基于MATLAB的直接序列扩频通信系统性能仿真分析研究

1、文章编号 :1005 7277(2007 03 0039 042007年 第 29卷 第 3期 第 39页电 气 传 动 自 动 化ELECTRIC DRIVE AUTOMATIONVol.29, No.32007, 29(3 :39421引言扩频通信即 扩展频谱通 信 (Spread SpectrumCommunication , 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

2、 ; 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

3、 、 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 1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

4、 , 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 , 最后经基于 MATLAB 的直接序列扩频通信系统性能仿真分析研究张 蕾 1, 郑实勤2(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

5、通信 中图分类号 :TN914.42文献标识码 :BResearch on performance analysis of direct sequence spreadspectrum communication system based on MATLAB simulationZHNAG Lei 1, ZHENG Shi-qin 2(1. College of Information Science and Engineering , Lanzhou University , Lanzhou 730000, China ;2. Tianshui Electric Drive Research

6、 Institute , Tianshui 741018, China Abstract :The theory base and the model of the direct sequence spread spectrum communication technology are presented. The simulation model of the direct sequence spread spectrum communication system is built by using Simulink , which is provided by MATLAB. In add

7、ition , the simulation program is run on the basis of different simulation conditions. Moreover , the relationship between the spread spectrum gain , the module methods , the spread spectrum code and the communication system performance are also studied.Key words :spread spectrum gain ; signal-to-no

8、ise ratio ; error rate ; direct sequence spread spectrum communication信息解调 , 恢复成原始信息输出。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=Blog 2(1+S 其中 :C 为信道容量 (即极限传输速率 , B

9、 为信号 频带宽度 , S 为信号功率 , N 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息。 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G=(S/N ( IN =R d=B d其中 :R s 为扩频码的传输速率 , R d 为信息数据的传 输速率 ,

10、 B s 为扩频码的带宽 , B d 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

11、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-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 TD-SCDMA 系统中得到了广泛

12、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

13、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

14、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 40 电 气 传 动 自 动 化 2007年 第 3 期OVSFPN GOLD WALSH10010-110-210-310-424681012P eSNR图 2不同扩频码进行扩频仿真的误码率曲线QPSK BPSK10010-110-210-310-4012345678P eSNR图 5不同信息调制方式下的误码率曲线G=10G=100G=5010010-110

15、-210-3012345678910P eSNR图 3采用 OVSF 码扩频不同扩频增益仿真的误码率曲线为 QPSK 调制 , 仿真结果如图 2所示。(2 采用 OVSF 码扩频 , QPSK 调制 , 不同扩频 增益下的仿真结果如图 3所示。(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。(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 10, 仿真结果如图5所示。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

16、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

17、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G=10G=100G=5010010-110-210-3012345678910P eSNR图 4采用 PN 序列扩频

18、不同扩频增益仿真的误码率曲线2007年 第 3期 41 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 ,

19、2000.4黄华生 , 蒋 泽 . TD-SCDMA 系统中联合检测的原理和实现 J . 重庆邮电学院学报 , 2001, 13(2 .5李建新 , 刘乃安 , 刘继平 . 现代通信系统分析与仿真 -MAT-LAB 通信工具箱M . 西安 :西安电子科技大学出版社 , 2000.6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 (

20、测控自动化 , 2006, 22(7-1 . 作者简介 :张 蕾 (1982- , 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 DS-CDMA 通信系统的多用户检测问题。 郑实勤 (1970- , 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 :2007-01-15S dm ax =1377.28MVA , S dm

21、in =1319.9MVA可 见 它 们 均 满 足 要 求 即 :110kV 母 线 S dm in =1244MVA , 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 (I 2t

22、参数也必须监测并设置过负荷保护极限值。将起动时参数的实测值与理论计算 值进行对比 :计 算 值 为 :I电 流 有 效 值=10003A (有 效值 ; U 110kV 压 降 =14.6%U e (压降 ; 起动电流 倍数 N=9739=3.7。实测值为 :I 起动 电 流 =9739A (有效值 ;U 110kV 压 降 =13%U e (压 降 ;U 10kV 压 降 =50%U e (压降 ;起动至并网时间 :28s (0 3000r /min 。对比主要参数 , 说明系 统的计算和调配是有效的。4结束语大容量同步电动机直接在线异步起动国内外尚无可借鉴的实例。因此当高压、 大功率同步电动 机需采用变频起动时 , 整体方案设计可以根据本地 电网短路容量的大小 , 考虑实现这种方案的可行性 分析和计算。 为同步电动机在变频起动装置故障状 态下 , 通过这个手段提供电动机起动的急备通道。 对于异步起动期间同步电动机的转子无刷励磁机 旋转部分的保护原理及电机并网投励条件等参数 可参考 中国设备工程 详细介绍。参考文献 :1何新成 . 无刷励磁机特性分析