利用Simulink及AWG产生扩跳频通信信号的方法

周靖宇，田书林

（电子科技大学自动化工程学院，四川 成都 611731）

利用Simulink及AWG产生扩跳频通信信号的方法

周靖宇，田书林

（电子科技大学自动化工程学院，四川 成都 611731）

考虑到工程信号在仿真和实验环境理论研究的需要，为了生成较为理想符合工程参数需求的信号,根据信号仿真和实现的思想以及扩跳频信号的特点，设计并实现了基于Simulink配合AWG产生扩跳频通信信号的方法。该方法将数学能力比较强的Matlab软件中专门针对于通信仿真的Simulink组件和灵活性较强、整体性能更好的任意波发生器（AWG）配合得到通信信号。

通信信号；Simulink仿真；AWG任意波发生器；扩跳频；参数相关性

1 引 言

当今通信工程中，需要很好并且快速地为通信工程仿真和实验提供需求的经调制的各种信号。常用生成信号的方法包括通过基本硬件电路在软件编程的控制下生成信号，或者直接用矢量信号源生成信号。

如何利用软件配合仪器快速多变地生成需求的通信信号满足工程的需求成为了近年来十分热门的研究课题。现今，大多数利用这种方法的只是局限于PC机上的基本理论仿真，并没有在实验室环境生成较为理想符合工程参数需求的信号进行深层次的理论分析。考虑到工程信号在仿真和实验环境理论研究的需要，以基本的扩跳频信号为例，将数学能力比较强的Matlab软件中专门针对于通信仿真的Simulink组件和灵活性较强、整体性能更好的任意波发生器（AWG）配合，AWG可以产生任何其指标范围内的信号。利用此方案得到通信信号，与传统的硬件方式相比EVM值更少，生成方式更简单，相对于一般的矢量信号源灵活性更强。在工程设备的信号抗干扰性能测试应用中，证明了该方案的有效性。

2 Simulink配合AWG生成信号的方案结构

Simulink配合AWG生成扩跳频信号的方法，通过Matlab中通信组建Simulink的应用。首先仿真出需求的通信信号，这里主要以扩跳频信号为例；再将其仿真信号，利用Matlab矩阵存储数据以及数据以时间节点存储的特点，将其数据采集下来，并且转化为任意波发生器需要的数据格式；再利用AWG，将其转化成实际通信信号，达到模拟工程需求信号的需要进行测试，如图1所示。

图1 Simulink配合AWG生成信号方案

方案的关键在于是否能建立正确的数学模型，以得到所需输出信号的数据，并且选择合适的AWG。为了保证生成的信号达到需求，包括调制方式、协议、频率大小、抗干扰能力以及信号调制质量，整个过程需要根据工程信号需求进行变化。

3 Simulink的仿真与信号的实现

Matlab软件是一个包含众多科学工程计算的庞大系统，特别是其中的Simulink采用方框图建模的形式，更加贴近于工程习惯。因此，对于扩跳频通信系统，前段的扩跳频信号不论是仿真还是最后的实现，都可以利用Matlab以及Simulink去完成。而且由于Matlab是基于数学运算为基础的软件，所以其可以很好地兼容很多任意波发生器去进行波形的最终实现。下面将对此举例进行分析。

3.1 BPSK的直接序列扩频发射机

以一个BPSK的直接序列扩频发射机仿真系统为例，其结构框图如图2所示。

图2 BPSK的直接序列扩频发射机仿真结构图

3.1.1 二进制数据源

这里由Bernoulli随机零一序列模拟一段需要进行直接序列扩频通信的二进制数据源码，用Bernolli Binary Generator实现。由于Matlab中采用Time Based采样，可以用Rate Transition模块解决当乘法器与数据的采样速率不一定相同的问题，Unipolar to Bipolar的目的是双极性转化，这样便于后面进行正确的扩频运算。

3.1.2 PN序列模块

首先PN Sequence Generator产生伪随机扩频序列，然后再转化成为双极性，根据不同的工程信号需求，这里也可以改用GOLD序列，或者选用Signal From Workspace，先制作一个m序列的生成程序，然后提取到Workspace里面，再进行使用。对于m序列的生成，还可以用Matlab函数或者C和C++语言，根据移位寄存器指针的方式生成，这是一种简单的利用Simulink的生成方法。如果r较大，用这种Simulink的方法比较复杂，因此，当r比较大的时候，最好利用移位寄存器的原理直接编写函数较好。

3.1.3 数字调制模块

二进制数据源和PN序列进行叉乘，即扩频以后再进入数字调制模块，将刚才的双极性方式通过Bipolar to Unipolar Converter转化为单极性，再通过Bpsk Modular Baseband进行BPSK调制。这里也可以根据自己的需要，选用其他的调制方式。

3.1.4 滤波模块

因为在信号测试过程中，矢量信号分析仪或者其他测试仪器需要对于信号进行设置匹配滤波，因此前端应该加上相应匹配的滤波器，比如Root Rise Cosine或者Rise Cosine。仿真图形如图3所示。

应该注意的是，这里的扩频后得频率是由采样率决定的，而且前段的采样率上限会受到后面的滤波器等效模块采样率的限制，因此在设计的时候应该多考虑。

3.2 慢跳频系统发射机仿真

再以一个采用M-FSK实现跳频为例。这个跳频系统发射机仿真系统采用的原理和上述直接序列扩频发射机仿真系统采用的近似，其主要包含两个部分，即二进制数据源和跳频模块，其用混频器实现跳频。

首先产生一个PN序列，将采样的时间间隔设计成1/（M·N）s，然后设置成按帧输出，每帧M个码片，这里采用的M=5，因为最后还是要转化成以采样为输出。所以，再使用Frame Conversion模块转化成为Sample-Based，然后再用Bit to Integer Conversion将每L个码片转化成一个随机整数输出，作为跳频载波频率点的控制信号，这里L=5，这个时候跳频的速率就为M·N/L，然后再通过M-FSK进行跳频。M-FSK里面，M-array代表调制元数，即该模块将在多少个频点上输出跳频信号；Frequency Seperation代表频率间隔。按照自己的需要设置好以后，与二进制数据源的输出混频即可得到跳频信号，如图4所示。

图3 扩频前后的波形

图4 跳频信号波形图

图5 Agilent54855A示波器观测的扩跳频图案

如果要得到快跳，比如每秒速率上千的跳频发射机，其实原理类似，只是在跳频模块内，选择Signal From Workspace再配合Frame Conversion。如果想得到直接扩频序列加跳频的信号发射机只需要根据两者原理作混频，设置好采样和需要的参数即可。

4 数据采集

在实际工程中信号的模拟实现，这里推荐采用任意波发生器AWG实现信号的方式。Matlab对于数据的采集有多种模块，常使用的是Untitled.mat to File和Simout to Workspace这两种模块，根据不同的情况，这两种模块对应不同的情况。

对于to File模块，因为其更多的是以矩阵方式存贮实数数据，所以对于那种需要I，Q两路输入的就比较合适，相比to Workspace就比较简便也比较有针对性。因为最后需要的I，Q两路输出，所以，首先要将本来输出的信号的实部与虚部提取出来。Complex to Real-imag这是一个针对于需要I，Q两路的模块，利用此模块将原本复数以实虚两路提取以后，分别存入abc.mat，abc1.mat两个文件中，然后点击两个文件，即可得到相应的两个矩阵，然后将矩阵中的数据提取即可得到I，Q两路的数据。

针对直接可以识别.dat即文本文件的仪器，选用to Workspace模块相对更简单，只需要用此模块提取数据以后，将矩阵里数据导出，再在Matlab下利用Save X.dat-ascii-double Y，即可将本来存贮数据的Y文件转化成X文本文件。

5 信号实现

利用Tektronix AWG7051加载并生成的扩跳频的波形，在示波器上观测到的图形如图5所示。用矢量信号分析仪观测信号的调制质量，可以发现，该信号的EVM值在Simulink生成信号过程中，即使没有加匹配滤波器时也低于8%，远远低于硬件生成的工程信号的10%+。如果在信号采集前端加上一个与矢量信号分析仪选用滤波器匹配的滤波器模块，则EVM值可以达到1%以前。并且根据计算，最后生成的信号，其载波的频率与Simulink频率无关，而等于仪器设置的采样频率的1/T（T为AWG的采样周期）。其扩频后的宽度以及信源的速率，都是由Simulink设置的其频率及其他相关函数的倍数决定，设此倍数为k，则得下式：

6 结束语

在国外利用AWG实现各种数字调制信号的产生已经相当普遍，但国外仪器公司的专用数字调制信号生成软件不仅价格昂贵而且功能有限，兼容性相当局限。例如Tektronix公司的TekVISA软件，价格需要1万美元以上，只能应用于其自己公司一些仪器，而且对于复杂工程信号的调制信号的实现比较局限，对于其理论的分析也不方便。因此，该文对于此方法在相关领域的应用具有一定的前瞻性和指导意义。

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Generation of DS/FH communication signals w ith Simulink and AWG

ZHOU Jing-yu，TIAN Shu-lin
（College of Automation Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Taking the research needs of signal simulation and experimental study into account，the authors try to generate more ideal signals to meet the needs of engineering parameters.According to the idea of signal simulation and realization and the characteristics of frequency-hopping and spread signals，a new method was proposed and implemented to generate extended frequencyhopping communication signals with Simulink and AWG of Matlab software which is relatively great mathematical ability.The Simulink is specially used as the communication components，which is strong and flexible，and the arbitrary waveform generator（AWG） has better overall performance.

communication signal；Simulink simulation；AWG；DS/FH；correlations among the parameters

TP391.9；TN911.72

A

1674-5124（2011）01-0074-03

2009-10-23；

2009-12-28

国防科技工业计量科研项目（09B227）

周靖宇（1986-），男，硕士研究生，专业方向为通信及测试。