基于MATLAB的直接序列扩频通信系统性能仿真分析研究.doc

基于MATLAB的直接序列扩频通信系统性能仿真分析研究2007年第29卷电气传动自动化Vo1.29,No.3第3期第39页ELECTRICDRIVEAUTOMATION2007.29(3):3942文章编号:l0o57277(2007)03-oo3904基于MATLAB的直接序列扩频通信系统性能仿真分析研究张蕾,郑实勤(1.兰州大学信息科学与工程学院,甘肃兰州730000;2.天水电气传动研究所,甘肃天水741018)摘要:介绍了直接序列扩频通信的理论基础和模型,并通过MATLAB提供的Simulink仿真平台对直扩通信系统进行了仿真,在不同的条件下运行了仿真系统,研究了扩频增益,调制方式和不同扩频码对系统性能的影响.关键词:扩频增益;信噪比;误码率;直扩通信中图分类号:TN914.42文献标识码: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引言扩频通信即扩展频谱通信(SpreadSpectrumc0mmunicati0n),与光纤通信,卫星通信一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式.简单来说,扩频(调制)是这样一种通信技术:被发射的调制信号在发射到信道之前,被与传输信号无关的伪随机码进行频谱扩展,使之占有的带宽远远超过原有信息所需的带宽;而在接收端,接收信号则被本地伪随机码进行解扩处理,使其频带被缩小相同倍数.在扩频通信中,信息已不再是决定调制信号带宽的一个重要因素,其调制信号的带宽主要由扩频信号来决定.本文用MATLAB对扩频通信中最常用的直扩通信系统进行了仿真,研究了不同的信息调制方式,扩频增益以及扩频码对系统性能产生的影响,并用误码率曲线直观地表现出系统性能,为今后扩频通信系统在各个领域的应用和研究提供了依据.2直接序列扩频通信系统2.1直扩通信系统模型按照扩展频谱的方式不同,现有的扩频通信系统可分为直接序列(DS)扩频,跳频(FH),跳时(TH),线性调频(chirp)以及上述几种方式的组合.本文主要讨论直接序列扩频系统的性能.直接序列扩频就是直接用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱.而在接收端,用相同的扩频码序列去进行解扩,将展宽的扩频信号还原成原始的信息.直扩通信系统原理如图l所示.在发送端输入的信息先经信息调制形成调频或调相数字信号,然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱,再将展宽后的宽带信号调制到射频发送出去.在接收端,接收机接收到宽带射频信号后,首先将其变频至中频,然后通过同步电路捕捉发送来的扩频码的准确相位,由此产生与发送来的伪随机码相位完全一致的接收用的伪随机码,作为扩频解调用的本地扩频码序列,最后经电气传动自动化2007年第3期信息解调,恢复成原始信息输出.图1扩频通信原理图由此可见,直扩通信系统要进行三次调制和相应的解调,分别为信息调制,扩频调制和射频调制,以及相应的信息解调,解扩和射频解调.与一般通信系统比较,扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分.2.2扩频通信的性能分析扩频通信的可行性是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的.信息论中关于信息容量的仙农(Shannon)公式为:C=B10g2(g1+)其中:c为信道容量(即极限传输速率),B为信号频带宽度,s为信号功率,为噪声功率.Shannon公式说明,在给定的传输速率不变的条件下,频带宽度和信噪比P可以互换,即可以通过增加频带宽度,在信噪比较低的情况下传输信.扩展频谱以换取信噪比要求的降低,正是扩频通信的重要特点,并由此为扩频通信的应用奠定了基础.扩频通信的一个重要参数是扩频增益,反映了系统抗干扰能力的强弱,是对信噪比改善程度的度量,定义为接收机相关器输出信噪比和输入信噪比之比,即rs/N)RsBs一(S/N)INRdBd其中:尺为扩频码的传输速率,尺为信息数据的传输速率,为扩频码的带宽,为信息数据的带宽.2.3扩频通信常用的扩频码常用的扩频码主要有PN序列,GOLD序列,WALSH码和OVSF码.PN码即伪噪声序列也称之为伪随机序列,是用确定性方法产生的序列,但它却近似具有随机产生序列所希望的某些关键随机特性.其中最常见的伪随机序列是m序列.GOLD码是m序列的复合码,是由2个码长相等,码时钟速率相同的序列优选对模2构成,每改变2个序列相对位移就可得到一个新的GOLD序列.GOLD序列具有良好的自,互相关特性,且地址数远远大于m序列地址数,结构简单,易于实现,在工程上得到较为广泛的应用.WALSH函数是一种非正弦的完备正交函数系,具有理想的互相关特性,两两之间的互相关函数为0,亦即它们是正交的.因而在码分多址同心中,WALSH函数可以作为地址码使用.在Is一95中,正向传输信道就使用了64阶WALSH函数.OVSF码是一种正交可变扩频因子码,保证在不同时隙上的不同扩频因子的扩频码正交,而在每个时隙上可使用的码的数目不固定,与每个物理信道的数据速率和扩频因子有关.OVSF码在TDSCDMA系统中得到了广泛使用.2.4扩频通信调制方式直扩系统一般采用频率调制(FM)或相位调制(PM)的方式来进行数据调制,在码分多址通信中,其调制多采用BPSK,DPSK,QPSK,MPSK等方式.本文重点分析了在码分多址通信中最常用BPSK(二相移相键控)和QPSK(四相移相键控)调制方式对系统性能的影响.3Simulink简介MATLAB是一种数学应用软件,经过多年的发展,开发了包括通信系统在内的多个工具箱,成为目前科学研究和工程应用最广泛的软件包之一.Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具,是一种基于MATLAB的框图设计环境,是实现动态系统建模,仿真和分析的一个软件包,被广泛应用于线性系统,非线性系统,数字控制及数字信号处理的建模和仿真中.Simulink可以用连续采样时间,离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模,它也支持多速率系统,也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率.为了创建动态系统模型,Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI),这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它提供了一种更快捷,直接明了的方式,而且用户可以立即看到系统的仿真结果.4仿真结果本文利用Simulink对直扩通信系统进行仿真,仿真过程采用了AWGN信道,即加性高斯白噪声信道.信息速率为50b/s,信号功率为1W.具体分以下几个方面进行仿真:(1)采用不同扩频码,扩频增益均为G=10,均2007年第3期张蕾.郑实勤基于MATLAB的直接序列扩频通信系统性能仿真分析研究为QPSK调制,仿真结果如图2所示.SNR冈2不同扩频码进行扩频仿真的误码率曲线(4)采用不同的信息调制方式BPSK和QPSK,扩频码为OVSF码,扩频增益为1O,仿真结果如图5所示.(2)采用OVSF码扩频,QPSK调制,不同扩频图5不同信息调制方式下的误码率曲线增益下的仿真结果如图3所示.SNR图3采用OVSF码扩频不同扩频增益仿真的误码率曲线(3)采用PN序列扩频,QPSK调制,不同增益下的误码率曲线如图4所示.图4采用PN序列扩频不同扩频增益仿真的误码率曲线由以上仿真曲线知,在采用OVSF码扩频,扩频增益不高的情况下,BPSK调制具有比QPSK调制误码率低很多的优点.本文采用的是增加扩频码速率来提高扩频增益,由以上仿真结果可以看出,扩频增益并非完全由扩频码速率决定,扩频码速率也并非越高越好,即扩频码速率在提高到一定情况下,会受到更多客观因素的影响,使得系统性能并非随着扩频码速率的提高而提高.因此,在不同的系统要求下,应选择适当的扩频增益和扩频码速率.采用OVSF码扩频的系统性能最佳,误码率最低,在系统信噪比较低时,PN序列和GOLD序列扩频的系统误码率较高,WALSH码居中;而当系统信噪比增加后,GOLD序列和PN序列扩频的误码率则逐渐降低,WALSH码扩频的性能最差.在实际应用中,也应根据各个系统的不同要求选择不同的扩频码进行扩频.5结论扩频通信以其较强的抗干扰,抗衰落,抗多径性能而成为第三代通信的核心技术,本文阐述了直接序列扩频通信的理论基础和实现方法,并利用MATLAB提供的可视化工具Simulink建立了直扩通信系统的仿真模型.在不同的仿真条件下运行仿真系统,研究了扩频增益,调制方式和不同扩频码对系统误码率的影响.结果表明,在相同误码率下,提高扩频码传输速率来增大扩频增益,可以电气传动自动化2007年第3期在一定范围内提高系统输出端的信噪比,且在相同条件下,QPSK调制比BPSK调制更能提高系统的抗干扰能力,OVSF码则比其它扩频码更有利于降低系统误码率.参考文献:1朱近康.扩展频谱通信及其应用M.北京:中国科学技术大学出版社,1993.2王秉钧,居谧,孙学军,沈保锁.扩频通信M.天津:天津大学出版社,1993.3邬国扬.CDMA数字蜂窝网M.西安:西安电子科技大学出版社,2000.4黄华生,蒋泽.TDSCDMA系统中联合检测的原理和实现J.重庆邮电学院,2001,13(2).5李建新,刘乃安,刘继平.现代通信系统分析与仿真一MAT_LAB通信工具箱M.西安:西安电子科技大学出版社,21)fI()6李颖,朱伯立,张威.Simulink动态系统建模与仿真基础M.西安:西安电子科技大学出版社,2004.7曾兴雯,刘乃安,孙献璞.扩展频谱通信及其多址技术M.西安:西安电子科技大学出版社.2004.8基于MATLAB的扩频通信系统仿真研究J.微计算机信息(测控自动化),2006,22(71).作者简介:张蕾(1982一),女,汉族,在读硕士研究生,2004年毕业于兰州大学信息科学与工程学院,通信工程专业.现为兰州大学信息科学与工程学院通信与信息系统专业硕士研究生.研究方向为DSCDMA通信系统的多用户检测问题.郑实勤(1970一),男,汉族,甘肃天水人,1992年毕业于甘肃省机械工业学校工企自动化专业,毕业后一直在天水电气传动研究所从事电气自动化产品及系统的科研设计和研究开发工作.收稿日期:20070ll5f上接第29页)表2不考虑F.(即停运时)各短路点相关参数计算结果短路点(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(起动)10,32410.26326.32626.17187.7186597表3母线残压计算结果将起动时参数的实测值与理论计算值进行对比:计算值为:,电m=10003A(有效值);U.压降=14.6%(压降);起动电流倍数_-3.7.实测值为:,起动电流=9739A(有效值);Ull0kv压降=l3%(压降);Ulv压降=50%(压降);D短路,C残压E短路,D残压C短路,B残压E起动,C残压E起动,D残压E短路,B残压%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可见它们均满足要求即:110kV母线sl244MVA,110kV母线压降=14.6%(计算约为14%).3起动过程的特性分析同步电动机作异步起动通电瞬间,电机定子电流会产生剧烈冲击,即电机定子端部绕组会受到非常高的电磁力和转矩冲击.因而会导致电机出现过负荷现象,如大量的热量会对电机绝缘产生损伤.另外短时大电流产生的(热)应力对导线和与其相连装置(开关设备,母线导管等)都会造成巨大的影响.因此除了监测重要参数(电机电流,电压,系统电压等)外,电机过负荷(f)参数也必须监测并