基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的直接序列擴展頻譜通信系統仿真研究

摘 要：闡述了擴展頻譜通信技術的理論基礎和擴展頻譜通信系統的構成及工作原理，簡要介紹了Matlab-Simulink工具箱的特點及功能，利用該工具箱及以該工具箱為基礎的其他工具箱建立直接序列擴展頻譜通信系統(DSSS)的仿真模型。在給定仿真條件下運行仿真程序，得到了預期的效果，證明了模型的正確性。

關鍵詞：擴展頻譜;通信系統;Simulink工具箱;仿真模型

中圖分類號：TN914-42 文獻標識碼：A

文章編號：1004373X(2008)0506303

Simulation of the Direct Spread Spectrum Communication System Based on Simulink

XIONG Ying，ZHANG Hua

(Jiuquan Satellite Launch Center of China，Jiuquan，732750，China)

Abstract：In this paper，the theory of spread spectrum communication technology is presented，the structure and the operating principle of spread spectrum communication system are discussed.Characteristic and function of Simulink toolbox provided by Matlab.The simulation model of the direct spread spectrum communication system is built by using this toolbox and the other tool boxes based on it.On the conditions showed in this paper，the simulation model works normally and the anticipant result is gained，which indicates that model is correct.

Keywords：spread spectrum;communication system;Simulink toolbox;simulation model

隨著通信技術的迅猛發展，擴展頻譜通信技術的優點已經越來越明顯并被接受，并在各個領域得到了廣泛的應用。同時隨著計算機技術和仿真技術的日益發展和應用，如何運用一些方便、友好的軟件對通信系統進行直觀的模型仿真，并進行仿真結果的觀測和分析，已經成為通信工作者的一個迫切技術需求。本文通過對擴展頻譜技術的理論及直接擴展頻譜系統的構成和工作原理的闡述，利用Matlab的Simulink工具箱以及其他相關的工具箱仿真了一個簡單的直接擴展頻譜通信系統，并給定仿真條件運行，為相關工作人員進行同類通信系統仿真提供了參考。

1 擴展頻譜通信技術

1.1 擴展頻譜通信技術理論基礎

擴展頻譜通信系統是指待傳輸信息的頻譜用某個特定的擴頻函數擴展后成為寬頻帶信號，送入信道中傳輸，再利用相應手段將其壓縮，從而獲取傳輸信息的通信系統。擴頻系統必須滿足以下兩條準則：傳輸帶寬遠遠大于被傳送的原始信息的帶寬；傳輸帶寬主要由擴頻函數決定，此擴頻函數常用的是偽隨機編碼信號。

(1) 擴展頻譜技術的理論基礎可用香農(C.E.Shannon)信道容量公式:

來描述。該公式表明，在高斯信道中當傳輸系統的信號噪聲功率比S/N下降時，可用增加系統傳輸帶寬W的辦法來保持信道容量C不變。對于任意給定的信號噪聲功率比，可以用增大傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯率。擴展頻譜技術也是應用這一原理，用高速率的擴頻碼來達到擴展待傳輸的數字信息帶寬的目的。

(2) 香農指出：在高斯噪聲的干擾下，在限平均功率的信道上，實現有效和可靠通信的最佳信號是具有白噪聲統計特性的信號。高斯白噪聲信號具有理想的自相關特性，但是產生、加工和復制存在許多技術困難。而一些易產生又便于加工和控制的偽噪聲序列的統計特性逼近于高斯白噪聲的統計特性，因此用偽隨機碼擴展待傳基帶信號頻譜的擴展頻譜通信系統，優于常規通信體制。

(3) 哈爾凱維奇從理論上證明：要克服多徑衰落干擾的影響，信道中傳輸的最佳信號形式也應該是具有白噪聲統計特性的信號形式。由于擴頻通信中的偽碼逼近白噪聲的統計特性，所以擴頻通信又具有抗多徑干擾的能力。

1.2 擴展頻譜通信系統分類

擴展頻譜通信系統按工作方式一般可分為以下幾種：

(1) 直接序列擴展頻譜系統(DS-SS)：由待傳信息信號與高速率的偽隨機碼波形相乘后，去直接控制射頻信號的某個參量，擴展了傳輸帶寬而得名。

(2) 跳頻擴頻系統(FH-SS)：數字信息與二進制偽碼序列模二相加后，去離散地控制射頻載波振蕩器的輸出頻率，使發射信號的頻率隨偽碼的變化而跳變。

(3) 跳時擴頻系統(TH-SS)：跳時是用偽碼序列來啟閉信號的發射時刻和持續時間。

(4) 混合式：以上三種基本擴頻方式中的兩種或多種結合起來。

2 DS-SS原理及系統框圖

DS-SS系統框圖如圖1所示。假設：二元直接序列擴頻，BPSK調制。BPSK調制信號表示為：

信號進入接收機后進行與發射端相反的變換即可恢復發射端傳送的信息，在擴頻接收機中，這個反變換就是解擴和解調。一般采用相關解擴，利用:

通常載波解調用相干解調，接收系統中兩個乘法器是相關解擴和解調，本地擴頻碼與發射端同步，延遲鎖定環路提供的控制跟蹤量作為對信道隨機延時的同步跟蹤。本地射頻壓控振蕩器輸出的信號也是由鎖相環路提供的同步跟蹤量跟蹤。如果接收系統中相關器是理想的(并能濾除二次諧波)，且射頻濾波器和基帶濾波器都是線性的，則整個系統模型也是線性的，即從接收機輸入端到基帶輸出的整個處理過程都是線性的。可以假設其他干擾和噪聲為零，通過積分變換等計算后，基帶濾波器輸出的有用信號為：

由此可知，只要基帶濾波器無失真地傳送數字信息d[u，t－τ(u)]，經基帶數字檢測器處理后，便能恢復出發射端信源傳來的信息{an}。

擴頻接收機提取有用信號的功能，是充分發揮了偽隨機碼尖銳的自相關特性而完成的。而各種干擾信號與本地偽碼不相關，在處理過程中其能量被擴展到整個擴頻帶寬內，因此通過基帶濾波器的輸出很小。

3 系統仿真(Simulink)工具箱簡介

Simulink工具箱是Matlab各種工具箱中比較特別的，他是從底層開發的一個完整的仿真環境和圖形界面。在這個環境中，用戶可以利用鼠標或鍵盤，完成面向框圖系統仿真的全部過程，并且更加直觀、快速和準確地達到仿真的目標。Simulink工具箱的另一個優點是他不給出任何新的函數。

Simulink作為面向框圖的仿真軟件，具有以下功能：

(1) 用方框圖的繪制代替程序的編寫。

(2) 仿真的建立和運行是智能化的。

(3) 輸入輸出信號來源形式的多樣化。

通常在通信系統仿真模型中使用的工具箱除了Simulink之外，還有一些以Simulink為基礎的模塊工具箱。最常用的有電力系統(Powersys)模塊工具箱，數字信號處理(DSP Blocks)模塊工具箱，定點處理(Fix-Point Blocks)模塊工具箱和通信系統(Comm)模塊工具箱。

電力系統(Powersys)模塊工具箱提供了電力傳輸和拖動中用到的各種子系統模型，他包含電源、元件、電機、電力電子、測量、聯接及其他。

數字信號處理(DSP Blocks)模塊工具箱，包括信號源庫、信號漏(終端庫)、通用DSP庫、數學函數庫、濾波器庫、頻譜分析庫及演示庫。

定點處理(Fix-Point Blocks)模塊工具箱主要是為分析計算機字長有限對處理信號造成的影響而提供的各種Simulink模塊，包括定點的算術運算、定點的邏輯運算、定點的變換運算、定點數的傳送和定點數的聯接。

通信系統(Comm)模塊工具箱主要包括信號源和信號終端庫、信源編碼和信源解碼庫、糾錯編碼和糾錯解碼庫、調制和解調庫、多路存取庫、發送濾波和接收濾波庫以及信道庫等。

通過使用Simulink工具箱以及以他為基礎的其他工具箱可以很容易地建立起一個直觀的通信系統模型。第一階段是用圖形方式來畫結構圖并進行編輯；第二階段是進行運算仿真。在第一階段中首先要進行環節庫框圖的建立，從各種庫中查找到需要的圖標后進行排列；然后把各環節的端口按框圖連接起來；最后進行環節參數的設定。要注意在系統輸入端加上信號源，在用戶關心的輸出端加上信號終端(即觀測或記錄信號的設備，如示波器、電壓表或文件等)。這樣一個通信系統就確定了，接下來可以進行仿真、確定系統的性能指標及方案比較。

4 系統的Simulink仿真

利用Simulink仿真的簡單直擴系統模型如圖2所示。

信源：采用Random Integer Generator產生，該整數發生器產生隨機的二進制隨機信號作為擴頻通信系統的信源。

擴頻與解擴：采用PN序列發生器(PN Sequence Generator)產生偽隨機碼與信源相乘后進行頻譜擴展，在接收端用該序列與解調后的信號相乘完成解擴。

極性轉換：為了擴頻信源和偽隨機碼都必須經過由單極性變為雙極性，為了便于調制需要再進行一次變換，變為單極性信號；在接收端，為了便于解擴，在解調后需要由單極性信號變換成雙極性信號，而為了便于顯示需要再進行一次極性變換，由雙極性還原為單極性信號后進行顯示。

調制與解調：采用BPSK調制與相干解調法。可以使用BPSK Modulator Baseband 模塊PSK Demodulator Baseband 模塊直接進行仿真，也可以使用一個Sine Wave產生的載波與擴頻后的信號相乘，再經過一個Zero-Order Hold實現調制；同時在接收端使用一個Zero-Order Hold后用與發射端相同頻率幅度相位的Sine Wave載波與之相乘實現解調。

信道：采用AWGN Channel模塊仿真一個加性高斯白噪聲信道，該信道的信噪比(Es/No)可以進行設置，該仿真程序中設置為10 dB。

結果顯示：可以加入示波器(Scope)和誤碼儀(Error Rate Calculation)進行發送和接收端波形的比較輸出，以及信號經過擴頻、調制、解擴、解調后的錯誤率計算。將示

波器坐標數設置為3，即可同時顯示原信號源波形、接收端波形以及兩者通過關系運算模塊比較后的結果。

仿真程序的運行：對各個模塊進行參數配置后，可以運行該仿真程序。注意參數設置中模塊的對稱性及頻率一致。

圖3(a)顯示為信源的波形，圖3(c)顯示為接收端最后得到的信號波形，圖3(b)顯示為發送和接收端的信號經過關系運算后比較的結果。由示波器顯示結果可知，該模型能正確的實現直接序列擴頻通信系統的功能，得到良好的仿真效果。

5 結 語

在對直接序列擴展頻譜通信系統工作原理的介紹及Simulink工具箱功能和特點的介紹的基礎上，建立起一個DS-SS通信系統的仿真模型，并得到了較好的運行結果。證明了Simulink在通信系統仿真中的實用性，并為擴展頻譜通信系統的進一步研究提供了一個快捷靈活的平臺，為建模提供了經驗積累。

參考文獻

［1］張葛祥，李娜.Matlab仿真技術與應用[M].北京：清華大學出版社，2003.

［2］伯曉晨，李濤，劉路.Matlab工具箱應用指南[M].北京：電子工業出版社，2000.

［3］陳懷琛，吳大正，高西全.Matlab及在電子信息課程中的應用[M].北京：電子工業出版社，2004.

作者簡介 熊 瀛 女，1980年出生，四川蒲江人，裝備指揮技術學院碩士研究生。研究方向為通信與信息系統。

張 華 中國酒泉衛星發射中心高級工程師。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”