汪洋

摘 要 針對(duì)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)建模仿真這一問(wèn)題，采用基于Simulink的直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真模型，能夠較為直觀地反映直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的全部動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程，以顯示時(shí)域波形、頻譜分析和系統(tǒng)相關(guān)性能分析。在介紹擴(kuò)頻通信基本理論與Simulink仿真概述的基礎(chǔ)上，進(jìn)行直擴(kuò)通信系統(tǒng)的Simulink仿真，并對(duì)其抗干擾性能進(jìn)行分析，最后得出系統(tǒng)的抗干擾性能與擴(kuò)頻碼序列的長(zhǎng)度及信噪比有關(guān)的結(jié)論。

關(guān)鍵詞 擴(kuò)頻通信；直接序列擴(kuò)頻；偽隨機(jī)序列；信噪比；誤碼率

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）01-0027-02

擴(kuò)頻通信是建立在Claude E.Shannon的信息論基礎(chǔ)上的一種新型通信體制，具體指用于傳輸信號(hào)的信道帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)自身帶寬的一種通信方式。擴(kuò)頻通信具有抗干擾能力強(qiáng)，隱蔽性好，容易實(shí)現(xiàn)多址傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因而在數(shù)據(jù)通信、移動(dòng)通信等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛應(yīng)用。其中直接序列擴(kuò)頻通信是比較典型的一種擴(kuò)頻工作方式，本文先引入直序擴(kuò)頻通信原理，然后通過(guò)Simulink對(duì)直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)進(jìn)行仿真，進(jìn)而對(duì)直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾性能進(jìn)行分析，得出擴(kuò)頻通信相較普通數(shù)字通信具有更強(qiáng)抗干擾性的結(jié)論。

1 擴(kuò)頻通信基礎(chǔ)

擴(kuò)頻通信的可行性是從信息論和抗干擾理論引申來(lái)的。香農(nóng)信息論中的香農(nóng)定理描述了信道容量、信道帶寬、持續(xù)時(shí)間、信噪比之間的關(guān)系：

（1）

式（1）中，C為信道容量（用傳輸速率度量）；W為信道帶寬；T為信道持續(xù)時(shí)間；S為信號(hào)功率，N為白噪聲功率，S/N為信噪比。香農(nóng)公式表明了一個(gè)信道無(wú)誤差地傳輸信息的能力與信道的信噪比以及信道帶寬之間的關(guān)系。決定信道容量C的參數(shù)有：信道帶寬W、持續(xù)時(shí)間T，以及信噪比S/N。

在給定速率不變的情況下，信噪比和頻帶寬度可以互換。即通過(guò)增加頻帶寬度，在較低信噪比的環(huán)境下傳輸信息。擴(kuò)頻通信的一個(gè)重要特點(diǎn)或者說(shuō)一大基礎(chǔ)是擴(kuò)展頻譜以換取對(duì)信噪比要求的降低。即為了獲得通信系統(tǒng)的高可靠性，可以“用頻帶換取信噪比”。

從功率譜密度的角度來(lái)講，在整個(gè)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中頻譜寬度與功率譜密度有如下關(guān)系：待傳信息的頻譜被擴(kuò)展了以后，能量被均勻地分布在較寬的頻帶上，功率譜密度下降；擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)以后，寬帶信號(hào)恢復(fù)成窄帶信息，功率譜密度上升；相對(duì)信息信號(hào)，脈沖干擾只經(jīng)過(guò)了一次被模二相加的調(diào)制過(guò)程，頻譜被擴(kuò)展，功率譜密度下降，從而使有用信息在噪聲干擾中被提取出來(lái)更容易，顯示了擴(kuò)頻通信的強(qiáng)抗干擾特性。

2 直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的SIMULINK仿真

2.1 SIMULINK系統(tǒng)模型及主要參數(shù)模塊

Sources and PN sequence產(chǎn)生的二進(jìn)制隨機(jī)信號(hào)（這里把它當(dāng)成信源編碼后的二進(jìn)制信息碼），采樣周期是0.03，從out2口輸出。產(chǎn)生的二進(jìn)制偽隨機(jī)信號(hào)（PN碼重復(fù)周期為15），采樣周期為0.001，從out1口輸出。子系統(tǒng)是封裝的復(fù)合信號(hào)源。在一個(gè)脈沖發(fā)生器的控制下，觸發(fā)產(chǎn)生兩種采樣周期信號(hào)。

擴(kuò)頻的運(yùn)算是：將上述兩個(gè)二進(jìn)制序列直接進(jìn)行異或操作。擴(kuò)頻后的二進(jìn)制序列進(jìn)入卷積編碼器。卷積編碼器的格型結(jié)構(gòu)是poly2trellis，它是IS-95 CDMA正相信道卷積編碼的生成多項(xiàng)式。

經(jīng)過(guò)卷積編碼的二列信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列的信號(hào)變換模塊后變成為三列，以適應(yīng)頻帶M進(jìn)制差分相移鍵控調(diào)制器M-DPSK的要求。調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)入加性高斯白噪聲（SNR為-8dB）的傳輸環(huán)境。之后進(jìn)入接收部分，經(jīng)頻帶M元差分相移鍵控解調(diào)器后，信號(hào)又經(jīng)過(guò)一系列的變換后恢復(fù)為維特比卷積譯碼器要求的雙列信號(hào)。

經(jīng)過(guò)卷積編碼后的二進(jìn)制序列與用于擴(kuò)頻的二進(jìn)制偽隨機(jī)序列經(jīng)異或操作進(jìn)行解擴(kuò)運(yùn)算。

此系統(tǒng)主要模塊參數(shù)如下。

1）信號(hào)源。該模塊主要由Source and PN sequence構(gòu)成，其為復(fù)合信號(hào)源（被當(dāng)做信息的人為隨機(jī)設(shè)置的二進(jìn)制信息碼和PN序列），產(chǎn)生偽隨機(jī)擴(kuò)頻序列和相應(yīng)的信息序列。

2）擴(kuò)頻模塊。該模塊由XOR（一個(gè)異或門）構(gòu)成，信息碼和m序列通過(guò)它來(lái)產(chǎn)生擴(kuò)頻信號(hào)。其主要參數(shù)為：Sample time：-1；Output data type mode：Logical。

3）卷積編碼模塊。該模塊由Convolutional Encoder（卷積編碼器）構(gòu)成，其主要參數(shù)為：

Trellis structure：poly2trellis（9，[753 561]）。

4）調(diào)制模塊。該模塊由M元差分相移鍵控調(diào)制模塊構(gòu)成，用于進(jìn)行8元差分相移鍵控調(diào)制。其主要參數(shù)為：M-ary number：8；Symbol period：5e-4；input type：bit；Carrier frequency：2e4；Output sample time：1e-6。

設(shè)置相關(guān)的參數(shù)應(yīng)滿足如下條件：載波頻率一般應(yīng)遠(yuǎn)大于調(diào)制信號(hào)的的最高頻率。

5）加性高斯白噪聲模塊。該模塊由 AWGN Channel（加性高斯白噪聲信道）構(gòu)成。其主要參數(shù)為：Initial seed：2467；Mode：Signal to noise ratio（SNR）；SNR：-8dB；Input signal power：1watts。

6）解調(diào)模塊。該模塊由M元差分相移鍵控解調(diào)模塊構(gòu)成，用于進(jìn)行8元差分相移鍵控解調(diào)。其主要參數(shù)為：M-ary number：8；Symbol period：5e-4；input type：bit；Carrier frequency：2e4；Input sample time：1e-6。

7）維特比譯碼模塊。該模塊由維特比譯碼器構(gòu)成，主要用于對(duì)卷積編碼后的信號(hào)進(jìn)行譯碼。其主要參數(shù)為：Trellis structure：poly2trellis（9，[753 561]）；Decision type：Hard decision；Traceback depth：1；Operation mode：Continuous。endprint

其參數(shù)設(shè)置時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：①卷積編碼器和卷積譯碼器的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)應(yīng)該是一致的；②誤碼率計(jì)算模塊的接收延遲應(yīng)與維特比譯碼器的反饋深度相當(dāng)。

8）解擴(kuò)模塊。該模塊由XOR（一個(gè)異或門），Subsystem構(gòu)成。XOR用于進(jìn)行解擴(kuò)，其參數(shù)和接收端相同。Subsystem為一延遲模塊，在本設(shè)計(jì)中用于直接從發(fā)送端引入擴(kuò)頻碼，用于接收端的解擴(kuò)。

9）誤碼率分析模塊。該模塊由誤碼率計(jì)算模塊，顯示模塊構(gòu)成。①誤碼率計(jì)算模塊。其主要參數(shù)為：Receive delay：5；Communication delay：0；Computation mode：Entire frame；Output data：Port；②顯示模塊，顯示系統(tǒng)的誤碼率。

2.2 系統(tǒng)SIMULINK仿真的主要輸出點(diǎn)波形

1）信息序列的時(shí)域和頻域波形。信息序列的時(shí)域和頻域波形分別如圖1和圖2所示。

圖1 信息序列時(shí)域波形

圖2 信息序列頻域波形

2）擴(kuò)頻后信號(hào)的時(shí)域和頻域波形。擴(kuò)頻后信號(hào)的時(shí)域和頻域波形分別如圖3和圖4所示。

圖3 擴(kuò)頻后信號(hào)的時(shí)域圖形

圖4 擴(kuò)頻后信號(hào)的頻域圖形

3）加噪聲后信號(hào)的時(shí)域和頻域波形。

加噪聲后信號(hào)的時(shí)域和頻域波形分別如圖5和圖6所示。

圖5 加噪聲后信號(hào)的時(shí)域波形

圖6 加噪聲后信號(hào)的頻域波形

2.3 仿真系統(tǒng)的抗干擾性能分析

當(dāng)擴(kuò)頻序列為[1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1]，反饋深度為1，接收延次遲為5時(shí)，仿真結(jié)果如表1所示；當(dāng)擴(kuò)頻序列為 [1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1]，反饋深度為1，接受延遲為5時(shí)，仿真結(jié)果如表2所示。

表1 第一次傳輸?shù)恼`碼率

表2 第二次傳輸?shù)恼`碼率

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可驗(yàn)證直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的一個(gè)結(jié)論：該系統(tǒng)的抗干擾性能和擴(kuò)頻碼序列的長(zhǎng)度以及信噪比有關(guān)。偽隨機(jī)碼序列越長(zhǎng)則其抗干擾能力越強(qiáng)，信噪比越高則其性能也越好。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本原理和模型，以及Matlab的可視化工具Simulink。然后設(shè)計(jì)了一種基于Simulink的直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真模型，以反映直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的工作流程，同步分析其時(shí)域波形、頻域波形、抗干擾性強(qiáng)弱。最后得出直擴(kuò)系統(tǒng)的抵抗外部噪聲干擾的能力與擴(kuò)頻碼序列長(zhǎng)度和信噪比有關(guān)的結(jié)論：偽隨機(jī)碼序列越長(zhǎng)則其抗干擾能力越強(qiáng)，信噪比越高則其性能也越好。

參考文獻(xiàn)

[1]曾興雯，劉乃安，孫獻(xiàn)璞.擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[2]查光明，熊賢怍.擴(kuò)頻通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[3]啜鋼，王文博，常永宇，全慶一編著.移動(dòng)通信原理與系統(tǒng)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009.

[4]郭梯云，鄔國(guó)揚(yáng)，李建東.移動(dòng)通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[5]李建新，劉乃安.現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

[6]趙剛，王燕.擴(kuò)頻通信系統(tǒng)使用仿真技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.endprint

其參數(shù)設(shè)置時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：①卷積編碼器和卷積譯碼器的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)應(yīng)該是一致的；②誤碼率計(jì)算模塊的接收延遲應(yīng)與維特比譯碼器的反饋深度相當(dāng)。

8）解擴(kuò)模塊。該模塊由XOR（一個(gè)異或門），Subsystem構(gòu)成。XOR用于進(jìn)行解擴(kuò)，其參數(shù)和接收端相同。Subsystem為一延遲模塊，在本設(shè)計(jì)中用于直接從發(fā)送端引入擴(kuò)頻碼，用于接收端的解擴(kuò)。

9）誤碼率分析模塊。該模塊由誤碼率計(jì)算模塊，顯示模塊構(gòu)成。①誤碼率計(jì)算模塊。其主要參數(shù)為：Receive delay：5；Communication delay：0；Computation mode：Entire frame；Output data：Port；②顯示模塊，顯示系統(tǒng)的誤碼率。

2.2 系統(tǒng)SIMULINK仿真的主要輸出點(diǎn)波形

1）信息序列的時(shí)域和頻域波形。信息序列的時(shí)域和頻域波形分別如圖1和圖2所示。

圖1 信息序列時(shí)域波形

圖2 信息序列頻域波形

2）擴(kuò)頻后信號(hào)的時(shí)域和頻域波形。擴(kuò)頻后信號(hào)的時(shí)域和頻域波形分別如圖3和圖4所示。

圖3 擴(kuò)頻后信號(hào)的時(shí)域圖形

圖4 擴(kuò)頻后信號(hào)的頻域圖形

3）加噪聲后信號(hào)的時(shí)域和頻域波形。

加噪聲后信號(hào)的時(shí)域和頻域波形分別如圖5和圖6所示。

圖5 加噪聲后信號(hào)的時(shí)域波形

圖6 加噪聲后信號(hào)的頻域波形

2.3 仿真系統(tǒng)的抗干擾性能分析

當(dāng)擴(kuò)頻序列為[1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1]，反饋深度為1，接收延次遲為5時(shí)，仿真結(jié)果如表1所示；當(dāng)擴(kuò)頻序列為 [1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1]，反饋深度為1，接受延遲為5時(shí)，仿真結(jié)果如表2所示。

表1 第一次傳輸?shù)恼`碼率

表2 第二次傳輸?shù)恼`碼率

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可驗(yàn)證直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的一個(gè)結(jié)論：該系統(tǒng)的抗干擾性能和擴(kuò)頻碼序列的長(zhǎng)度以及信噪比有關(guān)。偽隨機(jī)碼序列越長(zhǎng)則其抗干擾能力越強(qiáng)，信噪比越高則其性能也越好。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本原理和模型，以及Matlab的可視化工具Simulink。然后設(shè)計(jì)了一種基于Simulink的直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真模型，以反映直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的工作流程，同步分析其時(shí)域波形、頻域波形、抗干擾性強(qiáng)弱。最后得出直擴(kuò)系統(tǒng)的抵抗外部噪聲干擾的能力與擴(kuò)頻碼序列長(zhǎng)度和信噪比有關(guān)的結(jié)論：偽隨機(jī)碼序列越長(zhǎng)則其抗干擾能力越強(qiáng)，信噪比越高則其性能也越好。

參考文獻(xiàn)

[1]曾興雯，劉乃安，孫獻(xiàn)璞.擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[2]查光明，熊賢怍.擴(kuò)頻通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[3]啜鋼，王文博，常永宇，全慶一編著.移動(dòng)通信原理與系統(tǒng)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009.

[4]郭梯云，鄔國(guó)揚(yáng)，李建東.移動(dòng)通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[5]李建新，劉乃安.現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

[6]趙剛，王燕.擴(kuò)頻通信系統(tǒng)使用仿真技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.endprint

其參數(shù)設(shè)置時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：①卷積編碼器和卷積譯碼器的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)應(yīng)該是一致的；②誤碼率計(jì)算模塊的接收延遲應(yīng)與維特比譯碼器的反饋深度相當(dāng)。

8）解擴(kuò)模塊。該模塊由XOR（一個(gè)異或門），Subsystem構(gòu)成。XOR用于進(jìn)行解擴(kuò)，其參數(shù)和接收端相同。Subsystem為一延遲模塊，在本設(shè)計(jì)中用于直接從發(fā)送端引入擴(kuò)頻碼，用于接收端的解擴(kuò)。

9）誤碼率分析模塊。該模塊由誤碼率計(jì)算模塊，顯示模塊構(gòu)成。①誤碼率計(jì)算模塊。其主要參數(shù)為：Receive delay：5；Communication delay：0；Computation mode：Entire frame；Output data：Port；②顯示模塊，顯示系統(tǒng)的誤碼率。

2.2 系統(tǒng)SIMULINK仿真的主要輸出點(diǎn)波形

1）信息序列的時(shí)域和頻域波形。信息序列的時(shí)域和頻域波形分別如圖1和圖2所示。

圖1 信息序列時(shí)域波形

圖2 信息序列頻域波形

2）擴(kuò)頻后信號(hào)的時(shí)域和頻域波形。擴(kuò)頻后信號(hào)的時(shí)域和頻域波形分別如圖3和圖4所示。

圖3 擴(kuò)頻后信號(hào)的時(shí)域圖形

圖4 擴(kuò)頻后信號(hào)的頻域圖形

3）加噪聲后信號(hào)的時(shí)域和頻域波形。

加噪聲后信號(hào)的時(shí)域和頻域波形分別如圖5和圖6所示。

圖5 加噪聲后信號(hào)的時(shí)域波形

圖6 加噪聲后信號(hào)的頻域波形

2.3 仿真系統(tǒng)的抗干擾性能分析

當(dāng)擴(kuò)頻序列為[1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1]，反饋深度為1，接收延次遲為5時(shí)，仿真結(jié)果如表1所示；當(dāng)擴(kuò)頻序列為 [1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1]，反饋深度為1，接受延遲為5時(shí)，仿真結(jié)果如表2所示。

表1 第一次傳輸?shù)恼`碼率

表2 第二次傳輸?shù)恼`碼率

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可驗(yàn)證直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的一個(gè)結(jié)論：該系統(tǒng)的抗干擾性能和擴(kuò)頻碼序列的長(zhǎng)度以及信噪比有關(guān)。偽隨機(jī)碼序列越長(zhǎng)則其抗干擾能力越強(qiáng)，信噪比越高則其性能也越好。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本原理和模型，以及Matlab的可視化工具Simulink。然后設(shè)計(jì)了一種基于Simulink的直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真模型，以反映直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的工作流程，同步分析其時(shí)域波形、頻域波形、抗干擾性強(qiáng)弱。最后得出直擴(kuò)系統(tǒng)的抵抗外部噪聲干擾的能力與擴(kuò)頻碼序列長(zhǎng)度和信噪比有關(guān)的結(jié)論：偽隨機(jī)碼序列越長(zhǎng)則其抗干擾能力越強(qiáng)，信噪比越高則其性能也越好。

參考文獻(xiàn)

[1]曾興雯，劉乃安，孫獻(xiàn)璞.擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[2]查光明，熊賢怍.擴(kuò)頻通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[3]啜鋼，王文博，常永宇，全慶一編著.移動(dòng)通信原理與系統(tǒng)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009.

[4]郭梯云，鄔國(guó)揚(yáng)，李建東.移動(dòng)通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[5]李建新，劉乃安.現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

[6]趙剛，王燕.擴(kuò)頻通信系統(tǒng)使用仿真技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.endprint