基于Simulink的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

馬小青

摘 要： 以Matlab提供的可視化仿真工具Simulink搭建直接序列擴(kuò)頻通系統(tǒng)仿真模型，利用Simulink對直接序列擴(kuò)頻通系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)模塊和接收機(jī)模塊進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，通過傳輸過程中各個波形和頻譜變換圖，研究直擴(kuò)系統(tǒng)誤碼率、信噪比和擴(kuò)頻增益的關(guān)系。在給定的仿真條件下，運(yùn)行測試仿真模型，結(jié)果表明，該系統(tǒng)信噪比較高，性能較好，且在誤碼率保持不變的情況下，增加直擴(kuò)通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益可以增加輸出端的信噪比。

關(guān)鍵詞： 直接序列擴(kuò)頻； Simulink； 信噪比； 擴(kuò)頻增益

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0034?04

Design of direct sequence spread spectrum communication system based on Simulink

MA Xiao?qing

（College of Information Engineering， Xi′an Eurasia University， Xi′an 710065， China）

Abstract： The visual simulation tool Simulink provided by Matlab is used to build a simulation model of direct sequence spread spectrum communication system. The simulation design of transmitter module and receiver module of direct sequence spread spectrum communication system was carried out with Simulink. The relationship among BER， SNR and spreading gain of DSSS system was researched by means of every waveform and spectrum transformation diagram in the transmission process. The simulation model was tested under the given simulation conditions. The results show that the system has high SNR， good performance and constant bit error rate； and the signal?to?noise ratio at the output end can be improved if the spread gain of the direct sequence spread spectrum communication systems is increased.

Keywords： direct sequence spread spectrum； Simulink； signal?to?noise ratio； spread spectrum gain

擴(kuò)頻通信技術(shù)在提高信號系統(tǒng)質(zhì)量、抗干擾、保密性、增加系統(tǒng)容量等方面都有突出的優(yōu)點(diǎn)，開始一直應(yīng)用于軍事通信、電子對抗以及導(dǎo)航、測量等各個領(lǐng)域。20世紀(jì)末，擴(kuò)頻通信開始在民用方面得以發(fā)展。直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)，即DS?CDMA，是民用移動通信系統(tǒng)中的主流擴(kuò)頻技術(shù)，也是目前第三代移動通信技術(shù)（3G）乃至第四代移動通信技術(shù)（4G）主要組成部[1?3]?？梢哉f，直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)直接或間接的促使移動通信技術(shù)的快速更新?lián)Q代，從而使得移動通信技術(shù)在信息的傳輸方面更加的安全、高效。隨著擴(kuò)頻通信技術(shù)的發(fā)展，通過傳統(tǒng)的硬件來進(jìn)行擴(kuò)頻通信技術(shù)的研究存在成本高、靈活性差、效率低等缺陷，使得擴(kuò)頻通信技術(shù)難以快速發(fā)展。而仿真軟件Simulink的出現(xiàn)很好地解決了這個難題。Simulink是Matlab中重要的仿真建模軟件，在Simulink中，用戶只要選中器件庫中的模塊，進(jìn)行相應(yīng)操作就可構(gòu)造出復(fù)雜的通信系統(tǒng)。本文利用Matlab中的Simulink搭建直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型，得出仿真模型中各仿真模塊的仿真波形和頻譜圖，通過改變系統(tǒng)的仿真參數(shù)，對擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行研究。

1 基于Simulink的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真

1.1 直擴(kuò)通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的仿真設(shè)計(jì)

1.1.1 基于Simulink的發(fā)射機(jī)仿真設(shè)計(jì)

圖1為直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)仿真模型，直擴(kuò)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)分為擴(kuò)頻和QPSK調(diào)制兩大模塊。擴(kuò)頻模塊中包含原始信號、偽隨機(jī)碼的生成和擴(kuò)頻運(yùn)算三部分。在此模型中，采用努利二進(jìn)制信號產(chǎn)生器來生成直擴(kuò)通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的輸入信號，利用m序列作為偽隨機(jī)序列碼來進(jìn)行仿真模型的搭建，由于輸入信號和偽隨機(jī)序列采用的都是二進(jìn)制的單極性碼，所以在擴(kuò)頻前要對其進(jìn)行單雙極性轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為雙極性碼后進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，從而使原始信號的頻譜被展[4]，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻的目的。

圖1 直擴(kuò)通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)模型圖

由于調(diào)制時(shí)需要的是單極性碼，所以在擴(kuò)頻后要利用雙單極性轉(zhuǎn)換器將雙極性信號轉(zhuǎn)換為單極性信號，便于進(jìn)行QPSK調(diào)制。

1.1.2 仿真結(jié)果分析

運(yùn)行圖1所示的直擴(kuò)通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)仿真模型進(jìn)行測試，得到原始信號頻譜圖如圖2所示，擴(kuò)頻后信號頻譜圖如圖3所示，發(fā)射機(jī)的時(shí)域波形圖如圖4所示。

圖2 原始信號頻譜圖

圖3 擴(kuò)譜后信號頻譜

從圖2中可看出，擴(kuò)頻前原始信號的帶寬為256 kHz，從圖3中可看出擴(kuò)頻后的信號帶寬為1.79 MHz。通過圖2、圖3進(jìn)行比較后可得出，經(jīng)擴(kuò)頻后的信號頻帶約是原始信號帶寬的7倍，并且均勻的分布在整個頻帶上。

圖4 發(fā)射機(jī)的時(shí)域波形圖

從圖4直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的時(shí)域圖中可以看出，當(dāng)原始信號顯示為+1時(shí)，擴(kuò)頻輸出的雙極性碼顯示為+1，當(dāng)原始信號顯示為0時(shí)，擴(kuò)頻輸出的雙極性碼會產(chǎn)生跳變，顯示為-1，滿足二進(jìn)制碼元的單雙極性變換規(guī)律。并且從擴(kuò)頻輸出的單極性碼中可以看出，碼元速率增加，且碼元寬度變窄。

1.2 直擴(kuò)通信系統(tǒng)接收機(jī)的仿真設(shè)計(jì)

1.2.1 基于Simulink的接收機(jī)仿真設(shè)計(jì)

圖5為直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的接收機(jī)仿真模型，首先將QPSK已調(diào)信號作為輸入信號經(jīng)過加性高斯白噪信道后進(jìn)行QPSK解調(diào)，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)緩沖器和單雙極性轉(zhuǎn)換器之后，將解調(diào)的信號轉(zhuǎn)換為雙極性碼進(jìn)行解擴(kuò)，再進(jìn)行雙單極性轉(zhuǎn)換，將雙極性碼元轉(zhuǎn)換成單極性信號進(jìn)行輸出，就可以在接收端接收到原始信息。此模型中選用信噪比為-5 dB的加性高斯白噪[5]。

圖5 直擴(kuò)通信系統(tǒng)接收機(jī)模型圖

由于直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)在進(jìn)行QPSK調(diào)制時(shí)使用了數(shù)據(jù)緩沖器buffer，產(chǎn)生了2/7個碼元的延遲，所以在解擴(kuò)時(shí)加入了5/7個碼元的延遲，最終產(chǎn)生了一個碼元的延遲[6]，在統(tǒng)計(jì)誤碼率的時(shí)候，把這個延遲考慮了進(jìn)去，在誤碼率檢測的模塊設(shè)置了一個碼元的延遲，避免了誤碼率檢測時(shí)出現(xiàn)的誤差。

1.2.2 仿真結(jié)果分析

運(yùn)行圖5所示的直擴(kuò)通信系統(tǒng)接收機(jī)仿真模型進(jìn)行測試，得到直接序列解擴(kuò)前信號頻譜圖如圖6所示，解擴(kuò)后輸出信號頻譜圖如圖7所示。

圖6 直接序列解擴(kuò)前信號頻譜圖

圖7 解擴(kuò)后輸出信號頻譜圖

通過圖6可看出來，解擴(kuò)前，有用信號和噪聲完全混疊在一起，很難區(qū)分出有用信號和噪聲頻譜的不同之處。并且信號的功率被平均分配在1.79 MHz的帶寬上，有用信號的功率在傳輸時(shí)可以變得非常小，避免對其他通信系統(tǒng)造成干擾。通過對圖6，圖7進(jìn)行對比可看出，解擴(kuò)前，有用信號和噪聲完全混疊在一起，很難區(qū)分出有用信號和噪聲頻譜的不同之處。并且信號的功率被平均分配在1.79 MHz的帶寬上，有用信號的功率在傳輸時(shí)可以變得非常小，避免對其他通信系統(tǒng)造成干擾。解擴(kuò)后，噪聲仍然均勻分布在整個頻帶，而信號則在中心疊加，形成了譜峰，與原始信號的頻譜基本一致。這樣可以通過窄帶濾波，在接收端很容易地將有用信號提取出來，并且從圖5中可以看出，接收端的誤碼率在信道質(zhì)量非常差的情況下依然很低。

1.3 直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

1.3.1 基于Simulink的直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

圖8為直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型。在該模型中，信道為加性高斯白噪聲，信噪比為10 dB，此時(shí)直擴(kuò)通信系統(tǒng)輸出信號的誤碼率在基本保持不變時(shí)來研究擴(kuò)頻增益與輸出信噪比的關(guān)系。在仿真中，保持輸入信號不變，通過改變碼片速率的大小來獲得不同的擴(kuò)頻增益。直擴(kuò)通信系統(tǒng)輸入信號和輸出信號波形見圖9。

圖8 直擴(kuò)通信系統(tǒng)模型圖

圖9 直擴(kuò)通信系統(tǒng)輸入信號和輸出信號波形圖

1.3.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

從圖10～圖13可看出，當(dāng)擴(kuò)頻因子為7時(shí)，解擴(kuò)后噪聲被均勻的分布在1.79 MHz的頻帶上，而有用信號則向中心靠攏，在中心形成了譜峰，并且譜峰在3 dBm左右；當(dāng)擴(kuò)頻因子為14時(shí)，解擴(kuò)后噪聲被均勻的分布在3.58 MHz的頻帶上，而有用信號則向中心靠攏，在中心形成了譜峰，并且譜峰在5 dBm左右；當(dāng)擴(kuò)頻因子為21時(shí)，解擴(kuò)后噪聲被均勻的分布在5.38 MHz的頻帶上，有用信號向中心靠攏的更加明顯，在中心形成了譜峰，并且譜峰在8 dBm左右；當(dāng)擴(kuò)頻因子為42時(shí)，解擴(kuò)后噪聲被均勻的分布在10.75 MHz的頻帶上，有用信號向中心靠攏比圖12的更加明顯，在中心形成了譜峰，并且譜峰在10 dBm左右。

圖10 擴(kuò)頻增益為7時(shí)輸出信號頻譜圖

從這4個圖中可以看出，在誤碼率保持不變的情況下，隨著擴(kuò)頻增益的增加，輸出信號功率在逐漸增大，并且信號在中心疊加的程度越來越大，形成了譜峰。因?yàn)樵诜抡鏁r(shí)，保持模型中其他參數(shù)不變，只改變了擴(kuò)頻增益的大小，所以可以得出這樣的結(jié)論：在誤碼率保持不變的情況下，增加擴(kuò)頻增益可以增加信號的輸出信噪比。

圖11 擴(kuò)頻增益為14時(shí)輸出信號頻譜圖

圖12 擴(kuò)頻增益為21時(shí)輸出信號頻譜圖

2 結(jié) 論

本文通過對直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的擴(kuò)頻、調(diào)制、解調(diào)、解擴(kuò)信號的頻譜波形，以及輸出信號誤碼率的分析研究表明該系統(tǒng)模型的性能好、誤碼率低、輸出信噪比高等特點(diǎn)；同時(shí)在對直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型測試得出：在誤碼率保持不變的情況下，增加系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益可以提高系統(tǒng)的輸出信噪比，從而提高該系統(tǒng)的抗干擾性能。該仿真方法和結(jié)論對直擴(kuò)通信系統(tǒng)性能研究有一定的參考價(jià)值。

圖13 擴(kuò)頻增益為42時(shí)輸出信號頻譜圖

參考文獻(xiàn)

[1] 邵佳，董晨輝.Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2] 劉學(xué)勇.Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3] 楊梅.基于m序列的直接序列擴(kuò)頻CDMA通信系統(tǒng)的仿真研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，9（5）：154?156.

[4] 倪琳娜，趙振巖，于海峰.基于Simulink的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真[J].航天器工程，2010，19（2）：74?80.

[5] 施小茜.齊華.基于Matlab的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真[J].科技廣場，2009（9）：74?76.

[6] 謝水珍.基于m序列的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真[J].通信技術(shù)，2012（12）：71?73.

圖2 原始信號頻譜圖

圖3 擴(kuò)譜后信號頻譜

從圖2中可看出，擴(kuò)頻前原始信號的帶寬為256 kHz，從圖3中可看出擴(kuò)頻后的信號帶寬為1.79 MHz。通過圖2、圖3進(jìn)行比較后可得出，經(jīng)擴(kuò)頻后的信號頻帶約是原始信號帶寬的7倍，并且均勻的分布在整個頻帶上。

圖4 發(fā)射機(jī)的時(shí)域波形圖

從圖4直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的時(shí)域圖中可以看出，當(dāng)原始信號顯示為+1時(shí)，擴(kuò)頻輸出的雙極性碼顯示為+1，當(dāng)原始信號顯示為0時(shí)，擴(kuò)頻輸出的雙極性碼會產(chǎn)生跳變，顯示為-1，滿足二進(jìn)制碼元的單雙極性變換規(guī)律。并且從擴(kuò)頻輸出的單極性碼中可以看出，碼元速率增加，且碼元寬度變窄。

1.2 直擴(kuò)通信系統(tǒng)接收機(jī)的仿真設(shè)計(jì)

1.2.1 基于Simulink的接收機(jī)仿真設(shè)計(jì)

圖5為直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的接收機(jī)仿真模型，首先將QPSK已調(diào)信號作為輸入信號經(jīng)過加性高斯白噪信道后進(jìn)行QPSK解調(diào)，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)緩沖器和單雙極性轉(zhuǎn)換器之后，將解調(diào)的信號轉(zhuǎn)換為雙極性碼進(jìn)行解擴(kuò)，再進(jìn)行雙單極性轉(zhuǎn)換，將雙極性碼元轉(zhuǎn)換成單極性信號進(jìn)行輸出，就可以在接收端接收到原始信息。此模型中選用信噪比為-5 dB的加性高斯白噪[5]。

圖5 直擴(kuò)通信系統(tǒng)接收機(jī)模型圖

由于直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)在進(jìn)行QPSK調(diào)制時(shí)使用了數(shù)據(jù)緩沖器buffer，產(chǎn)生了2/7個碼元的延遲，所以在解擴(kuò)時(shí)加入了5/7個碼元的延遲，最終產(chǎn)生了一個碼元的延遲[6]，在統(tǒng)計(jì)誤碼率的時(shí)候，把這個延遲考慮了進(jìn)去，在誤碼率檢測的模塊設(shè)置了一個碼元的延遲，避免了誤碼率檢測時(shí)出現(xiàn)的誤差。

1.2.2 仿真結(jié)果分析

運(yùn)行圖5所示的直擴(kuò)通信系統(tǒng)接收機(jī)仿真模型進(jìn)行測試，得到直接序列解擴(kuò)前信號頻譜圖如圖6所示，解擴(kuò)后輸出信號頻譜圖如圖7所示。

圖6 直接序列解擴(kuò)前信號頻譜圖

圖7 解擴(kuò)后輸出信號頻譜圖

通過圖6可看出來，解擴(kuò)前，有用信號和噪聲完全混疊在一起，很難區(qū)分出有用信號和噪聲頻譜的不同之處。并且信號的功率被平均分配在1.79 MHz的帶寬上，有用信號的功率在傳輸時(shí)可以變得非常小，避免對其他通信系統(tǒng)造成干擾。通過對圖6，圖7進(jìn)行對比可看出，解擴(kuò)前，有用信號和噪聲完全混疊在一起，很難區(qū)分出有用信號和噪聲頻譜的不同之處。并且信號的功率被平均分配在1.79 MHz的帶寬上，有用信號的功率在傳輸時(shí)可以變得非常小，避免對其他通信系統(tǒng)造成干擾。解擴(kuò)后，噪聲仍然均勻分布在整個頻帶，而信號則在中心疊加，形成了譜峰，與原始信號的頻譜基本一致。這樣可以通過窄帶濾波，在接收端很容易地將有用信號提取出來，并且從圖5中可以看出，接收端的誤碼率在信道質(zhì)量非常差的情況下依然很低。

1.3 直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

1.3.1 基于Simulink的直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

圖8為直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型。在該模型中，信道為加性高斯白噪聲，信噪比為10 dB，此時(shí)直擴(kuò)通信系統(tǒng)輸出信號的誤碼率在基本保持不變時(shí)來研究擴(kuò)頻增益與輸出信噪比的關(guān)系。在仿真中，保持輸入信號不變，通過改變碼片速率的大小來獲得不同的擴(kuò)頻增益。直擴(kuò)通信系統(tǒng)輸入信號和輸出信號波形見圖9。

圖8 直擴(kuò)通信系統(tǒng)模型圖

圖9 直擴(kuò)通信系統(tǒng)輸入信號和輸出信號波形圖

1.3.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

從圖10～圖13可看出，當(dāng)擴(kuò)頻因子為7時(shí)，解擴(kuò)后噪聲被均勻的分布在1.79 MHz的頻帶上，而有用信號則向中心靠攏，在中心形成了譜峰，并且譜峰在3 dBm左右；當(dāng)擴(kuò)頻因子為14時(shí)，解擴(kuò)后噪聲被均勻的分布在3.58 MHz的頻帶上，而有用信號則向中心靠攏，在中心形成了譜峰，并且譜峰在5 dBm左右；當(dāng)擴(kuò)頻因子為21時(shí)，解擴(kuò)后噪聲被均勻的分布在5.38 MHz的頻帶上，有用信號向中心靠攏的更加明顯，在中心形成了譜峰，并且譜峰在8 dBm左右；當(dāng)擴(kuò)頻因子為42時(shí)，解擴(kuò)后噪聲被均勻的分布在10.75 MHz的頻帶上，有用信號向中心靠攏比圖12的更加明顯，在中心形成了譜峰，并且譜峰在10 dBm左右。

圖10 擴(kuò)頻增益為7時(shí)輸出信號頻譜圖

從這4個圖中可以看出，在誤碼率保持不變的情況下，隨著擴(kuò)頻增益的增加，輸出信號功率在逐漸增大，并且信號在中心疊加的程度越來越大，形成了譜峰。因?yàn)樵诜抡鏁r(shí)，保持模型中其他參數(shù)不變，只改變了擴(kuò)頻增益的大小，所以可以得出這樣的結(jié)論：在誤碼率保持不變的情況下，增加擴(kuò)頻增益可以增加信號的輸出信噪比。

圖11 擴(kuò)頻增益為14時(shí)輸出信號頻譜圖

圖12 擴(kuò)頻增益為21時(shí)輸出信號頻譜圖

2 結(jié) 論

本文通過對直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的擴(kuò)頻、調(diào)制、解調(diào)、解擴(kuò)信號的頻譜波形，以及輸出信號誤碼率的分析研究表明該系統(tǒng)模型的性能好、誤碼率低、輸出信噪比高等特點(diǎn)；同時(shí)在對直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型測試得出：在誤碼率保持不變的情況下，增加系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益可以提高系統(tǒng)的輸出信噪比，從而提高該系統(tǒng)的抗干擾性能。該仿真方法和結(jié)論對直擴(kuò)通信系統(tǒng)性能研究有一定的參考價(jià)值。

圖13 擴(kuò)頻增益為42時(shí)輸出信號頻譜圖

參考文獻(xiàn)

[1] 邵佳，董晨輝.Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2] 劉學(xué)勇.Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3] 楊梅.基于m序列的直接序列擴(kuò)頻CDMA通信系統(tǒng)的仿真研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，9（5）：154?156.

[4] 倪琳娜，趙振巖，于海峰.基于Simulink的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真[J].航天器工程，2010，19（2）：74?80.

[5] 施小茜.齊華.基于Matlab的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真[J].科技廣場，2009（9）：74?76.

[6] 謝水珍.基于m序列的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真[J].通信技術(shù)，2012（12）：71?73.

圖2 原始信號頻譜圖

圖3 擴(kuò)譜后信號頻譜

從圖2中可看出，擴(kuò)頻前原始信號的帶寬為256 kHz，從圖3中可看出擴(kuò)頻后的信號帶寬為1.79 MHz。通過圖2、圖3進(jìn)行比較后可得出，經(jīng)擴(kuò)頻后的信號頻帶約是原始信號帶寬的7倍，并且均勻的分布在整個頻帶上。

圖4 發(fā)射機(jī)的時(shí)域波形圖

從圖4直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的時(shí)域圖中可以看出，當(dāng)原始信號顯示為+1時(shí)，擴(kuò)頻輸出的雙極性碼顯示為+1，當(dāng)原始信號顯示為0時(shí)，擴(kuò)頻輸出的雙極性碼會產(chǎn)生跳變，顯示為-1，滿足二進(jìn)制碼元的單雙極性變換規(guī)律。并且從擴(kuò)頻輸出的單極性碼中可以看出，碼元速率增加，且碼元寬度變窄。

1.2 直擴(kuò)通信系統(tǒng)接收機(jī)的仿真設(shè)計(jì)

1.2.1 基于Simulink的接收機(jī)仿真設(shè)計(jì)

圖5為直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的接收機(jī)仿真模型，首先將QPSK已調(diào)信號作為輸入信號經(jīng)過加性高斯白噪信道后進(jìn)行QPSK解調(diào)，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)緩沖器和單雙極性轉(zhuǎn)換器之后，將解調(diào)的信號轉(zhuǎn)換為雙極性碼進(jìn)行解擴(kuò)，再進(jìn)行雙單極性轉(zhuǎn)換，將雙極性碼元轉(zhuǎn)換成單極性信號進(jìn)行輸出，就可以在接收端接收到原始信息。此模型中選用信噪比為-5 dB的加性高斯白噪[5]。

圖5 直擴(kuò)通信系統(tǒng)接收機(jī)模型圖

由于直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)在進(jìn)行QPSK調(diào)制時(shí)使用了數(shù)據(jù)緩沖器buffer，產(chǎn)生了2/7個碼元的延遲，所以在解擴(kuò)時(shí)加入了5/7個碼元的延遲，最終產(chǎn)生了一個碼元的延遲[6]，在統(tǒng)計(jì)誤碼率的時(shí)候，把這個延遲考慮了進(jìn)去，在誤碼率檢測的模塊設(shè)置了一個碼元的延遲，避免了誤碼率檢測時(shí)出現(xiàn)的誤差。

1.2.2 仿真結(jié)果分析

運(yùn)行圖5所示的直擴(kuò)通信系統(tǒng)接收機(jī)仿真模型進(jìn)行測試，得到直接序列解擴(kuò)前信號頻譜圖如圖6所示，解擴(kuò)后輸出信號頻譜圖如圖7所示。

圖6 直接序列解擴(kuò)前信號頻譜圖

圖7 解擴(kuò)后輸出信號頻譜圖

通過圖6可看出來，解擴(kuò)前，有用信號和噪聲完全混疊在一起，很難區(qū)分出有用信號和噪聲頻譜的不同之處。并且信號的功率被平均分配在1.79 MHz的帶寬上，有用信號的功率在傳輸時(shí)可以變得非常小，避免對其他通信系統(tǒng)造成干擾。通過對圖6，圖7進(jìn)行對比可看出，解擴(kuò)前，有用信號和噪聲完全混疊在一起，很難區(qū)分出有用信號和噪聲頻譜的不同之處。并且信號的功率被平均分配在1.79 MHz的帶寬上，有用信號的功率在傳輸時(shí)可以變得非常小，避免對其他通信系統(tǒng)造成干擾。解擴(kuò)后，噪聲仍然均勻分布在整個頻帶，而信號則在中心疊加，形成了譜峰，與原始信號的頻譜基本一致。這樣可以通過窄帶濾波，在接收端很容易地將有用信號提取出來，并且從圖5中可以看出，接收端的誤碼率在信道質(zhì)量非常差的情況下依然很低。

1.3 直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

1.3.1 基于Simulink的直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

圖8為直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型。在該模型中，信道為加性高斯白噪聲，信噪比為10 dB，此時(shí)直擴(kuò)通信系統(tǒng)輸出信號的誤碼率在基本保持不變時(shí)來研究擴(kuò)頻增益與輸出信噪比的關(guān)系。在仿真中，保持輸入信號不變，通過改變碼片速率的大小來獲得不同的擴(kuò)頻增益。直擴(kuò)通信系統(tǒng)輸入信號和輸出信號波形見圖9。

圖8 直擴(kuò)通信系統(tǒng)模型圖

圖9 直擴(kuò)通信系統(tǒng)輸入信號和輸出信號波形圖

1.3.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

從圖10～圖13可看出，當(dāng)擴(kuò)頻因子為7時(shí)，解擴(kuò)后噪聲被均勻的分布在1.79 MHz的頻帶上，而有用信號則向中心靠攏，在中心形成了譜峰，并且譜峰在3 dBm左右；當(dāng)擴(kuò)頻因子為14時(shí)，解擴(kuò)后噪聲被均勻的分布在3.58 MHz的頻帶上，而有用信號則向中心靠攏，在中心形成了譜峰，并且譜峰在5 dBm左右；當(dāng)擴(kuò)頻因子為21時(shí)，解擴(kuò)后噪聲被均勻的分布在5.38 MHz的頻帶上，有用信號向中心靠攏的更加明顯，在中心形成了譜峰，并且譜峰在8 dBm左右；當(dāng)擴(kuò)頻因子為42時(shí)，解擴(kuò)后噪聲被均勻的分布在10.75 MHz的頻帶上，有用信號向中心靠攏比圖12的更加明顯，在中心形成了譜峰，并且譜峰在10 dBm左右。

圖10 擴(kuò)頻增益為7時(shí)輸出信號頻譜圖

從這4個圖中可以看出，在誤碼率保持不變的情況下，隨著擴(kuò)頻增益的增加，輸出信號功率在逐漸增大，并且信號在中心疊加的程度越來越大，形成了譜峰。因?yàn)樵诜抡鏁r(shí)，保持模型中其他參數(shù)不變，只改變了擴(kuò)頻增益的大小，所以可以得出這樣的結(jié)論：在誤碼率保持不變的情況下，增加擴(kuò)頻增益可以增加信號的輸出信噪比。

圖11 擴(kuò)頻增益為14時(shí)輸出信號頻譜圖

圖12 擴(kuò)頻增益為21時(shí)輸出信號頻譜圖

2 結(jié) 論

本文通過對直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的擴(kuò)頻、調(diào)制、解調(diào)、解擴(kuò)信號的頻譜波形，以及輸出信號誤碼率的分析研究表明該系統(tǒng)模型的性能好、誤碼率低、輸出信噪比高等特點(diǎn)；同時(shí)在對直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型測試得出：在誤碼率保持不變的情況下，增加系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益可以提高系統(tǒng)的輸出信噪比，從而提高該系統(tǒng)的抗干擾性能。該仿真方法和結(jié)論對直擴(kuò)通信系統(tǒng)性能研究有一定的參考價(jià)值。

圖13 擴(kuò)頻增益為42時(shí)輸出信號頻譜圖

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