摘 要：闡述了擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)的理論基礎(chǔ)和擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理，簡(jiǎn)要介紹了Matlab-Simulink工具箱的特點(diǎn)及功能，利用該工具箱及以該工具箱為基礎(chǔ)的其他工具箱建立直接序列擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)(DSSS)的仿真模型。在給定仿真條件下運(yùn)行仿真程序，得到了預(yù)期的效果，證明了模型的正確性。

關(guān)鍵詞：擴(kuò)展頻譜;通信系統(tǒng);Simulink工具箱;仿真模型

中圖分類號(hào)：TN914-42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004373X(2008)0506303

Simulation of the Direct Spread Spectrum Communication System Based on Simulink

XIONG Ying，ZHANG Hua

(Jiuquan Satellite Launch Center of China，Jiuquan，732750，China)

Abstract：In this paper，the theory of spread spectrum communication technology is presented，the structure and the operating principle of spread spectrum communication system are discussed.Characteristic and function of Simulink toolbox provided by Matlab.The simulation model of the direct spread spectrum communication system is built by using this toolbox and the other tool boxes based on it.On the conditions showed in this paper，the simulation model works normally and the anticipant result is gained，which indicates that model is correct.

Keywords：spread spectrum;communication system;Simulink toolbox;simulation model

隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，擴(kuò)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(yīng)用。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)的日益發(fā)展和應(yīng)用，如何運(yùn)用一些方便、友好的軟件對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行直觀的模型仿真，并進(jìn)行仿真結(jié)果的觀測(cè)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(duì)擴(kuò)展頻譜技術(shù)的理論及直接擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理的闡述，利用Matlab的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(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)，并給定仿真條件運(yùn)行，為相關(guān)工作人員進(jìn)行同類通信系統(tǒng)仿真提供了參考。

1 擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)

1.1 擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)理論基礎(chǔ)

擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)是指待傳輸信息的頻譜用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)擴(kuò)展后成為寬頻帶信號(hào)，送入信道中傳輸，再利用相應(yīng)手段將其壓縮，從而獲取傳輸信息的通信系統(tǒng)。擴(kuò)頻系統(tǒng)必須滿足以下兩條準(zhǔn)則：傳輸帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被傳送的原始信息的帶寬；傳輸帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)決定，此擴(kuò)頻函數(shù)常用的是偽隨機(jī)編碼信號(hào)。

(1) 擴(kuò)展頻譜技術(shù)的理論基礎(chǔ)可用香農(nóng)(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(dāng)傳輸系統(tǒng)的信號(hào)噪聲功率比S/N下降時(shí)，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬W的辦法來(lái)保持信道容量C不變。對(duì)于任意給定的信號(hào)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(cuò)率。擴(kuò)展頻譜技術(shù)也是應(yīng)用這一原理，用高速率的擴(kuò)頻碼來(lái)達(dá)到擴(kuò)展待傳輸?shù)臄?shù)字信息帶寬的目的。

(2) 香農(nóng)指出：在高斯噪聲的干擾下，在限平均功率的信道上，實(shí)現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號(hào)是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)。高斯白噪聲信號(hào)具有理想的自相關(guān)特性，但是產(chǎn)生、加工和復(fù)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(tǒng)計(jì)特性逼近于高斯白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，因此用偽隨機(jī)碼擴(kuò)展待傳基帶信號(hào)頻譜的擴(kuò)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?hào)形式也應(yīng)該是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)形式。由于擴(kuò)頻通信中的偽碼逼近白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，所以擴(kuò)頻通信又具有抗多徑干擾的能力。

1.2 擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)分類

擴(kuò)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(kuò)展頻譜系統(tǒng)(DS-SS)：由待傳信息信號(hào)與高速率的偽隨機(jī)碼波形相乘后，去直接控制射頻信號(hào)的某個(gè)參量，擴(kuò)展了傳輸帶寬而得名。

(2) 跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)(FH-SS)：數(shù)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(hào)的頻率隨偽碼的變化而跳變。

(3) 跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)(TH-SS)：跳時(shí)是用偽碼序列來(lái)啟閉信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間。

(4) 混合式：以上三種基本擴(kuò)頻方式中的兩種或多種結(jié)合起來(lái)。

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(shè)：二元直接序列擴(kuò)頻，BPSK調(diào)制。BPSK調(diào)制信號(hào)表示為：

信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)后進(jìn)行與發(fā)射端相反的變換即可恢復(fù)發(fā)射端傳送的信息，在擴(kuò)頻接收機(jī)中，這個(gè)反變換就是解擴(kuò)和解調(diào)。一般采用相關(guān)解擴(kuò)，利用:

通常載波解調(diào)用相干解調(diào)，接收系統(tǒng)中兩個(gè)乘法器是相關(guān)解擴(kuò)和解調(diào)，本地?cái)U(kuò)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(duì)信道隨機(jī)延時(shí)的同步跟蹤。本地射頻壓控振蕩器輸出的信號(hào)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(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性的，則整個(gè)系統(tǒng)模型也是線性的，即從接收機(jī)輸入端到基帶輸出的整個(gè)處理過(guò)程都是線性的?？梢约僭O(shè)其他干擾和噪聲為零，通過(guò)積分變換等計(jì)算后，基帶濾波器輸出的有用信號(hào)為：

由此可知，只要基帶濾波器無(wú)失真地傳送數(shù)字信息d[u，t－τ(u)]，經(jīng)基帶數(shù)字檢測(cè)器處理后，便能恢復(fù)出發(fā)射端信源傳來(lái)的信息{an}。

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

3 系統(tǒng)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，用戶可以利用鼠標(biāo)或鍵盤，完成面向框圖系統(tǒng)仿真的全部過(guò)程，并且更加直觀、快速和準(zhǔn)確地達(dá)到仿真的目標(biāo)。Simulink工具箱的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(yùn)行是智能化的。

(3) 輸入輸出信號(hào)來(lái)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(chǔ)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(hào)處理(DSP Blocks)模塊工具箱，定點(diǎn)處理(Fix-Point Blocks)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(dòng)中用到的各種子系統(tǒng)模型，他包含電源、元件、電機(jī)、電力電子、測(cè)量、聯(lián)接及其他。

數(shù)字信號(hào)處理(DSP Blocks)模塊工具箱，包括信號(hào)源庫(kù)、信號(hào)漏(終端庫(kù))、通用DSP庫(kù)、數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)、濾波器庫(kù)、頻譜分析庫(kù)及演示庫(kù)。

定點(diǎn)處理(Fix-Point Blocks)模塊工具箱主要是為分析計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)有限對(duì)處理信號(hào)造成的影響而提供的各種Simulink模塊，包括定點(diǎn)的算術(shù)運(yùn)算、定點(diǎn)的邏輯運(yùn)算、定點(diǎn)的變換運(yùn)算、定點(diǎn)數(shù)的傳送和定點(diǎn)數(shù)的聯(lián)接。

通信系統(tǒng)(Comm)模塊工具箱主要包括信號(hào)源和信號(hào)終端庫(kù)、信源編碼和信源解碼庫(kù)、糾錯(cuò)編碼和糾錯(cuò)解碼庫(kù)、調(diào)制和解調(diào)庫(kù)、多路存取庫(kù)、發(fā)送濾波和接收濾波庫(kù)以及信道庫(kù)等。

通過(guò)使用Simulink工具箱以及以他為基礎(chǔ)的其他工具箱可以很容易地建立起一個(gè)直觀的通信系統(tǒng)模型。第一階段是用圖形方式來(lái)畫結(jié)構(gòu)圖并進(jìn)行編輯；第二階段是進(jìn)行運(yùn)算仿真。在第一階段中首先要進(jìn)行環(huán)節(jié)庫(kù)框圖的建立，從各種庫(kù)中查找到需要的圖標(biāo)后進(jìn)行排列；然后把各環(huán)節(jié)的端口按框圖連接起來(lái)；最后進(jìn)行環(huán)節(jié)參數(shù)的設(shè)定。要注意在系統(tǒng)輸入端加上信號(hào)源，在用戶關(guān)心的輸出端加上信號(hào)終端(即觀測(cè)或記錄信號(hào)的設(shè)備，如示波器、電壓表或文件等)。這樣一個(gè)通信系統(tǒng)就確定了，接下來(lái)可以進(jìn)行仿真、確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)及方案比較。

4 系統(tǒng)的Simulink仿真

利用Simulink仿真的簡(jiǎn)單直擴(kuò)系統(tǒng)模型如圖2所示。

信源：采用Random Integer Generator產(chǎn)生，該整數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生隨機(jī)的二進(jìn)制隨機(jī)信號(hào)作為擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的信源。

擴(kuò)頻與解擴(kuò)：采用PN序列發(fā)生器(PN Sequence Generator)產(chǎn)生偽隨機(jī)碼與信源相乘后進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，在接收端用該序列與解調(diào)后的信號(hào)相乘完成解擴(kuò)。

極性轉(zhuǎn)換：為了擴(kuò)頻信源和偽隨機(jī)碼都必須經(jīng)過(guò)由單極性變?yōu)殡p極性，為了便于調(diào)制需要再進(jìn)行一次變換，變?yōu)閱螛O性信號(hào)；在接收端，為了便于解擴(kuò)，在解調(diào)后需要由單極性信號(hào)變換成雙極性信號(hào)，而為了便于顯示需要再進(jìn)行一次極性變換，由雙極性還原為單極性信號(hào)后進(jìn)行顯示。

調(diào)制與解調(diào)：采用BPSK調(diào)制與相干解調(diào)法。可以使用BPSK Modulator Baseband 模塊PSK Demodulator Baseband 模塊直接進(jìn)行仿真，也可以使用一個(gè)Sine Wave產(chǎn)生的載波與擴(kuò)頻后的信號(hào)相乘，再經(jīng)過(guò)一個(gè)Zero-Order Hold實(shí)現(xiàn)調(diào)制；同時(shí)在接收端使用一個(gè)Zero-Order Hold后用與發(fā)射端相同頻率幅度相位的Sine Wave載波與之相乘實(shí)現(xiàn)解調(diào)。

信道：采用AWGN Channel模塊仿真一個(gè)加性高斯白噪聲信道，該信道的信噪比(Es/No)可以進(jìn)行設(shè)置，該仿真程序中設(shè)置為10 dB。

結(jié)果顯示：可以加入示波器(Scope)和誤碼儀(Error Rate Calculation)進(jìn)行發(fā)送和接收端波形的比較輸出，以及信號(hào)經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻、調(diào)制、解擴(kuò)、解調(diào)后的錯(cuò)誤率計(jì)算。將示

波器坐標(biāo)數(shù)設(shè)置為3，即可同時(shí)顯示原信號(hào)源波形、接收端波形以及兩者通過(guò)關(guān)系運(yùn)算模塊比較后的結(jié)果。

仿真程序的運(yùn)行：對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行參數(shù)配置后，可以運(yùn)行該仿真程序。注意參數(shù)設(shè)置中模塊的對(duì)稱性及頻率一致。

圖3(a)顯示為信源的波形，圖3(c)顯示為接收端最后得到的信號(hào)波形，圖3(b)顯示為發(fā)送和接收端的信號(hào)經(jīng)過(guò)關(guān)系運(yùn)算后比較的結(jié)果。由示波器顯示結(jié)果可知，該模型能正確的實(shí)現(xiàn)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的功能，得到良好的仿真效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

在對(duì)直接序列擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)工作原理的介紹及Simulink工具箱功能和特點(diǎn)的介紹的基礎(chǔ)上，建立起一個(gè)DS-SS通信系統(tǒng)的仿真模型，并得到了較好的運(yùn)行結(jié)果。證明了Simulink在通信系統(tǒng)仿真中的實(shí)用性，并為擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)的進(jìn)一步研究提供了一個(gè)快捷靈活的平臺(tái)，為建模提供了經(jīng)驗(yàn)積累。

參考文獻(xiàn)

［1］張葛祥，李娜.Matlab仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［2］伯曉晨，李濤，劉路.Matlab工具箱應(yīng)用指南[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

［3］陳懷琛，吳大正，高西全.Matlab及在電子信息課程中的應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

作者簡(jiǎn)介 熊 瀛 女，1980年出生，四川蒲江人，裝備指揮技術(shù)學(xué)院碩士研究生。研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)。

張 華 中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心高級(jí)工程師。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文?！?/p>