扩频通信教学中Simulink工具的应用

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摘要:针对扩频通信的教学实验问题,将Simulink工具引入实际教学,介绍了Simulink的通信模块,并搭建了扩频通信的发信,传输以及收信的基本链路,仿真结果可即时显示出扩频通信传输过程中误符号率,错误符号数以及总符号数的变化情况,有效提高了教学效果。

关键词:扩频通信;码分多址;Simulink;误符号率

中图分类号:TP311文献标志码:A文章编号:1009-3044(2010)22-6339-02

Application of Simulink Tools for Spread Spectrum Communication Teaching

ZHENG Zhi-wei

(Department of Computer Science, City College of Dongguan University of Technology, Dongguan 523106, China)

Abstract: In order to solve the teaching experiment problems in spread spectrum communication, Simulink tools are taken into actual teaching. The communication blockset is introduced in this paper, and the basic links in spread spectrum communication are established, which respectively are source, transmission and sink. Simulation results shows that this system can inmediately show the symbol error rate, the number of error symbols and the total number of symbols, which enables to improve the teaching quality.

Key words: spread spectrum communications; code division multiple access (CDMA); simulink; symbol error rate

扩频通信是采用伪随机序列对信号的频带进行展宽以提高传输质量和系统容量。扩频的方式通常包括三类,即跳变频率扩频、跳变时间扩频以及直接序列扩频,其中跳频多用于军事通信中,而直接序列扩频常用于民用通信。当前的第三代移动通信系统所采用的码分多址(CDMA)技术即是扩频通信应用的特例[1]。显而易见,扩频通信在人们的生活中发挥着重要的作用,然而在通信理论的教学中,扩频通信的内容往往因其缺乏直观性而使得教学实验过程较为困难。

为了提高教学效果,我们对扩频通信的教学实验进行了革新,引入了Simulink工具进行辅助教学。Simulink是Matlab软件自带的工具包,具有模块化和直观化的优点。在教学中我们采用Simulink模块搭建扩频通信的发信、传输和收信平台,可有效地对扩频通信的过程进行课堂演示,帮助学生对该部分内容的理解。

1 Simulink工具介绍

Simulink是Matlab软件中的一种模块化工具包,包含有通信、控制、神经网络等各类专门领域的仿真模块,应用广泛。在通信领域,Simulink为通信方面的仿真提供了专门的通信模块(Communications Blockset)。如图1所示,在Matlab软件的帮助栏嵌入Communications Blockset搜索,可检索到通信模块的版本情况、内容介绍、安装使用等常用信息。大量Simulink中常用的通信模块也可由此检索出来,例如:

信源 Communications Sources

信宿 Communications Sinks

通信滤波器 Communications Filters

循环校验码 CRC Coding

模拟调制 Abalog Modulation

数字调制 Digital Modulation

均衡器Equalization

国防通信 Defense Communications

射频模块 RF Blockset

… …

2 扩频通信教学案例

为了更加直观的显示扩频通信的基本过程,我们借助于Simulink中的通信模块,搭建了扩频通信的扩频、传输以及收信的整个链路。

图2显示了扩频通信的发信端的扩频模块[2],分别为随机整数产生器(Random Integer Generator)、单极到双极变换器(Unipolar to Bipolar Converter)、PN序列产生器(PN Sequence Generator)。

随机整数产生器的主要功能在于作为信号源,随机产生一组均匀分布在区间[0, M-1]范围的整数。实验中将随机整数产生器M值设为2(M-ary number=2),初始种子数设为40(Initial seed=40),采样时间设为1/1000(Sample time=1/1000)。单极到双极变换器的主要功能是将在区间[0, M-1]范围的单极性信号变换为双极性信号。为了与信号源的参数保持一致,我们将单级到双极变换器的M值设为2(M-ary number=2),并将极性设为正(Polarity=Positive)。在扩频通信中,PN序列产生器主要采用线性反馈移位寄存器产生伪随机序列(PN序列)。实验中将移位寄存器的产生多项式定义为[1 0 0 1 0 1 1](Generator polynomial=[1 0 0 1 0 1 1]),并将该移位寄存器的初始状态设置为[0 0 0 1 0 1](Initial states=[0 0 0 1 0 1]),移位参数设为1(Shift=1),采样时间定义为1/(1000*10)(Sample time= 1/(1000*10))。

图3显示了扩频通信的传输模块,分别为双极到单极变换器(Bipolar to Unipolar Converter)、BPSK调制器(BPSK Modulator Baseband)、高斯白噪声信道(AWGN Channel)、BPSK解调器(BPSK Demodulator Baseband)。双极到单极变换器用于将双极性信号变换为在区间[0, M-1]范围的单极性信号[3],M值取2(M-ary number=2),变换器极性设为正(Polarity=Positive)。BPSK调制器将基带信号进行调制,相位偏移设为0(Phase offset=0),每符号采样数为1(Samples per symbol=1)。传输的信道设置为高斯白噪声信道,信道具体参数定义如下:

初始种子数Initial seed=60

模式Mode=Signal to noise ratio (Eb/No)

信噪比Eb/No=10

每符号比特数Number of bits per symbol=1

输入信号功率Input signal power=1

符号周期Symbol period=1/1000

与调制器相对应,将BPSK基带解调器的相位偏移参数设为0(Phase offset=0),每符号采样数定义为1(Samples per symbol=1)。

图4显示了扩频通信的收信端模块,分别为取整器(Integrate and Dump)、符号转换器(Sign)、误比特率计算器(Error Rate Calculation)以及显示器(Dispay)。取整器用于将接收到的信号尾数取整,使其长度一致,取整周期设为10(Integration period =10),偏移量设为0(Offset=0)。符号转换器满足在输入正值时输出1,输入负值时输出为-1,输入0时输出为0,并且取样时间为-1(Sample time=-1)。误比特率计算器用于统计和计算所接收到数据流的误比特率,显示器则用于显示输出结果,相关参数定义如下:

接受延迟Receive delay=1

计算延迟 Computation delay=0

计算模式 Computation mode= Entire frame

数据输出 Out data=port

显示器,数值显示输入的信号值

格式 Format=short

消减参数Decimation=1

取样时间 Sample time=-1

图5显示了我们采用上述模块所搭建的扩频通信传输链路,信道采用加性高斯白噪声信道。在教学中,观察统计获得的误符号率,错误符号数以及总符号数[4],以验证该扩频通信链路实际性能。图6显示了上述扩频通信链路的输出结果,分别为Normal状态和Accelerator状态下的实验截图。

从图6中可以观察到在两类状态下的输出情况。在Nornal状态下,仿真时间为8.417秒,此时的误符号率为3.385×10-4,误符号数为3,总符号数为8863。在Accelerator状态下,仿真时间为5.807秒,此时的误符号率为1.643×10-4,误符号数为1,总符号数为6085。

3 结束语

扩频通信在通信原理的教学中既是重点又是难点。长期以来,学生仅靠书面的理解通常难以较好的掌握扩频通信的基本原理通过将Simulink工具引入扩频通信的教学中,既更加直观易懂的辅助了日常的课堂教学,也有效培养了学生的探索能力和动手能力。

参考文献:

[1] J.S.Lee.CDMA Systems Engineering Handbook[M].Artech House,Inc.1998.

[2] A.J.Viterbi.CDMA: Principles of Spread Spectrum Communication[M]. Massachusetts: Addison Wesley Publishing, 1995.

[3] Jiwei Sun,Hailong You,Zhiyun Li, et al.Research on modeling control module of DC-DC converter for Simulink[C]. International Conference on Power Electronics and Intelligent Transportation System,2009(1):129-132.

[4] Changyan Zhou. Modeling Simulink Diagrams Using Input/Output Extended Finite Automata[C].International Conference on Computer Software and Applications,2009(2):462-467.

[5] 李贺冰.Simulink通信仿真教程[M].北京:国防工业出版社,2006.

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