直接序列擴頻系統(tǒng)的Simulink仿真

1、直接序列擴頻系統(tǒng)的Matlab/Simulink 仿真摘要： 本文利用Matlab/Simulink 對直接序列擴頻系統(tǒng)進行了仿真，對其原理進行了相關(guān)的說明。讀者可以通過對本文的閱讀對直接序列擴頻的相關(guān)原理有一定的了解。關(guān)鍵字：擴頻通信直接序列擴頻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，若對每一個系統(tǒng)都要實體研究是不現(xiàn)實的。此時通信系統(tǒng)仿真對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，對其進行仿真，可以使我們把瑣碎的知識聯(lián)系在一起，形成一個個通信系統(tǒng)的概念，可以讓我們對各個知識點

2、的原理有更加深刻的理解和掌握。2、 直接序列擴頻的原理擴頻通信，即擴展頻譜通信(Spread Spectrum Communication)是將待傳送的 信息數(shù)據(jù)用偽隨機編碼(擴頻序列：Spread Sequence利制，實現(xiàn)頻譜擴展后再傳 輸而接收端則采用相同的編碼進行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。擴頻通信具有抗干擾能力強、抗噪聲、保密性強、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、高精度測量等優(yōu)點。根據(jù)擴展頻譜方式的不同，可以將擴頻通信系統(tǒng)分為 直接序列擴頻(DirectSequence Spread Spectrum)工作方式，簡稱直擴(DS)方式；跳變頻率(

3、Frequency Hopping)工作方式，簡稱跳頻(FH)方式；跳變時間(Time Hopping)工作方式，簡 稱跳時(TH)方式；寬帶線性調(diào)頻(Chirp Modulation)工作方式，簡稱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頻碼序列在發(fā)端去擴展信號的頻譜，而在收端，用相同的擴頻碼序列去進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。直接序列擴頻是擴頻通信系統(tǒng)最基本的工作方式。假設(shè)信源序列對應(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。擴頻所使用的偽隨機

4、序列c也是電平取值為土 1 的雙極性波形，偽隨機序列(PN 序列)的碼元也稱為碼片(chip) ，碼片速率設(shè)為Rcchip/s,對應(yīng)的碼片寬度就是Tc=1/Rc電'。對于雙極性波形而言，擴頻過 程等價于數(shù)據(jù)流a(t)與偽隨機序列c(t)相乘的過程，擴頻輸出序列設(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。擴頻序列經(jīng)過調(diào)制后得到調(diào)制輸出信號s送入信道。對于BPSK調(diào)制，發(fā)送的信號就相當(dāng)于是數(shù)據(jù)流與偽隨機序列相乘后再乘于一個高頻的余弦信號。在接收端，接收到的信號中有包含了有用信號s及各種干擾J和噪聲n(t)。由于接收端采用相關(guān)解擴，即將s(t)J(t)n(t

5、) 和本地PN序列c(t)相乘，只有有用信號的頻譜能夠被還原為窄帶信號，其他的 噪聲和干擾的頻譜只會被展寬，當(dāng)信號通過窄帶濾波器后只有一小部分被展寬了的頻譜會混進有用信號中，由此大大增強了其抗干擾的能力。三、仿真的系統(tǒng)與結(jié)果此處是對直接序列擴頻通信系統(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,擴頻碼片速率為2000chip/s,信號通過AGWN信道后受到 了頻率為200Hz的正弦信號的干擾，建立系統(tǒng)模型并觀察各個階段信號的波形 與頻譜，測試傳輸信號的誤碼率。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即伯努力二進制發(fā)生器，產(chǎn)生的 數(shù)據(jù)流相當(dāng)于信源，具采樣時間(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)置其采樣時間 (sample

7、 time)為1/2000,即擴頻碼片速率為2000chip/s。由于相乘時數(shù)據(jù)流的 傳輸速率要與擴頻碼片序列相同，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 輸出的就是擴頻序列。通過示波器Scope1可以觀察原信息序列、PN序列和擴頻 序列。為了方便觀察原來信號和擴頻后信號的頻譜變化，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模塊是需要觀測的信號的采樣率達(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)信號的頻譜擴頻信號的頻譜三路信號的時域波形由頻譜圖可見，原數(shù)據(jù)信號的頻譜被展寬了，功率峰值下降，增強了抗干擾 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Converter3偽隨機碼序列雙極性變換其中從解擴開始為接收端。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)射機中的 PN序列完全相同的。從加法器出來的信號即為接收到的信號，其中包含有有用信號，噪聲和干擾，該信號和本地 PN序列相乘進行解擴，Scopel頻譜儀中的頻 譜就是解擴后的接收信號的頻譜，其中有用信號被還原為窄帶信號，噪聲和干擾 的頻譜反而被展寬。利用 Error Rate Calculation模塊對誤碼率進行測試，其中 Tx為發(fā)送端，Rx為接收端，中間加入2個數(shù)據(jù)碼元的延遲是為了補償接收延遲。 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接收到的信號頻譜O2gp 一官一一柒三40-5-64-202Frame 910Frequency (kHz)解擴后信號的頻譜-2-15-1Frame 229-0.500.511.52Frequency (khz)解調(diào)后信號的頻譜發(fā)送序列和解調(diào)之后的序列結(jié)合發(fā)送端擴頻信號的頻譜，可以看到，發(fā)送端信號的功率峰值在接收信號 功率峰值之下，說明有用信號淹沒在了噪聲之中， 大大增強了抗干擾能力。從解 擴后的頻譜可以看出，只有有用信號的頻譜被還原成窄帶信號，其他信號的頻譜 反而被展寬。從誤碼率的統(tǒng)計來看，當(dāng)信號受到200Hz單頻正弦信號和噪聲均值為10的噪聲的干擾時，誤碼率約為0.025,在實際通信中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求的。三、總結(jié)對通信系統(tǒng)進行仿真，可以幫助我們更加理解相關(guān)技術(shù)的原理、 特點等相關(guān) 知識，幫助我們建立起系統(tǒng)的概念，通過將一個個模塊結(jié)合起來形成一個系統(tǒng)， 可以提高我們搭建系統(tǒng)模型的能力。 通過對直接序列擴頻系統(tǒng)的仿真，使我們更 加理解了直接序列擴頻的相關(guān)原理，對其特點