李姝儀 ?00101114 ?1404358975@qq.com

摘要：介紹了直接序列擴頻通信的理論基礎和模型,并通過MATLAB提供的Simulink 仿真平臺對直擴通信系統進行了仿真,在不同的條件下運行了仿真系統。

關鍵詞：擴頻增益，信噪比，誤碼率，直擴通信

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 addition,the

simulation program is run on the basis of different simulation

condition.

Keywords:

spread spectrum gain,signal- to- noise ratio,error rate,direct

sequence spread spectrum communication

1.引言

擴展頻譜通信(Spread Spectrum

Communication)，簡稱擴頻通信，與光纖通信、衛星通信一同被譽為進入信息時代的三大高技術通信傳輸方式。擴頻通信是在發端采用擴頻碼調制，使信號所占的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的帶寬，在收端采用相同的擴頻碼進行相關解調來解擴以恢復所傳信息數據。頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列(一般是偽隨機碼)來完成，用編碼及調制的方法來實現的，與所傳信息數據無關。

本文用MATLAB提供的Simulink平臺對擴頻通信中最常用的直擴通信系統進行了仿真。

2 擴頻通信的理論依據：

2.1香農定理

由Shannon定理C = B*Log2(1+S/N)可知：在信道容量C不變的情況下，信號頻帶寬度B與信噪比S/N完全可以互相交換，即可以通過增大傳輸系統的帶寬以在較低信噪比的條件下獲得比較滿意的傳輸質量。擴頻通信就是用寬帶傳輸技術來換取信噪比，這就是擴頻通信的基本思想和理論依據。

2.2擴頻通信的特性與特點：

擴頻是一種數字調制技術，其發送信號的帶寬遠大于所傳信息所需要的帶寬。有許多技術可以使信號的帶寬遠大于最小所需帶寬，例如編碼和調頻，但這些技術不屬于擴頻。擴頻調制有如下幾個特性：

(1)信號帶寬遠大于所傳信息所需要的帶寬；

(2)擴頻調制用擴頻碼(spreading code),擴頻碼獨立于所傳數據；

(3)接收端的解擴使用同步擴頻碼與接收信號進行相關。

擴頻系統的特點有：抗干擾能力強，可進行多址通信，安全保密，數模兼容，抗衰落，抗多徑。

2.3擴頻系統分類

擴頻的實現一般有兩種形式：直接序列(direct

sequence,DS)及跳頻(frequency

hopping,FH)。其中直接序列擴頻系統又稱直接序列調制系統或偽噪聲系統(PN系統)，是目前應用較為廣泛的一種擴展頻譜系統。

2.4直接序列擴頻系統

圖一 直接序列擴頻系統

2.5擴頻增益

擴頻通信的一個重要參數是擴頻增益, 反映了系統抗干擾能力的強弱, 是對信噪比改善程度的度量, 定義為接收機相關器輸出信噪比和輸入信噪比之比, 即

其中: Rs為擴頻碼的傳輸速率, Rd為信息數據的傳輸速率, Bs為擴頻碼的帶寬, Bd為信息數據的帶寬。

2.6 擴頻碼

在擴展頻譜系統中，偽隨機序列起著很重要的作用。在直擴系統中，用偽隨機序列將傳輸信息擴展，在接收時又用它將信號壓縮，并使干擾信號功率擴散，提高了系統的抗干擾能力。

白噪聲是一種隨機過程，瞬時值服從正態分布，有很好的相關性。偽隨機序列是針對白噪聲演化而來的，只有0、1兩種電平。當偽隨機碼足夠長時，由中心極限定理知，它將趨于正態分布。常用的偽隨機碼有PN序列、GOLD序列、WALSH碼和OVSF碼。

2.7 擴頻通信調制方式

直擴系統一般采用頻率調制(FM)或相位調制(PM)的方式來進行數據調制, 在碼分多址通信中,其調制多采用BPSK、DPSK、QPSK、MPSK 等方式。本文重點分析了QPSK(四相移相鍵控)調制方式對系統性能的影響。

3．Simulink 簡介

MATLAB 是一種數學應用軟件, 經過多年的發展, 開發了包括通信系統在內的多個工具箱, 成為目前科學研究和工程應用最廣泛的軟件包之一。Simulink 是MATLAB 中的一種可視化仿真工具, 是一種基于MATLAB 的框圖設計環境, 是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包, 被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simulink 可以用連續采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模, 它也支持多速率系統, 也就是系統中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創建動態系統模型,Simulink 提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口( GUI) , 這個創建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成, 它提供了一種更快捷、直接明了的方式, 而且用戶可以立即看到系統的仿真結果。

4 仿真模型建立

4.1仿真電路圖

基于MATLAB /Simulink 所建立的擴頻通信系統的仿真模型,能夠反映擴頻通信系統的動態工作過程,可進行波形觀察、頻譜分析和性能分析等，同時能根據研究和設計的需要擴展仿真模型，實現以擴頻通信為基礎的現代通信的模擬仿真。

入端口：第一個端口(Tx)接收發送方的輸入信號，第二個端口(Rx)接收接收方的輸入信號。

圖二 Simulink仿真電路圖

(1)信源：貝努利二進制序列產生器(Bernoulli Binary Generator)作為仿真系統的信源，采樣時間0.01s。

(2)擴頻與解擴：PN序列生成器模塊(PN Sequence Generator),擴頻過程通過信息碼與PN 碼進行雙極性變換后相乘加以實現。解擴過程與擴頻過程相同,但是要保持同步。采樣時間0.0005s。

(3)調制與解調：使用QPSK 方式進行調制、解調。用Simulink自帶的調制解調模塊實現。

(4)加擾：傳輸信道為加性高斯白噪聲信道。在加性高斯白噪聲信道模塊中，可進行信號功率和信噪比的設置。在傳輸時人為加上300hz的單頻干擾。

(5)誤碼率：誤碼計算由誤碼儀(Error Rate Calculation)實現，有兩個輸

(6)星座圖：用Discrete-Time Scatter Plot

Scope模塊。觀察通過AWGN信道前后的星座圖。

4.2 仿真條件

數據傳輸率為Ra = 100bps，擴頻碼片速率為Rc =2000chip/s，Rc/Ra = 20，信噪比30dB,采用QPSK調制方式。仿真時間設為2s。 “Bernoulli Binary Generator”產生數據流，其采樣時間設置為0.01 秒，這樣輸出的數據速率為100bps。“PN Sequence Generator”產生偽隨機擴頻序列，其采樣時間設置為0.0005 秒，這樣輸出的碼片速率為2000chip/s。為了使得擴頻模塊(乘法器)上的數據采樣速率相同，需要對數據流進行升速率處理。“Unipolar to Bipolar Converter”完成數據和擴頻序列的雙極性變換。乘法器輸出即為擴頻輸出，其碼速率等于采樣速率，即每個采樣點代表一個碼片。為了使得頻譜觀察范圍達到4KHz，需要被觀察信號的采樣率達到8000次/秒，為此，以升速率模塊配合采樣保持模塊將調制輸出信號采樣率提高到8000次/秒。

5.說明

(1)在擴頻通信建模中，擴頻與解擴使用的PN

碼以及調制和解調所使用的載波必須保持同步，因此要注意偽隨機碼模塊和調制解調模塊的參數設置。

(2)在誤碼率計算中，接收到的信號，由于經過擴頻解擴、調制解調、相關統計等處理，會存在一個延遲，在誤碼儀模塊的對話框中要設置一個合適的延遲。

(3)在發端輸入的信息經過擴頻和數字調制后，實際中還需要射頻調制在發送，在接收端收到的寬帶射頻信號，也需要變頻至中頻，然后再由本地產生的與發端同步的相同的擴頻碼序列去相關解擴，再經數字解調得到原始信號。本次仿真就省去了射頻調制和接收端混頻這兩步。

6. 仿真分析

信源發生器產生的原始基帶信號是一個窄帶信號，由其頻譜可知其帶寬約為100hz。

圖三 原始基帶信號頻譜

當原始基帶信號經QPSK數字調制及擴頻后，如圖可見帶寬約為2khz，被展寬了20倍。

圖四 擴頻后的信號頻譜

在信道中存在各種各樣的干擾和噪聲。干擾指惡意干擾或通信用戶之間的相互干擾等，噪聲則指由多種微小的隨機因素所造成的綜合結果。將擴頻的信號混入300hz的單頻干擾，再通過AWGN信道模擬信號傳輸過程中的干擾和噪聲。當噪聲夠大時，經過信道傳輸并添加單頻干擾后，擴頻信號被淹沒在噪聲和干擾之中。

圖五

加擾并經過AWGN信道后的信號頻譜

在接收端接收到擴頻信號后，用與發端同步的偽隨機序列對擴頻調制信號進行相關解擴，將信號的頻帶恢復為原始基帶信號調制后的頻帶，然后再進行QPSK解調。而對于干擾信號和噪聲，由于和偽隨機序列不相關，在相干解擴器的作用下，相當于進行了一次擴頻。干擾信號和噪聲的頻譜被擴展后，其譜密度降低，這樣就大大降低了進入信號通頻帶內的干擾功率，使解調器輸出的信噪比提高，從而提高了系統的抗干擾能力。

圖六

解擴輸出的信號頻譜

原始基帶信號與擴頻序列：

圖七

原始擴頻信號與擴頻信號(部分)

將原始基帶信號與解擴接收到的擴頻信號對比,擴頻系統較好的完成了信息的傳輸：

圖八

原始基帶信號和接收信號

這是QPSK調制后的星座圖以及經過加擾和噪聲后的星座圖。且信噪比越大，差錯越少，誤碼率越小：

圖九 QPSK星座圖

圖十

加擾和經過AWGN信道后的星座圖

7.總結

擴頻通信最初應用于軍事，主要是因為它能將信號隱藏在背景噪聲下，以及它能抑制窄帶干擾和它不易被對方發現并截獲的特性。在商用方面，擴頻的抗窄帶特性使其常用于無繩電話中。它抵抗ISI即多用戶共享頻帶的特性使其適用于蜂窩系統和無線局域網中。最終，它已經成為第二代、第三代蜂窩系統及第二代無線局域網的技術基礎。

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總結

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