WCDMA系統(tǒng)研究與仿真設(shè)計論文

1、. . . . 28 / 31WCDMA系統(tǒng)研究與仿真摘 要：WCDMA（寬帶碼分多址）是一種無線通信技術(shù)，是中國聯(lián)通目前采用的3G通訊標準，作為3G的主流標準，WCDMA技術(shù)已逐步走向成熟。本文首先對第三代通信系統(tǒng)中的WCDMA系統(tǒng)的發(fā)展歷程和基本原理作了簡要介紹，然后對其進行了系統(tǒng)的研究分析，分析了通信各個環(huán)節(jié)的運行機理，并利用Matlab軟件中的Simulink模塊對WCDMA的擴頻系統(tǒng)進行仿真設(shè)計，并給出了實現(xiàn)方法和仿真結(jié)果，在給定條件下運行了仿真程序，得到了預(yù)期的結(jié)果。關(guān)鍵詞：WCDMA；擴頻；SimulinkResearch and Simulation of WCDMA Syst

2、emsAbstract: WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) is a wireless communication technology, China Unicoms 3G communication standard currently used as the mainstream 3G standard, WCDMA technology has gradually matured. This article first third-generation WCDMA communication system in a system

3、atic study of the system were analyzed using Matlab Simulink software module for WCDMA, spread spectrum system simulation design, and gives an implementation and simulation results, then run the design under emulation program to get the desired results.Keywords: WCDMA; spread spectrum; Simulink目錄1.引

4、言11.1移動通信系統(tǒng)發(fā)展歷程和WCDMA的產(chǎn)生11.3 本文主要容22WCDMA系統(tǒng)構(gòu)成32.1WCDMA通信基本模型和主要參數(shù):32.2信源編碼與信源解碼43.基于MATLAB的WCDMA系統(tǒng)的擴頻實現(xiàn)方案123.1 Simulink簡介123.2Simulink的功能123.3 Simulink 中常用的模塊庫133.4直接序列擴頻通信的基本原理153.5擴頻系統(tǒng)的總設(shè)計模型153.6BPSK 調(diào)制與解調(diào)203.7解擴與檢波214.仿真參數(shù)設(shè)置以與結(jié)果分析224.1參數(shù)設(shè)置224.2 仿真分析25致26參考文獻271.引言1.1移動通信系統(tǒng)發(fā)展歷程和WCDMA的產(chǎn)生上個世紀80年代，第一

5、代(IG)模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)雖然頻譜利用率低、性能差，但是其實現(xiàn)了無線的語音通信，是人類從有線通信進入無線通信的標志。90年代初期，第二代(2G)數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)開始應(yīng)用，它彌補了模擬無線通信的一些缺陷，并在無線話音的業(yè)務(wù)上增加了低速率的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，但是其主要還是為了實現(xiàn)話音通信的無線化，不能為高速率的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)提供支持。所以近年來出現(xiàn)了2.5代移動通信系統(tǒng)，在一定程度上加強第二代移動通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Γ€是不能有效地支持高速率的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，因此其進一步發(fā)展受到很大的限制。第三代移動通信系統(tǒng)是基于因特網(wǎng)的飛速發(fā)展、各種無線通信業(yè)務(wù)需求量的加大，人們對高速率數(shù)據(jù)傳輸迫切要求下應(yīng)

6、運而生。WCDMA全名是 Wideband Code Division Multiple Aeeess，中文譯名為“寬帶分碼多工存取”，是在歐洲和日本幾種技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用 MCFDD雙工模式的一個ITU(國際電信聯(lián)盟)標準，與GSM(Global System for Mobile Communications)網(wǎng)絡(luò)具有很好的兼容性和互操作性，并能夠為各種無線設(shè)備提供較高速率的數(shù)據(jù)傳輸。WCDMA系統(tǒng)的傳輸速率在局域網(wǎng)可達ZMb/S，在寬帶網(wǎng)能達到384Kb/s，因此能夠有效的支持無線話音、圖像、數(shù)據(jù)以與視頻通信業(yè)務(wù)。在人口密集的地方，第二代通信系統(tǒng)的語音線路容易產(chǎn)生堵塞，為了在一條線路上傳

7、送更多的語音呼叫信號，WCDMA采用了異步傳輸模式(ATM)，從而把呼叫數(shù)目成倍的提高，由原來的30個提高到300個。WCDMA系統(tǒng)解決了第二代移動通信系統(tǒng)在同一條傳輸通道中，同一時間不能同時進行語音通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，它采用了電路交換和分包交換技術(shù)。其中用電路交換技術(shù)實現(xiàn)語音通信，通過分包交換技術(shù)用戶在接聽時可以訪問因特網(wǎng)，大大提高了移動的使用效率。費用方面，由于第三代移動通信承載了語音業(yè)務(wù)和高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此它的費用可分為兩部分。第一部分:語音通信所產(chǎn)生的費用，按照用戶語音通信接入的時間進行計算。第二部分:數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是通過分包交換技術(shù)實現(xiàn)的，因此它的費用計算不同與語音業(yè)務(wù)

8、的按接入時間計算，而是通過數(shù)據(jù)的傳送量來計算。1.2 3G移動通信幾種技術(shù)方案的比較 WCDMA CDMA 2000 TD-SCDMA 多址接入方式DS-CDMAMC-CDMADS-CDMA 雙工方式FDD/TDDFDDTDD 載頻間隔（MHz）51.25 / 3.751.6 碼片速率 （Mchip/s）3.841.2288 / 3.68641.28幀長10ms20ms10ms（含兩個子幀）基站同步方式不需要GPS/GLONASS同步方式GPS或者網(wǎng)絡(luò)同步方式功率控制快速閉環(huán)功控：1500Hz；外環(huán)功控快速閉環(huán)功控：800Hz；外環(huán)功控閉環(huán)功控：0200Hz；外環(huán)功控切換方式扇區(qū)間軟切換、小區(qū)

9、間軟切換和載頻間硬切換支持軟切換和更軟切換 接力切換語音編碼AMR 8k/13k QCELP / 8k EVRC AMR 1.3 本文主要容本文的主要容可分為三個部分。第一部分主要介紹WCDMA系統(tǒng)的發(fā)展歷程和基本原理以與與其他3G無線通信技術(shù)的區(qū)別；第二部分介紹系統(tǒng)的信號傳輸機理，并分析了各個環(huán)節(jié)的運行方式。最后一部分，利用MATLAB中的Simulink組件對WCDMA系統(tǒng)中的重要模塊擴頻部分進行了仿真設(shè)計，列出了具體的仿真方法，并進行了仿真實現(xiàn)，然后針對已經(jīng)設(shè)計的擴頻系統(tǒng)進行結(jié)果分析，主要包括關(guān)鍵步驟的結(jié)果分析，并得出最后結(jié)論，達到了預(yù)期的效果。2WCDMA系統(tǒng)構(gòu)成2.1WCDMA通信基

10、本模型和主要參數(shù):系統(tǒng)組成如圖1所示。圖1 WCDMA系統(tǒng)的信號傳輸過程WCDMA是一個帶寬直擴碼分多址（DS-CDMA）系統(tǒng)，即通過用戶數(shù)據(jù)與由CDMA擴頻碼得來的偽隨機比特（稱為碼片）相乘，從而把用戶信息比特擴展到寬的帶寬上去。為支持很高的比特速率（最高可達2Mbps），采用了可變擴頻因子和多碼連接。使用3.84Mbps的碼片速率需要大概5MHz的載波帶寬。帶寬約為1MHz的DS-CDMA系統(tǒng)，通常被稱為窄帶CDMA系統(tǒng)。WCDMA所固有的較寬的載波帶寬使其能夠支持高的用戶數(shù)據(jù)速率，并且也具有某些性能方面的優(yōu)勢，例如增強的多徑分集能力。網(wǎng)絡(luò)運營商可以依據(jù)其運營牌照，以等級式的小區(qū)分層的形式

11、，使用多個這樣的5MHz載頻來增加容量。實際的載頻要根據(jù)載頻間的干擾情況，以200kHz為一個基本單位在大約4.4-5MHz之間選擇。WCDMA支持各種可變的用戶數(shù)據(jù)速率，換句話說，就是它能很好地支持帶寬需求的概念。在每個10ms期間，用戶數(shù)據(jù)速率是恒定的。然而這些用戶之間的數(shù)據(jù)容量幀與幀之間是可變的。這種快速的無線容量分配一般由網(wǎng)絡(luò)來控制，以達到分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的最佳吞吐量。WCDMA支持兩種基本的工作模式：頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）。在FDD模式下，上行鏈路和下行鏈路分別使用兩個獨立的5MHz的載波；在TDD模式下只使用一個5MHz的載波，在上下行鏈路之間分時共享。上行鏈路是移動臺

12、到基站的連接，下行鏈路是基站到移動臺之間的連接。TDD模式在很大程度上是基于FDD模式的概念和思想的，加入它是為了彌補基本W(wǎng)CDMA系統(tǒng)的不足，也是為了能使用ITU為IMT-2000分配的那些不成對頻譜。2.2信源編碼與信源解碼WCDMA系統(tǒng)采用自適應(yīng)多速率（Adaptive Multi-Rate，AMR）語音編解碼技術(shù)，多速率聲編碼器是一個帶8種信源速率的集成聲碼器，這8種速率包括：12.2kbps（GSM-EFR）、10.2kbps、7.95kbps、7.40kbps、（IS-641）、6.70kbps（PDC-EFR）、5.90kbps、5.15kbps和4.75kbps。AMR比特速率

13、可以由無線接入網(wǎng)來控制。為了實現(xiàn)與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的互連互通，有些模式與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)是一樣的，比如，12.2kbpsAMR聲碼器相當于GSM-EFR編解碼器，7.4bps相當于US-TDMA的聲碼器，而6.7kbps的相當于日本的PDC聲碼器。AMR聲碼器能夠根據(jù)指令在20ms的語音幀間進行比特速率的切換，但是進行AMR模式切換時，需要使用帶信令。AMR聲碼器處理基于20ms的語音幀，相當于在采樣頻率為8000/s點時要處理160個樣本。多速率聲碼器的編碼方式為代數(shù)碼激勵線性預(yù)測編碼。話音編碼器輸出的話音參數(shù)比特在傳輸之前需要按照它們的主觀重要性來重新排序，并且重排后，還需要根據(jù)它們對錯誤的敏感性進一

14、步重排。這些參數(shù)分為3種不同的重要級別：A、B、C級。A級是最敏感的，因此要采用最好的信道編碼。AMR還包括了錯誤隱蔽機制。詳細的說，幀置換的目的是隱蔽由丟失的語音幀帶來的影響。當發(fā)生多個語音幀丟失時，通過消音來指示到用戶的信道中斷，以避免產(chǎn)生討厭的雜音，這就是幀置換過程的好處。AMR聲碼器可以容忍A類比特大約1%的誤幀率而不會帶來話音質(zhì)量的惡化。對應(yīng)的A類比特的誤比特率為萬分之一左右。對于B類和C類來說，可以相對高一些。根據(jù)空中接口的負荷以與話音連接的質(zhì)量，無線接入網(wǎng)絡(luò)控制AMR語音連接的比特速率。在高負荷期間，比如忙時，就有可能采用較低的AMR速率在保證略低的語音質(zhì)量的同時提供較高的容量。

15、當然，如果移動終端離開了小區(qū)覆蓋圍，并且已經(jīng)達到了它的最大發(fā)射功率，可以利用較低的AMR速率來擴展小區(qū)的覆蓋圍。因此，利用AMR編碼，就有可能在網(wǎng)絡(luò)容量、覆蓋以與話音質(zhì)量間按運營商的要求進行折中。概括的說，AMR編解碼技術(shù)有以下幾個特點：1.多速率：8種編碼速率，從12.2Kbps到4.75Kbps。多種語音速率與目前各種主流移動通信系統(tǒng)使用的編碼方式兼容，有利于設(shè)計多模終端2.根據(jù)用戶離基站遠近，自動調(diào)整語音速率，減少切換，減少掉話3.根據(jù)小區(qū)負荷，自動降低部分用戶語音速率，可以節(jié)省部分功率，從而容納更多用戶2.3信道編碼和交織編碼目的：在原數(shù)據(jù)流中加入冗余信息，使接收機能夠檢測和糾正由于傳

16、輸媒介帶來的信號誤差，同時提高數(shù)據(jù)傳輸速率。目前使用較多的是卷積編碼和Turbo編碼（1/2，1/3），使用編碼增加了無效負荷和傳輸時間，適合糾正非連續(xù)的少量錯誤。交織目的：打亂原來的數(shù)據(jù)排列規(guī)則，按照一定的順序重新排列。交織作用：減小信道快衰落帶來的影響。交織示例：輸入數(shù)據(jù) A = (x1 x2 x3 x4 x5 x25)輸出數(shù)據(jù) A= (x1 x6 x11 x16 x25)1 6 11 16 212 7 223 8 234 9 245 10 25交織技術(shù)的優(yōu)缺點：優(yōu)點：交織技術(shù)是改變數(shù)據(jù)流的傳輸順序，將突發(fā)的錯誤隨機化。提高糾錯編碼的有效性。缺點：帶來了附加的額外延時。在特殊情況下，若干個

17、隨機獨立差錯有可能交織為突發(fā)差錯。2.4擴頻與解擴擴展頻譜（SS:Spread Spectrum)通信簡稱擴頻通信。在發(fā)端采用擴頻碼調(diào)制，使信號所占的頻帶寬度遠大于所傳信息必須的帶寬，在收端采用一樣的擴頻碼進行相關(guān)解調(diào)來解擴以恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。其理論基礎(chǔ)為Shannon定理：C=B*log2(1+S/N)C：信道容量，單位b/s B：信號頻帶寬度，單位HzS：信號平均功率，單位WN：噪聲平均功率，單位W結(jié)論：在信道容量C不變的情況下，信號頻帶寬度B與信噪比S/N完全可以互相交換，即可以通過增大傳輸系統(tǒng)的帶寬以在較低信噪比的條件下獲得比較滿意的傳輸質(zhì)量.CDMA采用的是直接序列擴頻（DSSS），

18、即將需要傳送的信號與速率遠大于信息速率的偽隨機序列編碼（擴頻碼）直接混合，這樣調(diào)制信號的頻譜寬度遠大于原來信息的頻譜寬度。系統(tǒng)原理如圖2和圖3所示。高速擴頻序列低速信號TX解調(diào)信號RX高速擴頻序列擴頻信號圖2 擴頻原理框圖圖3 擴頻前后的頻譜對比解擴：一般采用相關(guān)檢測或匹配濾波的方法來解擴。所謂相關(guān)檢測，一個簡單的譬喻就中去尋找某個不相識的人，最簡單有效的方法就是手里有一某人的照片，然后用照片一個一個的對比，這樣下去，自然能夠找到某人。同理，當你想檢測出所需要的有用信號，有效的是用像片去對照找人。如果想在一群人方法是在本地產(chǎn)生一個一樣的信號，然后用它與接收到的信號對比，求其相似性。換句話說，就

19、是用本地產(chǎn)生的一樣的信號與接收到的信號進行相關(guān)運算，其中相關(guān)函數(shù)最大的就最可能是所要的有用信號。2.5調(diào)制與解調(diào)調(diào)制的作用是把需要傳遞的信息送上射頻信道。采用不同的調(diào)制方式可以極影響空中接口提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的能力：R99/R4：采用QPSK，下行最大數(shù)據(jù)速率2.7MbpsHSDPA：采用16QAM，下行最大數(shù)據(jù)速率14.4Mbps2.6射頻系統(tǒng)上面詳細討論了擴頻調(diào)制和相關(guān)解擴的問題。但是直擴系統(tǒng)總是離不開發(fā)射機把信號通過天線輻射出去，也離不開天從空間收到的信號經(jīng)接收機再進行處理。射頻系統(tǒng)就是指的發(fā)射機相接收機而言?，F(xiàn)在的問題是常規(guī)的窄帶通信系統(tǒng)的收發(fā)信機能不能用在直擴系統(tǒng)呢? 回答是否定的。不應(yīng)忘

20、記直擴信號是寬帶信號。直擴系統(tǒng)就必須具有適應(yīng)這種寬帶PN碼信號的特點。下面就是一些直擴射頻系統(tǒng)的特點。直擴發(fā)射機常見時中頻是70MHz，此時調(diào)制信號的帶寬不超過20MHz。射頻頻率由中頻變頻得到，而不用倍頻。因為倍頻能使相位關(guān)系產(chǎn)生變化，會改變或甚至完全去掉DS調(diào)制。對于末級功率放大器，則要求其要有足夠的帶寬，以允許直擴信號可以順利的通過。保持線性放大當然是希望的，但要求并不十分嚴格，因相位特性非線性不致引起大的問題。射頻系統(tǒng)阻抗匹配很重要，特別要注意使電壓駐波比達到一定的要求，因為在寬帶運用時頻率圍很廣，駐波比會隨頻率而變，應(yīng)使阻抗在寬度圍盡量匹配。直擴接收機的問題要復(fù)雜一些，因為除有用寬帶

21、信號外，還存在其他干擾信號。直擴系統(tǒng)接收機的線性很重要，限幅會引起6dB信噪比的損失。從接收機前端到相關(guān)器要求保持線性，不僅在信號圍，也包含干擾。自動增益控制只能部分地解決問題。通常應(yīng)盡量把相關(guān)器靠近前端，使相關(guān)器前高電平級盡量的少，這樣做的結(jié)果也降低了對本振信號電平的要求。另外，一般認為接收機前端最好能復(fù)蓋整個寬頻帶，用改變本振頻率經(jīng)混頻得到固定的中頻信號。但由于干擾信好的存在，這會導(dǎo)致大量的干擾信號落入中頻通帶，故一般最好不用寬帶放大。一個理想的直擴接收系統(tǒng)應(yīng)使有用信號得到放大，而干擾信號被濾除。故接收機前端應(yīng)調(diào)諧在PN碼鐘率的兩倍。當然，實際上有多種接收機的結(jié)構(gòu)可供我們選擇。2.7 RA

22、KE接收機在CDMA擴頻系統(tǒng)中，信道帶寬遠遠大于信道的平坦衰落帶寬。不同于傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)需要用均衡算法來消除相鄰符號間的碼間干擾，CDMA擴頻碼在選擇時就要求它有很好的自相關(guān)特性。這樣，在無線信道中出現(xiàn)的時延擴展，就可以被看作只是被傳信號的再次傳送。如果這些多徑信號相互間的延時超過了一個碼片的長度，那么它們將被CDMA接收機看作是非相關(guān)的噪聲，而不再需要均衡了。由于在多徑信號中含有可以利用的信息，所以CDMA接收機可以通過合并多徑信號來改善接收信號的信噪比。其實RAKE接收機所作的就是：通過多個相關(guān)檢測器接收多徑信號中的各路信號，并把它們合并在一起。圖4-2所示為一個RAKE接收機，它是專為C

23、DMA系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)典的分集接收器，其理論基礎(chǔ)就是：當傳播時延超過一個碼片周期時，多徑信號實際上可被看作是互不相關(guān)的。圖4 RAKE接收機框圖帶DLL的相關(guān)器是一個具有遲早門鎖相環(huán)的解調(diào)相關(guān)器。遲早門和解調(diào)相關(guān)器分別相差1/2（或1/4）個碼片。遲早門的相關(guān)結(jié)果相減可以用于調(diào)整碼相位。延遲環(huán)路的性能取決于環(huán)路帶寬。由于信道中快速衰落和噪聲的影響，實際接收的各徑的相位與原來發(fā)射信號的相位有很大的變化，因此在合并以前要按照信道估計的結(jié)果進行相位的旋轉(zhuǎn)，實際的CDMA系統(tǒng)中的信道估計是根據(jù)發(fā)射信號中攜帶的導(dǎo)頻符號完成的。根據(jù)發(fā)射信號中是否攜帶有連續(xù)導(dǎo)頻，可以分別采用基于連續(xù)導(dǎo)頻的相位預(yù)測和基于判決反饋

24、技術(shù)的相位預(yù)測方法。如圖6、圖7所示。圖5 基于連續(xù)導(dǎo)頻信號的信道估計方法圖6 使用判決反饋技術(shù)的間斷導(dǎo)頻條件的信道估計方法LPF是一個低通濾波器，濾除信道估計結(jié)果中的噪聲，其帶寬一般要高于信道的衰落率。使用間斷導(dǎo)頻時，在導(dǎo)頻的間隙要采用插技術(shù)來進行信道估計，采用判決反饋技術(shù)時，先硬判決出信道中的數(shù)據(jù)符號，在已判決結(jié)果作為先驗信息（類似導(dǎo)頻）進行完整的信道估計，通過低通濾波得到比較好的信道估計結(jié)果，這種方法的缺點是由于非線性和非因果預(yù)測技術(shù)，使噪聲比較大的時候，信道估計的準確度大大降低，而且還引入了較大的解碼延遲。延遲估計的作用是通過匹配濾波器獲取不同時間延遲位置上的信號能量分布（如圖4-5所

25、示），識別具有較大能量的多徑位置，并將它們的時間量分配到RAKE接收機的不同接收徑上。匹配濾波器的測量精度可以達到1/41/2碼片，而RAKE接收機的不同接收徑的間隔是一個碼片。實際實現(xiàn)中，如果延遲估計的更新速度很快（比如幾十ms一次），就可以無須遲早門的鎖相環(huán)。圖7 匹配濾波器的基本結(jié)構(gòu)延遲估計的主要部件是匹配濾波器，匹配濾波器的功能是用輸入的數(shù)據(jù)和不同相位的本地碼字進行相關(guān)，取得不同碼字相位的相關(guān)能量。當串行輸入的采樣數(shù)據(jù)和本地的擴頻碼和擾碼的相位一致時，其相關(guān)能力最大，在濾波器輸出端有一個最大值。根據(jù)相關(guān)能量，延遲估計器就可以得到多徑的到達時間量。從實現(xiàn)的角度而言，RAKE接收機的處理包

26、括碼片級和符號級，碼片級的處理有相關(guān)器、本地碼產(chǎn)生器和匹配濾波器。符號級的處理包括信道估計，相位旋轉(zhuǎn)和合并相加。碼片級的處理一般用ASIC器件實現(xiàn)，而符號級的處理用DSP實現(xiàn)。移動臺和基站間的RAKE接收機的實現(xiàn)方法和功能盡管有所不同，但其原理是完全一樣的。對于多個接收天線分集接收而言，多個接收天線接收的多徑可以用上面的方法同樣處理，RAKE接收機既可以接收來自同一天線的多徑，也可以接收來自不同天線的多徑，從RAKE接收的角度來看，兩種分集并沒有本質(zhì)的不同。但是，在實現(xiàn)上由于多個天線的數(shù)據(jù)要進行分路的控制處理，增加了基帶處理的復(fù)雜度。3.基于MATLAB的WCDMA系統(tǒng)的擴頻實現(xiàn)方案3.1 S

27、imulink簡介Simulink 是MATLAB 最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。S imulink 具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰與仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點 S imulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。3.2Simulink的功能Simulink 是 MATLAB 中的一種可視化仿真工具，是一種基于 MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制與

28、數(shù)字信號處理的建模和仿真中。S imulink可以連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型Simulink 提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink 是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，S imulink 提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測

29、試。.構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計、執(zhí)行、驗證和確認任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以與信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。3.3 Simulink 中常用的模塊庫（1）信宿（S inks）模塊庫：包括顯示或?qū)⑤敵龌貙懙哪K。Display 顯示輸入的值；Output 創(chuàng)建子系統(tǒng)的輸出端口或外部輸出端口；Scope、F loat Scope 顯示仿真時產(chǎn)生的信號；StopSimulation 當輸入不等于零時停止仿

30、真；Terminator 將未連接的輸出端口作為終端；XY Graph 顯示 XY 坐標圖。（2）信源（Sources）模塊庫：包括產(chǎn)生各種信號的模塊。BandLimited White Noise 為連續(xù)系統(tǒng)引入白噪聲；C hirp S ignal 產(chǎn)生一個掃頻信號；C lock 產(chǎn)生和顯示仿真時間；Constant 產(chǎn)生一個常量值；Digital C lock 在特定的采樣間隔產(chǎn)生仿真時間；Ground 將未連接的輸入端口接地等。（3 ）連續(xù)（Continuous）模塊庫：包括線性函數(shù)模型。包括有微分單元（Derivative）積分單元（Integrator）、線性狀態(tài)空間系統(tǒng)單元（Sta

31、teSpace）、線性傳遞函數(shù)單元（Transfer Fen）、延時單元（Transport Delay）、可變傳輸延時單元（Variable Transport Delay）、指定零極點輸入函數(shù)單元（ZeroPole）。（4）數(shù)學(xué)操作（Simulink Math Operations 和 FixedPoint Blocket Math）模塊庫：包含常用的數(shù)學(xué)函數(shù)模塊。包括輸入信號絕對值單元（Abs），計算一個復(fù)位信號幅度與或相位單元（Complex to MagnitudeAngle），計算一個復(fù)位信號的實部與虛部單元（Complex to RealImag）等數(shù)學(xué)函數(shù)。（5）通信模塊庫（C

32、omunications Blockset）信源（Comm Sources）：在這個庫中，可以形成隨機或偽隨機信號，也可以讀取文件或模擬壓控振蕩器（VCO）來產(chǎn)生非隨機信號。Bernoulli Random Binary Generator模塊：產(chǎn)生伯努利分布的二進制隨機數(shù)。Binary Vector Noise Generator 模塊：產(chǎn)生可以控制1的個數(shù)的二進制隨機向量。RandomInteger Generator 模塊：產(chǎn)生圍在（0M-1）的隨機整數(shù)。Poission Int Generator 模塊：產(chǎn)生洎松分布的隨機整數(shù)。 PN Sequence Generator 模塊：產(chǎn)生偽

33、隨機序列。 Gaussian Noise Generator 模塊：產(chǎn)生離散高斯白噪聲。 Rayleigh Noise Generator 模塊：產(chǎn)生瑞利分布的噪聲。Uniform Noise Generator 模塊：產(chǎn)生在一個特定區(qū)域的均勻噪聲。Voltage-Controlled Oscillator 模塊：實現(xiàn)壓控振蕩器。信宿（Comm S inks）：此庫中提供了信宿和顯示的模塊，以使對通信系統(tǒng)的分析更加簡便。Triggered Write to F ile 模塊：在輸入信號上升沿向文件寫入數(shù)據(jù)。 Enor Rate Calculation 模塊：計算輸入信號的誤比特率和誤符號率。信

34、源編碼（Source Coding）模塊庫：信源編碼分為兩個基本步驟：信源編碼和信源譯碼。信源編碼用量化的方法將一個源信號轉(zhuǎn)化成一個數(shù)字信號。所得信號的符號都是在某個有限圍的非負整數(shù)。信源譯碼就是從信源編碼的信號恢復(fù)出原來的信息。信道（Channel）模塊庫：提供各種通信信道模型，比如高斯白噪聲信道等。錯誤偵測與校驗（Enor Detection Correction）模塊庫：提供用于分析輸入輸出的模塊，比如計算誤碼率的模塊。調(diào)制解調(diào)（Modulation）模塊：分為數(shù)字調(diào)制解調(diào)和模擬調(diào)制解調(diào)，再細分又可分為幅度調(diào)制、相位調(diào)制以與頻率調(diào)制。3.4直接序列擴頻通信的基本原理直接序列擴頻系統(tǒng)（DS

35、，又稱為直接序列調(diào)制系統(tǒng)或偽噪聲系統(tǒng)（PN 系統(tǒng)），簡稱為直擴系統(tǒng) , 是目前應(yīng)用較為廣泛的一種擴展頻譜系統(tǒng), 其基本原理為：在發(fā)送端，將要發(fā)送的信息用偽隨機（PN）序列擴展到一個很寬的頻帶上去，在接收端，用與發(fā)送端擴展用的一樣的偽隨機序列對接收到的擴頻信號進行相關(guān)處理，恢復(fù)出來原來的信息。在直擴系統(tǒng)中，由于干擾信號與偽隨機序列不相關(guān)，在接收端被擴展，使落入信號頻帶的干擾信號功率大大降低，從而提高了系統(tǒng)的輸出信噪（干）比，達到抗干擾的目的。3.5擴頻系統(tǒng)的總設(shè)計模型擴頻通信系統(tǒng)主要組成分為7個部分，分別為信源部分、擴頻部分、調(diào)制部分、信道傳輸部分、解調(diào)部分、解擴部分和信宿部分。其系統(tǒng)組成框圖如

36、圖8所示.圖8 擴頻系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖首先發(fā)端輸入的信息先經(jīng)過信息調(diào)制形成數(shù)字信號，然后由擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號以展寬信號的頻譜。展寬以后的信號調(diào)制到射頻發(fā)送出去。在接收端接收到寬帶射頻信號，變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)送端一樣的擴頻碼序列去解擴。最后經(jīng)信息解調(diào)，恢復(fù)成原始信息輸出。相比較于我們通常所用的通信系統(tǒng)(窄帶通信)，可以將擴頻通信系統(tǒng)稱“寬帶通信”系統(tǒng)，因為傳輸信號所占據(jù)的帶寬(W)遠大于原始信息本身實際所需的最小(有效)帶寬(AF)。擴頻系統(tǒng)的可行性，是從信息論的基本公式引申而來的。信息論中有關(guān)信息容量的香農(nóng)(Shannon)公式為: 式中，C為信道容量，W為信

37、號頻帶寬度，P為信號功率，N為白噪聲功率。在給定的信息傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比PIN是可以互換的。即可以通過增加頻帶寬度的方法來降低信噪比。當帶寬增大到一定程度，允許信噪比很低，有用信號功率接近噪聲功率，甚至淹沒在噪聲中。擴頻通信系統(tǒng)正是利用帶寬的擴展來降低對信噪比的要求。這樣就可以大大的提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力。由前面對于擴頻系統(tǒng)的分析可以知道，在擴展頻譜通信中需要用到高碼率的窄脈沖序列。目前使用的最多的是偽隨機碼，或者稱為偽噪聲碼(PN).這種碼序列最重要的特性就是具有近似于隨機信號的性能。而因為噪聲具有完全的隨機性，所以我們也可以說它具有近似噪聲的性能。但是，真正的噪聲

38、序列是不能重復(fù)再現(xiàn)和產(chǎn)生的，我們只能產(chǎn)生一種周期性的脈沖信號來近似隨機噪聲的性能，所以就稱為偽隨機碼或者PN碼。我們選用隨機信號或具有噪聲性能的信號來傳輸信息是因為，理論研究表明，在信息傳輸中各種信號之間的差別越大越好，這樣兩個信號就不容易混淆，也就是說，相互之間不易發(fā)生千擾，所以就不會發(fā)生誤判。理想的傳輸信息的信號形式應(yīng)該是類似噪聲的隨機信號，因為取任何時間上的兩段噪聲來比較都不會完全相似，當用它們來代表兩種信號的時候，其差別就最大。在設(shè)計擴頻碼時應(yīng)該具有的如下理想特性:1)有尖銳的自相關(guān)特性;2)有處處為零的互相關(guān):3)不同碼元數(shù)平衡相等;4)有足夠的編碼；5)有盡可能的復(fù)雜度；6)工程上

39、易于實現(xiàn)。在此次仿真中，系統(tǒng)的信源采用一個隨機整數(shù)產(chǎn)生序列，擴頻部分利用 PN 碼與輸入的信號進行擴頻，擴頻后等待送入信道。擴頻模塊仿真用 MATLAB 工具箱中的 Simulink通信仿真模塊實現(xiàn)，其仿真模型如圖9所示.圖9 擴頻的仿真模型擴頻后的信號經(jīng)由QPSK模塊調(diào)制，然后經(jīng)過AWGN信道：圖10 AWGN信道模型最后經(jīng)過解擴得到原來的波形，整個擴頻系統(tǒng)的模型如圖11所示。圖11 擴頻系統(tǒng)模型仿真運行后的波形圖如圖12、圖13和圖14所示：圖12 波形輸入 圖13 PN碼波形圖圖14 PN碼擴頻后的波形輸出3.6BPSK 調(diào)制與解調(diào)本次仿真采用的是BPSK調(diào)制，調(diào)制與解調(diào)Simulink

40、 模型與用戶信息經(jīng)BPSK調(diào)制后波形如圖15和圖16所示。圖15 用戶經(jīng)BPSK 調(diào)制之后的波形輸出圖16 用戶經(jīng)BPS K 解調(diào)之后的波形輸出3.7解擴與檢波解擴時使用的 PN 碼和擴頻時使用的一致。這樣才能保證解擴出相應(yīng)的信息。解擴波形如圖17所示。 圖17 用戶解擴的波形輸出4.仿真參數(shù)設(shè)置以與結(jié)果分析4.1參數(shù)設(shè)置擴頻調(diào)制組成部分為信源，PN碼發(fā)生器等。仿真參數(shù)設(shè)定為：數(shù)碼率為1Kb/s，擴頻碼長為255bit，擴頻碼率為255kb/s。打開Mat1b界面，選擇Simulk子軟件，打開Simulink Library Browser,輸入關(guān)鍵詞,如PN Sequence Generat

41、or,只需要輸入PN即可，Simulink Library Browser會自行搜索包含這兩個字母的模塊。1. PN碼發(fā)生器PN碼發(fā)生器用于生成擴頻碼，生成的是0,1分布的序列，需要通過極性轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為-1，+1分布的序列才可以通過乘法器直接相乘，進行BPSK調(diào)制。具體的參數(shù)設(shè)置如圖18所示。圖18 PN碼發(fā)生器參數(shù)設(shè)計圖PN碼發(fā)生器參數(shù)設(shè)計中Generator polynomial是m序列的參數(shù)設(shè)置，仿真中設(shè)置為100011101。Initial states 是初始狀態(tài)，這個值可以自行設(shè)定，只是不能出現(xiàn)全“0”態(tài)。Output mask vector 是偏移覆蓋矢量，主要是將生成的PN

42、碼平移。該參數(shù)一般和初始狀態(tài)共同作用，平時保持默認0即可。Sample time 是采樣時間，也就是PN碼速率的設(shè)定值，由于PN碼發(fā)生器采用的是m碼序列，8階m碼發(fā)生器一個周期只有255bit，所以這里的碼速率設(shè)定為255kb/s。3頻譜示波器的參數(shù)設(shè)置比較復(fù)雜，具體如圖19所示。圖19 頻譜示波器參數(shù)設(shè)置圖頻譜示波器的參數(shù)設(shè)置分為4部分：第一部分示波器屬性(Scope Properties),主要是負責(zé)設(shè)置示波器的輸入特性；第二個部分為顯示特性(Display Properties),主要負責(zé)顯示界面上的設(shè)置；第三個部分為坐標軸屬性(Axis Properties)，在本仿真中需要將Axis

43、 Properties中橫坐標圍從0,fs/2變?yōu)?fs/2,fs/2；第四個部分是線屬性(Line Properties),保持默認值即可。這里主要介紹示波器屬性。第一個選擇框是“Buffer input”，如果選中，則進入的采樣值會先形成一個幀，在進行FFT變換，如果沒有選中，則需要在外部設(shè)置一個Buffer input模塊，否則無法進行FFT變換，頻譜示波器也不會有顯示。Buffer size 表示幀的長度，這里保證幀的長度覆蓋一個PN碼周期，具體的設(shè)定還需要看實際情況而定，仿真中設(shè)定幀長為1024bit。Specify FFT length 用來輸入FFT變換的長度。如果選中這個選項，下面就會出現(xiàn)輸入FFT長度的輸入框，沒有選中則輸入框不會出現(xiàn)。4.2 仿真分析運行程序文件，即開始仿真。設(shè)計程序的功能是利用PN