基于MATLAB 的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真研究

1、基于MATLAB 的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真研究.txt39人生旅程并不是一帆風(fēng)順的，逆境失意會經(jīng)常伴隨著我們，但人性的光輝往往在不如意中才顯示出來，希望是激勵我們前進(jìn)的巨大的無形的動力。40奉獻(xiàn)是愛心，勇于付出，你一定會收到意外之外的饋贈。基于MATLAB 的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真研究 范偉 翟傳潤 戰(zhàn)興群 （上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，200030，上海） 摘要 本文闡述了擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)的理論基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)方法，利用MATLAB 提供的可視化 工具Simulink 建立了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型，詳細(xì)講述了各模塊的設(shè)計(jì)，并指出了仿真建模 中要注意的問題。在給定仿真條件下，運(yùn)行了仿真程序，得到了預(yù)期的仿

2、真結(jié)果。同時(shí)，利 用建立的仿真系統(tǒng)，研究了擴(kuò)頻增益與輸出端信噪比的關(guān)系，結(jié)果表明，在相同誤碼率下， 增大擴(kuò)頻增益，可以提高系統(tǒng)輸出端的信噪比，從而提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力。 關(guān)鍵詞 擴(kuò)頻通信, 信噪比， 誤碼率， 擴(kuò)頻增益 中圖分類號：TN914.42 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A Simulation of the Spread Spectrum Communication System Based on MATLAB FAN Wei, ZHAI Chuan-run, ZHAN Xing-qun (School of Electronic, Information and Electrical Engin

3、eering, Shanghai Jiaotong University, 200030, Shanghai) Abstract: The theory base and realizing methods of the spread spectrum communication technology was presented in this study. The simulation model of the spread spectrum communication system was built by using SIMULINK, which is provided by MATL

4、AB. In addition, each module of the simulation model was introduced in detail，and pointed out the problems that must be pay attention to in the system simulation. On the basis of the designed simulation conditions, the simulation program was run and the anticipant results were gained. Moreover, the

5、relationship between the spread spectrum gain and the fan-out error rate was also studied by use of the simulation system. The results showed that on the base of the same error rate, if the spread spectrum gain was enlarged, the Signal-to-Noise of the system fan-out would be enhanced and the anti-ja

6、mming capability of the communication system would also be enhanced. Keywords: spread spectrum communication, Signal-to-Noise, error rate, spread spectrum gain 1 引言 擴(kuò)展頻譜通信（簡稱擴(kuò)頻通信）與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時(shí)代的三 大高技術(shù)通信傳輸方式，它是指發(fā)送的信息被展寬到一個(gè)很寬的頻帶上，在接收端通過相關(guān) 接收，將信號恢復(fù)到信息帶寬的一種系統(tǒng)。采用擴(kuò)頻信號進(jìn)行通信的優(yōu)越性在于用擴(kuò)展頻譜 的方法可以換取信噪比上的好處

7、，即接收機(jī)輸出的信噪比相對于輸入的信噪比有很大改善， 從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。本文根據(jù)擴(kuò)頻通信的原理，利用MATALB提供的可視化仿真工 具Simulink建立了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型，研究了擴(kuò)頻通信的特性和擴(kuò)頻增益與輸出端信噪 比的關(guān)系，目的是為以擴(kuò)頻通信為基礎(chǔ)的現(xiàn)代通信的研究和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 2 擴(kuò)展頻譜通信技術(shù) 2.1 理論基礎(chǔ) 擴(kuò)頻通信的基本理論是根據(jù)信息論中的Shannon 公式，即 log (1 / ) 2 C = B + S N (1) 式中：C為系統(tǒng)的信道容量（bit/s）；B為系統(tǒng)信道帶寬（Hz）；S為信號的平均功率；N為噪 聲功率。 Shannon公式表明了一個(gè)系統(tǒng)信道無

8、誤差地傳輸信息的能力跟存在于信道中的信噪比 （S/N）以及用于傳輸信息的系統(tǒng)信道帶寬（B）之間的關(guān)系。該公式說明了兩個(gè)最重要的概 念：一個(gè)是在一定的信道容量的條件下，可以用減少發(fā)送信號功率、增加信道帶寬的辦法達(dá) 到提高信道容量的要求；一個(gè)是可以采用減少帶寬而增加信號功率的辦法來達(dá)到。 擴(kuò)頻增益是擴(kuò)頻通信的重要參數(shù)，它反應(yīng)了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾能力的強(qiáng)弱，其定義為 接收機(jī)相關(guān)器輸出信噪比和接收機(jī)相關(guān)器輸入信噪比之比，即 d s d s i i B B R R S N S N G = = = / / 0 0 (2) 式中，Si和S0分別為接收機(jī)相關(guān)器輸入、輸出端信號功率；Ni和N0分別為相關(guān)器的輸入

9、、輸出 端干擾功率；Rs為偽隨機(jī)碼的信息速率，Rd為基帶信號的信息速率；Bs為頻譜擴(kuò)展后的信號帶 寬，Bd頻譜擴(kuò)展前的信號帶寬。 2.2 實(shí)現(xiàn)方法 擴(kuò)頻通信與一般的通信系統(tǒng)相比，主要是在發(fā)射端增加了擴(kuò)頻調(diào)制，而在接收端增加了 擴(kuò)頻解調(diào)的過程，擴(kuò)頻通信按其工作方式不同主要分為直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)、跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)、 跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)、線性調(diào)頻系統(tǒng)和混合調(diào)頻系統(tǒng)?，F(xiàn)以直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)為例說明擴(kuò)頻通信的 實(shí)現(xiàn)方法。圖1為直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的原理框圖。 圖1 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)原理圖 由直擴(kuò)序列擴(kuò)頻系統(tǒng)原理圖可以看出，在發(fā)射端，信源輸出的信號與偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn) 生的偽隨機(jī)碼進(jìn)行模2加，產(chǎn)生一速率與偽隨機(jī)碼速率相同的擴(kuò)

10、頻序列，然后再用擴(kuò)頻序列 去調(diào)制載波，這樣得到已擴(kuò)頻調(diào)制的射頻信號。在接收端，接收到的擴(kuò)頻信號經(jīng)高放和混頻 后，用與發(fā)射端同步的偽隨機(jī)序列對擴(kuò)頻調(diào)制信號進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，將信號的頻帶恢復(fù)為信息 序列的頻帶，然后進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出所傳輸?shù)男畔ⅰ?3 系統(tǒng)仿真模型的建立 3.1 Simulik 簡介 MATLAB 最初是Mathworks 公司推出的一種數(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(gè)工具箱，從而成為目前科學(xué)研究和工程應(yīng)用最流行的軟件包之一。 Simulink 是MATLAB 中的一種可視化仿真工具，是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)集成 環(huán)境，廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系

11、統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。它包 括一個(gè)復(fù)雜的由接受器、信號源、線性和非線性組件以及連接件組成的模塊庫，用戶也可以 根據(jù)需要定制或者創(chuàng)建自己的模塊。Simulink 的主要特點(diǎn)在于使用戶可以通過簡單的鼠標(biāo)操 作和拷貝等命令建立起直觀的系統(tǒng)框圖模型，用戶可以很隨意地改變模型中的參數(shù)，并可以 馬上看到改變參數(shù)后的結(jié)果，從而達(dá)到方便、快捷地建模和仿真的目的。 3.2 模型建立及主要模塊設(shè)計(jì) 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

12、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。圖2 為基于MATLAB/Simulink 的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型。 圖2 系統(tǒng)仿真模型 信源：隨機(jī)整數(shù)發(fā)生器（Random Integer generator）作為仿真系統(tǒng)的信源，隨機(jī)整數(shù)發(fā) 生器產(chǎn)生二進(jìn)制隨機(jī)信號，采樣時(shí)間、初始狀態(tài)可自由設(shè)置，從而滿足擴(kuò)頻通信系統(tǒng)所需信 接 收 高放混頻解擴(kuò) 解調(diào) 本振PN 碼 同步 信 源 擴(kuò)頻調(diào)制 PN 碼 振蕩器 發(fā) 射 源的要求。 擴(kuò)頻與解擴(kuò)：PN 序列生成器模塊（PN Sequence Generator）作為偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器，擴(kuò) 頻過程通過信息碼與PN 碼進(jìn)行雙極性變換后相乘加

13、以實(shí)現(xiàn)。解擴(kuò)過程與擴(kuò)頻過程相同，即 將接收的信號用PN 碼進(jìn)行第二次擴(kuò)頻處理。 調(diào)制與解調(diào)：使用二相相移鍵控PSK 方式進(jìn)行調(diào)制、解調(diào)。調(diào)制由正弦載波與雙極性擴(kuò) 頻碼直接相乘實(shí)現(xiàn)，采用相干解調(diào)法進(jìn)行解調(diào)。 信道：傳輸信道為加性高斯白噪聲信道。在加性高斯白噪聲信道模塊中，可進(jìn)行信號功 率和信噪比的設(shè)置。 誤碼計(jì)算：誤碼計(jì)算由誤碼儀實(shí)現(xiàn)，誤碼儀在通信系統(tǒng)中的主要任務(wù)是評估傳輸系統(tǒng)的 誤碼率，它具有兩個(gè)輸入端口：第一個(gè)端口（Tx）接收發(fā)送方的輸入信號，第二個(gè)端口(Rx) 接收接收方的輸入信號。 3.3 幾點(diǎn)說明 在Simulink中，沒有單獨(dú)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)的計(jì)數(shù)器模塊，需要自行創(chuàng)建，計(jì)數(shù)模型的設(shè)計(jì)如圖 3

14、。在計(jì)數(shù)模型中，用與信源和偽隨機(jī)碼同頻的脈沖模塊分別實(shí)現(xiàn)碼元同步和切普同步，利 用加法器的累加功能，實(shí)現(xiàn)每個(gè)碼元的相關(guān)峰值統(tǒng)計(jì)。 圖3 計(jì)數(shù)模型實(shí)現(xiàn)框圖 在擴(kuò)頻通信建模中，擴(kuò)頻與解擴(kuò)使用的PN 碼以及調(diào)制和解調(diào)所使用的載波必須保持同 步，因此要注意偽隨機(jī)碼模塊和載波模塊的參數(shù)設(shè)置。 在誤碼率計(jì)算中，接收到的信號，由于經(jīng)過擴(kuò)頻解擴(kuò)、調(diào)制解調(diào)、相關(guān)統(tǒng)計(jì)等處理，會 存在一個(gè)延遲，在誤碼儀模塊的對話框中要設(shè)置一個(gè)合適的延遲。 4 仿真結(jié)果分析 4.1 仿真系統(tǒng)運(yùn)行情況分析 在給出下列仿真的條件下，觀察仿真運(yùn)行情況。信息速率20b/s，幅度為1；偽隨機(jī)序 列采用10 級，傳輸速率為200b/s 的m 序

15、列；載波頻率10KHz；信號功率為1W，信噪比30dB； 仿真時(shí)間設(shè)為2s。在這樣的仿真條件下，理論上可獲得10 倍的擴(kuò)頻增益。圖4 是系統(tǒng)擴(kuò)頻 解擴(kuò)的仿真結(jié)果。上圖為信源，中圖為擴(kuò)頻碼，下圖為信宿。從圖4 可見，信源和信宿相同， 誤碼率為0，基于MATLAB/Simulink 所設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)滿足擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的軟件仿真要求。 圖4 系統(tǒng)擴(kuò)頻解擴(kuò)的仿真結(jié)果 4.2 擴(kuò)頻增益與輸出端信噪比的關(guān)系 設(shè)置信息速率和偽隨機(jī)序列傳輸速率，在擴(kuò)頻增益10 和50 的情況下，不斷改變信噪比 的大小，從而得到擴(kuò)頻增益、誤碼率和信噪比的關(guān)系如圖5。從圖5 可以看到，在相同誤碼 率下，擴(kuò)頻增益越大，輸出端信噪比越

16、大，并且隨著系統(tǒng)要求的提高，增大擴(kuò)頻增益，輸出 端信噪比會得到更大的好處。 圖5 不同擴(kuò)頻增益下誤碼率仿真曲線 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 闡述了擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)方法，利用MATLAB 提供的可視化工具箱Simulink 建立了 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型，詳細(xì)講述了各模塊的設(shè)計(jì)，并給出了仿真建模中需注意的問題。在 給定仿真條件下，運(yùn)行了仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證了所建仿真模型的正確性。通過仿真研究了擴(kuò)頻增 益和輸出端信噪比的關(guān)系，結(jié)果表明，在相同誤碼率下，增大擴(kuò)頻增益，可以提高系統(tǒng)輸出 端的信噪比，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：通

17、過MATLAB/Simulink 建立的 仿真平臺，研究了擴(kuò)頻增益與誤碼率、信噪比之間的關(guān)系，為以擴(kuò)頻通信為基礎(chǔ)的衛(wèi)星信號 設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 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 徐明遠(yuǎn)，邵玉斌。MATLAB 仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用M。西安：西安電子科技大 學(xué)出版社，2005。 3 李建新，劉乃安，劉繼平?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真MATALAB 通信工具箱M。西安： 西安電子科技大學(xué)出版社，2001。 4 徐明偉，李茜，湯偉?；贛ATLAB 串口通信的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。微計(jì)算機(jī)信息， 2005，21(8-1)，

18、89-90。 5 郭海燕，畢紅軍。MATLAB 在偽隨機(jī)碼的生成及仿真中的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)仿真，21(3)，2004.3。 基金項(xiàng)目：上海市科技攻關(guān)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：45115031。 作者簡介：范偉（1973），男，漢族，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航、CDMA 擴(kuò)頻 通信。 E-mail: weifan 通信地址及郵編：上海市長寧區(qū)安順路220 弄18 號402 室，200051。 翟傳潤(1972)，男，漢族，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航和測控技術(shù)。 戰(zhàn)興群(1970)，男，漢族，博士，教授，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航和新型控制理論與應(yīng)用。 Authors brief introductions: Fai Wei, was born in 1973, male, the Han nationality, master student. His research subjects include the satellite navigation and CDMA spread spectrum communication. Zhai Chuan-run, was born in 1972, mal