基于MATLAB的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能仿真分析

史玥

（渤海大學(xué) 遼寧 錦州 121000）

基于MATLAB的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能仿真分析

史玥

（渤海大學(xué) 遼寧 錦州 121000）

直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)（DS-CDMA）因其抗干擾性強(qiáng)、隱蔽性好、易于實(shí)現(xiàn)碼分多址（CDMA）、抗多徑干擾、直擴(kuò)通信速率高等諸多的優(yōu)點(diǎn)[1]，而被廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)中。針對(duì)頻通信廣泛的應(yīng)用，本論文采用MATLAB工具箱中的SIMULINK通信仿真模塊和MATLAB函數(shù)對(duì)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行了分析和仿真，希望本論文的研究及分析工作能夠?yàn)橹苯有蛄袛U(kuò)頻通信系統(tǒng)性能的研究提供一定的借鑒意義。

直接序列擴(kuò)頻；碼分多址；MATLAB；SIMULINK；借鑒

1.前言

擴(kuò)展頻譜通信是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的一種新興的通信方式，由于其具有較強(qiáng)的抗擾性、抗衰落、抗多徑性能以及頻譜利用率高、多址通信等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，其正在被越來(lái)越多的人們所熟悉，并且被廣泛的應(yīng)用于軍事通信和民用通信的各個(gè)領(lǐng)域，從而推動(dòng)了通信事業(yè)的快速發(fā)展。

擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信，它與衛(wèi)星通信、光纖通信一起被譽(yù)為進(jìn)行信息時(shí)代的三大高技術(shù)通信方式[2]。擴(kuò)頻通信是將待傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)被偽隨機(jī)編碼調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸；接收端則采用相同的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信息。這種通信方式與常規(guī)的窄道通信方式是有區(qū)別的：首先，信息在頻譜擴(kuò)展后形成寬帶傳輸；其次，相關(guān)處理后恢復(fù)成窄帶信息數(shù)據(jù)。本論文采用Matlab對(duì)擴(kuò)頻通信中最常用的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，研究了部分對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響的因素，希望本論文的研究工作能夠?yàn)橐院髷U(kuò)頻通信系統(tǒng)在各個(gè)不同領(lǐng)域的應(yīng)用和研究提供參考的價(jià)值。

2.直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)

2.1 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)模型

直接序列擴(kuò)頻技術(shù)是當(dāng)今人們所熟知的擴(kuò)頻技術(shù)之一。這種技術(shù)是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)碼（PN碼）擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上面去，在接收端，用與發(fā)端擴(kuò)展用的相同的偽隨機(jī)碼對(duì)接收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的處理，恢復(fù)出發(fā)送的信息[3]。

它是在二戰(zhàn)期間開(kāi)發(fā)的，最初的用途是為軍事通信提供安全保障，是美軍重要的無(wú)線保密通信技術(shù)。這種技術(shù)使敵人很難探測(cè)到信號(hào)。即使探測(cè)到信號(hào)，如果不知道正確的編碼，也不可能將噪聲信號(hào)重新匯編成原始的信號(hào)。直接序列擴(kuò)頻解決了短距離數(shù)據(jù)收發(fā)信機(jī)，如：衛(wèi)星定位系統(tǒng)、WLAN和藍(lán)牙技術(shù)等相關(guān)的應(yīng)用關(guān)鍵問(wèn)題。擴(kuò)頻技術(shù)也為提高無(wú)線電頻率的利用率提供了幫助。

下圖2-1為直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的工作原理圖。從該圖中可以很明確的了解到直接序列的工作原理：首先，需要在發(fā)端輸入的數(shù)字信號(hào)信息，先由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號(hào)以便展寬信號(hào)的頻譜，對(duì)于擴(kuò)頻碼序列它一般是采用PN碼的。展寬后的信號(hào)再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。調(diào)制多采用DPSK、MPSK、BPSK等調(diào)制方式[4]。

在接收端收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)（一般是采用相干解調(diào)）。然后，再由本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)，恢復(fù)成原輸入的信息輸出。

圖2-1 擴(kuò)頻通信工作原理圖

由此可見(jiàn)，一般的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)都要進(jìn)行兩次調(diào)制和相應(yīng)的解調(diào)。一次調(diào)制為擴(kuò)頻調(diào)制，二次調(diào)制為射頻調(diào)制，以及相應(yīng)的解擴(kuò)和射頻解調(diào)。與一般的通信系統(tǒng)進(jìn)行相互比較，擴(kuò)頻通信就是多了擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)部分。

2.2 直接序列擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)

總的來(lái)說(shuō)，在地質(zhì)勘測(cè)過(guò)程出現(xiàn)難以權(quán)衡的問(wèn)題時(shí)，要以環(huán)境保護(hù)為準(zhǔn)繩，切不可為了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展而破壞生態(tài)環(huán)境?？辈閱挝辉谶M(jìn)行相關(guān)的鈾礦地質(zhì)勘測(cè)工作時(shí)，為了堅(jiān)決落實(shí)綠色勘測(cè)的概念，除了要明確責(zé)任意識(shí)，認(rèn)真做好本職工作，確保人民的生活環(huán)境以外，還需要當(dāng)?shù)厝嗣駥?duì)政府工作的理解和支持。

長(zhǎng)期以來(lái)，人們總是想方設(shè)法使信號(hào)所占的頻譜盡量窄，以充分提高十分寶貴的頻率資源利用率。但擴(kuò)頻通信在發(fā)送端用擴(kuò)頻碼調(diào)制，使信號(hào)所占的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必須的帶寬，在接收端采用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)以恢復(fù)出所傳信息數(shù)據(jù)。為什么要用寬頻帶信號(hào)來(lái)傳輸窄帶信息呢？主要是為了通信的安全可靠性。這可用信息論和抗干擾理論的基本觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)明：

根據(jù)香農(nóng)(C.E.Shannon)在信息論研究中總結(jié)出的信道容量公式，香農(nóng)公式[5]：

式中：C--信息的傳輸速率（信道容量）單位b/s；S--信號(hào)平均功率單位W；B--頻帶寬度單位Hz； N--噪聲平均功率單位W。

由式中可以看出：

為了提高信息的傳輸速率C，可以從兩種途徑實(shí)現(xiàn)，既加大帶寬B或提高信噪比S/N。換句話說(shuō)，當(dāng)信號(hào)的傳輸速率C一定時(shí)，信號(hào)帶寬B和信噪比S/N是可以互換的，即增加信號(hào)帶寬可以降低對(duì)信噪比的要求，當(dāng)帶寬增加到一定程度，允許信噪比進(jìn)一步降低，有用信號(hào)功率接近噪聲功率甚至淹沒(méi)在噪聲之下也是可能的。擴(kuò)頻通信就是用寬帶傳輸技術(shù)來(lái)?yè)Q取信噪比上的好處。

柯捷爾尼可夫在其潛在抗干擾性理論中得到如下關(guān)于信息傳輸差錯(cuò)概率的公式[6]：

此公式指出，差錯(cuò)概率Pe是信號(hào)能量E與噪聲功率譜密度之比的函數(shù)。設(shè)信息持續(xù)時(shí)間為T(mén)，或數(shù)字信息的碼元寬度為T(mén)，則信息的帶寬Bm為

信號(hào)功率S為

已調(diào)（或已擴(kuò)頻）信號(hào)的寬度為B，則噪聲功率為

將式（2-3）~（2-5）代入式（2-2），可得

上面公式指出，差錯(cuò)概率Pe是輸入信號(hào)與噪聲功率之比（S/N）和信號(hào)帶寬與信息帶寬之比（B/Bm）二者乘積的函數(shù)，信噪比與帶寬是可以互換的。它同樣指出了用增加帶寬的方法可以換取信噪比上的好處。

綜上所述：將信息帶寬擴(kuò)展100倍，甚至用1000倍以上的帶寬信號(hào)來(lái)傳輸信息，就是為了提高通信的抗干擾能力，即在強(qiáng)干擾條件下保證可靠安全的通信。這就是擴(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù)。

2.3 對(duì)擴(kuò)頻增益進(jìn)行介紹

通常，在衡量擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾能力的優(yōu)劣的時(shí)候，引入“處理增益”這個(gè)概念，一般也稱為擴(kuò)頻增益，定義為接收機(jī)相關(guān)器輸出信噪比和接收機(jī)相關(guān)器的輸入信噪比之比[7]，即：

式中Si和S0分別為接收機(jī)相關(guān)器的輸入、輸出端信號(hào)功率，Ni和N0分別為相關(guān)器的輸入、輸出端干擾功率[8]。在各種干擾情況下，系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益是不相同的，這里僅僅對(duì)高斯白噪聲干擾情況下的擴(kuò)頻增益做簡(jiǎn)單的推導(dǎo)，并且以直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)下的情況來(lái)做說(shuō)明。假定系統(tǒng)中有K個(gè)通信用戶，分別用不同的PN碼來(lái)調(diào)制信息數(shù)據(jù)。假設(shè)理想功率控制的情況，設(shè)P是接收的每一個(gè)用戶的信號(hào)功率，系統(tǒng)的擴(kuò)頻帶寬為W，噪聲的功率增譜密度用N0來(lái)表示，則接收端接收到的有用信號(hào)功率譜為P/W，接收到的其它用戶的干擾功率譜為（K-1）P/W，那么，該通信用戶的輸入信噪比等于：

經(jīng)接收機(jī)擴(kuò)頻解調(diào)后，該通信用戶的信號(hào)被全部接收但信號(hào)帶寬已變換到基帶內(nèi)，設(shè)基帶信號(hào)的信息速率為Rb，此時(shí)，有用信號(hào)的功率譜為P/Rb，其它用戶或干擾噪聲信號(hào)與用戶信號(hào)的地址碼不相關(guān)，就不能夠得到解調(diào)，因?yàn)樗鼈兊墓β首V密度保持不變。則輸出信噪比為：

由式（2.8）和（2.9）容易得到擴(kuò)頻解調(diào)前后的擴(kuò)頻增益，輸出信噪比與輸入信噪比為：

對(duì)于直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)來(lái)講，W為偽隨機(jī)碼的信息速率。式（2.10）給出了擴(kuò)頻通信中擴(kuò)頻解調(diào)處理對(duì)信噪比的改善情況，它決定了系統(tǒng)抗干擾能力的強(qiáng)弱，是擴(kuò)頻系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。

2.4 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)框圖

直接序列（DS）擴(kuò)頻是一種直接用具有高碼元速率的PN碼序列在發(fā)送端擴(kuò)展基帶信號(hào)的頻譜，在接收端用相同的PN碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展帶的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息[9]。下圖2-2為直接序列系統(tǒng)的組成及原理框圖。

圖2-2 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)組成原理框圖

3.對(duì)Simulink仿真技術(shù)進(jìn)行介紹

Simulink是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)[10]。在SIMULINK環(huán)境中，利用鼠標(biāo)就可以在模型窗口中直觀地“畫(huà)”出系統(tǒng)模型，然后直接進(jìn)行仿真。它為用戶提供了方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫(huà)模型就像用手和紙來(lái)畫(huà)一樣容易。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(diǎn)。SIMULINK包含有SINKS（輸入方式）、SOURCE（輸入源）、LINEAR（線性環(huán)節(jié)）、NONLINEAR（非線性環(huán)節(jié)）、CONNECTIONS（連接與接口）和EXTRA（其他環(huán)節(jié)）子模型庫(kù)，而且每個(gè)子模型庫(kù)中包含有相應(yīng)的功能模塊，用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自己的模塊。

用SIMULINK創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級(jí)開(kāi)始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來(lái)查看其下一級(jí)的內(nèi)容，以此類(lèi)推，從而可以看到整個(gè)模型的細(xì)節(jié)，幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個(gè)模型后，用戶可以通過(guò)SIMULINK的菜單或MATLAB的命令窗口鍵入命令來(lái)對(duì)它進(jìn)行仿真。菜單方式對(duì)于交互工作非常方便，而命令行方式對(duì)于運(yùn)行一大類(lèi)仿真非常有用。采用SCOPE模塊和其他的畫(huà)圖模塊，在仿真進(jìn)行的同時(shí)，就可觀看到仿真結(jié)果。除此之外，用戶還可以在改變參數(shù)后來(lái)迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結(jié)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平衡點(diǎn)分析工具、MATLAB的許多工具及MATLAB的應(yīng)用工具箱。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(duì)自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。

4.對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析

為了觀察Monte Carlo模型的仿真效果，首先分析無(wú)干擾時(shí)的誤碼率仿真曲線與理論計(jì)算值，見(jiàn)圖4-1。

圖中的曲線，其中一條是根據(jù)理論值公式做出仿真，另一條是根據(jù)圖得到的曲線，可以看出，兩條曲線吻合得很好。這說(shuō)明在仿真過(guò)程中，建立的各模塊的數(shù)學(xué)模型以及各模塊之間的聯(lián)系是正確的，仿真結(jié)果可以作為評(píng)估直擴(kuò)系統(tǒng)判決器的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

圖4-1 無(wú)干擾時(shí)的誤碼率曲線

圖4-2 不同振幅干擾下的誤碼率仿真曲線

5.結(jié)束語(yǔ)

直接序列擴(kuò)頻通信具有很強(qiáng)的抗截獲和抗干擾能力，近年來(lái)對(duì)該通信方式的研究已成為通信對(duì)抗領(lǐng)域的重點(diǎn)。在直接序列擴(kuò)頻通信原理及其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的干擾方式，分別對(duì)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)目前直接序列擴(kuò)頻通信的軍用情況，對(duì)直擴(kuò)電臺(tái)的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用進(jìn)行研究，提出解決電臺(tái)組網(wǎng)時(shí)臺(tái)間相互干擾以及“遠(yuǎn)近效應(yīng)”的可能措施。

[1]張輝，曹麗娜.現(xiàn)代通信原理與技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[2]JohnG.Proakis等.數(shù)字通信[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[3]張葛祥，李娜.MATLAB仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[4]王立寧等.MATLAB與通信仿真[M].北京:人民郵電出版社，2000.

[5]劉敏，魏玲.MATLAB通信仿真與應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

TP309

A

1009-5624（2016）05-0041-03

史玥（1994.～），女，遼寧省大連市人，錦州市太和區(qū)渤海大學(xué) 通信工程專業(yè)本科生