基于SIMULINK直接扩频序列通信系统的设计.doc

石家庄铁道大学四方学院毕业设计 基于 Simulink 直接序列扩频通信系统 设计 Direct Sequence Spread Spectrum Communication Systems Design Based on Simulink 摘 要 直接序列扩频通信系统 DSSS 因其抗干扰性强 隐蔽性好 易于实现码分多址 CDMA 抗多径干扰 直扩通信速率高等众多优点 而被广泛应用于许多领域中 本文设计了一种基于 Simulink 的直接序列扩频通信系统 首先对直接序列扩频 通信系统从应用背景 特点 意义和发展几个方面进行了研究 然后从直接序列扩 频通信系统的基本理论 基本原理 性能和扩频通信系统的同步原理等方面阐述了 直接序列扩频通信系统 并对直接扩频通信系统进行了仿真研究和理论分析 达到 了预期的效果 本文从理论上分析了直接序列扩频通信系统的抗干扰性能 本系统包括信号生成部分 发送部分 接收部分 调制和解调 加扩与解扩五 个部分 并以 BPSK 系统为例 给出了误码率理论分析结果 达到了预期的效果 本文研究的直接序列扩频通信系统 为以后的频谱通信系统打下了基础 关键词 直接序列扩频通信系统 MATLAB 仿真 Simulink 模块仿真 Abstract Direct sequence spread spectrum communication system DSSS because of its strong anti interference easy to conceal and easy to realize code division multiple access CDMA fight multipath interference straight expansion communication rate higher numerous advantages is widely used in many fields This paper introduces a design of Simulink based on the direct sequence spread spectrum communication system First to direct sequence spread spectrum communication system from application background features significance and the development of a research and then from the direct sequence spread spectrum communication system the basic theory of basic principle performance and spread spectrum communication system of synchronous principle this paper describes direct sequence spread spectrum communication system and the directly spread spectrum communication system simulation and theory analysis achieve the expected effect The paper theoretically analyzes the direct sequence spread spectrum communication system of anti jamming performance This system includes signal generation part sending part receiving part modulation and demodulation add expansion and solution expansion of five parts And with BPSK system as an example the theoretical analysis results are ber achieve the expected effect This paper studies the direct sequence spread spectrum communication system for the following spectrum communication system laid a foundation Keywords Direct sequence spread spectrum communication system Simulink MATLAB Simulation 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 直接扩频通信系统的应用背景 1 1 2 直接扩频通信系统的意义 1 1 3 直接扩频通信系统的特点 1 1 4 直接扩频通信系统的发展 3 第 2 章 直接扩频通信系统技术 4 2 1 直接序列扩频基本理论 4 2 1 1 扩频通信的理论基础 4 2 1 2 扩频增益和抗干扰容限 5 2 2 直接序列扩频的基本原理 6 2 3 直接序列扩频的基本原理 9 2 3 1 直扩系统的抗干扰性 9 2 3 2 直扩系统的抗截获性 10 2 3 3 直扩码分多址通信系统 11 2 3 4 直扩系统的抗多径干扰性能 11 2 3 5 直扩测距定时系统 12 2 3 6 扩频序列通信系统的同步原理 12 第 3 章 基于 Simulink 的直接序列扩频通信系统的仿真 14 3 1 直接序列扩频通信系统功能模块的连接及设置 14 3 1 1 功能模块的连接 14 3 1 2 直接序列扩频通信系统功能模块的连接及设置 17 3 2 直接序列扩频通信系统功能的实现 23 3 3 总结 28 第 4 章 直接扩频通信系统性能分析 29 4 1 直接序列扩频系统误码率的仿真 29 4 2 仿真结果分析 31 4 3 结论 32 第 5 章 应用 33 参考文献 34 致谢 35 附录 36 附录 A 外文资料 36 第 1 章 绪 论 1 1 直接扩频通信系统的应用背景 直接序列扩频技术是当今人们所熟知的扩频技术之一 这种技术是将要发送的 信息用伪随机码 PN 码 扩展到一个很宽的频带上去 在接收端 用与发端扩展用的 伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理 恢复出发送的信息 它是二战期间开发的 最初的用途是为军事通信提供安全保障 是美军重要的 无线通信保密技术 这种技术使敌人很难探测到信号 即探测到信号 如果不知道 正确的编码 也不可能将噪声信号重新会变成原始的信号 有关扩频通信技术的观 点是在 1941 年由好莱坞女演员 Hedy Lamarr 和钢琴家 George Antheil 提出的 1 十 九世纪八十年代才引起关注 将它用于敌对环境中的无线通信系统 1 2 直接扩频通信系统的意义 直接扩频解决了短距离数据收发信机如 卫星通信系统 GPS 3G 移动通信系 统 WLAN 和蓝牙技术等应用的关键问题 扩频技术也为提高无线电频率的利用率 提供帮助 直接扩频通信系统具有抗干扰性强 隐蔽性好 易于实现码分多址 抗 多径干扰 直扩通信速率高 有很强的保密性能等优点 2 可见 对直接序列扩频 通信系统的研究具有非常重大的意义 但也有不足 直扩系统除了一般通信系统所 要求的同步以外 还必须完成伪随机码的同步 以便接受机用此同步后的伪随机码 去对接受信号进行相关解扩 所以 设计一个能够克服这些缺点的直接扩频通信系 统相当重要 1 3 直接扩频通信系统的特点 1 直序扩频通信系统的优点 1 抗干扰性强 抗干扰是扩频通信主要特性之一 比如信号扩频宽度为 100 倍 窄带干扰基本 上不起作用 而宽带干扰的强度降低了 100 倍 如要保持原干扰强度 则需加大 100 倍总功率 这实质上是难以实现的 因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处 理才能得到 所以即使以同类型信号进行干扰 在不知道信号的扩频码的情况下 由于不同扩频编码之间的不同的相关性 干扰也不起作用 正因为扩频技术抗干扰 性强 美国军方在海湾战争等处广泛采用扩频技术的无线网桥来连接分布在不同区 域的计算机网络 2 隐蔽性好 因为信号在很宽的频带上被扩展 单位带宽上的功率很小 即信号功率谱密度 很低 信号淹没在白噪声之中 别人难以发现信号的存在 加之不知扩频编码 很 难摄取有用信号 而极低的功率谱密度 也很少对于其他电讯设备构成干扰 3 易于实现码分多址 CDMA 直扩通信占用宽带频谱资源通信 改善了抗干扰能力 是否浪费了频段呢 其 实正相反 扩频通信提高了频带的利用率 正是由于直扩通信要用扩频编码进行扩 频调制发送 而信号接收需要用相同的扩频编码作相关解扩才能得到 这就给频率 复用和多址通信提供了基础 充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性 分配 给不同用户不同的扩频编码 就可以区别不同的用户的信号 众多用户 只要配对 使用自己的扩频编码 就可以互不干扰地同时使用同一频率通信 从而实现了频率 复用 使拥挤的频谱得到充分利用 发送者可用不同的扩频编码 分别向不同的接 收者发送数据 同样 接收者用不同的扩频编码 就可以收到不同的发送者送来的 数据 实现了多址通信 提高了频谱利用率 3 另外 扩频码分多址还易于解决随 时增加新用户的问题 4 抗多径干扰 无线通信中抗多径 发射的信号经多条不同路径传播 干扰一直是难以解决的问 题 利用扩频编码之间的相关特性 在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分 离出最强的有用信号 也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强 从而达到有效的抗多径干扰 5 直扩通信速率高 直扩通信速率可达 2M 8M 11M 无须申请频率资源 建网简单 网络性能 好 6 有很强的保密性能 对于直扩系统而言 射频带宽很宽 谱密度很低 甚至淹没在噪音中 就很难 检查到信号的存在 由于直扩信号的频谱密度很低 直扩系统对其它系统的影响就 很小 2 直扩通信系统的不足 直扩系统除了一般通信系统所要求的同步以外 还必须完成伪随机码的同步 以便接收机用此同步后的伪随机码去对接受信号进行相关解扩 直扩系统随着伪随 机码字的加长 要求的同步精度也就高 因而同步时间就长 1 4 直接扩频通信系统的发展 由于它的抗噪声的特性 直接序列扩频技术非常适合商业应用 在容许无线设 备公开使用的电磁环境里 它对其他传统微波设备造成最小的干扰 同时对附近其 他设备有更高的抗扰性 上世纪 80 年代末 晶体电子技术的先进程度已经足以提供 商用的 成本效益好的直接序列扩频系统 现在直扩技术被广泛应用于包括计算机 无线网等许多领域 扩频技术在发展的初始阶段 就已经实现了理论和技术上的重 大突破 在此后的发展过程中主要是硬件的改善和性能的提高 随着移动通信的迅猛发展 目前 3G 系统由研制开发逐步进入商用并且向第四 代无线多媒体通信飞速发展 根据 ITU 的标准 世界各大电信公司联盟均提出了自 己的第三代移动通信系统方案 虽然第三代移动通信系统的标准差异很大 但采用 码分多址技术已经达成共识 直扩码分多址 由于具备通信容量大 能充分利用话 音的统计特性 平滑的越区切换 通信容量的软特性等优点被作为未来移动通信中 最具竞争力 最有前景的无线多址接入技术 4 无线扩频通信作为另一种有效的补 充通信手段 已在金融系统得到了越来越广泛的应用 发展到现在 扩频技术理论和技术都已趋于完善 主要应从系统的角度考虑总 体性能 且与其它新技术结合应用 因此 应用的驱动一直是扩频技术发展的强大 动力 未来的无线通信系统 如移动通信 无线局域网 全球个人通信等 扩频技 术必将发挥重要作用 随着科技的发展 扩频技术必将获得更加广阔的应用空间 第 2 章 直接扩频通信系统技术 2 1 直接序列扩频基本理论 2 1 1 扩频通信的理论基础 直接序列 DS Direct Sequence 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 在接收端 用相同的扩频码序列去进行解扩 把展宽的 扩频信号还原成原始的信息 人们总是想方设法使信号所占的频谱尽量窄 以获得频率资源利用率的提高 但扩频通信在发送端用扩频码调制 使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的 带宽 在接收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复出所传信息数据 为什么要 用宽频带信号来传输窄带信息呢 主要是为了通信的安全可靠性 这可用信息论和 抗干扰理论的基本观点来说明 根据香农 C E Shannon 在信息论研究中总结出的信道容量公式 香农公式 2 1 1 log2 N S BC 式中 C 信息的传输速率 信道容量 单位 S 信号平均功率 单位 W sb B 频带宽度 单位 Hz N 噪声平均功率 单位 W 5 由式 2 1 中可以看出 为了提高信息的传输速率 C 可以从两种途径实现 即加大带宽 B 或提高信噪 比 换句话说 当信号的传输速率 C 一定时 信号带宽 B 和信噪比是可以NSNS 互换的 即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求 当带宽增加到一定程度 允许 信噪比进一步降低 有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的 扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处 柯捷尔尼可夫在其潜在抗干扰性理论中得到如下关于信息传输差错概率的公式 2 2 0 n E fPe 此公式指出 差错概率是信号能量与噪声功率谱密度之比的函数 设信 e PE o n 息持续时间为 或数字信息的码元宽度为 则信息的带宽为TT m B 2 3 T Bm 1 信号功率 S 为 2 4 T S 1 已调 或已扩频 信号的宽度为 B 则噪声功率为 2 5 BnN 0 将式 2 3 2 4 2 5 代入式 2 2 可得 2 6 m e B B N S fB N ST fP 公式 2 6 指出 差错概率是输入信号与噪声功率之比 和信号带宽与信 e PNS 息带宽之比 二者乘积的函数 信噪比与带宽是可以互换的 它同样指出了 m BB 用增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处 综上所述 将信息带宽扩展 100 倍 甚至用 1000 倍以上的带宽信号来传输信息 就是为了提高通信的抗干扰能力 即在强干扰条件下保证可靠安全的通信 这就是 扩频通信的基本思想和理论依据 2 1 2 扩频增益和抗干扰容限 扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱 在接收端解扩还原了信息 这样 的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限 理论分析表明 各种扩频系统的抗干 扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关 一般把扩频信号带宽 W 与信息 带宽 F 之比称为处理增益 即 P G 2 7 F W GP 式 2 7 表明了扩频系统信噪比改善的程度 除此之外 扩频系统的其他一些性 能也大都与有关 因此 处理增益是扩频系统的一个重要性能指标 P G 系统的抗干扰容限定义如下 j M 2 8 SPj L N S GM 0 式 2 8 中 S N 输出端的信噪比 系统损耗 S L 由此可见 抗干扰容限与扩频处理增益成正比 扩频处理增益提高后 j M P G 抗干扰容限大大提高 甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信 通常的扩频设 备总是将用户信息 待传输信息 的带宽扩展到数十倍 上百倍甚至千倍 以尽可能 地提高处理增益 2 2 直接序列扩频的基本原理 所谓直接序列扩频 DS 就是直接用具有高速率的扩频码序列在发送端去扩展 信号的频谱 而接收端 用相同的扩频码序列进行解扩 把展宽的扩频信号还原成 原始信息 6 图 2 1 示出了直扩通信系统的原理方框图 图 2 1 直扩通信系统的组成框图 信息 信码 m t BPSK 调制 载波PN 码 扩频解调 本地 PN 码 BPSK 解调 本地载波 在发送端输入信息码元 它是二进制数据 图中为 0 1 两个码元 其码元 tm 宽度为 加入扩频解调器 图中为模 2 加法器 扩频码为一个伪随机码 PN 码 b T 记作 伪码的波形如图 2 2 中的第 2 个波形 其码元宽度为 且取 通 tp P T 常在 DS 系统中 伪码的速率远远大于信码速率 即 P R m R mp RR 也就是说 伪码的宽度远远小于信码的宽度 c tm tp t mP RR P T b T 这样才能展宽频谱 模 2 加法器的运算规则可用下式表示 2 9 tptmtc 当与符号相同时 为 0 而当与不同时 则为 1 的 tm tp tc tm tp tc 波形如图 2 2 所示中的第 3 个波形 由图可见 当信码为 0 时 与 tm tc tp 相同 而当信码为 1 时 则为取反既是 显然 包含信码的 tm tm tc tp 其码元宽度已变成了 即已进行了频谱扩展 其扩展处理增益也可用下式表 tc p T 示 2 10 P b P T T Glg10 在一定的情况下 若伪码速率越高 即伪码宽度 码片宽度 越窄 则扩频 b T p T 处理增益越大 经过扩频 还要载频调制 以便信号在信道上有效的传输 图 2 2 中采用二相 相移键控方式 调相器可由环行调制器完成 即将与载频相乘 输出 tctA 1 cos 为 即 1 ts 2 11 tAtcts 11 cos 式 2 11 中 2 12 码当二进制序列为 码当二进制序列为 1 0 1 1 tc 因此 经过扩频和相位调制后的信号为 1 ts 2 13 tA tA ttActs 1 1 11 cos cos cos 由上面讨论可知 经过扩频调制信号可看作只取1 的二进制波形 然后对 tc 载频进行调制 这里是采用调相 BPSK 所谓调制 就是指相乘过程 可采用相乘 器 环行调制器 或平衡调制器 最后得到的是抑制载波双边带振幅调制信号 这 里假定平衡调制器是理想对称 码序列取 1 1 的概率相同 即调制信号无直流 分量 这样平衡调制器输出的已调波中 无载波分量 通过发射机中推动级 1 ts 功放和输出电路加至天线发射出去 通常载波频率较高 或者说载波周期较小 它远小于伪码的周期 即满足 c T p T 但图 2 2 中 4 示出的载波波形 宽度为 这是为了便于看清楚一些 pc TT c T p T 否则要在一个期间内画几十个甚至几百个正弦波 对于 BPSK 来说 主要是看清 p T 楚已调波与调制信号之间的相位关系 图 2 2 中的第 5 个图为已调波的波形 1 ts 这里 当为 1 码时 已调波与载波取反相 而当为 0 码时 取同相 已调波 tc tc 与载波的相位关系如图 2 2 中的第 6 个图所示 接收端的工作原理 假设发射的信号经过信道传输 不出现差错 经过接收机前端电路 包括输入电 路 高频放大器等 输出仍为 这里不考虑信道衰减问题 因为对 PSK 调制 1 ts 信号而言 重要的是相位问题 这里的假定对分析工作原理是不受影响的 相关器 完成相干解调和解扩 接收机中的本振信号频率与载波相差为一个固定的中频 假 定收端的伪码 PN 与发端的 PN 码相同 接收端本地调相情况与发端相似 这里的 调制信号是 即调相器输出信号的相位仅取决于 当 1 时 tp 2 ts tp tp 的相位为 当 0 时 的相位为 0 信号的相位如图 2 2 中 7 2 ts tp 2 ts 2 ts 所示 相关器的作用在这里可等效为对输入相关器的 相位进行模 2 加 对 1 ts 2 ts 二元制的 0 而言 同号模 2 加为 0 异号模 2 加为 因此相关器的输出的中频 相位如图 2 2 中的 8 所示 然后通过中频滤波器 滤除不相关的各种干扰 经解调 恢复出原始信息 这一过程说明了直扩系统的基本原理和它是怎样通过对信号进行扩频与解扩处 理从而获得提高输出信噪比的好处的 它体现了直扩系统的抗干扰能力 2 3 直接序列扩频的基本原理 2 3 1 直扩系统的抗干扰性 直扩系统最早应用是在军事通信中作为很强抗干扰性的通信手段 直扩系统对 窄带干扰 宽带干扰等 都具有抗干扰能力 其抗干扰能力大小就是前面提出的扩 频处理增益 越大 抗干扰能力就越强 下面就来分析直扩系统抗宽带干扰 P G P G 和抗窄带干扰的原理 图 2 3 为直扩系统抗宽带干扰的示意图 这里的宽带干扰是泛指的与扩频信号不相关的 在 CDMA 通信网中 其它用户 的信号就是一种宽带干扰 相关处理前 信号频谱是很宽的 经相关处理后 有用 信息被解扩 其功率谱集中于信息带宽内 而宽带干扰通过相关器 其功率谱密度 基本不变 由于解扩后必然连接窄带滤波器 保证信号能顺利通过 对信号频带之 外的各种干扰起到很大的抑制作用 从而提高了输出的信噪比 解扩后的有 用信号信息 带宽 B A 有用信号干扰 电平 白限热噪 声电平 c R c R 功率频谱 干扰信号 c ff c R f a 接收机输入的信号及干扰的功率谱 b 相关器输出的信号及干扰的功率谱 对单频或窄带干扰 直扩系统有很强的抗干扰能力 图 2 4 a 为解扩前的功率 谱 窄带干扰功率很大 由于干扰与本地扩频码 PN 码 是不相关的 对干扰来说 相关器起到扩展频谱的目的 功率谱密度就大大下降 其中对信号有害的干扰分量 只有落入信息带宽部分 从而抑制了大部分干扰 由于有用信号能顺利通过窄带滤 波器 因此提高了输出的信噪比 A A 解扩后的有用信 号 干扰被扩展频 谱 有用信号 窄带干扰信 号 2 c Rf i f f c f c f a 未解扩的功率谱 b 解扩后的功率谱 图 2 4 直扩系统抗窄带干扰示意图 b 解扩后的功率谱 图 2 3 直扩系统抗宽带干扰的示意图 2 3 2 直扩系统的抗截获性 截获敌方信号的目的在于 1 发现敌方信号的存在 2 确定敌方信号的频率 3 确定敌方发射机的方向 理论分析表明 信号的检测概率与信号能量与噪声功率谱密度之比成正比 与 信号的频带宽度成反比 直扩信号正好具有这两方面的优势 它的功率谱密度很低 单位时间内的能量就很小 同时它的频带很宽 因此 它具有很强的抗截获性 如果满足直扩信号在接收机输入端的功率低于或与外来噪声及接收机本身的热 噪声功率相比拟的条件 则一般接收机发现不了直扩信号的存在 另外 由于直扩 信号的宽频带特性 截获时需要在很宽的频率范围进行搜索和监测 也是困难之一 因此 直扩信号可以用来进行隐藏通信 至于如何发现敌方直扩信号的存在 和弄 清楚其参数 即直扩信号的检测与估值问题 7 2 3 3 直扩码分多址通信系统 多址通信系统指的是许多用户组成的一个通信网 网中任何两个用户都可以通 信 而且许多对用户同时通信时互不不扰 应用直扩系统就很容易组成这样一个多 址通信系统 网 具体的做法是给每一个用户分配一个 PN 码作为地址码 首先 利用直扩信号 中 PN 码的相关特性来区分不同的用户 每个用户只能收到其他用户按其地址码发 来的信号 此时自相关特性出现峰值 可以判别出是有用信号 对于其他用户发来 的别的信号 因 PN 码不同时互相关值很小 不会被解扩出来 其次 利用直扩信 号中频谱扩展 功率谱密度很低的特性 可以有许多用户共用同一宽频带 此时相 互之间干扰很小 可以当作噪声处理 另外 每个用户占用的频宽很窄 相对说来 频谱利用率也是高的 8 实现直扩码分多址通信值得注意的问题有 1 是要选择有优良互相关特性的码 一般多采用有二值或三值相关特性的码作为地址码 同时还需要有一定的数量 Gold 码就可以作为地址码来用 它既有较优良的相关特性 也有足够的数量可供选 2 是要注意克服 远 近 问题 所谓 远一近 问题指的是距离近的用户的信号强 它会干扰距离远的弱信号 的接收 解决的办法是采用自动功率控制 自动调节各用户的发射功率 使达到接 收机时各用户信号功率基本相等 也就是满足接收机输入端等功率的条件 才能正 确地区分有用信号 3 是同时通话的用户数 决定于整个网内的噪声水平 因此 直扩码分多址系统是一种噪声受限的系统 随着用户数的增加 通信质 量逐渐变坏 2 3 4 直扩系统的抗多径干扰性能 多径信道就是发射机和接收机之间电波传播的路径不止一条 例如由于大气层 的反射和折射 以及由于建筑物等对电波的反射都是形成多径信道的原因 不同的 传播路径使电波在幅度上衰减不同 到达时间的延迟也不同 直扩系统能够同步锁定在最强的直达路径的电波上 其它有延迟到达的电波 由于相关解扩的作用 只起到噪声干扰的作用 这就是利用 PN 码的自相关特性 只要延迟超过半个 PN 码时片 其相关值就很小 可作为噪声来对待 另外 如果 采用不同时延的匹配滤波器 把多径信号分离出来 还可以变害为利 将这些多径 信号在相位上对齐相加 起到增加接收信号能量的作用 因此 直扩系统是一种有效的抗多径干扰的通信系统 2 3 5 直扩测距定时系统 直扩系统的发展是从测距开始的 电磁波在空间是以固定的光速传播的 如果 测定了电波传播的时间 也就测定了距离 用直扩信号来测取和定时有独特的优点 当采用一个较长周期的 PN 码序列作 为发射信号 用它于目的地反射回来或转发回来的 PN 码序列的相位进行比较 即 比较两个码序列相差的时片数 就可以看出其时间差 也就能换算出发射机与目的 地之间的距离 不难把码片选得很窄 即码的钟速率很高 则可以高精度的测距与 定时 基本的分辨率即一个码片 此外 有了精确的测距的定时系统 不难形成一个精确的定位系统 按照简单 的几何关系 已知两个点的位置 坐标 和距离 及其在某一平面上分别与第三点的 距离 也就能确定第三点的坐标位置 2 3 6 扩频序列通信系统的同步原理 任何数字通信系统都是离散信号的传输 要求收发两端信号在频率上相同和相 位上一致 才能正确地解调出信息 扩频通信系统也不例外 一个相干扩频数字通 信系统 接收端与发送端必须实现信息码元同步 PN 码码元和序列同步和射频载频 同步 只有实现了这些同步 直扩系统才能正常的工作 可以说没有同步就没有扩 频通信系统 同步系统是扩频通信的关键技术 信息码元时钟可以和 PN 码元时钟联系起来 有固定的关系 一个实现了同步 另一个自然也就同步了 对于载频同步来说 主 要是针对相干解调的相位同步而言 常见的载频提取和跟踪的方法都可采用 例如 用跟踪锁相环来实现载频同步 因此 这里我们只需讨论 PN 码码元和序列的同步 一般说来 在发射机和接收机中采用精确的频率源 可以去掉大部分频率和相 位的不确定性 但引起不确定性的因素如下 1 收发信机的距离引起传播的延迟产生的相位差 2 收发信机相对不稳定性引起的频差 3 收发信机相对运动引起的多普勒频移 4 以及多径传播也会影响中心频率的改变 因此 只靠提高频率源的稳定度是不够的 需要采取进一步提高同步速率和精 度的方法 同步系统的作用就是要实现本地产生的 PN 码与接收到的信号中的 PN 码同步 即频率上相同 相位上一致 9 同步过程一般说来包含两个阶段 1 接收机在一开始并不知道对方是否发送了信号 因此 需要有一个搜捕过程 即在一定的频率和时间范围内搜索和捕获用信号 这一阶段也称为起始同步或粗同 步 也就是要把对方发来的信号与本地信号在相位之差纳入同步保持范围内 即在 PN 码一个时片内 2 一旦完成这一阶段后 则进入跟踪过程 即继续保持同步 不因外界影响而 失去同步 也就是说 无论由于何种因素两端的频率和相位发生偏移 同步系统能 加以调整 使收发信号仍然保持同步 如果由于采种原因引起失步 则重新开始新的一轮搜捕和跟踪过程 因此 整 个同步过程是包含搜捕和跟踪两个阶段闭环的自动控制和调整过程 图 2 5 为同步系统搜捕和跟踪原理图 图中接收到的信号经宽带滤波器后 在 乘法器中与本地 PN 码进行相关运算 此时搜捕器件 调整压控钟源 调整 PN 码发 生器产生的本地脉序列伪重复频率和相位 以搜捕有用信号 一旦捕获到有用信号 后 则起动跟踪器件 由其调整压控钟源 使本地 PN 码发生器与外来信号保持同 步 接收信号 图 2 5 同步系统搜捕和跟踪原理图 输出 出 宽带滤波 器 码跟踪器 PN 码发生 器 压控钟源 搜捕器件 解调器 第 3 章 基于 Simulink 的直接序列扩频通信系统的仿真 3 1 直接序列扩频通信系统功能模块的连接及设置 3 1 1 功能模块的连接 根据仿真系统框图 用鼠标点击并移动所需功能模块到合适的位置 将鼠标移 到有关功能模块的输出端 有一个向外的箭头 选中该输出端并移动鼠标到另 个 功能模块的输入端 有 个向内的箭头 移动时出现虚线 到达所需输入端时 释 放鼠标左键 相应的连接线出现 表示该连接已完成 重复上述连接过程 直到完 成全部连接 组成仿真系统 1 连接时 应注意下列几点 1 从功能模块输出端连接到另一功能模块的输入端 也可从一个功能模块输入 端反向连接到另一个功能模块的输出端 2 一个输出端连接多个输入端时 可采用从 个功能模块输入端连接到另一个 功能模块输出端的方法 或直接与该功能模块输出端的引出线连接 在连接时 可 在连接线交点处按下 Shift 键 再释放鼠标左键 3 移动连接线位置的方法是 选中连接线 在连接线的各转角处出现小方块 鼠标选中所需方块 拖动到合适位置后释放鼠标左键 4 增加连接线转折点的方法是 选中连接线 鼠标移到所需增加转折点处 按 下 Shift 键 点击鼠标左键 移动转折点到所需位置 5 连接线的复制 粘贴和剪切等操作方法与 Windows 对应的操作方法相同 2 功能模块的参数设置 使用者需设置功能模块参数后 方可进行仿真操作 不同功能模块的参数是不 相同的 用鼠标双击该功能模块自动弹出相应的参数设置对话框 图 3 1 传递函数模型参数设置对话框 例如 图 3 1 是传递函数模型功能模块的对话框 功能模块对话框由功能模块 说明和参数设置框组成 功能模块说明框用于说明该功能模块使用方法和功能 参 数框用于设置该功能模块的参数 例如传递函数参数框由分子和分母多项式两个编 辑框组成 在分子多项式框中 用户可输入系统模型的分子多项式 在分母多项式 框中 输入系统模型的分母多项式等 10 设置功能模块的参数后 点击 OK 软键进 行确认 将设置参数送仿真操作画面 并关闭对话框 3 仿真系统操作参数设置 在仿真操作前 应设置仿真操作的参数 包括仿真器参数和示波器参数的设置 1 仿真器参数设置 点击图 3 1 操作画面 Simulation 下拉式菜单 Simulation Parameters 选项 弹出如图 3 2 所示的仿真参数设置画面 共有解算器 Solver 工作空间输人输出 Workspace I O 诊断 Diagnostics 高级属性 Advanced 和实时工作室 Real Time Workshop 等 5 个页面 图 3 2 仿真器参数设置对话框 解算器页面用于设置仿真开始和终止时间 解算器类型 定步长和变步长两类 和具体的解算算法 最大最小步长和初始步长 容许误差 相对和绝对误差 输出 方式和精细因子设置等 通常 仿真操作时可根据仿真曲线设置终止时间和最大步 长 以便得到较光滑的输出曲线 工作空间输入输出页面用于将仿真操作窗口的仿真结果送 写 到 MATLAB 工 作空间 或将数据从工作空间读到仿真操作窗口 诊断页面用于对仿真中出现的异 常情况进行诊断 高级属性页面用于模型参数的在线组态和优化操作 实时工作室 页面用于设置系统目标文件 暂存构成文件和构成命令 建立目录等 11 2 示波器参数设置 当采用示波器显示仿真曲线时 需对示波器参数进行设置 示波器有单踪和双 踪示波器两种 单踪示波器指显示输入信号 可以有多个输入信号 与时间关系的设 备 双踪示波器指显示两个输入信号之间关系的设备 1 单踪示波器参数设置操作 点击已存在的示波器 弹出如图 3 3 所示的单踪 示波器显示画面 点击画面的图标 弹出如图 3 4 所示的示波器属性对话框 分 2 个页面 用于设置显示坐标窗口数 显示时间范围 标记和显示频率或采样时 间等 时间范围应与仿真器终止时间一致 以便最大限度显示仿真操作数据 鼠标 右键点击示波器显示窗口 从弹出菜单选择 Autoscale 或直接点击图标 可在响应曲线显示后自动调整纵坐标范围 从弹出的菜单选择 Save current axes settings 或直接点击图标 将当前坐标轴范围的设置数据存储 此外 还有 打印和对 X Y 或同时放大或恢复等操作 2 双踪示波器参数设置操作 双踪示波器的参数即该功能模块的参数 有 X 和 Y 坐标的范围和采样时间设置 图 3 3 单踪示波器显示 画面 图 3 4 单踪示波器属性对话框 3 1 2 直接序列扩频通信系统功能模块的连接及设置 在 MATLAB 中 用于通信系统仿真的模块主要由两大部分构成 通用仿真模 块和专用仿真模块 它们分别属于标准仿真子模块库和通信子模块库 一个典型的 Simulink 模块由信源 系统及信宿等三部分组成 他们的关系如图 3 5 所示 信源系统信宿 图 3 5 Simulink 模型的典型结构 信源提供系统的输入信号 如常量 正弦波 方波等 系统是对仿真对象的数 学抽象 比如是连续线性系统 还是非连续线性系统 对输入信号进行求和 还是 对输入信号进行了一次调制 信宿是接收信号的部分 用户可以把它送到示波器中 显示出来 或者保存到相应的 mat 文件 通信系统仿真的基本步骤如下 1 建立数学模型 根据通信系统的基本原理 将整个系统简化到源系统 确定 总的系统功能 并将各部分功能模块化 找出各部分之间的关系 画出系统流程框 图模型 2 仿真系统 根据建立的模型 从 SIMULINK 通信模型库 MATLAB 所提供 的 Communication Toolbox SIMULINK Block Library 的各个子库中 将所需要的单 元功能模块拷贝到 Untitled 窗口 按系统流程框图模型连接 组建要仿真的通信系 统模型 3 设置 调整参数 参数设置包括运行系统参数设置 如系统运行时间 采样速 率等 和功能模块运行参数设置 正弦信号的频率 幅度 初相 低通滤波器的截至 频率 通带增益 阻带衰减等 4 置观察窗口 分析仿真数据和波形 在系统模型的关键点处设置观测输出模 块 用于观测仿真系统的运行情况 以便及时调整参数 分析结果 5 生成新的模块 对于 Communication Toolbox 中没有的功能模块 可以根据 已掌握的技术生成所需新的子模块 例如由 C 或 Fortran 编写 MEX 文件 编译成 DLL 后利用 SIMULINK 提供的封装 Masking 功能封装或自定义模块库 以便随时 调用 下面就对直接序列扩频通信系统里的扩频与解扩 BPSK 调制 编码信道 AWGN 信道进行了 Simulink 模块仿真 用到的主要模块如图 3 6 所示 图 3 6 仿真用到的主要模块 1 Scope 将输入信号在示波器中显示出来 扩频后的信息 PN 码序列 用户信息 图 3 7 扩频框图 2 Display 将输入信号以数字的形式显示出来 3 Error Rate Calculation 计算输入信号的比特或符号错误率 4 AWGN channel AWGN 信道 5 PN Sequence Generator 生成 PN 序列 6 Bernoulli Binary Generator 生成 Bernoulli 分部二进制数 7 BPSK Demodulator Basband BPSK 解调 8 BPSK Modulator Basband BPSK 调制 1 扩频与解扩的 Simulink 仿真图 扩频模块包括伪随机码生成和相关运算两个部分 不同的伪随机码表示着不同 的扩频方式 常用的伪随机码有 m 序列 最大长度移位寄存器序列 Gold 码序列等 在直序扩频序列通信系统中 每一用户都分配到一固定的 PN 序列 用户之间的 PN 序列都是互为正交的 以使得每一用户不受到其他用户的干扰 扩频的过程可以简 而言之为在发送端用 PN 码序列将载有信息的信号扩频到某个较宽的带宽上 然后 在信道上进行传输 解扩过程与扩频过程完全相同 也是将输入解扩模块的信号用伪随机码进行扩 频处理 同时 要求接收端解扩频用的伪随机码与发送端扩频用的伪随机码不仅码 字相同 而且相位相同 否则 将会导致期望用户的信号自身相互抵消 解扩处理将扩频后的信号压缩到信息频带内 由宽带信号恢复为窄带信号 同 时 解扩处理的结果也扩展了干扰信号 降低了干扰信号的功率谱密度 使之进入 到信息频带内的功率下降 从而使系统获得处理增益 提高了系统的抗干扰能力 图 3 7 是用户信息被扩展的框图 图 3 8 是扩频的仿真模型 图中一个随机序列与 PN 码序列异或相乘得一个新 的序列 使随机序列的频谱被扩展 图 3 9 的第一个波形输入的随机信号的波形 第二个波形是扩频后的波形 第三个波形是生成的 PN 码序列的波形 图 3 8 扩频仿真模型 图 3 9 输出的 PN 码扩频波形图 2 BPSK 调制的 Simulink 仿真图 BPSK 是二进制相移键控 在二进制数字调制中 当正弦载波相位随二进制数 字基带信号离散变化时 则产生 BPSK 信号 通常用已调信号载波的 0 和 180 分 别表示二进制数字基带信号的 1 和 0 理想的 BPSK 调制可使载波相位瞬时变化 180 BPSK 信号的调制原理图如图 3 10 所示 ebpsk t 开关电路 S t cos ct 180 移 相 图 3 10 BPSK 调制原理图 BPSK 信号的解调通常都是采用相干解 调 解调器原理图如图 3 11 所示 在相干 解调过程中需要用到与接收到的 BPSK 信号 同频同相的相干波 图 3 12 是 BPSK 调制与解调框图 图 3 13 是 BPSK 调制与解调的 Simulink 模型 3 14 是 信源输入的随机数字信息的波形 图 3 15 是随机数字信息经 BPSK 调制后的频谱图 随机数字信息输出信息BPSK 解调信道BPSK 调制 图 3 12 BPSK 调制与解调框图 图 3 13 BPSK 调制与解调模型 cos ct 相乘器 输出ebpsk t 图 3 11 BPSK 解调原理图 图 3 14 信源产生的随机序列 图 3 15 BPSK 调制仿真频谱图 3 编码信道的 Simulink 仿真图 在数字通信系统中 编码器的输出是某一数字序列 而译码器输入同样也是一 数字序列 它们在一般情况下是相同的数字序列 因此 从编码器输出端到译码器 输入端的所有转换器及传输媒质可用一个完成数字序列变换的方框加以概括 这个 方框就称为编码信道 如图 3 16 所示 本设计中采用 AWGN 作为编码信道 所谓 AWGN 信道 是指信号在信道中传输时加入了高斯白噪声 如图 3 17 的仿真波形 中第一个图形为输入信息 第二个波形为加入高斯白噪声后的波形 图 3 16 AWGN 信道仿真 图 3 17 通过 AWGN 信道输出前和输出后的波形 3 2 直接序列扩频通信系统功能的实现 假设该系统以 BPSK 方式调制 数据传输率为 100bps 扩频码片速率为 2000 信号通过 AGWN 信道后受到了频率为 200Hz 的正弦信号的干扰 建立系schip 统模型并观察各个阶段信号的波形与频谱 测试传输信号的误码率 发射端的仿真模型如图 3 18 所示 图 3 18 发射端仿真模型 在上面的模型中 Bernoulli Binary Generator 即伯努力二进制发生器 产生的数据 流相当于信源 其采样时间 sample time 设置为 1 100 即数据流的传输速率为 100bps PN Sequence Generator 用于产生 PN 序列 设置其采样时间 sample time 为 1 2000 即扩频码片速率为 2000chip s 由于相乘时数据流的传输速率要与扩频 码片序列相同 因此可用 Rate Transition 提升数据流的传输速率 将其 out put sample time 设置为 1 2000 Unipolar to Bipolar Converter 模块用于将单极性码变为双 极性码 Bipolar to Unipolar Converter 则刚好相反 乘法器输出的就是扩频序列 通 过示波器 Scope1 可以观察原信息序列 PN 序列和扩频序列 为了方便观察原来信 号和扩频后信号的频谱变化 我们希望频谱观察范围达到 8kHz 需要被观察信号的 采样率达到 16000 次 s 因此在模型中使用 Rate Transition 模块是需要观测的信号的 采样率达到 16000 次 s 图 3 19 原数据信号的频谱 图 2 20 扩频信号的频谱 图 3 21 三路信号的时域波形 接收端的仿真模型如图 3 22 所示 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 伪 BPSK伪 伪 Unipolar to Bipolar Converter Unipolar to Bipolar Converter3 Unipolar to Bipolar Converter Unipolar to Bipolar Converter Unipolar to Bipolar Converter Unipolar to Bipolar Converter B FFT Spectrum Scope伪 伪 伪 伪 B FFT Spectrum Scope2伪 伪 伪 伪 B FFT Spectrum Scope1伪 伪 伪 伪 Sine Wave 伪 伪 伪 伪 伪 Scope1 Scope 1 z Rate Transition3 1 z Rate Transition2 1 z Rate Transition1 1 z Rate Transition Product1 伪 伪 Product 伪 伪 PN Sequence Generator PN Sequence Generator1 PN Sequence Generator PN Sequence Generator z 2 Integer Delay Error Rate Calculation Tx Rx 0 02178 12 551 Bipolar to Unipolar Converter Bipolar to Unipolar Converter Bernoulli Binary Bernoulli Binary Generator BPSK BPSK Modulator Baseband BPSK BPSK Demodulator Baseband1 AWGN AWGN Channel 图 3 22 接收端仿真模型 其中从解扩开始为接收端 AWGN 为高斯白噪声信道 设置其噪声的均值为 10 正弦信号发生器产生频率为 200Hz 的单频干扰 PN Sequence Generator 为本地 PN 序列 是与发射机中的 PN 序列完全相同