丁 凱 王 英

(92785部隊(duì) 綏中 125208)

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基于Simulink的直接序列擴(kuò)頻通信BPSK調(diào)制仿真*

丁 凱 王 英

(92785部隊(duì) 綏中 125208)

由于信道的限制,基帶信號(hào)在很多信道中不能直接傳輸,所以必須用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制。論文以直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)為研究對(duì)象,對(duì)BPSK調(diào)制原理進(jìn)行了分析。在給定的仿真條件下,采用BPSK調(diào)制方式,利用Simulink對(duì)直擴(kuò)系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)試,得到了預(yù)期的仿真結(jié)果。

直接序列擴(kuò)頻; 二相相移鍵控調(diào)制; Simulink

Class Number TN91

1 引言

直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)通信具有頻譜寬、工作信噪比低、抗干擾和抗多徑效應(yīng)能力強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)碼分多址、低截獲和低檢測(cè)概率等特點(diǎn)。因?yàn)榇嬖趥鬏斒д?、傳輸損耗以及無法保證帶內(nèi)特性,所以為了進(jìn)行長(zhǎng)途傳輸,基帶信號(hào)需要通過載波調(diào)制將頻譜搬移到適合無線信道傳輸?shù)奶囟l帶處。在直接序列擴(kuò)頻通信中,通常采用的調(diào)制方式是二相相移鍵控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)。

基于Matlab/Simulink所建立的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型,能夠反映擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作過程,可進(jìn)行波形觀察、頻譜分析和性能分析等,同時(shí)能根據(jù)研究和設(shè)計(jì)的需要擴(kuò)展仿真模型,實(shí)現(xiàn)以擴(kuò)頻通信為基礎(chǔ)的現(xiàn)代通信的模擬仿真,為系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的平臺(tái)。

2 直接序列擴(kuò)頻通信原理及組成

2.1 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)模型

直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示,在發(fā)送端,信源信息經(jīng)過信道編碼后,先進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制,然后進(jìn)行BPSK調(diào)制送入信道中,加入高斯白噪聲和窄帶干擾。在接受端,首先對(duì)接受信號(hào)中的干擾進(jìn)行抑制,然后對(duì)偽碼進(jìn)行捕獲,同時(shí)估計(jì)信道傳輸造成的多普勒頻移,用同步后的本地偽碼序列對(duì)干擾抑制后的信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)。解擴(kuò)后的信號(hào)送入解調(diào)模塊,解調(diào)模塊使用估計(jì)出來的多普勒移值對(duì)載波進(jìn)行補(bǔ)償,成功解調(diào)后進(jìn)行信道譯碼恢復(fù)出原始信源信息。

圖1 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

2.2 載波調(diào)制

調(diào)制就是利用基帶信號(hào)控制高頻載波振幅或頻率或相位參數(shù)隨基帶信號(hào)的變化而變化。用來控制高頻載波參數(shù)的基帶信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào),未調(diào)制的高頻振蕩信號(hào)稱為載波,調(diào)制后所得的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)或頻帶信號(hào)。

載波的一般表達(dá)式為c(t)=A(t)cosθ(t),A(t)是隨時(shí)間變化的幅度,θ(t)是隨時(shí)間變化的角度,也可以表示為θ(t)=ω0(t)+φ(t),因此

c(t)=A(t)cos[ω0(t)+φ(t)]

其中,ω0是載波的角頻率,φ(t)是相位。

BPSK調(diào)制是利用載波的相位變化來傳遞數(shù)字信息,而振幅和頻率保持不變。

2.3 BPSK調(diào)制原理

假定載波信號(hào)c(t)=cosω0t,設(shè)發(fā)送的二進(jìn)制符號(hào)序列由0、1序列組成,該二進(jìn)制基帶符號(hào)序列可表示為

式中,g(t)是持續(xù)時(shí)間為Ts的矩形波形,an是脈沖幅度的取值,則BPSK的信號(hào)時(shí)域表達(dá)式為

式中an=+1或-1,這就是說,在某一碼元持續(xù)時(shí)間Ts內(nèi):

圖2 BPSK信號(hào)調(diào)制框圖

即發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“0”碼時(shí)(an=+1),sBPSK(t)取0相位;發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)“1”碼時(shí)(an=-1),sBPSK(t)取π相位。BPSK信號(hào)調(diào)制框圖如圖2所示。

采用Simulink圖形方式建立BPSK調(diào)制框圖。根據(jù)原理圖2建立模型,如圖3所示。

圖3 模型圖

Pluse Generator模塊用于產(chǎn)生固定間隔的脈沖序列作為信號(hào)源,本例中需產(chǎn)生幅度為1,周期為0.2s,脈寬為0.1s的一個(gè)脈沖序列,有兩種產(chǎn)生方式。一是基于時(shí)間的脈沖生成方式,另一種是基于采樣的脈沖生成方式,本文選用前一種,只需設(shè)置幅度、周期、脈寬和相位延遲即可。

Sine Wave模塊:Sine Wave1模塊的幅度為1,頻率為20π(rad/s),相位為0rad,采樣時(shí)間為1/2000;Sine Wave2模塊除相位設(shè)為πrad外,其余參數(shù)設(shè)置均與Sine Wave1模塊相同;這樣設(shè)置保證產(chǎn)生兩個(gè)同頻率,相位相差180°的載波信號(hào)。

Embedded MATLAB Function模塊:調(diào)用事先寫好的MATLAB函數(shù)文件BPSK.m,該函數(shù)文件的作用相當(dāng)于圖2的開關(guān)電路。

function out=BPSK(bit,no_shift,shift)

if bit ==1

out = no_shift

else

out = shift

end

設(shè)置仿真終止(Stop time)為1,解法器類型為變步長(zhǎng)解法器。給出仿真結(jié)果,圖4中由上到下依次是:脈沖信號(hào)、相位為0的載波信號(hào)、相位為π的載波信號(hào)、BPSK信號(hào)。

圖4 仿真結(jié)果

3 直擴(kuò)系統(tǒng)BPSK調(diào)制仿真

直擴(kuò)系統(tǒng)一般較常用的是BPSK調(diào)制方式。這樣做有以下幾點(diǎn)原因:產(chǎn)生的信號(hào)中載波被抑制,若不采用某種巧妙的方法難以檢測(cè)到;由于發(fā)射機(jī)功率僅用來發(fā)送代碼產(chǎn)生的信號(hào),故發(fā)射有用信息功率增加;由于信號(hào)有恒定包絡(luò)電平,故對(duì)所用帶寬而言其發(fā)射功率為最大;雙向調(diào)制器是極簡(jiǎn)單的器件,僅由一對(duì)變壓器和幾個(gè)二極管組成。

3.1 直擴(kuò)系統(tǒng)BPSK調(diào)制模型

設(shè)擴(kuò)頻碼為c(t),載波頻率為ω0,實(shí)際運(yùn)用中,擴(kuò)頻碼通常采用雙極性,即c(t)={-1,+1},因此直擴(kuò)系統(tǒng)BPSK調(diào)制信號(hào)可以表示成為

s(t)=c(t)cos[ω0t+φ]

如果考慮信息碼為d(t),則直擴(kuò)系統(tǒng)的BPSK調(diào)制輸出為

s(t)=d(t)c(t)cos[ω0t+φ]

BPSK擴(kuò)頻調(diào)制器如圖5所示。

圖5 BPSK擴(kuò)頻調(diào)制器

3.2 仿真實(shí)現(xiàn)

仿真所用載波是頻率為510kHz、幅度為1V的正弦波,二進(jìn)制信號(hào)碼速率為1kb/s,信號(hào)源為擴(kuò)頻調(diào)制輸出的一個(gè)文件。搭建仿真模型,如圖6所示,圖中所有Zero-OrderHold模塊的采樣率均設(shè)置為1/5.1e6。

圖6 仿真模型

選擇Sine Wave模塊作為載波信號(hào),由于載波信號(hào)的默認(rèn)時(shí)間和信源模塊的采樣時(shí)間不同,因此需對(duì)此模塊的采樣時(shí)間進(jìn)行設(shè)定。Amplitude為正弦波幅度,設(shè)定為1,即正弦波幅度為1V,Frequency為載波頻率,設(shè)定為510000*2pi即510kHz,具體設(shè)置如圖7所示。

運(yùn)行仿真,雙擊模塊中名為“compare”的示波器,圖8中上半部分為輸入信號(hào)波形,下半部分為載波調(diào)制輸出信號(hào)波形。

圖7 參數(shù)設(shè)置

圖8 波形圖

圖9為放大后的時(shí)域波形圖,可以觀察到波形的細(xì)部特征。從圖中可以看出載波信號(hào)有明顯的相位翻轉(zhuǎn),即BPSK調(diào)制成功。

圖9 放大后時(shí)域波形圖

頻譜示波器pn中顯示的是輸入信號(hào)的頻譜圖,頻譜示波器bpsk_spectrum中顯示的是載波調(diào)制后的頻譜圖,對(duì)比圖10和圖11,可以看出經(jīng)過BPSK調(diào)制后的信號(hào)頻譜中心頻率被搬移到510kHz,與理論值吻合。

圖10 輸入信號(hào)頻譜圖

圖11 載波調(diào)制后頻譜圖

4 結(jié)語(yǔ)

在直接序列擴(kuò)頻中,由于平衡調(diào)制可以抑制載波,使干擾者難以實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)式干擾,而發(fā)送者可以用較多的功率來傳輸信號(hào),并且做到在一定的帶寬內(nèi)發(fā)射功率最高,因此常采用二相相移鍵控(BPSK)。文中對(duì)BPSK調(diào)制原理進(jìn)行了分析,基于Matlab/Simulink環(huán)境,采用BPSK調(diào)制方式,在給定的仿真條件下,對(duì)仿真程序進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)試,得到了預(yù)期的仿真結(jié)果。

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Simulation on DSSS Communication System BPSK Modulation Based on Simulink

DING Kai WANG Ying

(No. 92785 Troops of PLA, Suizhong 125208)

Due to the channel restriction, baseband signal cannot transmit directly in many channels, so it is essential to modulate a carrier with the baseband signal.In this paper, taking direct sequence spread spectrum(DSSS) communication system as the research object, the modulation principle of BPSK is analyzed in detail. Under the given simulation conditions, with Matlab/Simulink the DSSS simulation programs run tests and get the desired simulation results based on BPSK modulation.

direct sequence spread spectrum, BPSK modulation, Simulink

2015年3月3日,

2015年4月25日

丁凱,男,工程師,研究方向:通信仿真。

TN91

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.020