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1、目录摘要1关键词1Abstract.1Key words11 绪论11.1 研究背景11.2 数字调制及其意义31.3 MATLAB/Simulink的简介31.4 通信技术发展现状和趋势42 MATLAB的仿真及结果分析42.1 2ASK的调制与解调仿真52.1.1 2ASK的调制仿真52.1.2 2ASK的解调仿真72.2 2FSK的调制与解调仿真92.2.1 2FSK的调制仿真92.2.2 2FSK的解调仿真132.3 2ASK、2FSK性能分析153 SYSTEM VIEW的仿真及结果分析163.1 SystemView的特点163.2 SystemView的环境要求173.3 信号的
2、压扩（PCM）173.3.1 PCM简介173.3.2 A率压缩183.4 扩频通信系统的仿真193.4.1 扩频的理论基础193.4.2 扩频码的特性203.4.3 伪随机序列的产生203.4.4 直接序列扩频系统仿真213.4.5 带嵌套的扩频系统22致谢24参考文献25基于MATLAB和SYSTEM VIEW的通信模块仿真摘要：实际的通信系统是一个功能结构相当复杂的系统，对原有的系统做出改进或者建立一个新系统之前，通常需要对这个系统进行建模和仿真，通过仿真结果衡量方案的可行性，对这个系统做出任何改变都可能影响到整个系统的性能和稳定。文中将MATLAB和SYSTEM VIEW应用在通信系统
3、仿真，对包含使能信号及端口的系统以及包含一个触发使能子系统的表决器进行仿真，从中选择最合理的系统配置和参数设置，提供应用于实际系统中所需的参考数据。关键词：MATLAB；SYSTEM VIEW；通信仿真；通信系统；仿真建模The Simulation of Communication Module Based on MATLAB and SYSTEM VIEWStudent majoring in Electronic Information Science and Technology Li Dongyang Tutor *Abstract: The actual communication
4、 system is a functional structure fairly complex system, to the original system make improvement or build a new system before, usually need to this system is modeled and simulated, through the simulation results to measure the feasibility of the scheme, to make any changes to the system can affect t
5、he whole system performance and stability. The MATLAB and SYSTEM VIEW application in communication SYSTEM simulation, including make can signal and port SYSTEM and contains a trigger that can BiaoJueQi subsystem simulation, choose the most reasonable SYSTEM configuration and parameter Settings, prov
6、ide applied in practical SYSTEM for reference data. Key word: MATLAB; SYSTEM VIEW; Communication simulation; Communication system; The simulation modeling1 绪论1.1 研究背景通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图像等都是消息(Message)。消息有模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信
7、号）后才能在通信系统中传输。所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的，如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的，如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，也即信息(Information) 。消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。
8、通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者) ，它的一般模型如图1-1所示。通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-2所示，模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-3所示。数字通信系统较模拟
9、通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。1.2 数字调制及其意义现代通信系统中，数字调制技术应用越来越广泛，现有的通信系统都在由模拟方式向数字方式过渡。数字通信技术采用数字技术进行加密和差错控制，便于集成，因此数字通信具有模拟通信不可比拟的优势。数字调制一般指调制信号是离散的，而载波是连续波的调制方式。它有四种基本形式：振幅键控、频移键控、相移键控和差分移相键控。振幅键控 (AS
10、K)：用数字调制信号控制载波的通断。如在二进制中,发0时不发送载波,发1时发送载波。有时也把代表多个符号的多电平振幅调制称为振幅键控。振幅键控实现简单，但抗干扰能力差。 移频键控 (FSK)：用数字调制信号的正负控制载波的频率。当数字信号的振幅为正时载波频率为f1，当数字信号的振幅为负时载波频率为 f2。有时也把代表两个以上符号的多进制频率调制称为移频键控。移频键控能区分通路，但抗干扰能力不如移相键控和差分移相键控。 移相键控(PSK)：用数字调制信号的正负控制载波的相位。当数字信号的振幅为正时，载波起始相位取0；当数字信号的振幅为负时,载波起始相位取180。有时也把代表两个以上符号的多相制相
11、位调制称为移相键控。移相键控抗干扰能力强，但在解调时需要有一个正确的参考相位，即需要相干解调。差分移相键控(DPSK)：利用调制信号前后码元之间载波相对相位的变化来传递信息。1.3 MATLAB/Simulink的简介美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“Matrix Laboratory”（缩写为Matlab）这就是Matlab最早的雏形。开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。从Matlab诞生开始，由于其高度的集成性及应用的方便性，在高校中受到了极大的欢迎。由于它使用方便，能非常快的实现科研人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，受到了大多数科研人员的支
12、持，经过一代代人的努力，目前已发展到了7.X版本。 Matlab是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简单，扩充便，尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充Matlab的功能，使其成为了巨大的知识宝库。可以毫不夸张的说，哪怕是你真正理解了一个工具箱，那么就是理解了一门非常重要的科学知识。科研工作者通常可以通过Matlab来学习某个领域的科学知识，这就是Matlab真正在全世界推广开来的原因。目前的Matlab版本已经可以方便的设计漂亮的界面，它可以像VB等语言一样设计漂亮的用户接口，同时因为有最丰富的函数库（工具箱），所以计算的功能实
13、现也很简单，进一步受到了科研工作者的欢迎。另外，,Matlab和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与其他语言的混合编程，进一步拓宽了Matlab的应用潜力。可以说，Matlab已经也很有必要成为大学生的必修课之一，掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。随着通信系统复杂性的增加,传统的手工分析与电路板试验等分析设计方法已经不能适应发展的需要,通信系统计算机模拟仿真技术日益显示出其巨大的优越性.。计算机仿真是根据被研究的真实系统的模型,利用计算机进行实验研究的一种方法.它具有利用模型进行仿真的一系列优点,如费用低,易于进行真实系统难于实现的各种试验,以及易于实现完全相同条件下的
14、重复试验等。Matlab仿真软件就是分析通信系统常用的工具之一。Matlab是一种交互式的、以矩阵为基础的软件开发环境,它用于科学和工程的计算与可视化。Matlab的编程功能简单,并且很容易扩展和创造新的命令与函数。应用Matlab可方便地解决复杂数值计算问题。Matlab具有强大的Simulink动态仿真环境,可以实现可视化建模和多工作环境间文件互用和数据交换。Simulink支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统,也支持多种采样速率的多速率系统;Simulink为用户提供了用方框图进行建模的图形接口,它与传统的仿真软件包用差分方程和微分方程建模相比,更直观、方便和灵活。用户可以在Mat
15、lab和Simulink两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。用于实现通信仿真的通信工具包(Communication toolbox,也叫Commlib,通信工具箱)是Matlab语言中的一个科学性工具包,提供通信领域中计算、研究模拟发展、系统设计和分析的功能,可以在Matlab环境下独立使用,也可以配合Simulink使用。另外，Matlab的图形界面功能GUI（Graphical User Interface）能为仿真系统生成一个人机交互界面，便于仿真系统的操作。因此，Matlab在通信系统仿真中得到了广泛应用，本文也选用该工具对数字调制系统进行仿真。1.4 通信技术发展现状和趋势
16、进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。特别是在20世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。(1) 微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。(2) 移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。(3) 光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。(4) 电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，人们将世界变成了地球村。(5) 微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来越广。随着
17、现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于通信领域，各种新的通信业务将不断地被开发出来。2 MATLAB的仿真及结果分析MATLAB提供的图形界面仿真工具Simulink由一系列模型库组成,包括Sources(信源模块)，Sinks(显示模块)，Discrete(离散系统模块)，Linear(线性环节)，Nonlinear(非线性环节)，Connections(连接),Blocksets & Toolboxes(其他环节)。特别是在Blocksets & Toolboxes中还提供了用于通信系
18、统分析设计和仿真的专业化模型库CommTbxLibrary。在这里，整个通信系统的流程被概括为：信号的产生与输出、编码与解码、调制与解调、滤波器以及传输介质的模型。在每个设计模块中还包含有大量的子模块，它们基本上覆盖了目前通信系统中所应用到的各种模块模型。通信系统一般都可以建立数学模型。根据所需仿真的通信系统的数学模型(或数学表达式)，用户只要从上述各个模型库中找出所需的模块,用鼠标器拖到模型窗口中组合在一起,并设定好各个模块参数, 就可方便地进行动态仿真.从输出模块可实时看到仿真结果,如时域波形图、频谱图等。每次仿真结束后还可以更改各参数,以便观察仿真结果的变化情况。另外，对Simulink
19、中没有的模块，可运用S函数生成所需的子模块，并且可以封装和自定义模块库，以便随时调用。2.1 2ASK的调制与解调仿真2.1.1 2ASK的调制仿真（1）建立模型方框图图2-1 2ASK信号调制的模型方框图2ASK信号调制的模型方框图由DSP模块中的sinwave信号源、方波信号源、相乘器等模块组成，Simulink 模型图如下所示：其中正弦信是载波信号，方波代表S（t）序列的信号塬，正弦信号和方波相乘后就得到键控2ASK信号。（2）参数设置建立好模型之后就要设置系统参数，以达到系统的最佳仿真。设置其载波为幅度为2频率为20Hz采样周期为0.002的双精度DSP信号。数字方波信号是基于采样的，
20、其幅度设置为2，周期为3，占1比为2/3。其设置参数如下图所示：图2-3 方波信号源的参数设置图2-2 正弦信号参数设置（3）系统仿真及各点波形图图2-4 各点的时间波形图经过上面参数的设置后，点击运行按钮就可以进行系统的仿真，下面是示波器显示的各点的波形图：由上图可以看出信息源和载波信号相乘之后就产生了受幅度控制的2ASK信号。2.1.2 2ASK的解调仿真2ASK的解调分为相干解调和非相干解调法，下面采用相干解调法对2ASK信号进行解调(1) 建立simulink模型方框图相干解调也叫同步解调，就是用已调信号恢复出载波既同步载波。再用载波和已调信号相乘，经过低通滤波器和抽样判决器恢复出S(
21、t)信号，simulink模型图如下：（2） 参数设置建立好模型之后，开始设置各点的参数，由于低通滤波器是滤去高频的载波，才能恢复出原始信号，所以为了使已调信号的频谱有明显的搬移，就要使载波和信息源的频率有明显的差别，所以载波的频率设置为20Hz.为了更好的恢复出信源信号，所以在此直接使用原载波信号作为同步载波信号。下面是低通滤波器的参数设置： 图2-5 2ASK相干解调的simulink模型方框图（3） 系统仿真及各点时间波形图图2-6 2ASK信号解调的各点时间波形图图2-7中最上面的波形是原始调制信号，中间是经过原始信号与载波相乘经过低通滤波器后的波形，最下面的波形是最后完全解调出来的信
22、号。可以看出，原始的数字信号基本完全被还原了。从图中可以看出由于载波频率的提高使的示波器在波形显示上出现了一定的困难，不过要想显示调制部分的理想波形只要调整示波器的显示范围即可。2.2 2FSK的调制与解调仿真2.2.1 2FSK的调制仿真2FSK信号是由频率分别为f1和f2的两个载波对信号源进行频率上的控制而形成的，其中f1和f2是两个频率有明显差别的且都远大于信号源频率的载波信号，2FSK信号产生的simulink仿真模型图如下所示：图2-8 2FSK信号的simulink模型方框图其中sin wave和sin wave1是两个频率分别为f1和f2的载波，Pulse Generator模块
23、是信号源，NOT实现方波的反相，最后经过相乘器和相加器生成2FSK信号，各参数设置如下：载波f1的参设图2-9 载波sin wave的参数设置其中幅度为2，f1=1Hz,采样时间为0.002s在此选择载波为单精度信号f2的参数设置图2-10 载波sin wave1的参数设置载波是幅度为2，f2=2,采样时间.为0.002的单精度信号。本来信号源s(t)序列是用随机的0 1信号产生，在此为了方便仿真就选择了基于采样的Pulse Generator信号模块其参数设置如下：图2-11 Pulse Generator信号模块参数设置其中方波是幅度为1，周期为3，占1比为1/3的基于采样的信号。经过以上
24、参数的设置后就可以进行系统的仿真，其各点的时间波形如下：图2-12 2FSK信号调制各点的时间波形由上图可以看出经过f1和f2两个载波的调制，2FSK信号有明显的频率上的差别。2.2.2 2FSK的解调仿真对2FSK信号的解调选用相干解调，为了能方便的解调出原始信号，选载波f1为100HZ,振幅为2；载波f2为300HZ,振幅为2。解调方框图如下所示：图2-13 2FSK信号解调方框图两个带通滤波器分别将2FSK信号上下分频f1和f2 ,后面就和2ASK信号的解调过程相同，各参数设置如下：图2-14 2FSK信号f1带通滤波器参数设置图2-15 2FSK信号f2带通滤波器参数设置经过系统仿真后
25、的各点时间波形如下：图2-15 2FSK信号解调各点时间波形图中最上边的波形是频率为f1分路经过相干解调和低通滤波后的波形；第二个波形是频率为f2的分路经过相干解调和低通滤波后的波形；第三个波形是最后解调得到的波形；最后一个是原始的数字信号。由此图可以看出，最后解调得到的信号与原始信号相差无几，但是也存在误差，特别是在信号跳跃部分，误差比较明显。2.3 2ASK、2FSK性能分析2ASK是一种最早的数字调制方式，最早用于电报传输，由于其误码率较高，现在已经比较少使用，但是由于其调制方式简单，其抗噪声性能分析方法具有普遍意义，对于理解数字调制以及抗噪分析很用帮助，可以作为学习其他调制方式的基础。
26、相干解调2FSK系统的抗噪声性能优于非相干的包络检测，但需要插入两个相干载波电路较为复杂。包络检测无需相干载波，因而电路较为简单。当输入信号的信噪比r很大时，两者的相对差别不很明显。一般而言，大信噪比时常用包络检测法，小信噪比时才用相干解调法。3 SYSTEM VIEW的仿真及结果分析 随着计算机技术的发展，系统仿真技术在电子工程领域的应用已越来越广泛，信号级系统仿真软件SystemView的出现标志着仿真技术在通信领域的应用达到了一个新的水平。SystemView是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计、
27、直到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。SystemView以模块化和交互式的界面，在大家熟悉的Windows窗口环境下，为用户提供了一个嵌入式的分析引擎。使用SystemView你只需要关心项目的设计思想和过程，而不必花费大量的时间去编程建立系统仿真模型。用户只需使用鼠标器点击图标即可完成复杂系统的建模、设计和测试，而不必学习复杂的计算机程序编制，也不必担心程序中是否存在编程错误。在SystemView环境下，可以构造各种复杂的模拟，数字，数模混合系统和各种速率的系统，可用于线性或非线性控制系统的设计和仿真。SystemView包括基本库和专业库。基本库包括信号源，接收器，加法器，乘法
28、器，函数库和算子库等。专业库包括通信，逻辑，数字信号处理库，射频/模拟，支持高级语言的用户代码库，自动程序生成库，数字视频广播，自适应滤波器库等。SV的各种专业库特别适合于现代通信系统的设计，仿真和方案论证。随着通信技术的不断发展，通信系统越来越复杂，设计和仿真难度也随之加大，利用SystemView可以十分方便地完成相应的通信系统设计和仿真。3.1 SystemView的特点(1)能仿真大量的应用系统能在DSP、通讯和控制系统应用中构造复杂的模拟、数字、混合和多速率系统。具有大量可选择的库，允许用户有选择地增加通讯、逻辑、DSP和射频模拟功能模块。特别适合无线电话（GSM，CDMA，FDMA
29、，TDMA，DSSS）、无绳电话、寻呼机和调制解调器以及卫星通信系统（GPS，DVBS，LEOS）等的设计；能够仿真（C3x，C4x等）DSP结构；可进行各种系统时域/频域分析和谱分析；对射频模拟电路（混合器，放大器，RLC电路和运放电路）进行理论分析和失真分析。(2)快速方便的动态设计与仿真使用熟悉的Windows界面和功能键（单击、双击鼠标的左右键），SystemView可以快速建立和修改系统，并在对话框内快速访问和调整参数，实时修改实时显示。只需简单用鼠标点击图符即可创建连续线性系统、DSP滤波器，并输入输出基于真实系统模型的仿真数据。不用写一行代码即可建立用户习惯的子系统库（MetaS
30、ystem）。 SystemView图标库包括几百种信号源、接收端、操作符和功能块，提供从DSP、通信、信号处理、自动控制、直到构造通用数学模型等的应用。信号源和接收端图标允许在SystemView内部生成和分析信号，并提供可外部处理的各种文件格式和输入/输出数据接口。(3)在报告中方便地加入SystemView的结论SystemView通过Notes（注解）很容易在屏幕上描述系统；生成的SystemView系统和输出的波形图可以很方便地使用复制（copy）和粘贴（paste）命令插入微软word等文字处理器。(4)提供基于组织结构图方式的设计通过利用SystemView中的图符和MetaSy
31、stem（子系统）对象的无限制分层结构功能，SystemView能很容易地建立复杂的系统。首先可以定义一些简单的功能组，再通过对这些简单功能组的连接进而实现一个大系统。这样，单一的图符就可以代表一个复杂系统。MetaSystem的连接使用也与系统提供的其他图符同样简单，只要单击一下鼠标器，就会出现一个特定的窗口显示出复杂的MetaSystem。但是在学习版中没有MetaSystem图符功能，必须升级到专业版才有此功能。(5)多速率系统和并行系统SystemView允许合并多种数据采样率输入的系统，以简化FIR 滤波器的执行。这种特性尤其适合于同时具有低频和高频部分的通信系统的设计与仿真，有利于
32、提高整个系统的仿真速度，而在局部又不会降低仿真的精度。同时还可降低对计算机硬件配置的要求。(6)完备的滤波器和线性系统设计SystemView包含一个功能强大的、很容易使用的图形模板设计模拟和数字以及离散和连续时间系统的环境，还包含大量的FIR/IIR滤波类型和FFT类型，并提供易于用DSP实现滤波器或线性系统的参数。(7)先进的信号分析和数据块处理SystemView提供的分析窗口是一个能够提供系统波形详细检查的交互式可视环境。分析窗口还提供一个能对仿真生成数据进行先进的块处理操作的接收计算器。 接收计算器块处理功能十分强大，内容也相当广泛，完全满足通常所需的分析要求。这些功能包括：应用DS
33、P窗口，余切，自动关联，平均值，复杂的FFT，常量窗口，卷积，余弦，交叉关联，习惯显示，十进制，微分，除窗口，眼图模式，功能比例尺，柱状图，积分，对数基底，求模，相位，最大最小值及平均值，乘波形，乘窗口，非，覆盖图，覆盖统计，自相关，功率谱，分布图，正弦余弦，平滑（移动平均），谱密度，平方，平方根，窗口相减，波形求和，窗口求和，正切，层叠，窗口幂，窗口常数等。 SystemView还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查系统波形。内部数据的图形放大，缩小、滚动、谱分析、标尺以及滤波等，全都是通过敲击鼠标器实现的。(8)可扩展性SystemView允许用户插入自己用C/C+编写的用户代码库，插入的用
34、户库自动集成到SystemView中，如同系统内建的库一样使用。(9)完善的自我诊断功能SystemView能自动执行系统连接检查，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图符。这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。3.2 SystemView的环境要求SystemView是基于Window的应用程序，对硬件要求不高，最小和推荐配置如下：主机：IBM及其兼容机。操作系统：Microsoft Window 9x/NT/2000。CPU：Intel486以上（推荐奔腾133以上）。内存：32MB，推荐64MB。硬盘：30MB的硬盘自由空间。尽管如此，对于运算量大的仿真系统，还是需要较高配置的计算机；否
35、则运算度太慢，甚至不能运行。SystemView系统的使用利用SystemView完成系统设计有两个基本步骤，首先是系统建模，其次是仿真分析。在仿真分析之前需要设置一些参数，尽管实现十分简单，但也要求设计师对所要设计和仿真分析的内容，原理和目标十分清楚；否则也难以正常运行。SystemView系统的具体使用将在设计过程中学习掌握，在这里不再详细叙述。3.3 信号的压扩（PCM）3.3.1 PCM简介在现代通信系统中以PCM为代表的编码调制技术被广泛应用于模拟信号的数字传输。除PCM外，DPCM和ADPCM的应用范围更广。PCM的主要优点是：抗干扰能力强；失真小；传输特性稳定，尤其是远距离信号再
36、生中继时噪声不累积，而且可以采用压缩编码、纠错编码和保密编码等来提高系统的有效性、可靠性和保密性。另外，PCM还可以在一个信道上将多路信号进行时分复用传输。 脉冲编码调制（PCM）是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，其最大的特点是把连续输入的模拟信号变换为在时域和振幅上都离散的量，然后将其转化为代码形式传输。3.3.2 A率压缩在SystemView系统仿真软件中，系统提供了A律和律两种标准的压缩器和扩张器。如图4.1所示是PCM信号压缩与扩张的仿真实验原理图。其中信号源采用了高斯噪声通过一个限带滤波器来模拟随机的语音信号。压缩器和扩张器都采用A律标准。A/D和D/A转换器采用8位二进制
37、码表示，收发二者之间数据不经过信道传输，直接连接。图4.2是原信号波形与压缩后的信号波形比较，可以明显看到小信号被放大而大信号被压缩。图4.3是通过扩张器还原后的波形和输入波形与还原后输出波形的比较图，也可以明显看出波形还原后与输入信号波形基本保持了一致。图3-1 PCM编码的压缩与扩张图3-2 未压缩的原始信号波形和压缩后的信号波形比较图3-3 经扩张后的波形与输入输出波形比较但是从频谱图来看，如图3-4，压缩后的信号频谱的频域范围显然比未压缩的信号频谱范围宽了很多。可见，压缩的代价也是靠频率域的拓展换来的。图3-4 压缩与未压缩的频谱比较3.4 扩频通信系统的仿真扩频通信是通信的一个重要分
38、支和信道通信系统的发展方向。扩频技术具有抗干扰能力强、保密性好、易于实现多址通信等优点，因此该技术越来越受到人们的重视。近年来，随着超大规模集成电路技术、微处理器技术的飞速发展，以及一些新型元器件的应用，扩频通信在技术上已迈上了一个新的台阶，不仅在军事通信中占有重要地位，而且正迅速地渗透到了个人通信和计算机通信等民用领域，成为新世纪最有潜力的通信技术之一。所谓扩展频谱技术（简称扩频技术）一般是指用比信号带宽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
39、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。3.4.1 扩频的理论基础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?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： 当S/N很小时（0.1）得到 上式说明：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。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
40、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。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。3.4.2 扩频码的特性在扩频系统中，信号频谱的扩展是通过扩频码实现的。扩频系统的性能同扩频码的性能有很大关系。对扩频码通常提出下列要求：易于产生；具有随机性；扩频码应具有尽可能长的周期，使干扰者难以通过扩频码的一小段去重建整个码序列；扩频码应具有双值自相关函数和良好的互相关特性，以有利于接收时的截获和跟踪，以及多用户应用。从理论上说，用纯随机序列去扩展信号频谱是最理想的。
41、但在接收机中为了解扩应当有一个同发送端扩谱码同步的副本。因此，实际工程中，我们只能用伪随机或伪噪声（PN）序列作为扩频码。伪随机序列具有貌似噪声的性质，但它又是周期性的有规律的，既容易产生，又可以加工和复制的序列。伪随机序列具有类似于随机序列的性质，归纳起来有下列三点：平衡特性：随机序列中0和1的个数接近相等；游程特性：把随机序列中连续出现0或1 的子序列称为游程;相关特性：随机序列的自相关函数具有类似于白噪声自相关函数的性质;伪随机序列具有类似于随机序列的性质，但它的结构或形式是预先可以确定的，并且可以重复地产生和复制。扩频码中应用最广的是m序列，又称最大长度序列。其它还有L序列和霍尔序列等
42、。L序列是勒让德（Legendre）序列或二次剩余序列的简称。霍尔序列又叫孪生素数序列。3.4.3 伪随机序列的产生在通信原理的学习中，我们接触了最重要的一类伪随机序列m序列，它在扩频序列中占有相当重要的地位。所以，在此，特只考虑m序列的产生。伪随机序列可由线性移位寄存器网络产生。该网络由r级串联的双态器件，移位脉冲产生器和模2加法器组成，如图5.1所示为4级移位寄存器构成的PN序列发生器：图3-5 4位移存器构成的PN码发生器例如，初始状态是0001，那么an-4=0，an-3=0，an-2=0，an-1=1。图4.1中的反馈逻辑为an= an-3an-4an-1，对于初始状态为0001，经
43、过一个时钟节拍后，各级状态自左向右移到下一级，未级输出一位数，与此同时模2加法器输出值加到移位寄存器第一级，从而形成移位寄存器的新状态，下一个时钟节拍到来又继续上述过程。未级输出序列就是伪随机序列。下图是一个an= an-3an-4 四级结构的仿真原理图，图5.2是其产生的伪随机序列an=100110101111000100110101111000，这是一个周期为15的周期序列。改变反馈逻辑的位置及数量还可以得到更多不同的序列输出。从以上例子可得出以下结论：1、线性移位寄存器的输出序列是一个周期序列。2、当初始状态是0状态时，线性移位寄存器的输出全0序列。3、级数相同的线性移位寄存器的输出序列
44、和反馈逻辑有关。4、同一个线性移位寄存器的输出序列还和起始状态有关。5、对于级数为r的线性移位寄存器，当周期p2r1时，改变移位寄存器初始状态只改变序列的初相。这样的序列称为最大长度序列或m序列。图3-6 4级PN码仿真原理图图3-7 15级PN码波形图3.4.4 直接序列扩频系统仿真直接序列扩频是目前应用最广的一种扩频技术，也是大家比较熟悉的一种扩频技术。图5.4是直序扩频系统的仿真原理图。数据信号源使用了一个较低频率（1KHz）的随机序列（图符0）通过一个1KHz的低通滤波器（图符3）来代替。扩频用的PN码采用了10KHz的PN码（图符2），这样，理论上可以获得10倍的扩频增益。扩频调制也
45、未使用通常的模2和加法运算，而是通过乘法器直接用PN码调制数据信号，合成后的扩频复合信号同样也是直接用更高的载波（图符12，100KHz）调制发射，省去了常规的平衡调制等步骤。为了观察扩频系统的抗干扰性能，使用了一个干扰信号源。该干扰信号可以是单频率窄带干扰，也可以是宽带的扫频信号，或者是高斯噪声。为简单起见，在接收端，通过本地载波解调后的复合信号直接与原扩频PN码直接相乘后解扩，中间省略了有关本地PN发生器和相关的码同步电路。因为直接使用原PN码，所以理论上可认为收发两端是完全同步的。需要说明的是，实际工程中的码同步是一个十分复杂问题，其复杂程度以及在此问题上付出的代价往往比扩频本身要多得多
46、。图3-8 直接序列扩频系统仿真原理图图3-9 预处理和整形处理后的波形图5.5所示是经过预滤波器后（图符3）的输入信号波形和解扩后整型的输出信号波形图。图5.6是未加干扰信号前的已调信号频谱图和加入干扰信号后的已调信号频谱图。可以十分明显地观察到，在100KHz附近有较强的干扰存在，而解扩后的信号与输入的原信号波形基本一致，完全未受干扰影响。不断加大噪声或干扰的幅度，当达到系统的干扰门限时，则不能准确地恢复原始波形。图3-10 未有干扰和有干扰时的已调频谱3.4.5 带嵌套的扩频系统 SystemView的嵌套系统是一种层次化的系统设计功能，利用这个功能用户可以很方便地设计嵌套子系统。并且子
47、系统内部也可以含有其他子系统，从而形成多层系统。嵌套系统图符主要用于建立用户自己的子系统库，通过将目标系统的某一组图符转化为一个子系统图符简化原有复杂系统的视图效果，并且SystemView允许用户在不同的系统中使用同一嵌套系统。嵌套系统的层次与规模没有限制，可以设计具有数百个难以管理的图符组成的仿真系统。在前面练习了直接扩频系统和尾随机序列(PN)产生的仿真系统，下面，我试着将直接扩频中的尾随机序列输入改成由PN子系统产生的四级15阶M序列。其仿真原理图如下图所示： 图5.7中，图符（18）正是与图5.2所示系统对应的meta子系统，让其作为系统的输入，用META/IO与本系统连接。图3-11 带嵌套的扩频系统而经过分析窗口仿真后的波形如下图所示，即为上图中SINK5和SINK9的对比波形，很明显，在扩频前后，其序列保持了不变性，但是注意在时间上会有些许时延，大概在10e-4s的数量级上。图3-12 输入与输出的对比
