基于SystemView对直扩的仿真与分析.docx

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基于SystemView对直扩的仿真与分析

摘要

扩频通信与常规的通信系统相比，具有很强的抗人为干扰，抗窄带干扰，抗多经衰落的能力，并具有信息隐蔽、多址保密通信等特点。

从50年代中期开始到现在，扩频技术迅速发展，并得到了越来越广泛的应用，在通信、数据传输、信息保密等诸多方面显示了它极强的生命力。

SystemView是一种基于Windows平台对系统进行设计、仿真和分析的EDA软件。

它采用图形编码方式，提供了广泛的分析环境，并可以和硬件的开发工具连接起来进行仿真。

本文主要讨论SystemView软件的应用及直接序列扩频通信的原理，并运用SystemView图形模块构建直接序列扩频系统，用分析窗和信号计算器对直接序列系统进行仿真和分析。

关键词

SystemView;扩频通信；直接序列扩频；仿真

Abstract

Thespreadspectrum（SS）communicationsystemhasstrongerabilityofresistingjamming,narrowband,andmultipathinterferencethanthatoftheconservationcommunicationsystem.Andbecauseofitslowertransmittingpowerspectrum,italsohasthecharacteristicsoflowprobabilityinterceptandmultipleaccesssecurecommunication.TheSStechnologyhasbeendevelopingrapidlyandhasmoreandmorecomprehensiveapplicationsfromthemiddleofthe50’stonowadays.Ithasshownstrongvitalityonthesideofcommunication,datatransmissionandsecurecommunication.

SystemViewistheleadingWindowsdesign,simulationandanalysissoftwareforElectronicDesignAutomaton.Itfeaturesanintuitiveblockdiagraminterface,providesacomprehensiveanalysisenvironment,andlinkstohardwaredevelopmenttoolsforsimulation.

ThisthesisprimarilydiscussedthatasystemofdirectSequenceSpreadSpectrumwasdesigned,simulatedandanalysedwithinSystemViewusingtoken,analysiswindowandsinkcalculator.

Keywords

SystemView;SpreadSpectrumcommunication;DSSS;simulation

目录

摘要.......................................................................Ⅰ

Abstract...................................................................Ⅱ

第一章SystemView的功能与使用简介1

引言1

1.1SystemView简介1

1.2SystemView的用户环境2

1.2.1图标库2

1.2.2系统定时4

1.2.3基本系统的实现5

第二章扩频通信系统的基本理论6

2.1扩频通信技术的发展6

2.1.1扩频通信技术的概述6

2.1.2扩频通信技术的发展7

2.2扩频通信的基本原理8

2.2.1扩频通信的理论基础8

2.2.2扩频通信的工作原理8

2.2.3直接序列扩展频谱系统工作原理9

2.2.4直扩系统的调制和解调10

2.2.5扩频通信系统中的码元同步11

第三章直接序列扩频通信的仿真12

3.1仿真框图12

3.2仿真结果14

结论15

致谢16

参考文献17

第一章SystemView的功能与使用简介

引言

80年代以来,通信和信号处理系统越来越复杂,各种新技术的发展对通信系统的实现起着重大的影响。

通信系统复杂性的增加使得分析与设计所需的时间和费用也迅速上升,为了节约人力、物力、财力和时间,就需要进行系统仿真。

§1.1SystemView简介

SystemView是由美国ELANIX公司设计和开发,专门用于对工程和科技系统进行仿真和设计的一种综合性的动态系统分析环境。

SystemView提供了一种先进的系统分析引擎,分析的对象非常广泛,从模拟或数字信号处理,到滤波器、控制系统和通信系统,以及各种通用数学模型的仿真、设计和验证等等。

SystemView基于微软公司视窗操作系统的软件平台,有非常友好的界面,用户只需用鼠标就能很好地完成各种复杂的应用处理,而无需进行另外的编程、调试及烦琐的错误追踪。

SystemView提供了一种可视的动态的系统模型,并用功能模块（Token）来表示进程和用一个时间基台（TimeBace）来表示系统抽样的特性。

用户在系统窗口下可以对整个系统或者子系统进行仿真和设计,以及从SystemView的各种模型库中选择不同的功能模块,并把它们连接起来。

用户还可以通过界面、友好的对话窗口对功能模块参数进行定义,如定义仿真的起始时间和结束时间,以及系统的抽样频率等等。

用SystemView进行系统仿真有如下的特点：

1、开放友好的用户界面　利用SystemView无需与复杂的语言语句打交道,不必写一句代码,既可完成对各种系统的设计与仿真。

SystemView操作简便,图标系统形象直观,方便了从思路仿真、方案论证到硬件设计的实现。

同时它具有与外部文件的接口,可直接读入真实的数据,并对其进行处理。

也可将处理结果输出到外部数据文件。

2、仿真设计功能强大　　SystemView能在DSP、通信和控制系统应用中构造出复杂的模拟、数字、混合和多速率系统,可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。

3、动态系统设计简便　　SystemView提供几百种功能模块,因此在系统设计时,只要通过鼠标从功能库中选择相关图符并将它们拖曳到设计窗口中连线即可,而不需要采用分立元器件组成各个功能块后再级联成系统。

因此用SystemViwe软件仿真系统时,系统结构和功能一目了然,同时也很容易建立大而复杂的系统。

4、系统分析测试方便　　系统设计完成后,即可对系统进行分析测试,测试数据显示在分析窗口内。

软件可以方便快捷地在设计窗口和分析窗口之间切换,在系统设计窗口中单击分析窗口按钮,即可访问分析窗口,在分析窗口中单击系统按钮则又返回系统设计窗口。

根据分析窗口的显示数据,我们很容易对设计系统进行调试,而且对系统的每一步调试,通过分析窗口都能够方便地观察它的调试结果。

5、动态的分析和后处理简便SystemView提供一个灵活的动态探针功能,可对真实的示波器或频谱分析仪进行仿真。

此外,还有真实而灵活的分析窗口用以检查系统波形。

内部数据的图形放大、缩小、滚动等,全部可以通过鼠标操作很方便地实现。

其附带的“接受计算器”功能强大,可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波等。

6、硬件设计接口灵活　　除了一般的方案论证外,SystemView还提供了与多种硬件设计工具的接口:

与Xilinx公司的软件COREGenerator配套,可以将SystemView系统中的部分器件生成下载FPGA芯片所需的数据文件;通过与TI公司DSP设计工具CCS（CodeComposerStudio）的接口,可以将其DSP库中的部分器件生成DSP芯片编程的C语言源代码,或在系统仿真中嵌入实际硬件电路;通过与Xpedion公司的射频/微波仿真工具的接口,可以将系统仿真与电路级仿真结合起来,对分立元器件的射频/微波特性进行仿真。

§1.2SystemView的用户环境

1.2.1图标库

SystemView包含基本库和通信、DSP、逻辑、射频、模拟、用户代码等专业库。

基本库是SystemView仿真的基本构造模型，其中包括：

信号源、子系统、加法器、子系统输入输出端口、算子库、函数库、乘法器及观察窗等共8组基本器件。

信号源：

用于产生用户系统的输入信号的模块。

子系统：

代表一组模块（可能是一个很大的模块组，也可能还包括子系统），这些模块在用户仿真中作为一个完整的子系统、函数及其过程使用。

加法器：

完成几个输入信号的加法运算。

子系统输入输出端口：

用于设置子系统的输入输出端口。

算子库：

其中的每一个函数都把输入变量作为自变量进行某种运算和变换，如FFT变换，采样，保持，延时，增益或某一传递函数的线性系统。

函数库：

其中的每一个函数都把输入数据作为自变量进行各种函数运算，如量化、限幅、取绝对值等各种非线性函数、三角函数、对数函数、各种复数运算、代数运算等。

乘法器：

用于几个输入信号的乘法运算。

观察窗：

代表了信号接收器，用来实现信号收集，（实时）显示，分析，数据处理以及输出（包括把信号输出到文件）等功能。

通信库：

包括了在设计和仿真现代通信系统中可能用到的各种模块。

它使在一台PC上仿真一个完整的通信系统成为可能。

该库中包括各种纠错码编码;解码器、基带信号脉冲成型器、调制器;解调器、各种信道模型以及数据恢复等模块。

DSP库：

包含大量的DSP芯片的算法模式仿真和DSP函数，主要有加法器、乘法器、除法器、反向器、先进先出缓冲器、离散的Hadamard变换、混合的Radix变换、FIR和IIR滤波器等。

逻辑库：

包括了在设计和仿真数字电路系统中可能用到的各种模块，主要有与、或、非门、缓冲器、触发器、寄存器、计数器、多路调制的多路输出选择器、多谐振荡器、数模转换器等。

射频模拟库：

包括了在设计和仿真高频或模拟电路系统中可能用到的各种模块，主要有运算放大器、双平衡混频器、整流电路、限幅器、高低通滤波器、锁相环、PID调节器等。

用户代码库：

可以让设计者建立自己习惯的SystemView图标库，这些图标库可以使用C语言编写并且插入提供的模板，并自动地集成到SystemView中，象内库一样使用。

另外，SystemView还提供了与Matlab的接口，能很方便实现与Matlab的交互式数据传送与仿真。

总之，SystemView提供了先进快速的设计、仿真环境，不仅能设计开发创建子系统，而且能方便地建立大的复杂系统。

1.2.2系统定时

SystemView是一个离散时间系统。

在每次系统运行之前，首先需要设定一个系统频率。

仿真各种系统运行时，实现对信号以系统频率进行采样，然后按照系统对信号的处理计算各个采样点的值，最后在输出时，在观察窗内，按要求画出各个点的值和拟合曲线。

所以，系统定时是系统运行之前一个必不可少的步骤。

单击“系统定时”（SystemTime）按钮，打开定时窗口：

图1-1定时窗口

其中，起始时间和终止时间控制了系统的运行范围。

SystemView对系统仿真运行时间基本上没有限制，只要求终止时间要大于起始时间。

采样率和采样时间间隔在仿真过程中控制着时间步长，因此决定了系统的仿真效果。

一般为了获得较好的仿真波形，系统的采样率应设为系统信号最高频率的5至7倍。

当采样率为系统信号最高频率的10倍以上时，仿真波形几乎没有失真了。

采样点是由系统的运行时间和采样率共同决定的，他们之间的关系如下：

采样点数=（终止时间—起始时间）×采样率+1

因此，系统的运行时间、采样率和采样点数三者之间也不是互相独立的，若用户修改了其中的某一个或某两个，系统将会根据新的参数自动修改相应的参数。

另外，为了在数字信号处理等过程中进行FFT变换方便，系统还可以自动设置2的整数幂的采样点数。

用户更改了某一个时间参数后，点一下“更新”（Update）键，系统会根据最新修改的参数对其他参数进行相应的修改，并在对话框下端给出系统运行大约所需的时间及系统的总采样点数等时间参数。

SystemView提供了循环运行的功能，目的是提供用户系统自动重复运行的能力。

再循环次数对话框“No.ofSystemLoop:

”中，可输入希望系统循环运行的次数。

循环复位系统功能将控制用户系统每一次运行之后SystemView的操作：

如果循环复位系统功能“Resetsystemonloop”被选中，则每一个运行循环结束后，所有图标的参数都复位（恢复为原设置参数）；如果这个功能被关闭（没有选择此功能），则用户系统每次运行的参数都将被保存起来。

暂停循环执行后，在每次循环结束后暂停系统运行，暂停后，可以进入分析窗观察当前系统运行的波形，以便分析本次运行的结果；也可以对系统内某图标的参数进行修改，以达到动态控制系统的目的。

1.2.3基本系统的实现

1.将需要仿真的系统简化成一个模型，画出流程图。

2.在设计环境中查找相关模块。

3.按照流程图连接各模块。

4.确定系统时间。

5.确定各模块的参数。

6.运行系统，得出仿真结果。

第二章扩频通信系统的基本理论

§2.1扩频通信技术的发展

2.1.1扩频通信技术的概述

扩展通信，即扩展频谱通信技术（SpreadSpectrumCommunication）,在近几年发展非常迅速，他不仅在军事通信中发挥着不可替代的作用，而且广泛的应用到卫星通信、移动通信、计算机通信等领域，与光纤通信、卫星通信一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式，尤其是最近宽带信息网的使用，扩展频谱技术更是必不可少的。

扩频通信是将带传送的信息数据用伪随机编码序列，也即扩频序列（SpreadSequence）调制，实现频谱扩展后再进行传输。

接受端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复出原始信息数据。

因此传输同样信息所需的射频带宽，远比其他各种调制方式要求的带宽要宽得多。

这种通信方式与常规的窄带通信方式的区别是：

首先，它在信息的频谱扩展后形成宽带传输；其次，它在相关处理后再恢复出窄带信息数据。

由于这两大特点，使扩频通信有如下的优点：

抗干扰；

抗噪声；

抗多径衰落；

具有保密性；

功率谱密度低，具有隐蔽性和很低的截获概率；

可多址复用、任意选址和高精度测量等；

2.1.2扩频通信技术的发展

扩频通信是第二次世界大战的产物。

但它的起源可以追溯到上世纪20年代，它是在各大技术的基础上发展起来的。

当时由于战争的需要，同盟国和协约国都花了相当大的力量来研究干扰和反干扰。

大战结束后，扩频通信以其抗干扰能力强，保密性好，可靠性高等特点，受到美国等发达国家的极端重视，花了大量的人力物力来研究和发展这种技术。

1951年末，美陆军通信协会要求麻省理工学院的林肯实验室为易受敌方干扰的援救高频无线电电传通信研制一个NOMAC（NoiseModulationandCorrelationSystem）系统，经过几年的研制，于1995年由西尔瓦尼亚电子防御实验室为美国陆军通信兵生产了名为F9C-A的样机。

自50年代美国军方开始对扩频通信技术研究后，其研究成果广泛应用于军事通信、电子对抗及导航、高精度测量等各个领域。

但是，直到80年代末，美国FCC才规划出了ISM频段即开放频段，并且可以由采用扩频通信机制的商用通信使用。

由于扩展频谱通信技术具有很强的抗干扰性能、低效率密度隐蔽传输、信息保密传输、任意选址等特点、在通信、测距、定位、控制等诸多领域使用时都具有其独特优点，因而在国际上受到普遍关注而迅猛发展。

目前，各个国家为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效的利用频谱资源，都纷纷提出在数字蜂窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，因此扩频技术已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥控、监控、报警等各种系统中。

§2.2扩频通信的基本原理

2.2.1扩频通信的理论基础

扩展频谱技术一般是指用比信号带宽得多的频带宽度来传输信息的技术。

为了扩展发射信号的频谱,可能使用不同技术对所传的信息进行处理,从而产生了不同的扩频调制类型。

常见的扩频类型有:

直接序列（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）和线性调频脉冲（Chirp）等,另外,这些技术也常常组合起来使用,形成组合或混合类型的扩频技术。

为了将要发射的信号扩展到一个很宽的频带上,扩频系统需要在频带和技术复杂性方面付出昂贵的代价,这样做能得到什么好处呢?

在著名的香农（Shannon）定理中可以找到我们所需的答案。

香农定理指出:

在高斯白噪声干扰条件下,通信系统的极限传输速率（信道容量）为:

（2-1）

其中C———信道容量（bit/s）

W———信号带宽（Hz）

N———噪声功率（W）

S———信号平均功率（W）

当S/N很小时（≤0.1）得到:

（2-2）

上式说明:

1）要增加系统的信息传输速率,即增加信道容量,可以通过增加传输信号的带宽（W）或增加信噪比（S/N）来实现。

2）当信道容量C为常数时,带宽W与信噪比之间可以互换,即可以通过增加带宽（W）来降低系统对信噪比（S/N）的要求,也可以通过增加信号功率来降低信号的带宽。

3）当带宽（W）增加到一定程度后,信道容量C不可能无限制地增加。

因此,在无差错传输的信息速率C不变时,如信噪比很低（N/S很大）,则可以用足够宽的带宽来传输信号。

2.2.2扩频通信的工作原理

扩频通信的基本原理就是根据上一节的结论实现的。

在信号发送端，首先将信息条制成数字信号，该数字信号经扩频发生器产生的扩频码序列调制后，信号的频带被展宽，展宽后的信号再调制到射频发送出去。

在接收端收到的宽带射频信号，再变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩，再经过信息解调，恢复成原始信息输出。

概括起来讲，一般的扩频通信系统都要经过三次调制和相应的解调，第一步为信息调制，将信息源形成基带数字信号；第二步用扩频码对基带数字信号进行扩频调制形成高频信号，再由天线发射出去。

收信是发信的逆过程，即三次相反的解调过程。

由此可见，与常规的无线通信系统相比，扩频通信增加了扩频调制与解扩部分。

2.2.3直接序列扩展频谱系统工作原理

常用的扩频通信系统有直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum）系统和跳频扩频（FrequencyHoppingSpreadSpectrum）系统。

直接扩频系统的原理图如图2-1所示，由发射机和接收机组成。

发送信息数据时，用高速率的伪噪声码序列与信息序列模二相加（波形相乘），对信息作扩频调制，形成的复合码序列再通过平衡调制器去控制载波信号，最常见的是采用BPSK调制方式，而获得有相当宽频谱的扩频信号，并经宽带放大后发射。

在接收端，采用与发送端频率和相位相同的扩频码序列对接收得到的信号进行相关解扩，有中频率波放大后，再用本地信号进行信息解调。

图2-1直接序列扩频系统的原理框图

（1）

（2）

（3）

∏0∏0∏∏∏00∏0∏∏∏∏00∏∏0000∏∏（4）

∏0∏0∏∏∏00∏0∏000∏∏00∏∏∏∏00（5）

000000000000∏∏∏∏∏∏∏∏∏∏∏∏∏（6）

（7）

图2-2直接序列扩频系统的波形图

（1）信息码

（2）伪码（3）发送序列（4）发端载波相位

（5）发端载波相位（6）中频相位（7）解调信息

图2-2是图2-1各点波形示意图。

（1）-（4）表示发射端的扩频调制过程；（5）-（7）表示解扩解调过程。

2.2.4直扩系统的调制和解调

2.2.4.1直扩系统的调制

直接序列调制就是用高速率的伪噪声码序列与信息码序列模2加后（波形相乘）的复合码去控制载波的相位而获得直接序列扩频信号。

为了节省发射功率和提高发射机工作效率，通常是用抑制载波的双相平衡调制。

2.2.4.2直扩系统的解调

直扩系统的解调分两步，首先是对扩展频谱信号进行解扩；其次，对剩下的再由信息的信号进行解调。

解扩一般采用检测的方法。

所谓相关检测就是用本地产生的相同信号与接收到的信号进行相关运算。

在收端产生与发端完全相同的PN码，对收到的扩频信号，在平衡调制器中再一次进行BPSK调制。

一个必要条件是本地PN码信号的相位和收到的相移后的信号在相移点上对准，才能正确地将相移后的信号再翻转过来。

收发两端的同步十分重要。

相关器把收到的口展宽的信号解扩成信息调制的载波。

以上就是相关解扩过程

2.2.5扩频通信系统中的码元同步

同步是扩频通信系统中决定系统性能的一个关键技术，也是界定扩频通信体制成败的关键。

在扩展频谱通信系统中，接收端一般有两类不确定的因素，就是码相位和载波频率的不确定性，如果在发射机和接收机中用精确的频率源，虽然可以消除大部分码时钟相位和载波频率的不确定性，但是也不能完全克服由于多普勒频移引起的载波和码速率的偏移。

收发信机作相位移动时，也会引起码相位、载波频率相位的变化。

而且固定位置的收发站也会由于电波传播中的多径效应而引起码相位、载波中心频率相位的延迟也会造成同步的不确定性。

在数字通信系统中同步主要指的是：

码时钟速率同步（码同步）和码字同步及载波同步。

所谓码元同步是指需要在接收端产生一个接收到的码元重复速率和相位一致的定时脉冲，也就是同步时钟。

同时，为了还原每组信息，还需要准确的码字同步，也即字同步。

否则，如果字同步不准确，就可能把组分错。

这样就不能正确的译码。

实现码字同步的方法很多，大致可以分为以下几种：

独立信道同步法，插入特殊码字同步法和自同步法等。

对于同步的锁定，一般由延时锁定方法和相位锁定方法。

延时锁定方法是利用相关特性来形成误差信号，使本地的同步序列发生器跟踪或锁定于外来的序列。

两个码序列在延时上的差别则需要通过相关运算来监视，即如果两个码的相位相同，则有最大的相关输出；反之，如果相位不同，则输出很小。

相位锁定方法则是使用相位锁定技术使本地正弦振荡器或周期方波发生器跟踪或锁定于外来的正弦或方波信号，两个正弦的相位差别可以通过鉴相器或乘法器的输出来显示。

第三章直接序列扩频通信的仿真

基于前两章对SystemView软件和直接序列扩频通信的理解，本章具体讲述如何用SystenView软件进行直接序列扩频通信的仿真。

§3.1仿真框图

为了便于对照，此处将直接序列扩频通信系统的原理图再画一遍：

图2-1直接扩频系统的原理框图

直接序列扩频系统的仿真电路图如图3-2所示。

这里只是作为一个仿真例子来说明直序扩频在抗干扰方面的优越性，所以未按实际工程中使用的常规直序扩频原理来建模，而是直接采用了比较简单且直接的方式来构造模型。

数据信号源是一个频率为10kHz的随机序列，扩频用的PN码速率为1MH