北邮通原课设实验报告.docx

1、北邮通原课设实验报告通信原理课程设计报告直扩通信系统的simulink仿真摘要：本次通原课程设计，我们利用MATLAB中的simulink仿真平台对直接序列扩频通信系统进行了仿真。本报告首先简要介绍了直接序列扩频通信的原理与simukink工具箱，然后分别仿真了直扩系统的发射机和接收机，并对仿真结果进行分析。最后我们仿真并分析了直扩系统抗窄带干扰，多径干扰及多址干扰的能力。关键词：simulink仿真；直接序列扩频；抗干扰分析目录第一章 概述 41.1直扩通信系统介绍 41.2 simulink仿真平台介绍 4第二章 直扩系统simulink仿真搭建 52.1 发射端仿真 52.2 接受端仿真

2、 7第三章 直扩通信系统抗干扰性能分析 103.1 直扩系统抗窄带干扰 103.2 直扩系统抗多径干扰 123.3 直扩系统抗多址干扰 14第四章 问题与总结 16第五章 小组分工说明 16参考文献 17第一章 概述1.1直扩通信系统介绍扩频通信是利用扩频信号传送信息的一种通信方式。扩频信号的频谱宽度比信源信息带宽大很多。扩频信号具有良好的相关特性，包括尖锐的自相关特性和低值的互相关特性。这些特性使扩频通信具有良好的抗干扰能力和隐蔽性。频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成的，用编码及调制的方法来实现，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。 扩频的主

3、要方式有两种，包括直接序列扩频和跳频。直接序列扩频，简称直扩。所传送的信息符号经伪随机序列编码后对载波进行调制。伪随机序列的速率远大于要传送信息的速率，因而调制后的信号频谱宽度将远大于所传送信息的频谱宽度。 图1 为直扩系统的组成框图。由信源输出的信号与伪随机码产生器产生的伪随机码（PN码）进行相加，产生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。在接收端, 接收到的扩频信号经高放和混频后, 用与发端同步的伪随机序列对中频扩频调制信号进行相关解扩，然后再进行解调，恢复出所传输的信息。图1 直扩通信系统组成框图1.2 simulink仿真平台介绍MATLAB是目前科学研究和工

4、程应用领域最流行的软件之一。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，用户也可以根据需要定制或者创建自己的模块。用户可以通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，很随意地改变模型中的参数，并可以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。第二章 直扩系统simulink仿真搭建2.1 发射端仿真首先建立一个直扩通信系统的发射端仿真框图。图2-1是在simulink上

5、面搭建的发射端仿真框图。该直扩通信系统的信源是Bernoulli Binary Generator模块，它产生随机的二进制信息序列。扩频码由PN Sequence Generator模块产生的。经过单双极性转换和速率匹配，信息序列与伪随机码序列相乘，产生扩频信号。然后扩频信号经过BPSK Modulator Baseband模块调制（注意这是BPSK调制的等效基带模式）。通过Scope可以观察信息序列，伪随机序列及扩频序列波形图，通过Spectrum Scope观察信息序列以及扩频信号的频谱图。图2-1 直扩系统发射端simulink仿真发射端参数设置：Bernoulli Binary Gen

6、erator模块：sample time为1/100，即设置信源信息速率为100 bps。PN Sequence Generator模块：sample time为1/2000，即设置扩频码码片速率为2000 chip/s。Rate Transition模块：这个模块主要设置output port sample time，作用是匹配此模块前后不同的采样速率。Spectrum Scope模块：spectrum scope的设置比较麻烦。只有设置好了它，我们才能观察到清晰的频谱。频谱仪的观察范围与进入spectrum scope模块的信号采样率有关。比如我们要观察5kHz的频谱，需要被观察信号的采样

7、率达到10000次/s。因此我们可以按需要设置rate transition模块的速率以扩大可观察频谱范围图2-2 Spectrum Scope模块参数设置一在这里我们要勾选buffer input选项和specify fft length选项，然后设置合适的buffer size 和fft length。我们这里设置buffer size为256，fft length为1024。图2-3 Spectrum Scope模块参数设置二接下来我们还要设置axis properties选项页。我们将frequency range选为-fs/2fs/2，这样我们才能观察到双边频谱。然后设置Y轴的显示范

8、围。mininum y-limit 为-25，maximum y-limit为20。我们可以根据需要调整Y轴的显示范围。发射端仿真结果分析：图2-4 直扩发射机仿真的信号波形图2-4中的第一个波形是信源数据序列的波形，第二个是伪随机序列的波形，第三个是扩频信号的波形。当信息为+1时，扩频信号就是相应的伪随机码，当信息为-1时，扩频信号就是伪随机码的反相结果图2-5 信源信号频谱 图2-6 扩频信号频谱图2-5是信源信号的频谱，它的带宽约为100HZ，幅频峰值约为20dB。图2-6是扩频后的信号频谱，它的带宽约为2KHZ，幅频峰值约为10dB.比较扩频前后的信号频谱我们可以发现扩频后信号频谱带宽

9、扩大了20倍，幅频峰值下降了大约10dB.2.2 接受端仿真在完成了直扩系统的发射端模块后，我们将它封装成ds_send子系统，从这个模块出来的信号是经过BPSK调制的扩频信号。扩频信号经过信道AWGN channel模块，然后与伪随机发生序列PN Sequence Generator模块相乘解扩，再经过BPSK demodulator baseband模块（注意是BPSK解调器的等效基带模式）进行解调，最后解调出来的序列进入error rate calculation模块进行误码率的计算。这里使用与发送端一样的Bernoulli Binary Generator模块产生信源序列与解调序列进行

10、比较。PN Sequence Generator模块也应该与发送端一致，完成正确的解扩图2-7 直扩系统接收端simulink仿真接收端参数设置：AWGN Channel模块：该模块有两种参数设置方式，一种是信噪比模式，一种是方差模式。经过仿真，我发现采用信噪比模式仿真出来的误码率比方差模式仿真出来的误码率低。当选择信噪比模式的时候，我们还要设置symbol period为1/2000，即为进入信道的信号采样速率。图2-8 AWGN Channel模块参数设置Bpsk Demodulator Baseband模块：BPSK解调器中应设置Samples per symbol参数设置为20。这是因

11、为解扩信号的采样率为2000次/s，而BPSK基带数据信号速率为100bps，其采样率亦为100次/s。所以设置每个符号采样20次。Error Rate Calculation模块：在这个模块需要原始序列和解调序列进行比较计算误码率。在原始序列的后面可以加一个integer delay模块，设置适当码元延迟，以补偿传输过程中的接收延迟。另外我们还要设置Ouput data为port，这样就可以在error rate calculation模块后面加display模块，实时显示误码信息接收端仿真结果分析：图2-9 直扩系统发射与解调信号波形图2-9中的上面为原始信息序列波形，下面为解调信息序列，

12、从波形图可以看出解调信息序列完整地恢复出了原始信息序列。图2-10 扩频信号经过信道后的信号频谱图2-10是扩频信号经过信道后的信号频谱，可以看出与未经过AWGN信道的扩频频谱相比，频谱有更多毛刺和波动图2-11 解扩信号频谱 图2-12 解调信号频谱图2-11是经过解扩后的信号频谱，可以看出原来被展宽的信号频谱被收缩成带宽为100Hz的BPSK调制信号，幅频峰值恢复为20dB。图2-12是解调输出的信号频谱，带宽为100Hz左右，可以看出它与信源信息序列的频谱一致，这说明我们所搭建的直接扩频BPSK调制的通信系统成功解调出了信源信息。第三章 直扩通信系统抗干扰性能分析3.1 直扩系统抗窄带干

13、扰扩频信号具有良好的相关特性，包括尖锐的自相关特性和低值的互相关特性。这些特性使扩频通信具有良好的抗干扰能力和隐蔽性。为了研究直扩通信系统的抗干扰能力，我们分别在直扩系统中加入窄带干扰，多径干扰，多址干扰。下面我们在扩频信号进入AWGN信道前加入一个单频正弦干扰信号，研究直扩通信系统对窄带信号的抗干扰能力。图3-1 直扩抗窄带干扰simulink仿真框图参数设置：AWGN channel模块：采用信噪比模式，设置SNR为10dB。Sine Wave 模块：频率设置为200Hz，采样时间设置为1/2000s，振幅为1。仿真结果分析：图3-2 信源信号与解扩信号波形图3-2中上面波形是信源信息序列

14、，下面波形是解调输出序列，可以看出基本无差错.在信道信噪比10dB，以及单频正弦干扰下，仿真的误码率为0.002.说明直扩通信系统能很好地对抗窄带干扰图3-3 扩频信号经过信道后的频谱 图3-3是扩频信号从AWGN出来的频谱，可以看出200Hz的单凭正弦干扰在200Hz处的频谱幅度最大，达到20dB。图3-4 解扩信号频谱 图3-5 解调信号频谱图3-4是解扩后信号的频谱，原始信号的频谱被收缩为100Hz的BPSK调制信号。单频正弦干扰被扩展。图3-5是解调后的信号，可以看处解调信号与信源数据信号的频谱相同，说明直扩通信系统能很好对抗单频干扰3.2 直扩系统抗多径干扰为了模拟信号的多径传输，我

15、将调制输出信号经过不同的延时，然后相加后送入AWGN信道。再将信道输出信号用不同延时的伪随机码进行解扩，模拟RAKE接收机，达到抗多径干扰的目的。最后解扩后的信号送入BPSK解调器进行解调。图3-6 直扩抗多径干扰simulink仿真框图参数设置：Integer Delay模块：用来延迟信号，模拟多径的效果。AWGN channel模块：采用信噪比模式，信噪比为10dB仿真结果分析：图3-7 多径信号经过信道后的频谱图3-7是多径叠加信号，可以看出它的频谱比单个扩频信号杂乱。在2kHz的频率内有三个峰，对应三个多径信号。图3-8 解扩信号频谱 图3-9 解调信号频谱图3-8是经过rake接收后

16、的解扩信号，可以看出100Hz的发生信息数据已经被恢复出来，而且它的幅频峰值为25dB，高于不采用rake接收的解扩信号幅频峰值。这说明rake接收能提高解扩增益。图3-9是解调后的信号，可以看处解调信号与发生数据信号的频谱相同，说明直扩通信系统能很好对抗多径干扰3.3 直扩系统抗多址干扰图3-10所示的仿真框图有两个发送信号，分别是ds_send和ds_send1。它们代表不同的用户，发送不同的信源信息序列，使用不同的伪随机码扩频。这两个扩频信号经过同一个AWGN信道后分别用各自的伪随机码进行解扩，然后解调。我用这个仿真框图模拟直扩通信系统中的多址干扰。图3-10 直扩抗多址干扰simuli

17、nk仿真框图参数设置：为了模拟不同的直扩发送信号，我们需要为Bernoulli Binary Generator模块与PN Sequence Generator模块设置不同的参数。Bernoulli Binary Generator模块: 第一个用户信源序列的initial seed设置为61，第二个用户的initial seed 设置为50。这样它们就能产生不同的信源序列了。PN Sequence Generator模块：两个用户使用相同的generator polynomial序列1 0 0 0 0 1 1。第一个用户的initial states使用0 0 0 0 0 1. 第二个用户的

18、initial states使用0 0 0 0 1 1。这样两个支路相当于使用同一个伪随机码序列的不同相位。图3-11 PN Sequence Generator模块参数设置仿真结果分析：图3-12 第一个用户解调序列波形 图3-13 第二个用户解调序列波形图3-12是第一个用户的信源发送序列和解调输出序列，图3-13是第二个用户的信源发送序列和解调输出序列。我们可以看出解调输出序列都很好地恢复出了信源发生序列。不同的用户采用不同的扩频码来扩展信号，在同一个信道传输后，它们能用各自的扩频码从混合信号中解扩出自己的数据信号。这说明直扩通信系统能很好得对抗多址干扰。图3-14 多址信号经过信道后的

19、频谱图3-14是两路信号经过AWGN信道后的信号频谱。图3-15 解扩信号频谱 图3-16 解调信号频谱图3-15是第一个用户解扩后的信号频谱，可以看出第一个用户成功地解扩出信号。图3-16是第一个用户的解调后的频谱，成功恢复出了信源信号的频谱。说明直扩通信系统能很好对抗多址干扰。第四章 问题与总结在这次课程设计中我们完成了直接扩频系统的simulink仿真，并且分析了直扩系统的抗噪声性能。我们熟悉了simulink仿真流程，搞清楚了各个模块的参数设置。通过对仿真波形与频谱的分析，我们加深了对直接扩频系统原理的理解。在实验过程中，我们遇到了不少问题。一开始我们用自己的电脑做仿真，发现MATLA

20、B的版本有问题，有些参数没法设置，后来我们在学校实验室的电脑上完成了simulink仿真。仿真过程中比较重要的是对模块的参数进行设置，比如频谱仪的设置就比较复杂，我们花了不少时间研究那些参数怎么设置。在弄懂基本模块的使用后，我们成功仿真了基本的直扩系统，分析了直扩的波形和频谱这次实验我们的亮点是，不仅搭建了基本的直扩系统，还搭建了多址干扰和多径干扰下的直扩系统，验证了直扩系统良好的抗多址和抗多径的能力。这次实验还有很多可以改进的地方。比如我们想做时钟同步，但是发现同步过程比较复杂。我们还想做误码率的仿真，但是我发现采样点数不够，误码率仿真不够准确，所以不做误码率的仿真了。第五章 小组分工说明参考文献1刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真M. 北京：电子工业出版社，20112 邵佳，董辰辉MTALAB、Simulink通信系统建模与仿真实例精讲M北京：电子工业出版社，2009