利用Simulink及AWG產(chǎn)生擴跳頻通信信號的方法

周靖宇，田書林

（電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院，四川 成都 611731）

利用Simulink及AWG產(chǎn)生擴跳頻通信信號的方法

周靖宇，田書林

（電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院，四川 成都 611731）

考慮到工程信號在仿真和實驗環(huán)境理論研究的需要，為了生成較為理想符合工程參數(shù)需求的信號,根據(jù)信號仿真和實現(xiàn)的思想以及擴跳頻信號的特點，設(shè)計并實現(xiàn)了基于Simulink配合AWG產(chǎn)生擴跳頻通信信號的方法。該方法將數(shù)學(xué)能力比較強的Matlab軟件中專門針對于通信仿真的Simulink組件和靈活性較強、整體性能更好的任意波發(fā)生器（AWG）配合得到通信信號。

通信信號；Simulink仿真；AWG任意波發(fā)生器；擴跳頻；參數(shù)相關(guān)性

1 引 言

當今通信工程中，需要很好并且快速地為通信工程仿真和實驗提供需求的經(jīng)調(diào)制的各種信號。常用生成信號的方法包括通過基本硬件電路在軟件編程的控制下生成信號，或者直接用矢量信號源生成信號。

如何利用軟件配合儀器快速多變地生成需求的通信信號滿足工程的需求成為了近年來十分熱門的研究課題。現(xiàn)今，大多數(shù)利用這種方法的只是局限于PC機上的基本理論仿真，并沒有在實驗室環(huán)境生成較為理想符合工程參數(shù)需求的信號進行深層次的理論分析。考慮到工程信號在仿真和實驗環(huán)境理論研究的需要，以基本的擴跳頻信號為例，將數(shù)學(xué)能力比較強的Matlab軟件中專門針對于通信仿真的Simulink組件和靈活性較強、整體性能更好的任意波發(fā)生器（AWG）配合，AWG可以產(chǎn)生任何其指標范圍內(nèi)的信號。利用此方案得到通信信號，與傳統(tǒng)的硬件方式相比EVM值更少，生成方式更簡單，相對于一般的矢量信號源靈活性更強。在工程設(shè)備的信號抗干擾性能測試應(yīng)用中，證明了該方案的有效性。

2 Simulink配合AWG生成信號的方案結(jié)構(gòu)

Simulink配合AWG生成擴跳頻信號的方法，通過Matlab中通信組建Simulink的應(yīng)用。首先仿真出需求的通信信號，這里主要以擴跳頻信號為例；再將其仿真信號，利用Matlab矩陣存儲數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)以時間節(jié)點存儲的特點，將其數(shù)據(jù)采集下來，并且轉(zhuǎn)化為任意波發(fā)生器需要的數(shù)據(jù)格式；再利用AWG，將其轉(zhuǎn)化成實際通信信號，達到模擬工程需求信號的需要進行測試，如圖1所示。

圖1 Simulink配合AWG生成信號方案

方案的關(guān)鍵在于是否能建立正確的數(shù)學(xué)模型，以得到所需輸出信號的數(shù)據(jù)，并且選擇合適的AWG。為了保證生成的信號達到需求，包括調(diào)制方式、協(xié)議、頻率大小、抗干擾能力以及信號調(diào)制質(zhì)量，整個過程需要根據(jù)工程信號需求進行變化。

3 Simulink的仿真與信號的實現(xiàn)

Matlab軟件是一個包含眾多科學(xué)工程計算的龐大系統(tǒng)，特別是其中的Simulink采用方框圖建模的形式，更加貼近于工程習(xí)慣。因此，對于擴跳頻通信系統(tǒng)，前段的擴跳頻信號不論是仿真還是最后的實現(xiàn)，都可以利用Matlab以及Simulink去完成。而且由于Matlab是基于數(shù)學(xué)運算為基礎(chǔ)的軟件，所以其可以很好地兼容很多任意波發(fā)生器去進行波形的最終實現(xiàn)。下面將對此舉例進行分析。

3.1 BPSK的直接序列擴頻發(fā)射機

以一個BPSK的直接序列擴頻發(fā)射機仿真系統(tǒng)為例，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 BPSK的直接序列擴頻發(fā)射機仿真結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 二進制數(shù)據(jù)源

這里由Bernoulli隨機零一序列模擬一段需要進行直接序列擴頻通信的二進制數(shù)據(jù)源碼，用Bernolli Binary Generator實現(xiàn)。由于Matlab中采用Time Based采樣，可以用Rate Transition模塊解決當乘法器與數(shù)據(jù)的采樣速率不一定相同的問題，Unipolar to Bipolar的目的是雙極性轉(zhuǎn)化，這樣便于后面進行正確的擴頻運算。

3.1.2 PN序列模塊

首先PN Sequence Generator產(chǎn)生偽隨機擴頻序列，然后再轉(zhuǎn)化成為雙極性，根據(jù)不同的工程信號需求，這里也可以改用GOLD序列，或者選用Signal From Workspace，先制作一個m序列的生成程序，然后提取到Workspace里面，再進行使用。對于m序列的生成，還可以用Matlab函數(shù)或者C和C++語言，根據(jù)移位寄存器指針的方式生成，這是一種簡單的利用Simulink的生成方法。如果r較大，用這種Simulink的方法比較復(fù)雜，因此，當r比較大的時候，最好利用移位寄存器的原理直接編寫函數(shù)較好。

3.1.3 數(shù)字調(diào)制模塊

二進制數(shù)據(jù)源和PN序列進行叉乘，即擴頻以后再進入數(shù)字調(diào)制模塊，將剛才的雙極性方式通過Bipolar to Unipolar Converter轉(zhuǎn)化為單極性，再通過Bpsk Modular Baseband進行BPSK調(diào)制。這里也可以根據(jù)自己的需要，選用其他的調(diào)制方式。

3.1.4 濾波模塊

因為在信號測試過程中，矢量信號分析儀或者其他測試儀器需要對于信號進行設(shè)置匹配濾波，因此前端應(yīng)該加上相應(yīng)匹配的濾波器，比如Root Rise Cosine或者Rise Cosine。仿真圖形如圖3所示。

應(yīng)該注意的是，這里的擴頻后得頻率是由采樣率決定的，而且前段的采樣率上限會受到后面的濾波器等效模塊采樣率的限制，因此在設(shè)計的時候應(yīng)該多考慮。

3.2 慢跳頻系統(tǒng)發(fā)射機仿真

再以一個采用M-FSK實現(xiàn)跳頻為例。這個跳頻系統(tǒng)發(fā)射機仿真系統(tǒng)采用的原理和上述直接序列擴頻發(fā)射機仿真系統(tǒng)采用的近似，其主要包含兩個部分，即二進制數(shù)據(jù)源和跳頻模塊，其用混頻器實現(xiàn)跳頻。

首先產(chǎn)生一個PN序列，將采樣的時間間隔設(shè)計成1/（M·N）s，然后設(shè)置成按幀輸出，每幀M個碼片，這里采用的M=5，因為最后還是要轉(zhuǎn)化成以采樣為輸出。所以，再使用Frame Conversion模塊轉(zhuǎn)化成為Sample-Based，然后再用Bit to Integer Conversion將每L個碼片轉(zhuǎn)化成一個隨機整數(shù)輸出，作為跳頻載波頻率點的控制信號，這里L(fēng)=5，這個時候跳頻的速率就為M·N/L，然后再通過M-FSK進行跳頻。M-FSK里面，M-array代表調(diào)制元數(shù)，即該模塊將在多少個頻點上輸出跳頻信號；Frequency Seperation代表頻率間隔。按照自己的需要設(shè)置好以后，與二進制數(shù)據(jù)源的輸出混頻即可得到跳頻信號，如圖4所示。

圖3 擴頻前后的波形

圖4 跳頻信號波形圖

圖5 Agilent54855A示波器觀測的擴跳頻圖案

如果要得到快跳，比如每秒速率上千的跳頻發(fā)射機，其實原理類似，只是在跳頻模塊內(nèi)，選擇Signal From Workspace再配合Frame Conversion。如果想得到直接擴頻序列加跳頻的信號發(fā)射機只需要根據(jù)兩者原理作混頻，設(shè)置好采樣和需要的參數(shù)即可。

4 數(shù)據(jù)采集

在實際工程中信號的模擬實現(xiàn)，這里推薦采用任意波發(fā)生器AWG實現(xiàn)信號的方式。Matlab對于數(shù)據(jù)的采集有多種模塊，常使用的是Untitled.mat to File和Simout to Workspace這兩種模塊，根據(jù)不同的情況，這兩種模塊對應(yīng)不同的情況。

對于to File模塊，因為其更多的是以矩陣方式存貯實數(shù)數(shù)據(jù)，所以對于那種需要I，Q兩路輸入的就比較合適，相比to Workspace就比較簡便也比較有針對性。因為最后需要的I，Q兩路輸出，所以，首先要將本來輸出的信號的實部與虛部提取出來。Complex to Real-imag這是一個針對于需要I，Q兩路的模塊，利用此模塊將原本復(fù)數(shù)以實虛兩路提取以后，分別存入abc.mat，abc1.mat兩個文件中，然后點擊兩個文件，即可得到相應(yīng)的兩個矩陣，然后將矩陣中的數(shù)據(jù)提取即可得到I，Q兩路的數(shù)據(jù)。

針對直接可以識別.dat即文本文件的儀器，選用to Workspace模塊相對更簡單，只需要用此模塊提取數(shù)據(jù)以后，將矩陣里數(shù)據(jù)導(dǎo)出，再在Matlab下利用Save X.dat-ascii-double Y，即可將本來存貯數(shù)據(jù)的Y文件轉(zhuǎn)化成X文本文件。

5 信號實現(xiàn)

利用Tektronix AWG7051加載并生成的擴跳頻的波形，在示波器上觀測到的圖形如圖5所示。用矢量信號分析儀觀測信號的調(diào)制質(zhì)量，可以發(fā)現(xiàn)，該信號的EVM值在Simulink生成信號過程中，即使沒有加匹配濾波器時也低于8%，遠遠低于硬件生成的工程信號的10%+。如果在信號采集前端加上一個與矢量信號分析儀選用濾波器匹配的濾波器模塊，則EVM值可以達到1%以前。并且根據(jù)計算，最后生成的信號，其載波的頻率與Simulink頻率無關(guān)，而等于儀器設(shè)置的采樣頻率的1/T（T為AWG的采樣周期）。其擴頻后的寬度以及信源的速率，都是由Simulink設(shè)置的其頻率及其他相關(guān)函數(shù)的倍數(shù)決定，設(shè)此倍數(shù)為k，則得下式：

6 結(jié)束語

在國外利用AWG實現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制信號的產(chǎn)生已經(jīng)相當普遍，但國外儀器公司的專用數(shù)字調(diào)制信號生成軟件不僅價格昂貴而且功能有限，兼容性相當局限。例如Tektronix公司的TekVISA軟件，價格需要1萬美元以上，只能應(yīng)用于其自己公司一些儀器，而且對于復(fù)雜工程信號的調(diào)制信號的實現(xiàn)比較局限，對于其理論的分析也不方便。因此，該文對于此方法在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的前瞻性和指導(dǎo)意義。

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Generation of DS/FH communication signals w ith Simulink and AWG

ZHOU Jing-yu，TIAN Shu-lin
（College of Automation Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Taking the research needs of signal simulation and experimental study into account，the authors try to generate more ideal signals to meet the needs of engineering parameters.According to the idea of signal simulation and realization and the characteristics of frequency-hopping and spread signals，a new method was proposed and implemented to generate extended frequencyhopping communication signals with Simulink and AWG of Matlab software which is relatively great mathematical ability.The Simulink is specially used as the communication components，which is strong and flexible，and the arbitrary waveform generator（AWG） has better overall performance.

communication signal；Simulink simulation；AWG；DS/FH；correlations among the parameters

TP391.9；TN911.72

A

1674-5124（2011）01-0074-03

2009-10-23；

2009-12-28

國防科技工業(yè)計量科研項目（09B227）

周靖宇（1986-），男，碩士研究生，專業(yè)方向為通信及測試。