直接序列擴頻系統(tǒng)的SIMULINK仿真—通信工程課程設計

移動通信 課程設計報告 題 目 直接序列擴頻系統(tǒng)的 SIMULINK仿真 學 院 電子信息工程學院 專 業(yè) 通信工程 學生姓名 學 號 年級 指導教師 職稱 講 師 二〇一四年一月三日 直接序列擴頻系統(tǒng)的SIMULINK仿真 摘要：本文介紹了直接序列擴頻通信技術，利用Matlab/Simulink對直接序列擴頻系統(tǒng)進行了仿真，并對仿真結果做了詳細的講解分析。同時為了方便理解也對其原理進行了相關的說明，做到每個環(huán)節(jié)每個步驟都透徹明了。本文也做了基于Simulink的發(fā)射機的仿真， Simulink的接收機的仿真，也介紹了在加入干擾后擴頻通信仿真。讀者可以通過對本文的閱讀對直接序列擴頻的相關原理有一定的了解，同時也會了解到直接序列擴頻系統(tǒng)的各種應用其中最重要的是可以用來抗干擾，從而提高通信性能。 關鍵字： 擴頻通信；SIMULINK；直接序列擴頻 目錄 第1章 緒論 1 1.1 擴頻通信的應用及仿真的意義 1 1.2 擴頻通信的背景 1 1.4 擴頻通信主要特點 2 第2章 MATLAB/SIMULINK簡介 3 2.1 Matlab的簡介 3 2.2 Simulink的簡介 3 第3章 直接序列擴頻的原理 5 3.1 擴頻通信的定義 5 3.2 擴頻通信的分類 5 3.3 直接序列擴頻的定義與原理 5 3.4 直接序列擴頻通信技術特點： 7 第4章 基于Simulink的發(fā)射機的仿真設計 9 4.1 直接序列擴頻通信系統(tǒng)發(fā)射機的設計 9 4.2 直接序列擴頻通信系統(tǒng)接收機的設計 9 第5章 仿真的系統(tǒng)與結果 12 5.1 基于Simulink的發(fā)射機的仿真 12 5.2 基于Simulink的接收機的仿真 14 5.3 直接序列擴頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能分析 17 第6章 結束語 20 參考文獻 21 II 成都學院（成都大學）課程設計報告 第1章 緒論 1.1 擴頻通信的應用及仿真的意義 目前，我國電網(wǎng)中應用的通信方式主要有明線、電力線載波、電纜和新興起的一點多址微波等。然而，在傳輸遠動數(shù)據(jù)及通信方面，卻顯不足，可靠性、適用性差，甚至投資很高(如光纖)，縣級電力企業(yè)難以承受。 由于無線擴頻通信技術傳輸方式獨特，抗干擾性強，保密性好，數(shù)據(jù)傳輸速率高，傳輸距離遠，維護簡便，數(shù)、話并傳互不影響，可在無呼損條件下提供足夠電網(wǎng)需用的數(shù)字電話和數(shù)字傳輸通道，對遠動數(shù)據(jù)傳輸可直接用數(shù)字接口(不需調制解調器)，誤碼率低(達到10-12)；另外，其使用的低功率無線頻率不需要許可證，所以深受電力用戶青睞。 隨著信息技術的發(fā)展，通信技術變得越來越復雜，技術更新的周期也越來越短。對于大部分學者，特別是我們學生來說，在學習通信技術時，若對每一個系統(tǒng)都要實體研究是不現(xiàn)實的。此時通信系統(tǒng)仿真對我們來說可以說是必不可少的。通過建立相應的通信系統(tǒng)的模型，對其進行仿真，可以使我們把瑣碎的知識聯(lián)系在一起，形成一個個通信系統(tǒng)的概念，可以讓我們對各個知識點的原理有更加深刻的理解和掌握。 1.2 擴頻通信的背景 擴展頻譜通信是建立在Claude E．Shannon的信息論基礎之上的一種新型的通信體制。由于擴頻通信體制具有抗干擾能力強、截獲率低、碼分多址、信號隱蔽、測距和易于組網(wǎng)等一系列優(yōu)點，自從問世之后便引起了世界各國的極大關注，并率先應用在軍事通信中。隨著近年來大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微處理器技的廣泛應用，以及一些新型器件的應用，擴頻技術的應用形成了新的高潮。事實上，擴頻通信已成為電子對抗環(huán)境下提高通信設備抗干擾能力的最有效的手段，并在近十幾年來爆發(fā)的幾場現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中發(fā)揮了巨大的威力。隨著CDMA擴頻通信技術在民用通信中的深入應用和不斷滲透，以及在衛(wèi)星通信、深空通信、武器制導、GPS全球定位系統(tǒng)和跳頻通信等民用和國防民事通信的強烈需求下，擴譜通信的地位越來越重要了。 1.3直接序列擴頻通信原理理論 直接序列擴頻（DSSS）是直接利用具有高碼率的擴頻碼系列采用各種調制方式在發(fā)端與擴展信號的頻譜，而在收端，用相同的擴頻碼序去進行解擴，把擴展寬的擴頻信號還原成原始的信息。它是一種數(shù)字調制方法，具體說，就是將信源與一定的PN碼（偽噪聲碼）進行摸二加。例如說在發(fā)射端將"1"用11000100110，而將"0"用00110010110去代替，這個過程就實現(xiàn)了擴頻，而在接收機處只要把收到的序列是11000100110就恢復成"1"是00110010110就恢復成"0"，這就是解擴。這樣信源速率就被提高了11倍，同時也使處理增益達到 10DB以上，從而有效地提高了整機倍噪比。 1.4 擴頻通信主要特點 由于擴頻通信能大大擴展信號的頻譜，發(fā)端用擴頻碼序列進行擴頻調制，以及在收端用相關解調技術，使其具有許多窄帶通信難于替代的優(yōu)良性能，主要有以下幾項特點： （1）重復使用頻率。提高了無線頻譜利用率 無線頻譜十分寶貴，雖然從長波到微波都得到開發(fā)利用，仍然滿足不了社會的需求。在窄帶通信中，主要依靠波道劃分來防止信道之間發(fā)生干擾。擴頻通信發(fā)送功率極低(1—65Om) ，采用了相關接收技術，且可工作在信道噪聲和熱噪聲背景中，易于在同一地區(qū)重復使用同一頻率，也可與現(xiàn)今各種窄帶通信共享同一頻率資源。 （2） 抗干擾性強。誤碼率低 擴頻通信在空間傳輸時所占有的帶寬相對較寬，而收端又采用相關檢測的辦法來解擴，使有用寬帶信息信號恢復成窄帶信號，而把非所需信號擴展成寬帶信號，然后通過窄帶濾波技術提取有用的信號。這樣，對于各種干擾信號，因其在收端的非相關性，解擴后窄帶信號中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干擾性強。 （3）隱蔽性好 對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小由于擴頻信號在相對較寬的頻帶上被擴展了，單位頻帶內的功率很小，信號湮沒在噪聲里，一般不容易被發(fā)現(xiàn)，而想進一步檢測信號的參數(shù)(如偽隨機編碼序列)就更加困難，因此說其隱蔽性好。 第2章 MATLAB/SIMULINK簡介 2.1 Matlab的簡介 美國Mathworks公司于1967年推出了矩陣實驗室“Matrix Laboratory”（縮寫為Matlab）這就是Matlab最早的雛形。Matlab是一種解釋性執(zhí)行語言，具有強大的計算、仿真、繪圖等功能。由于它使用簡單，擴充方便，尤其是世界上有成千上萬的不同領域的科研工作者不停的在自己的科研過程中擴充Matlab的功能，使其成為了巨大的知識寶庫?？梢院敛豢鋸埖恼f，如果你想真正理解了一個工具箱，那么就是要理解一門非常重要的科學知識?？蒲泄ぷ髡咄ǔ？梢酝ㄟ^Matlab來學習某個領域的科學知識，這就是Matlab真正在全世界推廣開來的原因。目前的Matlab版本已經(jīng)可以方便的設計漂亮的界面，它可以像VB等語言一樣設計漂亮的用戶接口，同時因為有最豐富的函數(shù)庫（工具箱），所以計算的功能實現(xiàn)也很簡單，進一步受到了科研工作者的歡迎。另外，,Matlab和其他高級語言也具有良好的接口，可以方便的實現(xiàn)與其他語言的混合編程，進一步拓寬了Matlab的應用潛力。可以說，Matlab已經(jīng)也很有必要成為大學生的必修課之一，掌握這門工具對學習各門學科有非常重要的推進作用。 2.2 Simulink的簡介 Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，也是目前在動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等方面應用最廣泛的工具之一 。確切的說，Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)、離散時間模型，或者是兩者的混合。系統(tǒng)還可以使多種采樣頻率的系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進程的。 Simulink工作環(huán)境經(jīng)過幾年的發(fā)展，已經(jīng)成為學術和工業(yè)界用來建模和仿真的主流工具包。在Simulink環(huán)境中，它為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口，采用這種結構畫模型圖就如同用手在紙上畫模型一樣自如、方便，故用戶只需進行簡單的點擊和拖動就能完成建模，并可直接進行系統(tǒng)的仿真，快速的得到仿真結果。它的主要特點在于： （1）建模方便、快捷；（2）易于進行模型分析；（3）優(yōu)越的仿真性能。 它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。Simulink模塊庫（或函數(shù)庫）包含有Sinks（輸出方式）、Sources（輸入源）、Linear（線性環(huán)節(jié)）、Nonlinear（非線性環(huán)節(jié)）、Connection（連接與接口）和Extra（其他環(huán)節(jié)）等具有不同功能或函數(shù)運算的Simulink庫模塊（或庫函數(shù)），而且每個子模型庫中包含有相應的功能模塊，用戶還可以根據(jù)需要定制和創(chuàng)建自己的模塊。用Simulink創(chuàng)建的模型可以具有遞階結構，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結構創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型，然后用鼠標雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級的內容，以此類推，從而可以看到整個模型的細節(jié)，幫助用戶理解模型的結構和各模塊之間的相互關系。在定義完一個模型后，用戶可以通過Simulink的菜單或MATLAB的命令窗口鍵入命令來對它進行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運行仿真的批處理非常有用。采用Scope模塊和其他的顯示模塊，可以在仿真進行的同時就可立即觀看到仿真結果，若改變模塊的參數(shù)并再次運行即可觀察到相應的結果，這適用于因果關系的問題研究。仿真的結果還可以存放到MATLAB的工作空間里做事后處理。模型分析工具包括線性化和整理工具，MATLAB的所有工具及Simulink本身的應用工具箱都包含這些工具。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對自己的模型進行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脫離MATLAB而獨立工作。 第3章 直接序列擴頻的原理 3.1 擴頻通信的定義 擴頻通信，即擴展頻譜通信(Spread Spectrum Communication)是將待傳送的信息數(shù)據(jù)用偽隨機編碼(擴頻序列：Spread Sequence)調制，實現(xiàn)頻譜擴展后再傳輸而接收端則采用相同的編碼進行解調及相關處理，恢復原始信息數(shù)據(jù)。擴頻通信具有抗干擾能力強、抗噪聲、保密性強、功率譜密度低，具有隱蔽性和較低的截獲概率、可多址復用和任意選址、高精度測量等優(yōu)點。 3.2 擴頻通信的分類 根據(jù)擴展頻譜方式的不同，可以將擴頻通信系統(tǒng)分為直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum)工作方式，簡稱直擴(DS)方式；跳變頻率(Frequency Hopping)工作方式，簡稱跳頻(FH)方式；跳變時間(Time Hopping)工作方式，簡稱跳時(TH)方式；寬帶線性調頻(Chirp Modulation)工作方式，簡稱Chirp方式和各種混合方式。 3.3 直接序列擴頻的定義與原理 直接序列擴頻（DSSS），（Direct seqcuence spread spectrdm）是直接利用具有高碼率的擴頻碼系列采用各種調制方式在發(fā)端與擴展信號的頻譜，而在收端，用相同的擴頻碼序去進行解碼，把擴展寬的擴頻信號還原成原始的信息。它是一種數(shù)字調制方法，具體說，就是將信源與一定的PN碼（偽噪聲碼）進行摸二加。例如說在發(fā)射端將“1”用11000100110，而將“0”用00110010110去代替，這個過程就實現(xiàn)了擴頻，而在接收機處只要把收到的序列是11000100110就恢復成“1”是00110010110就恢復成“0”，這就是解擴。這樣信源速率就被提高了11倍，同時也使處理增益達到10dB以上，從而有效地提高了整機倍噪比。 假設信源序列對應的雙極性波形為a(t)，其電平取值為±1 ，碼元速率為Rabps，碼元寬度為Ta=1/Ra/秒。擴頻所使用的偽隨機序列c(t)也是電平取值為±1 的雙極性波形，偽隨機序列（PN序列）的碼元也稱為碼片（chip），碼片速率設為Rcchip/s，對應的碼片寬度就是Tc=1/Rc/秒。對于雙極性波形而言，擴頻過程等價于數(shù)據(jù)流a(t)與偽隨機序列c(t)相乘的過程，擴頻輸出序列設為d(t)，也是取值為±1 的雙極性波形，其速率等于碼片速率。擴頻序列經(jīng)過調制后得到調制輸出信號s(t)送入信道。對于BPSK調制，發(fā)送的信號就相當于是數(shù)據(jù)流與偽隨機序列相乘后再乘于一個高頻的余弦信號。在接收端，接收到的信號中有包含了有用信號s(t)及各種干擾J(t)和噪聲n(t)。由于接收端采用相關解擴，即將s(t)J(t)n(t)和本地PN序列c(t)相乘，只有有用信號的頻譜能夠被還原為窄帶信號，其他的噪聲和干擾的頻譜只會被展寬，當信號通過窄帶濾波器后只有一小部分被展寬了的頻譜會混進有用信號中，由此大大增強了其抗干擾的能力。 直接序列擴頻（direct sequence spread spectrum）直接用具有高碼片（chip）速率的擴頻碼序列去擴展數(shù)字信號的頻譜。簡稱直擴（DS）。在接收端，用相同的擴頻碼序列將頻譜展寬的擴頻信號還原成原始信號。 圖3-1 直接序列擴頻通信系統(tǒng)的原理框圖 圖3-1是直接序列擴頻通信系統(tǒng)的原理框圖。欲傳輸?shù)臄?shù)字信號與碼片速率很高的擴頻碼進行調制，其輸出為頻譜帶寬被擴展的信號，這個過程稱為擴頻。擴展頻譜信號再變換為射頻信號發(fā)射出去。 在接收端，射頻信號經(jīng)過變頻后輸出中頻信號，通常是N個發(fā)射信號和干擾及噪聲的混合信號。它與發(fā)端相同的本地擴頻碼進行擴頻解調（解擴），使寬帶信號變?yōu)檎瓗盘?。再?jīng)信息解調器恢復成原始數(shù)字信號。擴展頻譜的特性取決于所采用的擴頻碼序列的碼型和碼片速率。為了獲得具有近似噪聲的頻譜，采用偽噪聲（PN）序列作為擴頻系統(tǒng)的擴頻碼。 擴頻和解擴的頻譜變化過程如圖3-2所示。 圖3-2 擴頻和解擴的頻譜變化 采用碼片速率很高的PN碼序列進行擴頻調制，擴頻信號的帶寬可達1~100MHz。通過擴頻解擴處理能夠提高抗干擾能力。擴展頻譜信號在接收端做相關解擴處理，有用信號被解擴為窄帶譜信號；寬帶無用信號與本地偽碼不相關，因此不能解擴，仍為寬帶譜；窄帶干擾信號則被本地偽碼擴展成為寬帶譜。用一個窄帶濾波器排除帶外的干擾，這樣窄帶內的信噪比就大大提高了。 3.4 直接序列擴頻通信技術特點： （1）抗干擾性強 抗干擾是擴頻通信主要特性之一，比如信號擴頻寬度為100倍，窄帶干擾基本上不起作用，而寬帶干擾的強度降低了100倍，如要保持原干擾強度，則需加大100倍總功率，這實質上是難以實現(xiàn)的。因信號接收需要擴頻編碼進行相關解擴處理才能得到，所以即使以同類型信號進行干擾，在不知道信號的擴頻碼的情況下，由于不同擴頻編碼之間的不同的相關性，干擾也不起作用。正因為擴頻技術抗干擾性強，美國軍方在海灣戰(zhàn)爭等處廣泛采用擴頻技術的無線網(wǎng)橋來連接分布在不同區(qū)域的計算機網(wǎng)絡。 （2）隱蔽性好 因為信號在很寬的頻帶上被擴展，單位帶寬上的功率很小，即信號功率譜密度很低，信號淹沒在白噪聲之中，別人難以發(fā)現(xiàn)信號的存在，加之不知擴頻編碼，很難拾取有用信號，而極低的功率譜密度，也很少對于其他電訊設備構成干擾。 （3）易于實現(xiàn)碼分多址（CDMA） 直擴通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能力，是否浪費了頻段？其實正相反，擴頻通信提高了頻帶的利用率。正是由于直擴通信要用擴頻編碼進行擴頻調制發(fā)送，而信號接收需要用相同的擴頻編碼作相關解擴才能得到，這就給頻率復用和多址通信提供了基礎。充分利用不同碼型的擴頻編碼之間的相關特性，分配給不同用戶不同的擴頻編碼，就可以區(qū)別不同的用戶的信號，眾多用戶，只要配對使用自己的擴頻編碼，就可以互不干擾地同時使用同一頻率通信，從而實現(xiàn)了頻率復用，使擁擠的頻譜得到充分利用。發(fā)送者可用不同的擴頻編碼，分別向不同的接收者發(fā)送數(shù)據(jù)； 同樣，接收者用不同的擴頻編碼，就可以收到不同的發(fā)送者送來的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了多址通信。美國國家航天管理局（NASA)的技術報告指出：采用擴頻通信提高了頻譜利用率。另外，擴頻碼分多址還易于解決隨時增加新用戶的問題。 （4） 抗多徑干擾 無線通信中抗多徑干擾一直是難以解決的問題，利用擴頻編碼之間的相關特性，在接收端可以用相關技術從多徑信號中提取分離出最強的有用信號，也可把多個路徑來的同一碼序列的波形相加使之得到加強，從而達到有效的抗多徑干擾。 第4章 基于Simulink的發(fā)射機的仿真設計 4.1 直接序列擴頻通信系統(tǒng)發(fā)射機的設計 直接序列擴頻通信系統(tǒng)的發(fā)射機系統(tǒng)結構如圖4-1所示。其中設數(shù)據(jù)序列{}對應的雙極性波形為，其電平取值為，碼元速率為，碼元寬度為s。擴頻所使用的偽隨機序，也是電平取值為的雙極性波形，偽隨機序列的碼元也稱之為碼片（chip），碼片速率設為chip/s，對應的碼片寬度就是s。碼片速率通常是數(shù)據(jù)速率的整數(shù)倍。對于雙極性的波形而言，擴頻過程等價于數(shù)據(jù)流與偽隨機序列相乘的過程，擴頻輸出序列設為，也是取值為的雙極性波形，其速率等于碼片速率。擴頻序列經(jīng)過調制后得到調制輸出信號送入信道。 所以有 （4-1） 圖4-1 直接序列擴頻通信系統(tǒng)發(fā)射機結構圖 QPSK 和BPSK一樣，傳輸信號包含的信息都存在于相位之中。QPSK（四相相移鍵控）具有兩條通道，四個相位變換，所以能大大提高通信系統(tǒng)的可靠性傳輸效率。所以本文采取QPSK調制器來調制信號。由于QPSK調制器內部有兩條通道，I通道和Q通道兩條正交的通道，兩條通道的輸入信號可以是相同的，也可以不同。本文兩通道都將用于調制同一數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)過QPSK調制后，輸出信號有 （4-2） 4.2 直接序列擴頻通信系統(tǒng)接收機的設計 擴頻通信系統(tǒng)的接收器采用相干接收原理在第一章已有介紹。這里主要研究直接序列擴頻通信系統(tǒng)的相干接收方式。 圖4-2 直接序列擴頻通信系統(tǒng)接收機的結構圖 直接序列擴頻系統(tǒng)接收機的結構如圖4-2所示：信號在信道中被疊加了干擾和噪聲。這里干擾是指敵方惡意干擾或通信用戶之間的相互干擾等，噪聲則是指個種微小的隨機因素所造成的綜合結果。設信道中傳輸?shù)臄U頻調制信號為，與之等效的噪聲為，干擾為，則接收機接收到的信號經(jīng)過解調后為，則有 （4-3） 同步系統(tǒng)負責向接收機解擴、解調、解碼等部分提供所需要的時鐘和同步信號，以保證接收端的本地擴頻序列同步、載波同步、定時時針同步、數(shù)據(jù)幀同步等。當接收機達到同步要求時，其本地解擴序列與發(fā)射機擴頻序列相同。解擴也是由乘法器完成的，因此解擴輸出信號為 （4-4） 由于擴頻序列取值為，故，而且擴頻序列與噪聲和干擾是不相關的,因此解擴輸出分量分為窄帶分量和寬帶分量，而噪聲和干擾是寬帶分量，即 （4-5） 解擴輸出信號通過窄帶濾波器可以濾除掉兩部分，大大抑制噪聲和干擾部分，得到解調輸出信號，即完全恢復發(fā)送數(shù)據(jù)波形。 直接序列擴頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能分析 本章前兩節(jié)已經(jīng)完成了直接序列擴頻通信系統(tǒng)的發(fā)射機和接收機的設計。并在Simulink平臺上對設計好的發(fā)射機和接收機都分別進行了仿真測試。測試結果表明該系統(tǒng)的發(fā)射機和接收機功能完整。這一節(jié)將集中研究信號在整個擴頻調制、信道傳輸、解擴調制過程中的變化，以及人為在擴頻系統(tǒng)中加入特定的干擾后，來進行仿真測試，根據(jù)仿真結果來研究整個系統(tǒng)的抗干擾性能。 直接序列擴頻通信系統(tǒng)的原理圖如圖4-1所示。由于本章在設計接收機時，主要想研究該仿真模塊的解擴、解調功能，所以AWGN信道的噪聲參數(shù)被設置為一個很溫和的情況下。圖4-3很直觀的反映了，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)解擴、解調功能，且該系統(tǒng)具有不錯的抗干擾性能。在這里為了更好的研究該系統(tǒng)的抗干擾性能，我們將把信噪比繼續(xù)降低，同時外加一些干擾成分，來研究該系統(tǒng)對不同干擾和噪聲所反映出來的的抗干擾能力。基于Simulink的直接序列擴頻通信系統(tǒng)的仿真模型如圖4-3所示。 圖4-3 直接序列擴頻通信系統(tǒng)的仿真模型 Sine Wave ——單頻信號干擾源：用于產(chǎn)生單頻干擾信號，其采樣率為1/300，其碼片速率為100chip/s 。 Error Rate Calculation—— 誤碼檢測模塊：用于測量解擴輸出信號的誤碼率。 ++(and)——加法模塊：用于將干擾信號加入信道輸出的混合信號中。 AWGN Channel模塊中的中SNR設置為10dB。其余所有模塊的參數(shù)設置參照5.3節(jié)接收機的相應模塊設置參數(shù)。表示這次信道中噪聲功率增大，同時還疊加了一些100HZ的單頻干擾。這樣信號經(jīng)過信道之后過來的就是一個混合的多路復雜信號，有寬頻的信號，單頻的干擾，以及信道噪聲等。 第5章 仿真的系統(tǒng)與結果 5.1 基于Simulink的發(fā)射機的仿真 此處是對直接序列擴頻通信系統(tǒng)的仿真。假設該系統(tǒng)以BPSK方式調制，數(shù)據(jù)傳輸率為100bps，擴頻碼片速率為2000chip/s，信號通過AGWN信道后受到了頻率為200Hz的正弦信號的干擾，建立系統(tǒng)模型并觀察各個階段信號的波形與頻譜，測試傳輸信號的誤碼率。 圖5-1 發(fā)射端的仿真模型 在上面的模型中Bernoulli Binary Generator即伯努力二進制發(fā)生器，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流相當于信源，其采樣時間（sample time）設置為1/100，及數(shù)據(jù)流的傳輸速率為100bps。PN Sequence Generator 用于產(chǎn)生PN序列，設置其采樣時間（sample time）為1/2000，即擴頻碼片速率為2000chip/s。由于相乘時數(shù)據(jù)流的傳輸速率要與擴頻碼片序列相同，因此可用Rate Transition 提升數(shù)據(jù)流的傳輸速率，將其out put sample time設置為1/2000。Unipolar to Bipolar Converter模塊用于將單極性碼變?yōu)殡p極性碼，Bipolar to Unipolar Converter則剛好相反。乘法器輸出的就是擴頻序列。通過示波器Scope1可以觀察原信息序列、PN序列和擴頻序列。為了方便觀察原來信號和擴頻后信號的頻譜變化，我們希望頻譜觀察范圍達到8kHz，需要被觀察信號的采樣率達到16000次/s，因此在模型中使用Rate Transition模塊是需要觀測的信號的采樣率達到16000次/s。 圖5-2 原數(shù)據(jù)信號的頻譜 圖5-3 擴頻信號的頻譜 圖5-4 三路信號的時域波形 由頻譜圖可見，原數(shù)據(jù)信號的頻譜被展寬了，功率峰值下降，增強了抗干擾的能力，降低了被截獲率。 5.2 基于Simulink的接收機的仿真 圖5-5 接收端的模型 接收機是以本章5.1節(jié)設計的發(fā)射機輸出信號為信號源來構建擴頻傳輸和接收系統(tǒng)的，為了更好的研究系統(tǒng)的抗干擾性能，本文將傳輸系統(tǒng)納入接收機一起設計。本文信道采用AWGN信道來傳輸信號，信道中會有高斯噪聲產(chǎn)生并混入信號之中。數(shù)據(jù)源采用的是發(fā)射機發(fā)送出來的擴頻信號。解擴碼序列采用的還是PN序列，由于Simulink仿真平臺上的模塊是可復制的，本文直接采用復制發(fā)射機的PN序列產(chǎn)生器以產(chǎn)生和擴頻碼序列一樣的解擴碼序列，這樣本次接收機的設計就省略了時間同步系統(tǒng)，但是不會影響該仿真系統(tǒng)的性能。 其中從解擴開始為接收端，AWGN為高斯白噪聲信道，設置其噪聲的均值為10。正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為200Hz的單頻干擾。PN Sequence Generator為本地PN序列，是與發(fā)射機中的PN序列完全相同的。從加法器出來的信號即為接收到的信號，其中包含有有用信號，噪聲和干擾，該信號和本地PN序列相乘進行解擴，Scope1頻譜儀中的頻譜就是解擴后的接收信號的頻譜，其中有用信號被還原為窄帶信號，噪聲和干擾的頻譜反而被展寬。利用Error Rate Calculation 模塊對誤碼率進行測試，其中Tx為發(fā)送端，Rx為接收端，中間加入2個數(shù)據(jù)碼元的延遲是為了補償接收延遲。BPSK Demodulator Baseband1為BPSK解調器。 圖5-6 接收機波形 圖5-7 接收到的信號頻譜 圖5-8 解擴后信號的頻譜 圖5-9 解調后信號的頻譜 圖5-10 發(fā)送序列和解調之后的序列 結合發(fā)送端擴頻信號的頻譜，可以看到，發(fā)送端信號的功率峰值在接收信號功率峰值之下，說明有用信號淹沒在了噪聲之中，大大增強了抗干擾能力。從解擴后的頻譜可以看出，只有有用信號的頻譜被還原成窄帶信號，其他信號的頻譜反而被展寬。從誤碼率的統(tǒng)計來看，當信號受到200Hz單頻正弦信號和噪聲均值為10的噪聲的干擾時，誤碼率約為0.025，在實際通信中是遠遠達不到要求的。 5.3 直接序列擴頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能分析 本章前兩節(jié)已經(jīng)完成了直接序列擴頻通信系統(tǒng)的發(fā)射機和接收機的設計。并在Simulink平臺上對設計好的發(fā)射機和接收機都分別進行了仿真測試。測試結果表明該系統(tǒng)的發(fā)射機和接收機功能完整。這一節(jié)將集中研究信號在整個擴頻調制、信道傳輸、解擴調制過程中的變化，以及人為在擴頻系統(tǒng)中加入特定的干擾后，來進行仿真測試，根據(jù)仿真結果來研究整個系統(tǒng)的抗干擾性能。 直接序列擴頻通信系統(tǒng)的原理圖如圖所示。由于本章5.3節(jié)在設計接收機時，主要想研究該仿真模塊的解擴、解調功能，所以AWGN信道的噪聲參數(shù)被設置為一個很溫和的情況下。圖5-7很直觀的反映了，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)解擴、解調功能，且該系統(tǒng)具有不錯的抗干擾性能。在這里為了更好的研究該系統(tǒng)的抗干擾性能，我們將把信噪比繼續(xù)降低，同時外加一些干擾成分，來研究該系統(tǒng)對不同干擾和噪聲所反映出來的的抗干擾能力。基于Simulink的直接序列擴頻通信系統(tǒng)的仿真模型如圖所示。 圖5-11 基于Simulink的直接序列擴頻通信系統(tǒng)的仿真模型 Sine Wave ——單頻信號干擾源：用于產(chǎn)生單頻干擾信號，其采樣率為1/300，其碼片速率為100chip/s 。 Error Rate Calculation—— 誤碼檢測模塊：用于測量解擴輸出信號的誤碼率。 ++(and)——加法模塊：用于將干擾信號加入信道輸出的混合信號中。 AWGN Channel模塊中的中SNR設置為10dB。其余所有模塊的參數(shù)設置參照5.3節(jié)接收機的相應模塊設置參數(shù)。表示這次信道中噪聲功率增大，同時還疊加了一些100HZ的單頻干擾。這樣信號經(jīng)過信道之后過來的就是一個混合的多路復雜信號，有寬頻的信號，單頻的干擾，以及信道噪聲等。 圖5-12 加干擾前后的系統(tǒng)仿真波形圖 圖5-13 擴頻調制輸出信號頻譜圖 圖5-14 解調輸出信號頻譜圖 第6章 結束語 此次課程設計，我們的任務是用Simulink來了解各通信模塊，根據(jù)原理圖完成擴頻通信仿真系統(tǒng)模塊設計，分為發(fā)射機、接收機部分；設計誤碼率分析模塊部分，完成前后擴頻解擴頻譜波形比較及收發(fā)誤碼率分析；對設計完成的系統(tǒng)加入干擾源，完成對系統(tǒng)抗干擾性能的分析。 首先，我意識到自己的知識還很欠缺，做設計的時候有遇到了很多困難，不管是在知識的具備方面還是在動手操作上，都還要進一步的提高。此次課程設計又一次讓我深刻體會到，學習是一個長期積累的過程，點點滴滴的累積才會有質的突變，不管是做什么只有自己親自做過之后才會有大的收獲。在以后的學習生活中我們都應該不斷的學習，努力增加自己知識和提升自身的綜合素質。另外課程設計提高了自己快速學習的能力，也督促我們更加自覺的自主學習，使學習效果越來越好。在如今信息化快速發(fā)展的社會，快速學習的能力顯的越來越重要，否則在別人進步的同時你原地踏步那就是倒退。 課程設計誠然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提升，同時又是一門講道課，一門辯思課，給了我許多道，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時，設計讓我感觸很深。使我對抽象的理論有了具體的認識?；仡櫰鸫苏n程設計，至今我仍感慨頗多，從理論到實踐，在這段日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，但可喜的是最終都得到了解決。 最后，我明白了在學習中一定要多想、多問、多思考、謙虛的重要性，遇到問題首先要自己解決，解決不了的找老師和同學幫忙。對擴頻通信系統(tǒng)進行仿真，可以幫助我們更加理解相關技術的原理、特點等相關知識，幫助我們建立起系統(tǒng)的概念，通過將一個個模塊結合起來形成一個系統(tǒng)，可以提高我們搭建系統(tǒng)模型的能力。通過對直接序列擴頻系統(tǒng)的仿真，使我們更加理解了直接序列擴頻的相關原理，對其特點有了更加深刻的體會。在今后的學習研究中，在實際條件不允許的情況下，我們應該多利用系統(tǒng)仿真的方法來學習相關的內容，加深對原理的理解，提高自己的能力。 參考文獻 [1] 邵玉斌．MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實例分析[M]．北京：清華大學出版社，2008 [2] 郭梯云，鄔國揚，張厥盛，移動通信 .西安：西安電子科技大學出版社，1993 [3] 唐向宏，岳恒立．MATLAB及在電子信息類課程中的應用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2006 [4] 王士林.現(xiàn)代數(shù)字調制技術.北京：人民郵電出版社，1987 [5] 邵佳，董辰輝．MTALAB、Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實例精講[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2009 29