基于Simulink的擴頻通信系統(tǒng)抗干擾性能研究

王林暄，王遇琦，陳卓平 ，張 萌

(1.東南大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210096；2.北京大學醫(yī)學部 基礎醫(yī)學學院，北京 100191；3.四川大學 計算機學院，四川 成都 610065)

基于Simulink的擴頻通信系統(tǒng)抗干擾性能研究

王林暄1，王遇琦2，陳卓平3，張 萌1

(1.東南大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210096；2.北京大學醫(yī)學部 基礎醫(yī)學學院，北京 100191；3.四川大學 計算機學院，四川 成都 610065)

介紹了擴頻通信技術，在MATLAB(Simulink) 平臺下建立了擴頻通信的仿真模型，并對各個模塊的功能進行了闡述。該仿真程序由序列發(fā)生器、直接擴頻通信系統(tǒng)和正弦波干擾三個部分組成，模擬了直接擴頻通信系統(tǒng)遭遇正弦信號干擾的情景，用蒙特卡洛仿真證明了直接擴頻通信系統(tǒng)的良好抗干擾性能。

直接序列擴頻通信；信噪比；Gold序列；蒙特卡洛仿真

0 引言

擴展頻譜的原理是將信號的頻譜擴展至很寬的頻帶。擴頻通信系統(tǒng)則是將基帶信號的頻譜通過某種調(diào)制擴展到遠大于系帶信號帶寬的系統(tǒng)中去，在接收端使之恢復為窄信號。為了增強相關器所輸出的信號/干擾比，降低信號通頻帶內(nèi)的干擾，利用干擾信號與擴頻信號不相關的性質(zhì)，把信號擴展到一個高帶寬的頻帶上，從而提高擴頻通信系統(tǒng)信號的魯棒性，特別是提高對有意干擾的抵抗能力。因為這類干擾的帶寬通常比較窄，對被擴展之后的寬頻譜信號影響不大。

本文利用MATLAB(Simulink)軟件對擴頻系統(tǒng)中的序列發(fā)生器、擴頻系統(tǒng)及傳輸環(huán)境中的正弦干擾進行了模擬，驗證了直接擴頻方法的正確性，為擴頻通信系統(tǒng)日后在相關領域的應用和研究提供了依據(jù)。

1 基礎理論

1.1 基本原理

香農(nóng)公式(ShannonEquation)中所體現(xiàn)的信道傳輸容量與信噪比以及帶寬的關系為：

C=B×log2(1+S/N)

式中：C代表信息傳輸?shù)乃俾剩葱诺赖膫鬏斎萘?；S/N代表信道內(nèi)信息傳輸?shù)男旁氡?；B代表傳輸信號的頻帶寬度。

從式(1)中很容易看出：為了提高信息的信道的容量C，可以通過兩種途徑實現(xiàn)，既可以選擇放大帶寬B,也可以增大信噪比S/N[1]。易見，B與C成正比，而C與S/N成對數(shù)關系。因此，增加傳輸信號的頻帶寬度(B)比增加信噪比(S/N)對提高傳輸速度更有效。

1.2 直接序列擴頻系統(tǒng)

直接序列擴頻系統(tǒng)中是用一組偽代碼代表信息碼元去調(diào)制載波。一般來說可以采用任何一種調(diào)制方式，最常用的方式是2PSK[2]。

直接擴頻系統(tǒng)的信碼與頻率較高的偽碼做模2加法，完成對信源的擴頻。然后經(jīng)過調(diào)制(變頻)后送入信道傳輸。信號在接收端被恢復為信碼序列，是通過將接收到的擴頻信號進行高放和混頻處理使之與信碼的相關程度遠大于噪聲。之后再用與發(fā)射端一樣的偽碼序列解擴擴頻調(diào)制信號[1]。傳輸過程中出現(xiàn)的干擾信號經(jīng)過混頻解擴后仍為寬頻信號，原本的所需信號經(jīng)過混頻解擴后就變成了只受信碼調(diào)制的窄頻信號，進行解調(diào)后得到需要的傳輸信息。完整流程見圖1。

圖1 直擴通信系統(tǒng)原理圖

圖3 Gold序列產(chǎn)生器模塊

1.3Gold序列

Gold序列是由A、B兩個m序列進行模2加運算生成的[3]。通過調(diào)整m序列B的初始狀態(tài)，可以得到不同的Gold序列，由于總共有m-1個不同的相對移位，加上原有的兩個m序列，可以產(chǎn)生共m+1個Gold序列。Gold序列是由兩個m序列相加生成的，因此是一種基于m序列的序列，其產(chǎn)生的序列數(shù)更多，繼承了m序列自相關較強的優(yōu)點。同時Gold碼的互相關性比m序列要好。Gold序列產(chǎn)生的過程可參考圖2所示的電路描述。

圖2 Gold序列生成電路的結(jié)構(gòu)示意圖

1.4Simulink

Simulink作為MATLAB中的一個系統(tǒng)環(huán)境建模、仿真、分析的軟件被廣泛地用于各類電路及系統(tǒng)的模擬仿真[4]。使用者可以靈活地控制Simulink采樣速率，因為它可以在連續(xù)、離散或兩者混合的采樣時間上進行建模，從而根據(jù)使用者的需要，在系統(tǒng)各部分采用不同的采樣速率。Simulink避免了大量的編程語言書寫，其框圖模式簡單直觀，因此對于接觸科研及實驗環(huán)境較少的本科生而言，使用Simulink是一種在保障一定精確度的情況下快速搭建復雜實驗模型的高效工具。

2 直擴系統(tǒng)抗干擾實驗的建立

2.1Gold序列產(chǎn)生器模塊

Gold序列發(fā)生器模塊的Simulink仿真模型如圖3所示。

Gold序列發(fā)生器(GoldSequenceGenerator)：其本質(zhì)是將兩條速率與碼長均相等的m序列模2加。序列1的本原多項式為[1 0 0 0 0 1 1]，序列2的本原多項式為[1 1 0 0 1 1 1]，采樣間隔為0.01s。

單極—雙極轉(zhuǎn)換器(UnipolartoBipolarConverter)：用于將單極性碼變?yōu)殡p極性碼。

零階采樣保持(Zero-OrderHold)：保持采樣時間的一致，確保頻譜儀和Simlink空間的正常工作。時間間隔上，零階采樣保持1取0.01s，零階采樣保持2取0.001s。

頻譜示波器(SpectrumScope)：生成Gold序列頻譜波形圖。

返回工作空間(ToWorkspace)：提取Gold序列發(fā)生器模塊的輸出結(jié)果，以便對其進行調(diào)用以及求解相關函數(shù)。

PN序列生成器：(PNSequenceGenerator)：產(chǎn)生偽隨機二進制碼。

該部分參考圖2中Gold序列產(chǎn)生的原理，設置兩個m序列的初始系數(shù)，實現(xiàn)Gold發(fā)生器模型的搭建，并可通過頻譜儀觀察所產(chǎn)生序列的波形，將其與理想波形對比以驗證其正確性[5]。

2.2 直接擴頻通信系統(tǒng)模塊

直接擴頻通信系統(tǒng)模塊的Simulink仿真模型如圖4所示。

隨機整數(shù)發(fā)生器(RandomIntegergenerator)：作為模擬通信系統(tǒng)的信號源，可以通過對采樣時間、初始狀態(tài)的自由設置隨機產(chǎn)生二進制序列，從而生成擴頻通信系統(tǒng)所需的信源。

DSSSSystem(Out)：Gold序列產(chǎn)生器模塊的輸出信號。

基帶M-PSK調(diào)制器(M-FSKModulatorBaseband)：對擴頻信號進行2-FSK調(diào)制。

基帶M-PSK解調(diào)器(M-FSKDemodulatorBaseband)：對接收信號進行2-FSK解調(diào)。

加性高斯白噪聲(AWGNChannel)：相當于在信道中添加白噪聲。在Simulink的AWGNChannel模塊中，可調(diào)節(jié)信號功率和信噪比[6]。

誤碼儀(ErrorRateCalculation)：通過兩個端口分別采集發(fā)射機輸出端與接收機輸出端發(fā)出的信號，比較經(jīng)過編解碼和信道傳輸后的錯誤編碼出現(xiàn)頻率[1]。端口(Tx)接收發(fā)送方的輸入信號，端口(Rx)接收接收方的輸入信號。

示波器(Scope)：觀察波形。

乘法器(Product)：對輸入的二進制序列進行乘法運算。

系統(tǒng)在Product處與Gold序列發(fā)生器產(chǎn)生的序列做乘法(模2加)運算完成擴頻，擴頻信號經(jīng)2-FSK調(diào)制后發(fā)射，途中有AWGN模塊模擬傳播途中加入的白噪聲，解調(diào)后在Product3處再次與相同的偽碼序列做乘法實現(xiàn)解擴。最后將接收到的信號與源信號同時輸入誤碼儀比對誤碼率。

2.3 正弦干擾模塊

正弦干擾模塊的Simulink仿真模型通過MonteCarlo仿真研究系統(tǒng)抗正弦干擾能力，如圖5所示。

圖4 直接擴頻通信系統(tǒng)模塊

圖5 Monte Carlo模塊

一個隨機數(shù)發(fā)生器(Randomintegergenerator)產(chǎn)生某個二進制信息符號序列，所得到的序列與圖5右側(cè)的Gold序列發(fā)生器產(chǎn)生的Gold序列相乘，之后將AWGN和正弦波干擾疊加到這個乘積序列上，在Product3處完成解擴，將最后的輸出結(jié)果輸入給檢測器，最后再由誤碼儀計算出檢測器輸出的結(jié)果相較源信號的差錯數(shù)。同時，編寫MATLAB程序，考查信噪比(-20～10)和幅度(3′6′9)的情況，依次設置不同數(shù)值，運行模型，記錄結(jié)果。

3 實驗結(jié)果與分析

首先對于Gold序列產(chǎn)生模塊，由于構(gòu)成Gold序列的兩個m序列都是6位二進制碼，其周期為25-1=63。由MATLAB做出的模塊中Gold序列相關性函數(shù)可發(fā)現(xiàn)，其在63處幅值較大，說明相關性較強；而在其他地方幅值較低且接近0，說明相關性很低。圖6展示了Gold序列頻譜函數(shù)的波形圖,可見其形狀近似Sa函數(shù)的2次冪，與查閱到的Gold序列理想頻譜圖形狀吻合[7-8]。

圖6 圖Gold序列相關性函數(shù)

其次，對于直接擴頻通信系統(tǒng)模塊。在630s內(nèi)，圖4中誤碼儀的顯示器(Display)所顯示的數(shù)字為0(這里由于版面對圖片顏色的要求無法直接呈現(xiàn))，這表明該模擬直擴通信系統(tǒng)在15dB信噪比的信道環(huán)境中傳輸時出現(xiàn)錯誤的概率趨于0，可見具有較好的抗干擾性。圖7則是直擴通信系統(tǒng)模塊中示波器中的波形圖，上下兩行波形分別為擴頻前后的雙極序列，即發(fā)射的信碼序列和接收到的信碼序列，可以看出兩個序列保持一致。

圖8是MonteCarlo模塊在應對不同幅值正弦信號干擾時的誤碼率曲線。可以看到提高信噪比對降低誤碼率具有非常強的影響，當信噪比大于零時，系統(tǒng)出錯的概率非常小，低于10-3的向前糾錯閾值。

圖7 圖示波器波形圖

圖8 Monte Carlo模塊正弦波多幅值誤碼率

4 結(jié)論

本文對擴頻通信技術中直接擴頻的原理與方法進行了介紹，通過MATLAB(Simulink)這一框圖仿真軟件，建了直接擴頻通信系統(tǒng)仿真模型，給出了各個模塊構(gòu)建的思路和可視化模型圖，并對仿真的結(jié)果進行了分析，證明了該仿真模型的正確性。通過本次建模仿真，模擬了直接擴頻通信系統(tǒng)的被干擾環(huán)境，證明了直接擴頻通信系統(tǒng)對正弦干擾具有較強的抗干擾能力，并且可以通過增大信噪比來提高信道的容量及傳輸準確性(抗干擾性)，為直接擴頻通信系統(tǒng)可以有效應用于對保密和抗干擾性能有較高要求的領域提供了有效證據(jù)。

[1] 鄒寧, 徐松濤, 牛建兵. 基于MATLAB/Simulink的擴頻通信系統(tǒng)仿真及抗干擾研究[J]. 計算機與信息技術, 2009(3):13-14.

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Research on integrated navigation system of GPS/SINS/Odometer

WangLinxuan1，WangYuqi2，ChenZhuoping3，ZhangMeng1

(1.SchoolofElectricScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China; 2.SchoolofBasicMedicalScience,PekingUniversity,Beijing100191,China; 3.CollegeofComputerScience,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)

Thispaperintroducesamethodofspreadspectrumcommunication,andestablishesasimulationmodelofdirectspreadspectrumcommunicationonMATLAB(Simulink)anddescribesfunctionsofeachpartofthemodel.Threeparts,Goldsequencegenerator,directspreadspectrumcommunicationsystemandsinusoidalsignalinterferenceareincludedintheSimulinksystem.Thesethreepartssimulatedirectspreadspectrumcommunicationsysteminreallife,usingMonteCarlosimulationtoimitatethesituationwhendirectspreadspectrumcommunicationsystemencounterssinusoidalinterferenceanddemonstratesitsinterferenceimmunity.

directspreadspectrumcommunicationsystem;signal-noiseratio;Goldsequence;MonteCarlosimulation

TN

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.018

王林暄，王遇琦，陳卓平,等. 基于Simulink的擴頻通信系統(tǒng)抗干擾性能研究[J].微型機與應用，2016,35(22)：68-71.

2016-08-09)

王林暄(1995-)，男，本科在讀，主要研究方向：通信與數(shù)字信號處理。

王遇琦(1994-)，男，本科在讀，主要研究方向：生物芯片。

張萌(1964-)，男，研究員，主要研究方向：通信與數(shù)字信號處理。