摘 要：深入研究了直接序列擴(kuò)系統(tǒng)的基本原理，分析了音調(diào)信號(hào)干擾直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的規(guī)律，根據(jù)蒙特卡羅仿真方法基本思想，建立了直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)蒙特卡羅仿真模型，通過仿真得到了單頻干擾和多頻干擾條件下直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的誤碼率，并對(duì)系統(tǒng)的抗干擾性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明:適當(dāng)選定干擾信號(hào)的中心頻率后，多頻干擾對(duì)直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)具有很強(qiáng)的干擾能力。



關(guān)鍵詞：蒙特卡羅仿真;直接序列擴(kuò)頻;音調(diào)干擾;誤碼率

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

文章編號(hào)：1004-373X(2008)07-036-02

Monte Carlo Simulation and BER Analysis of DS Spread Spectrum System



HUO Xiaoxin，LIU Jianfeng，JIANG Zhuoqin，SHENG Xiaoping

(Xi′an Communication Institute，Xi′an，710106，China)



Abstract：By researching the basic principle of DS spread spectrum，analysing the law of interference of tone signals.This paper，according to the basic idea of method of Monte Carlo simulation，creates model of Monte Carlo simulation of DS spread spectrum system and getting BER of DS spread spectrum system under the condition of single-tone and multi-tone jamming signals.It also discusses performance of anti-jamming of DS spread spectrum system.The results show that once chosing appropriate center frequency of multi-tone jamming，it has great interference effect on the DS spread spectrum.



Keywords：Monte Carlo simulation;DS spread spectrum systems;tone jamming;bit error rate

直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)最重要的應(yīng)用就是在軍事通信中作為一種具有抗干擾性的通信手段，因此通過仿真來模擬系統(tǒng)的抗干擾性能是常用的研究方法。在通信領(lǐng)域，因?yàn)橥ㄐ胖泻芏鄦栴}是研究系統(tǒng)性能的，傳統(tǒng)的方法是采用一些仿真軟件構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)，這樣不僅需要大量的時(shí)間夠建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，同時(shí)也需要大量時(shí)間來學(xué)習(xí)、熟悉一些專業(yè)仿真軟件，而且仿真軟件參數(shù)的設(shè)置也十分繁瑣，同時(shí)仿真軟件在評(píng)估一個(gè)通信系統(tǒng)性能時(shí)會(huì)帶有誤差，這種誤差是不可抗拒或不可修正的。然而，蒙特卡羅仿真方法的出現(xiàn)使得通信系統(tǒng)的仿真不拘泥于仿真工具固有的仿真模塊，極具靈活性，并能直接用計(jì)算機(jī)語言來模擬實(shí)現(xiàn)，避開了繁瑣的通信系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建，大量減少了系統(tǒng)的構(gòu)建周期。本文采用蒙特卡羅仿真方法對(duì)直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能進(jìn)行了仿真研究，討論了單頻、多頻干擾對(duì)直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的影響。

1 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)蒙特卡羅仿真建模

蒙特卡羅(Monte Carlo)仿真方法亦稱概率仿真方法，有時(shí)也稱作隨機(jī)抽樣技術(shù)或統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法。他是一種通過隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)、隨機(jī)仿真來求解數(shù)學(xué)物理、工程技術(shù)問題近似解的數(shù)值方法。用蒙特卡羅仿真方法求解問題時(shí)，應(yīng)建立一個(gè)概率模型，使待解問題與此概率模型相聯(lián)系，然后通過隨機(jī)試驗(yàn)求得某些統(tǒng)計(jì)特征值作為待解問題的近似解。當(dāng)所求解的問題是某個(gè)事件出現(xiàn)的概率時(shí)，可以通過抽樣試驗(yàn)的方法得到這種事件出現(xiàn)的概率，把他作為問題的近似解，這就是蒙特卡羅仿真方法的基本思想。本文進(jìn)行蒙特卡羅仿真時(shí)，主要可以分為以下三個(gè)步驟：

(1)構(gòu)造概率模型：即根據(jù)DS擴(kuò)頻系統(tǒng)提取出一個(gè)隨機(jī)性質(zhì)的概率模型;

(2)實(shí)現(xiàn)已知概率分布的抽樣：即對(duì)DS擴(kuò)頻系統(tǒng)模型中的隨機(jī)變量進(jìn)行抽樣，得到該隨機(jī)變量的一個(gè)試驗(yàn)樣本；

(3)建立各種統(tǒng)計(jì)量的估計(jì)：即利用編程語言(本文采用Matlab語言M文件編寫)對(duì)抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，估計(jì)系統(tǒng)在干擾條件下的差錯(cuò)誤碼率。

在AWGN信道中，采用二進(jìn)制PSK的DS擴(kuò)頻系統(tǒng)的差錯(cuò)概率與未擴(kuò)頻二進(jìn)制PSK的差錯(cuò)概率是相同的，即Pb=Q(2EbN0)［1］。特別地，在有音調(diào)干擾的系統(tǒng)的差錯(cuò)概率為Pb=Q(2EbN0+PJ/W)，其中Εb表示單位信息符號(hào)的能量，N0表示加性白噪聲信道的功率，PJ為干擾功率，W為擴(kuò)頻信號(hào)帶寬。在此前提下，根據(jù)上述蒙特卡羅仿真基本思想，建立如圖1所示的蒙特卡羅仿真模型。

圖1 直序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的蒙特卡羅仿真模型

圖1所示的蒙特卡羅仿真模型基于以下假設(shè)：假設(shè)系統(tǒng)是線性的;假設(shè)接收機(jī)端對(duì)有用信號(hào)已經(jīng)建立了同步條件;未采用糾錯(cuò)編碼技術(shù)。上述假設(shè)具有普遍的意義，反映了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)最本質(zhì)的特性，不影響仿真結(jié)果。

根據(jù)蒙特卡羅仿真算法，用一個(gè)均勻隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制信息符號(hào)(－1，+1)的序列，每個(gè)信息比特重復(fù)Lc(表示每信息比特中PN碼序列的碼片數(shù))次，所得到的序列(其中包含每比特的Lc個(gè)重復(fù)數(shù))乘以由另一個(gè)均勻隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的PN序列c(n)。然后，將方差為σ2=N0/2的高斯白噪聲和干擾信號(hào)j(n)加到乘積序列上。解調(diào)器完成與PN序列的互相關(guān)，并在構(gòu)成每信息比特的Lc個(gè)信號(hào)樣本上求和(積分)。相加器的輸出再饋給檢測(cè)器，他將這個(gè)信號(hào)與閾值零進(jìn)行比較，并判決傳輸?shù)谋忍厥?1還是+1。差錯(cuò)計(jì)數(shù)器計(jì)出有檢測(cè)器產(chǎn)生的差錯(cuò)數(shù)。本文中取每信息比特中PN碼序列的碼片數(shù)Lc=20。對(duì)于Lc=20，根據(jù)蒙特卡羅仿真算法在不同類型干擾條件下進(jìn)行仿真。

一般說來，采用Monte Carlo仿真方法對(duì)通信系統(tǒng)的誤碼率Pe進(jìn)行估計(jì)時(shí)，預(yù)測(cè)出估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ與誤碼率相比應(yīng)足夠小。在通信系統(tǒng)中為了盡可能準(zhǔn)確地?cái)?shù)據(jù)傳輸，在加性噪聲和其他加性干擾存在的情況下，系統(tǒng)的誤碼率Pe≤10－3，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：當(dāng)Pe1時(shí)樣本大小應(yīng)滿足的條件:N>10/Pe，因此本文在仿真中選取的樣本大小N=10 000。對(duì)于Monte Carlo仿真算法的性能，文獻(xiàn)［2］給予了充分的證明，指出了他是一種無偏且一致的估計(jì)器。

2 音調(diào)干擾條件下的仿真結(jié)果及性能分析

音調(diào)干擾信號(hào)是所有干擾信號(hào)中最容易產(chǎn)生的一種，音調(diào)干擾的情況也很多，對(duì)于單頻干擾信號(hào)，根據(jù)單頻干擾的位置，有兩種情況：

(1) 干擾信號(hào)頻率與直接序列擴(kuò)譜載波頻率相同；

(2) 干擾信號(hào)頻率偏離直接序列擴(kuò)譜載波頻率。

這里主要討論4種不同的干擾信號(hào)，既幅值變化，中心頻率f0固定的單頻干擾信號(hào)。干擾信號(hào)ji(t)為：ji(t)=Aisin(ω0t+φ)(i=0，1，2，3)，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 單頻干擾下Monte Carlo仿真的系統(tǒng)誤碼率

對(duì)于多頻干擾，也用兩種情況：

(1) 以載波頻率為中心對(duì)稱，等幅、等間隔；

(2) 偏移中心頻率，非等幅、非等間隔。

這里主要討論4種不同多頻干擾信號(hào)且這些干擾信號(hào)的頻率都偏離中心頻率，非等幅、非等間隔。干擾信號(hào)ji(t)為：ji(t)=Ai［sin(ω0+φ0)+sin(ω1+φ1)+sin(ω2+φ2)］(i=0，1，2，3)，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 多頻干擾下Monte Carlo仿真的系統(tǒng)誤碼率

從上面的仿真結(jié)果可以看到：

對(duì)于單頻干擾(如圖2所示)，由于單頻正弦波干擾ji(t)=Aisin(ω0t+φ0)幅值不同導(dǎo)致了系統(tǒng)的誤碼率不同，單頻正弦波的幅值越大，對(duì)直序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的干擾越大。主要原因就是對(duì)于單頻正弦波干擾ji(t)=Aisin(ω0t+φ0)而言，功率為Pi=A2i/2，顯而易見，幅值越大，干擾功率越大，導(dǎo)致誤碼率相對(duì)較大。

圖4 單頻與多頻干擾下的系統(tǒng)誤碼率對(duì)比

對(duì)于多頻干擾(如圖3所示)，相當(dāng)于多個(gè)單頻正弦波同時(shí)以不同頻率不同功率干擾直序列擴(kuò)頻系統(tǒng)，自然干擾效果越明顯。圖4給出了在單頻干擾和多頻干擾下從Monte Carlo仿真所得到的系統(tǒng)誤碼率仿真結(jié)果的對(duì)比。可見，多頻干擾下的直序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的誤碼率大于單頻干擾下誤碼率，相對(duì)于單頻干擾而言，多頻干擾對(duì)直序列擴(kuò)頻系統(tǒng)威脅更大。

3 結(jié) 語

本文應(yīng)用蒙特卡羅仿真方法，以Matlab語言實(shí)現(xiàn)算法，研究了非糾錯(cuò)編碼的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能。針對(duì)現(xiàn)階段主要的干擾技術(shù)在典型干擾條件下的系統(tǒng)性能作了仿真分析，得到了不同條件下的誤碼率。由于仿真平臺(tái)與實(shí)際系統(tǒng)必然存在差異，因此，本文仿真分析結(jié)果只具有指導(dǎo)作用。 

參 考 文 獻(xiàn)

［1］田日才.擴(kuò)頻通信［M］ .北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［2］Roger L Peterson，Rodger E Ziemer，David E Borth.Introduction to Spread Spectrum Communications［M］.Publishing House of Electronics Industry，2006.

［3］John G Proakis，Masoud Salehi，Gerhard Bauch.Contemporary Communication Systems［M］.PublishingHouse of Electronics Industry，2005.

［4］Richard A Poisei.Modern Communications Jamming Principles and Techniques［M］.Publishing House of Electronics Industry，2005.

［5］茍彥新.無線電抗干擾通信原理及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.



作者簡(jiǎn)介 霍效新 男，1980年出生，江蘇徐州人，在讀碩士研究生，軍事通信學(xué)專業(yè)。主要從事信號(hào)完整性方向的研究。

劉劍鋒 男，1980年出生，湖北天門人，在讀碩士研究生，信號(hào)與信息處理專業(yè)。主要從事通信干擾與抗干擾方向的研究。

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。