基于MATLAB的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能仿真分析研究.doc

基于MATLAB的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能仿真分析研究2007年第29卷電氣傳動自動化Vo1.29,No.3第3期第39頁ELECTRICDRIVEAUTOMATION2007.29(3):3942文章編號:l0o57277(2007)03-oo3904基于MATLAB的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能仿真分析研究張蕾,鄭實勤(1.蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅蘭州730000;2.天水電氣傳動研究所,甘肅天水741018)摘要:介紹了直接序列擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)和模型,并通過MATLAB提供的Simulink仿真平臺對直擴(kuò)通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,在不同的條件下運(yùn)行了仿真系統(tǒng),研究了擴(kuò)頻增益,調(diào)制方式和不同擴(kuò)頻碼對系統(tǒng)性能的影響.關(guān)鍵詞:擴(kuò)頻增益;信噪比;誤碼率;直擴(kuò)通信中圖分類號:TN914.42文獻(xiàn)標(biāo)識碼:BResearchonperformanceanalysisofdirectsequencespreadspectramcommunicationsystembasedonMATLABsimulationZHNAGLei,ZHENGShi-qin(1.CollegeofInformationScienceandEngineering,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China;2.TianshuiElectricDriveResearchInstitute,Tianshui741018,China)Abstract:Thetheorybaseandthemodelofthedirectsequencespreadspectrumcommunicationtechnologyarepresented.ThesimulationmodelofthedirectsequencespreadspectrumcommunicationsystemisbuiltbyusingSimulink,whichisprovidedbyMATLAB.Inaddition,thesimulationprogramisrunonthebasisofdifferentsimulationconditions.Moreover,therelationshipbetweenthespreadspectrumgain,themodulemethods,thespreadspectrumcodeandthecommunicationsystemperformancearealsostudied.Keywords:spreadspectrumgain;signal-to-noiseratio;errorrate;directsequencespreadspectrumcommunication1引言擴(kuò)頻通信即擴(kuò)展頻譜通信(SpreadSpectrumc0mmunicati0n),與光纖通信,衛(wèi)星通信一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時代的三大高技術(shù)通信傳輸方式.簡單來說,擴(kuò)頻(調(diào)制)是這樣一種通信技術(shù):被發(fā)射的調(diào)制信號在發(fā)射到信道之前,被與傳輸信號無關(guān)的偽隨機(jī)碼進(jìn)行頻譜擴(kuò)展,使之占有的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原有信息所需的帶寬;而在接收端,接收信號則被本地偽隨機(jī)碼進(jìn)行解擴(kuò)處理,使其頻帶被縮小相同倍數(shù).在擴(kuò)頻通信中,信息已不再是決定調(diào)制信號帶寬的一個重要因素,其調(diào)制信號的帶寬主要由擴(kuò)頻信號來決定.本文用MATLAB對擴(kuò)頻通信中最常用的直擴(kuò)通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,研究了不同的信息調(diào)制方式,擴(kuò)頻增益以及擴(kuò)頻碼對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響,并用誤碼率曲線直觀地表現(xiàn)出系統(tǒng)性能,為今后擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用和研究提供了依據(jù).2直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)2.1直擴(kuò)通信系統(tǒng)模型按照擴(kuò)展頻譜的方式不同,現(xiàn)有的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可分為直接序列(DS)擴(kuò)頻,跳頻(FH),跳時(TH),線性調(diào)頻(chirp)以及上述幾種方式的組合.本文主要討論直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能.直接序列擴(kuò)頻就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)送端去擴(kuò)展信號的頻譜.而在接收端,用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò),將展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始的信息.直擴(kuò)通信系統(tǒng)原理如圖l所示.在發(fā)送端輸入的信息先經(jīng)信息調(diào)制形成調(diào)頻或調(diào)相數(shù)字信號,然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號以展寬信號的頻譜,再將展寬后的寬帶信號調(diào)制到射頻發(fā)送出去.在接收端,接收機(jī)接收到寬帶射頻信號后,首先將其變頻至中頻,然后通過同步電路捕捉發(fā)送來的擴(kuò)頻碼的準(zhǔn)確相位,由此產(chǎn)生與發(fā)送來的偽隨機(jī)碼相位完全一致的接收用的偽隨機(jī)碼,作為擴(kuò)頻解調(diào)用的本地擴(kuò)頻碼序列,最后經(jīng)電氣傳動自動化2007年第3期信息解調(diào),恢復(fù)成原始信息輸出.圖1擴(kuò)頻通信原理圖由此可見,直擴(kuò)通信系統(tǒng)要進(jìn)行三次調(diào)制和相應(yīng)的解調(diào),分別為信息調(diào)制,擴(kuò)頻調(diào)制和射頻調(diào)制,以及相應(yīng)的信息解調(diào),解擴(kuò)和射頻解調(diào).與一般通信系統(tǒng)比較,擴(kuò)頻通信就是多了擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)部分.2.2擴(kuò)頻通信的性能分析擴(kuò)頻通信的可行性是從信息論和抗干擾理論的基本公式中引伸而來的.信息論中關(guān)于信息容量的仙農(nóng)(Shannon)公式為:C=B10g2(g1+)其中:c為信道容量(即極限傳輸速率),B為信號頻帶寬度,s為信號功率,為噪聲功率.Shannon公式說明,在給定的傳輸速率不變的條件下,頻帶寬度和信噪比P可以互換,即可以通過增加頻帶寬度,在信噪比較低的情況下傳輸信.擴(kuò)展頻譜以換取信噪比要求的降低,正是擴(kuò)頻通信的重要特點,并由此為擴(kuò)頻通信的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).擴(kuò)頻通信的一個重要參數(shù)是擴(kuò)頻增益,反映了系統(tǒng)抗干擾能力的強(qiáng)弱,是對信噪比改善程度的度量,定義為接收機(jī)相關(guān)器輸出信噪比和輸入信噪比之比,即rs/N)RsBs一(S/N)INRdBd其中:尺為擴(kuò)頻碼的傳輸速率,尺為信息數(shù)據(jù)的傳輸速率,為擴(kuò)頻碼的帶寬,為信息數(shù)據(jù)的帶寬.2.3擴(kuò)頻通信常用的擴(kuò)頻碼常用的擴(kuò)頻碼主要有PN序列,GOLD序列,WALSH碼和OVSF碼.PN碼即偽噪聲序列也稱之為偽隨機(jī)序列,是用確定性方法產(chǎn)生的序列,但它卻近似具有隨機(jī)產(chǎn)生序列所希望的某些關(guān)鍵隨機(jī)特性.其中最常見的偽隨機(jī)序列是m序列.GOLD碼是m序列的復(fù)合碼,是由2個碼長相等,碼時鐘速率相同的序列優(yōu)選對模2構(gòu)成,每改變2個序列相對位移就可得到一個新的GOLD序列.GOLD序列具有良好的自,互相關(guān)特性,且地址數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于m序列地址數(shù),結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn),在工程上得到較為廣泛的應(yīng)用.WALSH函數(shù)是一種非正弦的完備正交函數(shù)系,具有理想的互相關(guān)特性,兩兩之間的互相關(guān)函數(shù)為0,亦即它們是正交的.因而在碼分多址同心中,WALSH函數(shù)可以作為地址碼使用.在Is一95中,正向傳輸信道就使用了64階WALSH函數(shù).OVSF碼是一種正交可變擴(kuò)頻因子碼,保證在不同時隙上的不同擴(kuò)頻因子的擴(kuò)頻碼正交,而在每個時隙上可使用的碼的數(shù)目不固定,與每個物理信道的數(shù)據(jù)速率和擴(kuò)頻因子有關(guān).OVSF碼在TDSCDMA系統(tǒng)中得到了廣泛使用.2.4擴(kuò)頻通信調(diào)制方式直擴(kuò)系統(tǒng)一般采用頻率調(diào)制(FM)或相位調(diào)制(PM)的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制,在碼分多址通信中,其調(diào)制多采用BPSK,DPSK,QPSK,MPSK等方式.本文重點分析了在碼分多址通信中最常用BPSK(二相移相鍵控)和QPSK(四相移相鍵控)調(diào)制方式對系統(tǒng)性能的影響.3Simulink簡介MATLAB是一種數(shù)學(xué)應(yīng)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,成為目前科學(xué)研究和工程應(yīng)用最廣泛的軟件包之一.Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具,是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境,是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模,仿真和分析的一個軟件包,被廣泛應(yīng)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.Simulink可以用連續(xù)采樣時間,離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(jìn)行建模,它也支持多速率系統(tǒng),也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率.為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型,Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI),這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成,它提供了一種更快捷,直接明了的方式,而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果.4仿真結(jié)果本文利用Simulink對直擴(kuò)通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真,仿真過程采用了AWGN信道,即加性高斯白噪聲信道.信息速率為50b/s,信號功率為1W.具體分以下幾個方面進(jìn)行仿真:(1)采用不同擴(kuò)頻碼,擴(kuò)頻增益均為G=10,均2007年第3期張蕾.鄭實勤基于MATLAB的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能仿真分析研究為QPSK調(diào)制,仿真結(jié)果如圖2所示.SNR岡2不同擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻仿真的誤碼率曲線(4)采用不同的信息調(diào)制方式BPSK和QPSK,擴(kuò)頻碼為OVSF碼,擴(kuò)頻增益為1O,仿真結(jié)果如圖5所示.(2)采用OVSF碼擴(kuò)頻,QPSK調(diào)制,不同擴(kuò)頻圖5不同信息調(diào)制方式下的誤碼率曲線增益下的仿真結(jié)果如圖3所示.SNR圖3采用OVSF碼擴(kuò)頻不同擴(kuò)頻增益仿真的誤碼率曲線(3)采用PN序列擴(kuò)頻,QPSK調(diào)制,不同增益下的誤碼率曲線如圖4所示.圖4采用PN序列擴(kuò)頻不同擴(kuò)頻增益仿真的誤碼率曲線由以上仿真曲線知,在采用OVSF碼擴(kuò)頻,擴(kuò)頻增益不高的情況下,BPSK調(diào)制具有比QPSK調(diào)制誤碼率低很多的優(yōu)點.本文采用的是增加擴(kuò)頻碼速率來提高擴(kuò)頻增益,由以上仿真結(jié)果可以看出,擴(kuò)頻增益并非完全由擴(kuò)頻碼速率決定,擴(kuò)頻碼速率也并非越高越好,即擴(kuò)頻碼速率在提高到一定情況下,會受到更多客觀因素的影響,使得系統(tǒng)性能并非隨著擴(kuò)頻碼速率的提高而提高.因此,在不同的系統(tǒng)要求下,應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臄U(kuò)頻增益和擴(kuò)頻碼速率.采用OVSF碼擴(kuò)頻的系統(tǒng)性能最佳,誤碼率最低,在系統(tǒng)信噪比較低時,PN序列和GOLD序列擴(kuò)頻的系統(tǒng)誤碼率較高,WALSH碼居中;而當(dāng)系統(tǒng)信噪比增加后,GOLD序列和PN序列擴(kuò)頻的誤碼率則逐漸降低,WALSH碼擴(kuò)頻的性能最差.在實際應(yīng)用中,也應(yīng)根據(jù)各個系統(tǒng)的不同要求選擇不同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻.5結(jié)論擴(kuò)頻通信以其較強(qiáng)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(shù),本文闡述了直接序列擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)和實現(xiàn)方法,并利用MATLAB提供的可視化工具Simulink建立了直擴(kuò)通信系統(tǒng)的仿真模型.在不同的仿真條件下運(yùn)行仿真系統(tǒng),研究了擴(kuò)頻增益,調(diào)制方式和不同擴(kuò)頻碼對系統(tǒng)誤碼率的影響.結(jié)果表明,在相同誤碼率下,提高擴(kuò)頻碼傳輸速率來增大擴(kuò)頻增益,可以電氣傳動自動化2007年第3期在一定范圍內(nèi)提高系統(tǒng)輸出端的信噪比,且在相同條件下,QPSK調(diào)制比BPSK調(diào)制更能提高系統(tǒng)的抗干擾能力,OVSF碼則比其它擴(kuò)頻碼更有利于降低系統(tǒng)誤碼率.參考文獻(xiàn):1朱近康.擴(kuò)展頻譜通信及其應(yīng)用M.北京:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1993.2王秉鈞,居謐,孫學(xué)軍,沈保鎖.擴(kuò)頻通信M.天津:天津大學(xué)出版社,1993.3鄔國揚(yáng).CDMA數(shù)字蜂窩網(wǎng)M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2000.4黃華生,蔣澤.TDSCDMA系統(tǒng)中聯(lián)合檢測的原理和實現(xiàn)J.重慶郵電學(xué)院,2001,13(2).5李建新,劉乃安,劉繼平.現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真一MAT_LAB通信工具箱M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,21)fI()6李穎,朱伯立,張威.Simulink動態(tài)系統(tǒng)建模與仿真基礎(chǔ)M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004.7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.2004.8基于MATLAB的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真研究J.微計算機(jī)信息(測控自動化),2006,22(71).作者簡介:張蕾(1982一),女,漢族,在讀碩士研究生,2004年畢業(yè)于蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,通信工程專業(yè).現(xiàn)為蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專業(yè)碩士研究生.研究方向為DSCDMA通信系統(tǒng)的多用戶檢測問題.鄭實勤(1970一),男,漢族,甘肅天水人,1992年畢業(yè)于甘肅省機(jī)械工業(yè)學(xué)校工企自動化專業(yè),畢業(yè)后一直在天水電氣傳動研究所從事電氣自動化產(chǎn)品及系統(tǒng)的科研設(shè)計和研究開發(fā)工作.收稿日期:20070ll5f上接第29頁)表2不考慮F.(即停運(yùn)時)各短路點相關(guān)參數(shù)計算結(jié)果短路點(kA)(kA)陬(kA)(kA)(MVA)S由(MvA)也(110kV)9.08.51722,95217181792.63160664d4(1l0kV)6.9146.62617.6316.8961377.2813199d5(10kV)18.39518,246.946.41334.45330.95d6(起動)10,32410.26326.32626.17187.7186597表3母線殘壓計算結(jié)果將起動時參數(shù)的實測值與理論計算值進(jìn)行對比:計算值為:,電m=10003A(有效值);U.壓降=14.6%(壓降);起動電流倍數(shù)_-3.7.實測值為:,起動電流=9739A(有效值);Ull0kv壓降=l3%(壓降);Ulv壓降=50%(壓降);D短路,C殘壓E短路,D殘壓C短路,B殘壓E起動,C殘壓E起動,D殘壓E短路,B殘壓%一%1n%lI,呷%l%l%一%l23.858I22.9176.25I?75.581.95J81.1244.05l43.886.712I89.8889.88I89.39IllIIlS=l377.28MVA,S=l319.9MVA可見它們均滿足要求即:110kV母線sl244MVA,110kV母線壓降=14.6%(計算約為14%).3起動過程的特性分析同步電動機(jī)作異步起動通電瞬間,電機(jī)定子電流會產(chǎn)生劇烈沖擊,即電機(jī)定子端部繞組會受到非常高的電磁力和轉(zhuǎn)矩沖擊.因而會導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)過負(fù)荷現(xiàn)象,如大量的熱量會對電機(jī)絕緣產(chǎn)生損傷.另外短時大電流產(chǎn)生的(熱)應(yīng)力對導(dǎo)線和與其相連裝置(開關(guān)設(shè)備,母線導(dǎo)管等)都會造成巨大的影響.因此除了監(jiān)測重要參數(shù)(電機(jī)電流,電壓,系統(tǒng)電壓等)外,電機(jī)過負(fù)荷(f)參數(shù)也必須監(jiān)測并