基于MATLAB的擴頻通信系統(tǒng)仿真研究

1、基于MATLAB的擴頻通信系統(tǒng)仿真研究摘要本文闡述了擴展頻譜通信技術的理論基礎和實現(xiàn)方法，利用MATLAB提供的可視化工具Simulink建立了擴頻通信系統(tǒng)仿真模型，詳細講述了各模塊的設計，并指出了仿真建模中要注意的問題。在給定仿真條件下，運行了仿真程序，得到了預期的仿真結果。同時，利用建立的仿真系統(tǒng)，研究了擴頻增益與輸出端信噪比的關系，結果表明，在相同誤碼率下，增大擴頻增益，可以提高系統(tǒng)輸出端的信噪比，從而提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力。關鍵詞擴頻通信,信噪比， 誤碼率，擴頻增益 Simulation of the Spread Spectrum Communication SystemBased

2、 on MATLABAbstract: The theory base and realizing methods of the spread spectrum communication technology was presented in this study. The simulation model of the spread spectrum communication system was built by using SIMULINK, which is provided by MATLAB. In addition, each module of the simulation

3、 model was introduced in detail，and pointed out the problems that must be pay attention to in the system simulation. On the basis of the designed simulation conditions, the simulation program was run and the anticipant results were gained. Moreover, the relationship between the spread spectrum gain

4、and the fan-out error rate was also studied by use of the simulation system. The results showed that on the base of the same error rate, if the spread spectrum gain was enlarged, the Signal-to-Noise of the system fan-out would be enhanced and the anti-jamming capability of the communication system w

5、ould also be enhanced.Keywords: spread spectrum communication, Signal-to-Noise, error rate, spread spectrum gain1 引言擴展頻譜通信（簡稱擴頻通信）與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽為進入信息時代的三大高技術通信傳輸方式，它是指發(fā)送的信息被展寬到一個很寬的頻帶上，在接收端通過相關接收，將信號恢復到信息帶寬的一種系統(tǒng)。采用擴頻信號進行通信的優(yōu)越性在于用擴展頻譜的方法可以換取信噪比上的好處，即接收機輸出的信噪比相對于輸入的信噪比有很大改善，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。本文根據(jù)擴頻通信的原理，

6、利用MATALB提供的可視化仿真工具Simulink建立了擴頻通信系統(tǒng)仿真模型，研究了擴頻通信的特性和擴頻增益與輸出端信噪比的關系，目的是為以擴頻通信為基礎的現(xiàn)代通信的研究和設計提供依據(jù)。 2擴展頻譜通信技術2.1 理論基礎擴頻通信的基本理論是根據(jù)信息論中的Shannon公式，即 (1)式中：C為系統(tǒng)的信道容量（bit/s）；B為系統(tǒng)信道帶寬（Hz）；S為信號的平均功率；N為噪聲功率。Shannon公式表明了一個系統(tǒng)信道無誤差地傳輸信息的能力跟存在于信道中的信噪比（S/N）以及用于傳輸信息的系統(tǒng)信道帶寬（B）之間的關系。該公式說明了兩個最重要的概念：一個是在一定的信道容量的條件下，可以用減少發(fā)

7、送信號功率、增加信道帶寬的辦法達到提高信道容量的要求；一個是可以采用減少帶寬而增加信號功率的辦法來達到。擴頻增益是擴頻通信的重要參數(shù)，它反應了擴頻通信系統(tǒng)抗干擾能力的強弱，其定義為接收機相關器輸出信噪比和接收機相關器輸入信噪比之比，即 (2)式中，Si和S0分別為接收機相關器輸入、輸出端信號功率；Ni和N0分別為相關器的輸入、輸出端干擾功率；Rs為偽隨機碼的信息速率，Rd為基帶信號的信息速率；Bs為頻譜擴展后的信號帶寬，Bd頻譜擴展前的信號帶寬。2.2 實現(xiàn)方法擴頻通信與一般的通信系統(tǒng)相比，主要是在發(fā)射端增加了擴頻調(diào)制，而在接收端增加了擴頻解調(diào)的過程，擴頻通信按其工作方式不同主要分為直接序列擴

8、頻系統(tǒng)、跳頻擴頻系統(tǒng)、跳時擴頻系統(tǒng)、線性調(diào)頻系統(tǒng)和混合調(diào)頻系統(tǒng)?，F(xiàn)以直接序列擴頻系統(tǒng)為例說明擴頻通信的實現(xiàn)方法。圖1為直接序列擴頻系統(tǒng)的原理框圖。接收高放混頻解擴解調(diào)本振PN碼同步信 源擴頻調(diào)制PN碼振蕩器發(fā)射圖1直接序列擴頻系統(tǒng)原理圖由直擴序列擴頻系統(tǒng)原理圖可以看出，在發(fā)射端，信源輸出的信號與偽隨機碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機碼進行模2加，產(chǎn)生一速率與偽隨機碼速率相同的擴頻序列，然后再用擴頻序列去調(diào)制載波，這樣得到已擴頻調(diào)制的射頻信號。在接收端，接收到的擴頻信號經(jīng)高放和混頻后，用與發(fā)射端同步的偽隨機序列對擴頻調(diào)制信號進行相關解擴，將信號的頻帶恢復為信息序列的頻帶，然后進行解調(diào)，恢復出所傳輸?shù)男畔ⅰ?

9、系統(tǒng)仿真模型的建立3.1 Simulik簡介MATLAB最初是Mathworks公司推出的一種數(shù)學應用軟件，經(jīng)過多年的發(fā)展，開發(fā)了包括通信系統(tǒng)在內(nèi)的多個工具箱，從而成為目前科學研究和工程應用最流行的軟件包之一。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個集成環(huán)境，廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。它包括一個復雜的由接受器、信號源、線性和非線性組件以及連接件組成的模塊庫，用戶也可以根據(jù)需要定制或者創(chuàng)建自己的模塊。Simulink的主要特點在于使用戶可以通過簡單的鼠標操作和拷貝等命令建立起直觀的系統(tǒng)框圖模型，用戶可以

10、很隨意地改變模型中的參數(shù)，并可以馬上看到改變參數(shù)后的結果，從而達到方便、快捷地建模和仿真的目的。3.2 模型建立及主要模塊設計基于MATLAB /Simulink所建立的擴頻通信系統(tǒng)的仿真模型,能夠反映擴頻通信系統(tǒng)的動態(tài)工作過程,可進行波形觀察、頻譜分析和性能分析等，同時能根據(jù)研究和設計的需要擴展仿真模型，實現(xiàn)以擴頻通信為基礎的現(xiàn)代通信的模擬仿真，為系統(tǒng)的研究和設計提供強有力的平臺。圖2為基于MATLAB/Simulink的擴頻通信系統(tǒng)仿真模型。圖2系統(tǒng)仿真模型信源：隨機整數(shù)發(fā)生器（Random Integer generator）作為仿真系統(tǒng)的信源，隨機整數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生二進制隨機信號，采樣時間

11、、初始狀態(tài)可自由設置，從而滿足擴頻通信系統(tǒng)所需信源的要求。擴頻與解擴：PN序列生成器模塊（PNSequence Generator）作為偽隨機碼產(chǎn)生器，擴頻過程通過信息碼與PN碼進行雙極性變換后相乘加以實現(xiàn)。解擴過程與擴頻過程相同，即將接收的信號用PN碼進行第二次擴頻處理。調(diào)制與解調(diào)：使用二相相移鍵控PSK方式進行調(diào)制、解調(diào)。調(diào)制由正弦載波與雙極性擴頻碼直接相乘實現(xiàn)，采用相干解調(diào)法進行解調(diào)。信道：傳輸信道為加性高斯白噪聲信道。在加性高斯白噪聲信道模塊中，可進行信號功率和信噪比的設置。誤碼計算：誤碼計算由誤碼儀實現(xiàn)，誤碼儀在通信系統(tǒng)中的主要任務是評估傳輸系統(tǒng)的誤碼率，它具有兩個輸入端口：第一個端

12、口（Tx）接收發(fā)送方的輸入信號，第二個端口(Rx)接收接收方的輸入信號。3.3 幾點說明在Simulink中，沒有單獨實現(xiàn)統(tǒng)計的計數(shù)器模塊，需要自行創(chuàng)建，計數(shù)模型的設計如圖3。在計數(shù)模型中，用與信源和偽隨機碼同頻的脈沖模塊分別實現(xiàn)碼元同步和切普同步，利用加法器的累加功能，實現(xiàn)每個碼元的相關峰值統(tǒng)計。圖3計數(shù)模型實現(xiàn)框圖在擴頻通信建模中，擴頻與解擴使用的PN碼以及調(diào)制和解調(diào)所使用的載波必須保持同步，因此要注意偽隨機碼模塊和載波模塊的參數(shù)設置。在誤碼率計算中，接收到的信號，由于經(jīng)過擴頻解擴、調(diào)制解調(diào)、相關統(tǒng)計等處理，會存在一個延遲，在誤碼儀模塊的對話框中要設置一個合適的延遲。4仿真結果分析4.1

13、仿真系統(tǒng)運行情況分析在給出下列仿真的條件下，觀察仿真運行情況。信息速率20b/s，幅度為1；偽隨機序列采用10級，傳輸速率為200b/s的m序列；載波頻率10KHz；信號功率為1W，信噪比30dB；仿真時間設為2s。在這樣的仿真條件下，理論上可獲得10倍的擴頻增益。圖4是系統(tǒng)擴頻解擴的仿真結果。上圖為信源，中圖為擴頻碼，下圖為信宿。從圖4可見，信源和信宿相同，誤碼率為0，基于MATLAB/Simulink所設計的仿真系統(tǒng)滿足擴頻通信系統(tǒng)的軟件仿真要求。圖4系統(tǒng)擴頻解擴的仿真結果4.2 擴頻增益與輸出端信噪比的關系設置信息速率和偽隨機序列傳輸速率，在擴頻增益10和50的情況下，不斷改變信噪比的大

14、小，從而得到擴頻增益、誤碼率和信噪比的關系如圖5。從圖5可以看到，在相同誤碼率下，擴頻增益越大，輸出端信噪比越大，并且隨著系統(tǒng)要求的提高，增大擴頻增益，輸出端信噪比會得到更大的好處。圖5不同擴頻增益下誤碼率仿真曲線5結論擴頻通信以其較強的抗干擾、抗衰落、抗多徑性能而成為第三代通信的核心技術，本文闡述了擴頻通信的理論基礎和實現(xiàn)方法，利用MATLAB提供的可視化工具箱Simulink建立了擴頻通信系統(tǒng)仿真模型，詳細講述了各模塊的設計，并給出了仿真建模中需注意的問題。在給定仿真條件下，運行了仿真系統(tǒng)，驗證了所建仿真模型的正確性。通過仿真研究了擴頻增益和輸出端信噪比的關系，結果表明，在相同誤碼率下，增大擴頻增益，可以提高系統(tǒng)輸出端的信噪比，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。本文作者創(chuàng)新點：通過MATLAB/Simulink建立的仿真平臺，研究了擴頻增益與誤碼率、信噪比之間的關系，為以擴頻通信為基礎的衛(wèi)星信號設計提供依據(jù)。參考文獻：1 曾興雯，劉乃安，孫獻璞。擴展頻譜通信及其多址技術M。西安：西安電子科技大學出版社