基于MATLABSimulink的扩频通信系统仿真及抗干扰研究样本.doc

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基于MATLAB/Simulink的
扩频通信系统仿真及抗干扰研究

邹宁 徐松涛 牛建兵
( 空军工程大学 工程学院, 陕西 西安 710038)

    摘  要  本文阐述了扩展频谱通信技术的理论基础和实现方法, 并经过MATLAB提供的Simulink仿真平台对直扩通信系统进行了仿真, 详细讲述了各模块的设计。在给定仿真条件下, 运行了仿真程序, 得到了预期的仿真结果。同时, 利用建立的仿真系统, 研究了抑制正弦干扰性能与系统信噪比的关系, 结果表明, 提高信噪比, 系统能够有效抑制正弦信号干扰。
    关键词  直扩通信; 信噪比; 误码率; 抗干扰

1  引言
    扩展频谱通信具有很强的抗干扰性能, 其多址能力、 保密、 抗多径等功能也倍受人们的关注, 被广泛地应用于军事通信和民用通信中。扩频通信系统利用了扩展频谱技术, 将信号扩展到很宽的频带上, 在接收端对扩频信号进行相关处理即带宽压缩, 恢复成窄带信号。对干扰信号而言, 由于与扩频信号不相关, 则被扩展到一个很宽的频带上, 使之进入信号通频带内的干扰功率大大降低, 相应增加了相关器输出端的信号/干扰比, 对大多数人为干扰而言, 扩频通信系统都具有很强的对抗能力。本文利用MATLAB/Simulink对扩频系统中的m序列的产生、 频谱、 相关函数, 以及整个扩频系统工作原理及其抑制正弦干扰性能进行了仿真, 为今后扩频通信系统在各个领域的应用和研究提供了依据。
2  扩展频谱技术
2.1  理论基础
    Shannon定理指出: 在高斯白噪声干扰条件下, 通信系统的极限传输速率( 或称信道容量) 为
                ( 1)
式中: B为信号带宽; S为信号平均功率; N为噪声功率。
若白噪声的功率谱密度为n0, 噪声功率N=n0B , 则信道容量C可表示为
              ( 2)
由上式能够看出, B 、 n0 、 S确定后, 信道容量C就确定了。由Shannon第二定理知, 若信源的信息速率 小于或等于信道容量C, 经过编码, 信源的信息能以任意小的差错概率经过信道传输。为使信源产生的信息以尽可能高的信息速率经过信道, 提高信道容量是人们所期望的。
由Shannon公式能够看出:
    ( 1) 信道容量C为常数时, 带宽B与信噪比S/N能够互换, 即能够经过增加带宽B来降低系统对信噪比S/N 的要求。
    ( 2) 要增加系统的信息传输速率, 则要求增加信道容量。增加信道容量的方法能够经过增加传输信号带宽B, 或增加信噪比S/N来实现。由式( 1) 可知, B与C成正比, 而C与S/N成对数关系, 因此, 增加B比增加S/N更有效。
2.2  m序列
    Shannon在证明编码定理的时候, 提出了用具有白噪声统计特性的信号来编码。白噪声是一种随机过程, 它的瞬时值服从正态分布, 功率谱在很宽的频带内都是均匀的, 它有及其优良的相关特性。可是至今无法实现对白噪声的放大、 调制、 检测、 同步及控制等, 而只能用具有类似带限白噪声统计特性的伪随机码来逼近它, 并作为扩频系统的扩频码。
    m序列是最长线性移位寄存器, 是最重要的伪随机序列之一, 这种序列易于产生, 有优良的自相关特性。m序列是由移位寄存器加反馈后形成的, 其结构如图1所示。图中αn-1 ( i=1, 2, 3, …, r) 为移位寄存器中每位寄存器的状态; ci( i=1, 2, 3, …, r ) 为第 位寄存器的反馈系数。当 =0时, 表示无反馈, 将反馈线断开; 当ci=1时表示存在反馈, 将反馈线连起来。在此结构中c0=cr=1, c0不能为0, c0为0就不能构成周期性序列, 因为 c0=0意味着无反馈, 为静态移位寄存器。cr也不能为0, 即第r 位寄存器一定要参加反馈, 否则, r级的反馈移位寄存器将减化为r-1级的或更低的反馈移位寄存器。不同的反馈逻辑, 即 ci( i=1, 2, 3, …, r-1) 取不同的值, 将产生不同的移位寄存序列。

图1 反馈移位寄存器结构
2.3  直扩系统
    扩频通信与一般的通信系统相比, 主要是在发射端增加了扩频调制, 而在接收端增加了扩频解调的过程, 扩频通信按其工作方式不同主要分为直接序列扩频系统、 跳频扩频系统、 跳时扩频系统、 线性调频系统和混合调频系统。现以直接序列扩频系统为例说明扩频通信的实现方法。图2为直接序列扩频系统的原理框图。

图2  直接序列扩频系统原理图

    由直扩序列扩频系统原理图能够看出, 在发射端, 信源输出的信号与伪随机码产生器产生的伪随机码进行模2加, 产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列, 然后再用扩频序列去调制载波, 这样得到已扩频调制的射频信号。在接收端, 接收到的扩频信号经高放和混频后, 用与发射端同步的伪随机序列对扩频调制信号进行相关解扩, 将信号的频带恢复为信息序列的频带, 然后进行解调, 恢复出所传输的信息。
3  系统仿真模型的建立
3.1  Simulink简介
    MATLAB最初是Mathworks公司推出的一种数学应用软件, 经过多年的发展, 开发了包括通信系统在内的多个工具箱, 从而成为当前科学研究和工程应用的最流行的软件包之一。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具, 是实现动态系统建模、 仿真和分析的一个集成环境, 广泛运用于线性系统、 非线性系统、 数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。它包括一个复杂的接收器、 信号源、 线性和非线性组件以及连接组建的模块库, 用户也能够根据需要定制或者创立自己的模块。Simulink的主要特点在于使用户能够经过简单的鼠标操作和拷贝等命令建立起直观的系统框图模型, 用户能够很随意地改变模型中的参数, 并能够马上看到改变参数后的结果, 从而达到方便、 快捷地建模和仿真的目的。
3.2  模型建立及主要模块设计
    基于MATLAB /Simulink所建立的扩频通信系统的仿真模型, 能够反映扩频通信系统的动态工作过程, 可进行波形观察、 频谱分析和性能分析等, 同时能根据研究和设计的需要扩展仿真模型, 实现以扩频通信为基础的现代通信的模拟仿真, 为系统的研究和设计提供强有力的平台。
3.2.1  m序列反馈移位寄存器仿真模型
    图3为基于MATLAB/Simulink的产生m序列反馈移位寄存器仿真模型。

图3  m序列产生器实现框图

    本文利用本原多项式( 式中1代表寄存器有反馈, 0则代表无反馈) 构建产生周期为255的m序列反馈移位寄存器。
    单位寄存器( Unit Delay) : 将信号进行寄存, 在时钟到来时, 将寄存的信号传递给下一个寄存器。
    逻辑器件( Logical Operator) : 将从寄存器反馈的信号进行异或逻辑运算, 再传递给第一个寄存器。
    零阶采样保持( Zero-Order Hold) : 与频谱仪的采样时间保持一致, 保证频谱仪能够正常工作。
    频谱仪( Spectrum Scope) : 能够观察到出入信号的频谱。
    返回工作空间( To Workspace) : 将产生的二进制m序列返回MATLAB的工作空间, 方便进行类似求相关函数的信号处理。
3.2.2  直接扩频通信系统仿真模型
    图4为基于MATLAB/Simulink的直接扩频通信系统仿真模型。
    随机整数发生器( Random Integer generator) : 仿真系统的信源, 随机整数发生器产生二进制随机信号, 采样时间、 初始状态可自由设置, 从而满足扩频通信系统所需信源的要求。
    PN序列牛成器模块( PN Sequence Generator) : 伪随机码产生器, 扩频过程经过信息码与PN码进行双极性变换后相乘加以实现。解扩过程与扩频过程相同, 即将接收的信号用PN码进行第二次扩频处理。
    通带M-PSK调制器及通带M-PSK解调器( M-PSK Modulator Passband & M-PSK Demodulator Passband) : 使用二相相移键控PSK方式进行调制、 解调。调制由正弦载波与双极性扩频码直接相乘实现, 采用相干解调法进行解调。
    加性高斯白噪声( AWGN Channel) : 传输信道为加性高斯自噪声信进。在加性高斯自噪声信道模块中, 可进行信号功率和信噪比的设置。

图4  直接扩频通信系统仿真模型

    误码仪( Error Rate Calculation) : 误码仪在通信系统中主要任务是评估传输系统的误码率, 它具有两个输入端口: 第一个端口( Tx) 接收发送方的输入信号, 第二个端口( Rx) 接收接收方的输入信号。
    示波器( Scope) : 将发送方的信号和经过整个扩频系统的接受方信号同时输入示波器, 能够很清晰直观地观察二者之间的差异。
3.2.3 直接扩频通信系统在抑制正弦信号干扰的仿真模型
    经过Monte Carlo仿真, 研究直接扩频通信系统在抑制正弦信号干扰方面的问题。待仿真的系统方框图如图5所示。

图5  用于Monte Carlo仿真的直接扩频系统模型

    用一个均匀随机数发生器( RNG) 产生某个二进制信息符号序列, 每个信息比特重复L次, L相应于每个信息比特的PN码片数。所得到的序列乘以PN序列, 然后将高斯白噪声和形式为
                ( 3)
的正弦干扰加到这个乘积序列上。解调器完成与PN序列的互相关, 并在构成每信息比特的L个信号样本上求和( 积分) 。相加器的输出再返馈给检测器, 差错计数器计算出由检测器产生的差错数。
4  仿真结果
4.1  对产生m序列的仿真
    图6是对m序列的相关函数的仿真结果图。因为本文是利用周期为255的m序列进行相关仿真, 因此能够看到在周期点255处有很强的自相关特性, 在其余点处有近似为0的互相管特性。在实际应用中, 我们希望序列的互相管幅度值越小越好。
    图7是m序列频谱的仿真结果图。m序列的相关函数和频谱之间形成一傅里叶变换对。由于m序列的自相关函数是周期性的, 则对应的频谱是离散的, 而且对应离散谱包络为 函数。

图6  m序列的相关函数特性

图7  m序列的频谱图
4.2  对直接扩频通信系统的仿真
    图4中误码仪( Error Rate Calculation) 后接的显示器( Display) 显示数为0.0061, 说明该仿真扩频系统在没有差错控制的情况下, 经过E/N( 信噪比) 为-20dB的传输环境能够达到误码率为0.61%的量级, 具有较好的抗干扰性。
    图8是图中示波器显示的波形, 第一个为随机整数发生器( Random Integer generator) 产生的波形, 第二个为经过信道、 解扩、 解调最后产生的波形, 从图中能够看出, 该扩频系统的误码率很小。

图8  直接扩频通信系统仿真结果图
4.3  对直接扩频通信系统在抑制正弦信号干扰的仿真
    图9为该系统对抑制正弦信号干扰的仿真结果图, 对于L=20, 能够从图中看到在3种不同的正弦干扰幅值下所得到的结果。在这些仿真过程中, 加性噪声的方差都保持不变, 而在每次仿真运行中, 所期望的信号电平都加权到能够实现所需的SNR。

图9 不同幅值的正弦干扰下的误码率仿真
5  结论
    扩频通信以其较强的抗干扰、 抗衰落、 抗多径性能而成为第三代通信的核心技术, 本文阐述了扩频通信的理论基础和实现方法, 利用MATLAB提供的可视化工具箱Simulink建立了扩频通信系统仿真模型, 详细讲述了各模块的设计, 并给出了仿真建模中需注意的问题。在给定仿真条件下, 运行了仿真系统, 验证了所建仿真模型的正确性。经过仿真研究了扩频系统在抑制正弦干扰方面的有效性问题, 结果表明, 扩频系统对正弦干扰有着良好的抗干扰性, 增大信噪比能够有效抑制正弦信号的干扰。能够广泛应用于对抗干扰性和保密性要求较高的军用或民用通信。
参考文献
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    [2]徐明远, 邵玉斌.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用[M].西安: 西安电子科技大学出版社,
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    [4]刘树棠.现代通信系统[M].北京: 电子工业出版社, 。
    [5]郭海燕, 毕红军.MATLAB在伪随机码的生成及仿真中的应用[J].计算机仿真, 21( 3) , .3
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    收稿日期: 11月4日   修改日期: 12月12日
    作者简介: 邹宁( 1983-) , 男( 汉族) , 湖南韶山人, 空军工程大学工程学院, 硕士研究生, 研究方向为侦察预警与干扰技术; 徐松涛( 1963-) , 男( 汉族) , 广东中山人, 空军工程大学工程学院副教授, 博士, 研究方向为雷达信号处理, 机载预警技术。