Simulink直接序列扩频系统设计样本.doc

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1、 直接序列扩频的基本原理
直接序列扩频( Direct Sequence Spread Spectrum) 工作方式, 简称直扩方式( DS方式) 。就是用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱, 而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩, 把展开的扩频信号还原成原来的信号。直接序列扩频方式是直接用伪噪声序列对载波进行调制, 要传送的数据信息需要经过信道编码后, 与伪噪声序列进行模2和生成复合码去调制载波。图1示出了直接序列扩频系统的原理方框图。

图1 直接序列扩频系统的原理方框图

信息
信码m(t)
BPSK调制
载波
PN 码
扩频解调
本地PN码
BPSK解调
本地载波

直扩系统的抗干扰能力是由接收机对干扰的抑制产生的, 如果干扰信号的带宽与信息带宽相同( 即窄带) , 此干扰信号经过发送机伪噪声码调制后将展宽为与发送信号相同的带宽, 而其谱密度却降低了若干倍。相反, 直扩信号经伪噪声码解扩后变成了窄带信息, 从而使增益提高了若干倍。此增益我们称为直扩处理增益GDS, 也就是直扩系统的抗干扰能力, 其定义式如下:
GDS=10 lg( Rc/Rb)
其中: Rc为直扩码速率; Rb为信息码速率, 其比率即为扩频码长度, 也称扩频信号的带宽扩展因子。

2、 直接序列扩频通信系统的特点
(1)抗干扰性强
抗干扰是扩频通信主要特性之一, 比如信号扩频宽度为100倍, 窄带干扰基本上不起作用, 而宽带干扰的强度降低了100倍, 如要保持原干扰强度, 则需加大100倍总功率, 这实质上是难以实现的。因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到, 因此即使以同类型信号进行干扰, 在不知道信号的扩频码的情况下, 由于不同扩频编码之间的不同的相关性, 干扰也不起作用。正因为扩频技术抗干扰性强, 美国军方在海湾战争等处广泛采用扩频技术的无线网桥来连接分布在不同区域的计算机网络。
(2)隐蔽性好
因为信号在很宽的频带上被扩展, 单位带宽上的功率很小, 即信号功率谱密度很低, 信号淹没在白噪声之中, 别人难以发现信号的存在, 加之不知扩频编码, 很难摄取有用信号, 而极低的功率谱密度, 也很少对于其它电讯设备构成干扰。 
(3)易于实现码分多址(CDMA)
直扩通信占用宽带频谱资源通信, 改进了抗干扰能力, 是否浪费了频段呢? 其实正相反, 扩频通信提高了频带的利用率。正是由于直扩通信要用扩频编码进行扩频调制发送, 而信号接收需要用相同的扩频编码作相关解扩才能得到, 这就给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性, 分配给不同用户不同的扩频编码, 就能够区别不同的用户的信号, 众多用户, 只要配对使用自己的扩频编码, 就能够互不干扰地同时使用同一频率通信, 从而实现了频率复用, 使拥挤的频谱得到充分利用。发送者可用不同的扩频编码, 分别向不同的接收者发送数据。同样, 接收者用不同的扩频编码, 就能够收到不同的发送者送来的数据, 实现了多址通信, 提高了频谱利用率[3]。另外, 扩频码分多址还易于解决随时增加新用户的问题。
(4)抗多径干扰
无线通信中抗多径(发射的信号经多条不同路径传播)干扰一直是难以解决的问题, 利用扩频编码之间的相关特性, 在接收端能够用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号, 也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强, 从而达到有效的抗多径干扰。
(5)直扩通信速率高
直扩通信速率可达2M, 8M, 11M, 无须申请频率资源, 建网简单, 网络性能好。在802.15.4通信标准中, 要求的无线通信的速度是 250Kbps, 因此, cc2430高频部分也是使用这个通信速度。
(6)有很强的保密性能
对于直扩系统而言, 射频带宽很宽, 谱密度很低, 甚至淹没在噪音中, 就很难检查到信号的存在。由于直扩信号的频谱密度很低, 直扩系统对其它系统的影响就很小。
(7) 精确测距
在扩频通信中如果扩展频谱很宽, 则意味着所采用的扩频码速率很高, 每个码片占用的时间就很短。当发射出去的扩频信号在被测物体反射回来后, 在接收端解调出扩频码序列, 然后比较收发两个码序列相位之差, 就能够精确测出扩频信号往返的时间差, 从而算出二者之间的距离。测量的精度决定于码片的宽度, 也就是扩展频谱的宽度。码片越窄, 扩展的频谱越宽, 精度越高。

3、 基于Simulink的直接序列扩频通信系统的仿真
在Simulink中对直接序列扩频通信系统进行仿真是要用到扩频与解扩、 BPSK调制、 编码信道AWGN信道模块, 如图3.1所示。
图3.1　仿真用到的主要模块

1)Scope——将输入信号在示波器中显示出来。
2)Display——将输入信号以数字的形式显示出来。
3)Error Rate Calculation——计算输入信号的比特或符号错误率。
4)AWGN channel——AWGN信道。
5)PN Sequence Generator——生成PN序列。
6)Bernoulli Binary Generator——生成Bernoulli分部二进制数。
7)BPSK Demodulator Basband ——BPSK解调。
8)BPSK Modulator Basband——BPSK调制。

3.1 扩频与解扩的Simulink仿真图
扩频模块包括伪随机码生成和相关运算两个部分。不同的伪随机码表示着不同的扩频方式。常见的伪随机码有m序列(最大长度移位寄存器序列)、 Gold码序列等。在直序扩频序列通信系统中, 每一用户都分配到一固定的PN序列, 用户之间的PN序列都是互为正交的, 以使得每一用户不受到其它用户的干扰。扩频的过程能够简而言之为在发送端用PN码序列将载有信息的信号扩频到某个较宽的带宽上, 然后在信道上进行传输。
解扩过程与扩频过程完全相同, 也是将输入解扩模块的信号用伪随机码进行扩频处理。同时, 要求接收端解扩频用的伪随机码与发送端扩频用的伪随机码不但码字相同, 而且相位相同; 否则, 将会导致期望用户的信号自身相互抵消。
图3.2是扩频的仿真模型, 图中一个随机序列与PN码序列异或相乘得一个新的序列, 使随机序列的频谱被扩展。图3.3的第一个波形输入的随机信号的波形, 第二个波形是扩频后的波形, 第三个波形是生成的PN码序列的波形。

图3.2 扩频的仿真模型

图3.3 扩频波形

3.2 BPSK调制的Simulink仿真图
BPSK是二进制相移键控, 在二进制数字调制中, 当正弦载波相位随二进制数字基带信号离散变化时, 则产生BPSK信号。一般见已调信号载波的0°和180°分别表示二进制数字基带信号的1和0。理想的BPSK调制可使载波相位瞬时变化180°。BPSK信号的调制原理图如图3.4所示。

ebpsk(t)
开关电路
S( t)
cosωct
180°移相
图3.4　BPSK调制原理图

BPSK信号的解调一般都是采用相干解调, 解调器原理图如图3.5所示, 在相干解调过程中需要用到与接收到的BPSK信号同频同相的相干波。
cosωct
相乘器
输出
ebpsk(t)
图3.5　BPSK解调原理图

图3.6是BPSK调制与解调框图, 图3.7是BPSK调制与解调的Simulink模型, 3.8是信源输入的随机数字信息的波形, 图3.95是随机数字信息经BPSK调制后的频谱图。
随机数字信息
输出信息
BPSK解调
信道
BPSK调制
图3.6　BPSK调制与解调框图

图3-13　BPSK调制与解调模型

图3-14　信源产生的随机序列