基于Simulink的直接序列扩频通信BPSK调制仿真*

丁 凯 王 英

(92785部队 绥中 125208)



基于Simulink的直接序列扩频通信BPSK调制仿真*

丁 凯 王 英

(92785部队 绥中 125208)

由于信道的限制,基带信号在很多信道中不能直接传输,所以必须用数字基带信号对载波进行调制。论文以直接序列扩频通信系统为研究对象,对BPSK调制原理进行了分析。在给定的仿真条件下,采用BPSK调制方式,利用Simulink对直扩系统仿真模型进行了运行测试,得到了预期的仿真结果。

直接序列扩频; 二相相移键控调制; Simulink

Class Number TN91

1 引言

直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)通信具有频谱宽、工作信噪比低、抗干扰和抗多径效应能力强、可实现码分多址、低截获和低检测概率等特点。因为存在传输失真、传输损耗以及无法保证带内特性,所以为了进行长途传输,基带信号需要通过载波调制将频谱搬移到适合无线信道传输的特定频带处。在直接序列扩频通信中,通常采用的调制方式是二相相移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)。

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。

2 直接序列扩频通信原理及组成

2.1 直接序列扩频通信系统模型

直接序列扩频系统实现原理如图1所示,在发送端,信源信息经过信道编码后,先进行扩频调制,然后进行BPSK调制送入信道中,加入高斯白噪声和窄带干扰。在接受端,首先对接受信号中的干扰进行抑制,然后对伪码进行捕获,同时估计信道传输造成的多普勒频移,用同步后的本地伪码序列对干扰抑制后的信号进行解扩。解扩后的信号送入解调模块,解调模块使用估计出来的多普勒移值对载波进行补偿,成功解调后进行信道译码恢复出原始信源信息。

图1 直接序列扩频系统实现原理

2.2 载波调制

调制就是利用基带信号控制高频载波振幅或频率或相位参数随基带信号的变化而变化。用来控制高频载波参数的基带信号称为调制信号,未调制的高频振荡信号称为载波,调制后所得的信号称为已调信号或频带信号。

载波的一般表达式为c(t)=A(t)cosθ(t),A(t)是随时间变化的幅度,θ(t)是随时间变化的角度,也可以表示为θ(t)=ω0(t)+φ(t),因此

c(t)=A(t)cos[ω0(t)+φ(t)]

其中,ω0是载波的角频率,φ(t)是相位。

BPSK调制是利用载波的相位变化来传递数字信息,而振幅和频率保持不变。

2.3 BPSK调制原理

假定载波信号c(t)=cosω0t,设发送的二进制符号序列由0、1序列组成,该二进制基带符号序列可表示为

式中,g(t)是持续时间为Ts的矩形波形,an是脉冲幅度的取值,则BPSK的信号时域表达式为

式中an=+1或-1,这就是说,在某一码元持续时间Ts内:

图2 BPSK信号调制框图

即发送二进制符号“0”码时(an=+1),sBPSK(t)取0相位;发送二进制符号“1”码时(an=-1),sBPSK(t)取π相位。BPSK信号调制框图如图2所示。

采用Simulink图形方式建立BPSK调制框图。根据原理图2建立模型,如图3所示。

图3 模型图

Pluse Generator模块用于产生固定间隔的脉冲序列作为信号源,本例中需产生幅度为1,周期为0.2s,脉宽为0.1s的一个脉冲序列,有两种产生方式。一是基于时间的脉冲生成方式,另一种是基于采样的脉冲生成方式,本文选用前一种,只需设置幅度、周期、脉宽和相位延迟即可。

Sine Wave模块:Sine Wave1模块的幅度为1,频率为20π(rad/s),相位为0rad,采样时间为1/2000;Sine Wave2模块除相位设为πrad外,其余参数设置均与Sine Wave1模块相同;这样设置保证产生两个同频率,相位相差180°的载波信号。

Embedded MATLAB Function模块:调用事先写好的MATLAB函数文件BPSK.m,该函数文件的作用相当于图2的开关电路。

function out=BPSK(bit,no_shift,shift)

if bit ==1

out = no_shift

else

out = shift

end

设置仿真终止(Stop time)为1,解法器类型为变步长解法器。给出仿真结果,图4中由上到下依次是:脉冲信号、相位为0的载波信号、相位为π的载波信号、BPSK信号。

图4 仿真结果

3 直扩系统BPSK调制仿真

直扩系统一般较常用的是BPSK调制方式。这样做有以下几点原因:产生的信号中载波被抑制,若不采用某种巧妙的方法难以检测到;由于发射机功率仅用来发送代码产生的信号,故发射有用信息功率增加;由于信号有恒定包络电平,故对所用带宽而言其发射功率为最大;双向调制器是极简单的器件,仅由一对变压器和几个二极管组成。

3.1 直扩系统BPSK调制模型

设扩频码为c(t),载波频率为ω0,实际运用中,扩频码通常采用双极性,即c(t)={-1,+1},因此直扩系统BPSK调制信号可以表示成为

s(t)=c(t)cos[ω0t+φ]

如果考虑信息码为d(t),则直扩系统的BPSK调制输出为

s(t)=d(t)c(t)cos[ω0t+φ]

BPSK扩频调制器如图5所示。

图5 BPSK扩频调制器

3.2 仿真实现

仿真所用载波是频率为510kHz、幅度为1V的正弦波,二进制信号码速率为1kb/s,信号源为扩频调制输出的一个文件。搭建仿真模型,如图6所示,图中所有Zero-OrderHold模块的采样率均设置为1/5.1e6。

图6 仿真模型

选择Sine Wave模块作为载波信号,由于载波信号的默认时间和信源模块的采样时间不同,因此需对此模块的采样时间进行设定。Amplitude为正弦波幅度,设定为1,即正弦波幅度为1V,Frequency为载波频率,设定为510000*2pi即510kHz,具体设置如图7所示。

运行仿真,双击模块中名为“compare”的示波器,图8中上半部分为输入信号波形,下半部分为载波调制输出信号波形。

图7 参数设置

图8 波形图

图9为放大后的时域波形图,可以观察到波形的细部特征。从图中可以看出载波信号有明显的相位翻转,即BPSK调制成功。

图9 放大后时域波形图

频谱示波器pn中显示的是输入信号的频谱图,频谱示波器bpsk_spectrum中显示的是载波调制后的频谱图,对比图10和图11,可以看出经过BPSK调制后的信号频谱中心频率被搬移到510kHz,与理论值吻合。

图10 输入信号频谱图

图11 载波调制后频谱图

4 结语

在直接序列扩频中,由于平衡调制可以抑制载波,使干扰者难以实现瞄准式干扰,而发送者可以用较多的功率来传输信号,并且做到在一定的带宽内发射功率最高,因此常采用二相相移键控(BPSK)。文中对BPSK调制原理进行了分析,基于Matlab/Simulink环境,采用BPSK调制方式,在给定的仿真条件下,对仿真程序进行了运行测试,得到了预期的仿真结果。

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Simulation on DSSS Communication System BPSK Modulation Based on Simulink

DING Kai WANG Ying

(No. 92785 Troops of PLA, Suizhong 125208)

Due to the channel restriction, baseband signal cannot transmit directly in many channels, so it is essential to modulate a carrier with the baseband signal.In this paper, taking direct sequence spread spectrum(DSSS) communication system as the research object, the modulation principle of BPSK is analyzed in detail. Under the given simulation conditions, with Matlab/Simulink the DSSS simulation programs run tests and get the desired simulation results based on BPSK modulation.

direct sequence spread spectrum, BPSK modulation, Simulink

2015年3月3日,

2015年4月25日

丁凯,男,工程师,研究方向:通信仿真。

TN91

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.020