基于Simulink的直擴通信干擾建模與分析*

邵正途，張 路，陳 鵬，鄧 靜，周 艷

（空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019）

0 引 言

直接序列擴頻（以下簡稱直擴）通信是通過在發(fā)送端對基帶數(shù)據(jù)進行頻譜擴展，在接收端進行相關(guān)接收的通信系統(tǒng)。直擴通信技術(shù)具有非常靈活的信道分配能力、較好的保密性以及較強的抗多徑和抗干擾能力，被廣泛地應(yīng)用于民用通信、軍用通信以及衛(wèi)星通信等領(lǐng)域，對其干擾性能的研究具有顯著的現(xiàn)實意義[1]。文獻[2-3]對直擴系統(tǒng)的干擾效能利用相關(guān)誤碼率經(jīng)驗公式對其干擾效能進行分析，但公式推導(dǎo)復(fù)雜，難于理解。文獻[4-5]利用Simulink對直擴系統(tǒng)的正弦信號窄帶干擾效果進行了研究，但對寬帶干擾等其他干擾樣式?jīng)]有進行相應(yīng)的建模與分析。

本文利用MATLAB（Simulink）軟件對直擴系統(tǒng)以及單頻干擾、寬帶干擾、梳狀干擾以及掃頻干擾進行建模和仿真分析，構(gòu)建了直擴系統(tǒng)干擾分析平臺，并與常規(guī)通信系統(tǒng)的輸出誤碼率進行比較，為擴頻通信系統(tǒng)干擾相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用和研究提供支撐。

1 基于Simulink的PN序列直擴系統(tǒng)模型

PN序列（Pseudo-Noise Code）直擴系統(tǒng)采用高速偽隨機碼作為擴頻碼在發(fā)送端進行擴頻，從而使頻帶較窄的原始信號擴展為頻帶較寬的信號，在接收端用相同的偽隨機碼進行解擴，恢復(fù)出原始信號。直接序列擴頻信號的類型有很多種，最常用的方式是二進制相移鍵控。利用Simulink工具建立直擴二進制相移鍵控（Direct Sequence Binary Phase Shift Keying，DS-BPSK）通信系統(tǒng)模型如圖1所示[6]，模型中使用伯努利二進制序列數(shù)作為信息源，使用PN碼作為擴頻碼，調(diào)制載波使用BPSK方式，部分理想化信道和同步。

圖1 基于Simulink的DS-BPSK通信系統(tǒng)模型框圖

圖1 中主要模塊說明：

伯努利二進制發(fā)生器（Bernoulli Binary Generator），用以產(chǎn)生｛0，1｝序列碼，碼速1 kbit/s。

PN序列產(chǎn)生器（PN Sequence Generator），用以產(chǎn)生m序列，模型中設(shè)為8階m序列，初始狀態(tài)設(shè)置為[00000001]，碼速255 kbit/s。

極性轉(zhuǎn)換器（Unipolar to Bipolar Converter），用以將單極性碼｛0，1｝碼轉(zhuǎn)換為｛-1，1｝的雙極性碼。

正弦信號（Sine Wave），作為載波信號，設(shè)為幅度1，頻率500 kHz。

高斯白噪聲信道（AWGN Channel），模擬高斯信道，默認(rèn)信噪比SNR為10 dB。

干擾（Jamming），用以產(chǎn)生干擾信號，具體產(chǎn)生方法見第2節(jié)。

模擬濾波器（Analog Filter Design），設(shè)置為一階低通濾波器。

誤碼儀（Error Rate Calculation），計算輸出誤碼率。

信源信號經(jīng)擴頻和BPSK調(diào)制后的頻譜如圖2所示。

圖2 信源信號經(jīng)BPSK直擴調(diào)制后的頻譜

可以看出，信源信號頻譜從1 kHz擴展到了255 kHz，擴頻倍數(shù)等于擴頻碼的速率，即8階m序列的周期255倍。

2 基于Simulink的噪聲干擾建模

2.1 音頻干擾

音頻干擾在頻譜上表現(xiàn)為單/多個頻點上的強干擾信號，產(chǎn)生該干擾信號的表達式為：

當(dāng)n=1時，即為單頻窄帶干擾信號，在仿真中，可以用多個不同載頻的正弦波疊加產(chǎn)生該干擾信號，由此建立該干擾信號的仿真模型如圖3所示。

圖3 音頻干擾模型

音頻干擾信號頻譜如圖4所示。

2.2 寬帶干擾

寬帶干擾通常采用調(diào)頻制寬帶干擾[7]，表達式為：

圖4 音頻干擾信號頻譜

由此數(shù)學(xué)模型，利用低通濾波后的高斯噪聲對壓控振蕩器進行控制，建立寬帶噪聲信號仿真模型如圖5所示。

圖5 寬帶干擾模型

寬帶干擾頻譜仿真結(jié)果如圖6所示，可以看出，經(jīng)過低通濾波器得到的帶寬為25 kHz的高斯噪聲信號經(jīng)過調(diào)頻調(diào)制后，所得干擾信號帶寬得到了很大的展寬，帶寬約為200 kHz。

圖6 寬帶干擾信號頻譜

2.3 梳狀干擾

梳狀干擾是干擾頻帶呈梳形的干擾信號，僅落入這此頻帶內(nèi)的通信信號受干擾，干擾頻帶可為固定的或移動的。掃頻干擾表達式為：

可以利用等間隔的窄帶干擾信號相疊加來獲得梳狀干擾信號，由此建立梳狀干擾信號的仿真模型如圖7所示。

圖7 梳狀干擾模型

梳狀干擾信號頻譜如圖8所示，可以看到干擾信號頻譜在干擾頻段上呈現(xiàn)梳形，符合干擾需要。

圖8 梳狀干擾信號頻譜

2.4 掃頻干擾

掃頻干擾利用一個相對較窄的窄帶信號在一定的周期內(nèi)，重復(fù)掃描某個較寬的干擾頻帶，信號表達式為：

由此數(shù)學(xué)模型，采用鋸齒波寬帶調(diào)頻和噪聲窄帶調(diào)頻結(jié)合的方式，建立掃頻干擾仿真模型如圖9所示。

圖9 掃頻干擾模型

掃頻干擾信號頻譜（某一時刻）如圖10所示，可以看到在干擾信號瞬時頻譜為窄帶，符合干擾需要。

圖10 掃頻干擾信號頻譜

3 直擴系統(tǒng)干擾性能分析

利用上節(jié)建立的音頻干擾、寬帶干擾、掃頻干擾以及直擴系統(tǒng)仿真模型。音頻干擾仿真參數(shù)：單頻頻點：500 kHz。寬帶干擾仿真參數(shù)：中心頻率：500 kHz；高斯噪聲均值：0；高斯噪聲方差：1；噪聲濾波寬度：75 kHz；調(diào)頻靈敏度：80 kHz/V。梳狀干擾仿真參數(shù)：頻點1：255 kHz；頻點2：382.5 kHz；頻點 3：500 kHz；頻點 4：637.5 kHz；頻點5：765 kHz；高斯噪聲均值：0；高斯噪聲方差：1；噪聲濾波寬度：63.75 kHz。掃頻干擾仿真參數(shù)：掃頻頻帶：0～1 MHz；高斯噪聲均值：0高斯噪聲方差：1；噪聲濾波寬度：25 kHz；調(diào)頻靈敏度：51 kHz/V，掃頻周期：0.5 s。分別在不同干信比條件下，對DS-BPSK和BPSK系統(tǒng)進行干擾誤碼率測試，得到仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同干信比條件下DS-BPSK和BPSK系統(tǒng)的干擾性能對比

根據(jù)誤碼率仿真結(jié)果可以看出，在誤碼率0.1的水平下，單頻干擾DS-BPSK相對BPSK系統(tǒng)增益大約為40 dB，說明直擴系統(tǒng)對單頻干擾具有較好的抗干擾效果。寬帶干擾信號大約為5 dB，梳狀干擾信號大約為8 dB，說明直擴系統(tǒng)針對帶寬更寬的干擾和梳狀信號效果并不是特別理想。而在掃頻干擾情況下，普通系統(tǒng)的誤碼率反而要低于直擴系統(tǒng)，在誤碼率0.1水平時，相差較大（60 dB）。原因是直擴系統(tǒng)的信源帶寬被擴展占據(jù)了更大的帶寬，會更多的受到掃頻干擾的影響。但是當(dāng)掃頻干擾的頻帶能夠精確瞄準(zhǔn)信號頻帶時，即能體現(xiàn)直擴系統(tǒng)的抗干擾性能。

4 結(jié) 語

本文通過Simulink仿真軟件，建立了直擴通信系統(tǒng)以及各種噪聲干擾的可視化仿真模型，給出了各個模塊構(gòu)建的思路和可視化模型圖，對不同干信比條件下系統(tǒng)輸出誤碼率進行仿真分析。通過仿真，研究了各種干擾信號對直擴系統(tǒng)的干擾性能，并與普通通信系統(tǒng)進行對比，得出直擴系統(tǒng)的性能增益。仿真結(jié)果表明，建模方法簡潔有效，易于調(diào)整模型參數(shù)觀察仿真結(jié)果，避免復(fù)雜的公式推導(dǎo)，所建模型可用于直擴系統(tǒng)干擾性能評估和通信對抗類課程教學(xué)中。