié)庫框圖的建立，從各種庫中查找到需要的圖標后進行排列；然后把各環(huán)節(jié)的端口按框圖連接起來；最后進行環(huán)節(jié)參數(shù)的設定。要注意在系統(tǒng)輸入端加上信號源，在用戶關心的輸出端加上信號終端(即觀測或記錄信號的設備，如示波器、電壓表或文件等)。這樣一個通信系統(tǒng)就確定了，接下來可以進行仿真、確定系統(tǒng)的性能指標及方案比較。