基于Simulink的擴(kuò)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(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)學(xué)院，北京 100191；3.四川大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 成都 610065)

基于Simulink的擴(kuò)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(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)學(xué)院，北京 100191；3.四川大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 成都 610065)

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

直接序列擴(kuò)頻通信；信噪比；Gold序列；蒙特卡洛仿真

0 引言

擴(kuò)展頻譜的原理是將信號(hào)的頻譜擴(kuò)展至很寬的頻帶。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)則是將基帶信號(hào)的頻譜通過(guò)某種調(diào)制擴(kuò)展到遠(yuǎn)大于系帶信號(hào)帶寬的系統(tǒng)中去，在接收端使之恢復(fù)為窄信號(hào)。為了增強(qiáng)相關(guān)器所輸出的信號(hào)/干擾比，降低信號(hào)通頻帶內(nèi)的干擾，利用干擾信號(hào)與擴(kuò)頻信號(hào)不相關(guān)的性質(zhì)，把信號(hào)擴(kuò)展到一個(gè)高帶寬的頻帶上，從而提高擴(kuò)頻通信系統(tǒng)信號(hào)的魯棒性，特別是提高對(duì)有意干擾的抵抗能力。因?yàn)檫@類(lèi)干擾的帶寬通常比較窄，對(duì)被擴(kuò)展之后的寬頻譜信號(hào)影響不大。

本文利用MATLAB(Simulink)軟件對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)中的序列發(fā)生器、擴(kuò)頻系統(tǒng)及傳輸環(huán)境中的正弦干擾進(jìn)行了模擬，驗(yàn)證了直接擴(kuò)頻方法的正確性，為擴(kuò)頻通信系統(tǒng)日后在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用和研究提供了依據(jù)。

1 基礎(chǔ)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(guān)系為：

C=B×log2(1+S/N)

式中：C代表信息傳輸?shù)乃俾剩葱诺赖膫鬏斎萘浚籗/N代表信道內(nèi)信息傳輸?shù)男旁氡龋籅代表傳輸信號(hào)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(guò)兩種途徑實(shí)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(jiàn)，B與C成正比，而C與S/N成對(duì)數(shù)關(guān)系。因此，增加傳輸信號(hào)的頻帶寬度(B)比增加信噪比(S/N)對(duì)提高傳輸速度更有效。

1.2 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)

直接序列擴(kuò)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(lái)說(shuō)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(kuò)頻系統(tǒng)的信碼與頻率較高的偽碼做模2加法，完成對(duì)信源的擴(kuò)頻。然后經(jīng)過(guò)調(diào)制(變頻)后送入信道傳輸。信號(hào)在接收端被恢復(fù)為信碼序列，是通過(guò)將接收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行高放和混頻處理使之與信碼的相關(guān)程度遠(yuǎn)大于噪聲。之后再用與發(fā)射端一樣的偽碼序列解擴(kuò)擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)[1]。傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻解擴(kuò)后仍為寬頻信號(hào)，原本的所需信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻解擴(kuò)后就變成了只受信碼調(diào)制的窄頻信號(hào)，進(jìn)行解調(diào)后得到需要的傳輸信息。完整流程見(jiàn)圖1。

圖1 直擴(kuò)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(gè)m序列進(jìn)行模2加運(yùn)算生成的[3]。通過(guò)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(gè)不同的相對(duì)移位，加上原有的兩個(gè)m序列，可以產(chǎn)生共m+1個(gè)Gold序列。Gold序列是由兩個(gè)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(guān)較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)Gold碼的互相關(guān)性比m序列要好。Gold序列產(chǎn)生的過(guò)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(gè)系統(tǒng)環(huán)境建模、仿真、分析的軟件被廣泛地用于各類(lèi)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?yàn)樗梢栽谶B續(xù)、離散或兩者混合的采樣時(shí)間上進(jìn)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(yǔ)言書(shū)寫(xiě)，其框圖模式簡(jiǎn)單直觀，因此對(duì)于接觸科研及實(shí)驗(yàn)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(fù)雜實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母咝Чぞ摺?/p>

2 直擴(kuò)系統(tǒng)抗干擾實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)均相等的m序列模2加。序列1的本原多項(xiàng)式為[1 0 0 0 0 1 1]，序列2的本原多項(xiàng)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(shí)間的一致，確保頻譜儀和Simlink空間的正常工作。時(shí)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(duì)其進(jìn)行調(diào)用以及求解相關(guān)函數(shù)。

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

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

2.2 直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)模塊

直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)模塊的Simulink仿真模型如圖4所示。

隨機(jī)整數(shù)發(fā)生器(RandomIntegergenerator)：作為模擬通信系統(tǒng)的信號(hào)源，可以通過(guò)對(duì)采樣時(shí)間、初始狀態(tài)的自由設(shè)置隨機(jī)產(chǎn)生二進(jìn)制序列，從而生成擴(kuò)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(hào)。

基帶M-PSK調(diào)制器(M-FSKModulatorBaseband)：對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行2-FSK調(diào)制。

基帶M-PSK解調(diào)器(M-FSKDemodulatorBaseband)：對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行2-FSK解調(diào)。

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

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

示波器(Scope)：觀察波形。

乘法器(Product)：對(duì)輸入的二進(jìn)制序列進(jìn)行乘法運(yùn)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(yùn)算完成擴(kuò)頻，擴(kuò)頻信號(hào)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(shí)現(xiàn)解擴(kuò)。最后將接收到的信號(hào)與源信號(hào)同時(shí)輸入誤碼儀比對(duì)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(guò)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(kuò)頻通信系統(tǒng)模塊

圖5 Monte Carlo模塊

一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(Randomintegergenerator)產(chǎn)生某個(gè)二進(jìn)制信息符號(hào)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(gè)乘積序列上，在Product3處完成解擴(kuò)，將最后的輸出結(jié)果輸入給檢測(cè)器，最后再由誤碼儀計(jì)算出檢測(cè)器輸出的結(jié)果相較源信號(hào)的差錯(cuò)數(shù)。同時(shí)，編寫(xiě)MATLAB程序，考查信噪比(-20～10)和幅度(3′6′9)的情況，依次設(shè)置不同數(shù)值，運(yùn)行模型，記錄結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

首先對(duì)于Gold序列產(chǎn)生模塊，由于構(gòu)成Gold序列的兩個(gè)m序列都是6位二進(jìn)制碼，其周期為25-1=63。由MATLAB做出的模塊中Gold序列相關(guān)性函數(shù)可發(fā)現(xiàn)，其在63處幅值較大，說(shuō)明相關(guān)性較強(qiáng)；而在其他地方幅值較低且接近0，說(shuō)明相關(guān)性很低。圖6展示了Gold序列頻譜函數(shù)的波形圖,可見(jiàn)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(guān)性函數(shù)

其次，對(duì)于直接擴(kuò)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(duì)圖片顏色的要求無(wú)法直接呈現(xiàn))，這表明該模擬直擴(kuò)通信系統(tǒng)在15dB信噪比的信道環(huán)境中傳輸時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率趨于0，可見(jiàn)具有較好的抗干擾性。圖7則是直擴(kuò)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(kuò)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(gè)序列保持一致。

圖8是MonteCarlo模塊在應(yīng)對(duì)不同幅值正弦信號(hào)干擾時(shí)的誤碼率曲線。可以看到提高信噪比對(duì)降低誤碼率具有非常強(qiáng)的影響，當(dāng)信噪比大于零時(shí)，系統(tǒng)出錯(cuò)的概率非常小，低于10-3的向前糾錯(cuò)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(duì)擴(kuò)頻通信技術(shù)中直接擴(kuò)頻的原理與方法進(jìn)行了介紹，通過(guò)MATLAB(Simulink)這一框圖仿真軟件，建了直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型，給出了各個(gè)模塊構(gòu)建的思路和可視化模型圖，并對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行了分析，證明了該仿真模型的正確性。通過(guò)本次建模仿真，模擬了直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的被干擾環(huán)境，證明了直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)對(duì)正弦干擾具有較強(qiáng)的抗干擾能力，并且可以通過(guò)增大信噪比來(lái)提高信道的容量及傳輸準(zhǔn)確性(抗干擾性)，為直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可以有效應(yīng)用于對(duì)保密和抗干擾性能有較高要求的領(lǐng)域提供了有效證據(jù)。

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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(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾性能研究[J].微型機(jī)與應(yīng)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(hào)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(hào)處理。