直接序列擴頻通信系統(tǒng)的matlab仿真畢業(yè)論文

1、摘 要直接擴頻序列調(diào)制是用速率很高的偽噪聲碼序列與信息碼序列模二相加后（波形相乘）得帶復合碼序列，用復合碼序列去制載波相位，從而獲得直接擴頻序列信號的。直接擴頻通信具有低截獲概率、抗干擾能力強以及易于實現(xiàn)碼分多址等優(yōu)點，在抗干擾通信及民用移動通信中都得到了廣泛的應用。先闡述了擴頻通信的基本原理、主要性能指標及其工作特點，然后根據(jù)香農(nóng)定理在抗下擾理論，借助工具箱和仿真算法，建立了直接序列擴頻通信系統(tǒng)仿真模型。通過分析無干擾時的誤碼率仿真曲線與理論計算值，證明了所建仿真模型的正確性。在MATLAB程序仿真部分，主要分為6大部分，分別為主函數(shù)，發(fā)送模塊，接收模塊，AWNG信道，Walsh函數(shù)和差錯計

2、數(shù)器。通過主函數(shù)對各個子函數(shù)的調(diào)用，實現(xiàn)4個用戶的隨機數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，同時生成前4個用戶在整個傳輸過程中的各種波形變化圖，并對系統(tǒng)信噪比與誤碼率關系進行分析。擴頻通信是通信的一個重要分支和信道通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。擴頻技術具有抗干擾能力強，保密性好，易于實現(xiàn)多址通信等優(yōu)點，因此該技術越來越受到人們的重視，這也是選擇本次課題研究的原因所在。關鍵詞：直接序列擴頻信號，通信，MATLABABSTRACTDirect-sequence spread spectrum transmitters (DS-SS) use a periodical pseudo-random sequence (PN seq

3、uence) to modulate the baseband signal,and exploit the modulated signal to control the phase of carrier wave. Because DS signals show many advantages such as anti-jamming capability. low probability of interception. multiple access capability and so on. direct sequence spread spectrum signals have b

4、een widely applied for secure communications and mobile communications known as Code Division Multiple Access System.This thesis expounds the basic principles of spread spectrum communication, and then article mainly acts according to the Shannon theorem.with the aid of matlab toolbox. it has establ

5、ished the direct sequence spread spectrum communications system simulation model which does not have when the disturbance through the analysis corror rate simulation curve and theory predicted value, had proven constructs the simulation model the accuracy.In the MATLAB simulation part, mainly divide

6、s into six parts, respectively is given priority to function, sending module, receiving module, AWNG channel, Walsh function and error counter. Through the main function of each function call, realize four user random data sending and receiving, at the same time generate before four users throughout

7、 the various waveform variation in the process of transmission, and the relationship between signal to noise ratio and bit error rate of the system were analyzed.Spread spectrum communication is an important branch of communication and channel development direction of communication system. Spread sp

8、ectrum technology has the features such as strong anti-jamming capability, the secrecy good, the advantages of easy to realize multiple access communication, therefore the technology more and more get the attention of people, this is also why choose this topic research.Key words: Direct sequence spr

9、ead spectrum, communication, MATLAB目 錄摘 要IABSTRACTII第一章 緒 論1第二章 MATLAB仿真工具32.1 MATLAB簡介3342.2 SIMULINK簡介5666第三章 擴頻通信系統(tǒng)73.1 擴展頻譜通信的定義73.2 擴頻通信的理論基礎73.3 擴頻通信的主要性能指標83.5 頻譜擴展的實現(xiàn)和直接序列擴頻113.6 擴頻系統(tǒng)需要滿足以下幾個條件133.7 擴頻通信特征13第四章 直序擴頻通信系統(tǒng)154.1 直序擴頻通信系統(tǒng)框圖154.2 直接序列擴頻信號的產(chǎn)生原理154.3 直接序列擴頻原理164.4  直擴系統(tǒng)的性能17171

10、81920204.5 直接序列擴頻信號的實現(xiàn)方法20第五章 直接擴頻系統(tǒng)MATLAB仿真225.1 直接擴頻MATLAB仿真組成框圖225.2 m序列發(fā)生器225.3 高斯噪聲235.4 干擾235.5 解擴判決235.6 仿真結果分析245.7 實驗心得25參考文獻26致 謝28畢業(yè)設計小結29附 錄30第一章 緒 論人類社會進入到了信息社會，通信現(xiàn)代化是人類社會進入信息時代的重要標志。怎樣在惡劣的環(huán)境條件下保證通信有效地、準確地、迅速地進行，是當今通信工作者所面臨的一大課題。擴展頻譜通信是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的一種新興的通信方式，其較強的抗干擾、抗衰落和抗多徑性能以及頻譜利用率高、多址通信等諸多

11、優(yōu)點越來越多的為人們所認識，并被廣泛的應用于軍事通信和民用通信的各個領域，從而推動了通信事業(yè)的迅速發(fā)展。擴頻通信，即(Spread Spectrum Communication)擴展頻譜通信，它與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽為進入信息時代的三大高技術通信傳輸方式。擴頻通信是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機編碼(擴頻序列：Spread Sequence)調(diào)制，實現(xiàn)頻譜擴展后再傳輸；接收端則采用相同的編碼進行解調(diào)及相關處理，恢復原始信息數(shù)據(jù)。這種通信方式與常規(guī)的窄道通信方式是有區(qū)別的： 首先，信息在頻譜擴展后形成寬帶傳輸；其次，相關處理后恢復成窄帶信息數(shù)據(jù)。在擴展頻譜系統(tǒng)中，偽隨機序列起著很重要的作用。

12、在直擴系統(tǒng)中，用偽隨機序列將傳輸信息擴展，在接收時又用它將信號壓縮，并使干擾信號功率擴散，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力；偽隨機序列性能的好壞直接關系到整個系統(tǒng)性能的好壞，是一個至關重要的問題。擴頻信號的接收一般分為兩步進行，即解擴與解調(diào)，這是關系到系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關鍵。解擴是在偽隨機碼同步的情況下，通過對接收信號的相關處理從而獲得處理增益，提高解跳器輸入端的信噪比，使系統(tǒng)的誤碼性能得以改善。解擴與解調(diào)的順序一般是不能顛倒的，通常是先進行解擴后再進行解調(diào)，這是因為在未解擴之前的信噪比是很低的，一般的解調(diào)方法很難實現(xiàn)。正是由于這些技術的應用，使擴頻通信有如下的優(yōu)點： (1)具有較強的抗干擾能力。這種能力的

13、大小與處理增益成正比。(2)具有很強的隱蔽性和抗竊聽的能力。擴頻信號的譜密度很低，可使信號淹沒在噪聲之中。(3)具有選址能力，可實現(xiàn)碼分多址。擴頻系統(tǒng)本來就是一種碼分多址通信系統(tǒng)。(4)抗衰落，特別是抗頻率選擇性好。直序信號的頻譜很寬，一小部分衰落對整個信號的影響不大。(5)抗多徑干擾。利用偽隨機碼的相關特性，只要多徑時延超過偽隨機碼的一個切譜，通過相關處理后可消除這種干擾影響。(6)高精度測量等。利用直擴系統(tǒng)偽隨機碼的相關特性，可完成精度很高的測距和定位。正是由于擴頻通信技術具有上述優(yōu)點，自50年代中期美國軍方便開始研究，一直為軍事通信所獨占，廣泛應用于軍事通信、電子對抗以及導航、測量等各個

14、領域。直到80年代初才被應用于民用通信領域。為了滿足日益增長的民用通信容量的需求和有效地利用頻譜資源，各國都紛紛提出在數(shù)字峰窩移動通信、衛(wèi)星移動通信和未來的個人通信中采用擴頻技術，擴頻技術于蜂窩 、無繩 、微波通信、無線數(shù)據(jù)通信、遙測、監(jiān)控、報警等系統(tǒng)中。第二章 MATLAB仿真工具2.1 MATLAB簡介MATLAB是美國MathWorks公司生產(chǎn)的一個為科學和工程計算專門設計的交互式大型軟件，是一個可以完成各種精確計算和數(shù)據(jù)處理的、可視化的、強大的計算工具。它集圖示和精確計算于一身，在應用數(shù)學、物理、化工、機電工程、醫(yī)藥、金融和其他需要進行復雜數(shù)值計算的領域得到了廣泛應用。它不僅是一個在各

15、類工程設計中便于使用的運算工具，而且也是一個在數(shù)學、數(shù)值分析和工程計算等課程教學中的優(yōu)秀的教學工具，在世界各地的高等院校中十分流行，在各類工業(yè)應用中更有不俗的表現(xiàn)。MATLAB可以在幾乎所有的PC機和大型計算機上運行，適用于Windows、UNIX等多種系統(tǒng)平臺。MATLAB名稱是由兩個英文單詞Maix和Laboratory的前兩個字母組成。20世紀70年代后期，美閨新墨陽哥大學計算機系主任Cleve. Moler教授為了便于教學，減輕學生編寫Fortran程序的負擔，為兩個矩陣運算軟件包Linpack和Eispack編寫了接口程序，這也許就算MATLAB的第一個版本。1984年，在JackL

16、ittlc(也稱JohnLittlc)的建議推動下，由Littlc、Molcr、StevcBangcrt二人合作，成立rMathWorks公司，同時把MATLAB 正式推向市場。從那時開始，MATLAB的源代碼采用C語音編寫，除加強了原有的數(shù)值計算能力外，還增加了數(shù)據(jù)圖形的可視化功能。1993年，MathWorks公司推出了MATLAB的4.0版本，系統(tǒng)平臺由DOS改為Windows，推出了功能強大的、可視化的、交互環(huán)境的用于模擬非線性動態(tài)系統(tǒng)的工具Simulink，第一次成功開發(fā)出了符號計算工具包Symbolic Math Toolbox 1.0，為MATLAB進行實時數(shù)據(jù)分析、處理和硬件開

17、發(fā)而推出了與外部直接進行數(shù)據(jù)交換的組件，為MATLAB能融科學計算、圖形可視、文字處理于一體而制作了Notebook，實現(xiàn)了MATLAB與人型文字處理軟件Word的成功對接。至此，MathWorks便MATLAB成為國際控制界公認的標準計算軟件。1997年，MathWorks公司推出了MATLAB的5.0版本，緊接著產(chǎn)生了5.1、5.2版本，至J999年MATLAB發(fā)展到5.3版本。MATLAB擁有了更豐富的數(shù)據(jù)類型和結構，更好的面向?qū)壍目焖倬赖膱D形界面，更多的數(shù)學和數(shù)據(jù)分析資源，MATLAB工具也達到了25個，幾乎涌蓋了整個科學技術運算領域。在大部分學生里，應用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計、自動控制、

18、數(shù)字信號處理、模擬與數(shù)字通信、時間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教材都把MATLAB作為必不可少的內(nèi)容。在國際學術界，MATLAB被確認為最準確可靠的科學計算標準軟件，在許多國際一流的學術刊物上都可以看到MATLAB在各個領域里的應用。MATLAB作為一種科學計算的高級語之所以受歡迎，就是因為它有十富的函數(shù)資源和工具箱資源，編群人員可以根據(jù)自己的需要選擇函數(shù)，而無需再去編寫大量繁瑣的程序代碼，從而減輕了編程人員的工作負擔。被稱為第四代編程語言的MATLAB最大的特點就是簡潔開放的程序代碼和直觀實用的開發(fā)環(huán)境。具體地說MATLAB主要有以下特點：(1)庫函數(shù)資源豐富數(shù)百種席函數(shù)大大減輕了用戶予程

19、序的編寫工作量，也避免了一些不必要的錯誤，吲而刖廣也不必擔心程序的可靠性問題。(2)語言精煉，代碼靈活MATLAB的編程語言符合人們的思維習慣，對代碼的書寫也沒有特別嚴格的控制，語言精煉，程序的亢余度非常小。(3)運算符多而靈活MATLLAB的內(nèi)核是用C語言編寫的，它為用戶廣提供了和C語言一樣多的運算符，用戶運用這些運算符可以使程序更加簡煉。(4)面向?qū)ο?，控制功能?yōu)良MATLAB在5x各版本中優(yōu)化了數(shù)據(jù)結構使得程序的結構化控制更精良，面向?qū)ο蟮墓δ芨佑焉?。特別是當前的7.0版，在可視化編程方面比以前的版本又有了更大的提高，使界面編程更方便、自由。 (5)程序設計自由MATLAB7.0版支持

20、長變量名達到63個字符，用戶可以不對矩陣進行預定義就使用，變量和數(shù)組的應用也有了很大的擴展，這為用戶編寫程序提供了更大的自由度，使編程更加簡單、方便。(6)圖形功能強大在很多程序語言中，繪制圖形是一件很麻煩的事情。但在MATLAB中，只需調(diào)用相應的繪圖函數(shù)即可，既方便義迅速。隨著硬件的發(fā)展和MATLAB7.0推出，MATLAB的圖形功能更好，可視化編程能力得到更進一步的提高。(7)程序的兼容性好MATLAB可以在各種PC機、大型計算機和各種操作系統(tǒng)上運行。(8)源代碼開放MATLAB的最重要的特點是源代碼的開放性，除了內(nèi)部函數(shù)，所有的MATLAB核心文件和工具箱文什都完全開放，都可讀可改。用戶

21、對源文件修改就可以生成適合自己的源代碼文件。(9)形形色色的工具箱凡有工具箱的軟件大都分為兩大部分，就是核心部分和形形色色的工具箱。MATLAB有數(shù)百個核心內(nèi)部函數(shù)，數(shù)十個形形色色的工具箱。工具箱大致可以分為兩大類，類是學科性工具箱，另一類是功能性工具箱。學科性工具箱大都涵蓋了本學科所有的已有的基本概念和基本運算，大都十分專業(yè)。如符號數(shù)學工具箱，簡直就是一個高等數(shù)學、工程數(shù)學解題器。極限、導數(shù)、微分、積分、級數(shù)運算與展開、微分方程求解、Laplace變換等應有盡有。還有控制系統(tǒng)、信號處理、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡、小波分析、統(tǒng)計：優(yōu)化、金融預測等工具箱，無一不是非常優(yōu)秀的運算-具。這些工具箱都可以添

22、加自己根據(jù)需要編寫的函數(shù)，用戶可以不斷更新自己的工具箱，使之更適合于自己的研究和計算。2.2 SIMULINK簡介SIMULINK是MATLAB軟件的擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構建，而非語言的編程上。所謂模型化圖形輸入是指SIMULINK提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，通過對這些摹本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構成所需要的系統(tǒng)模型（以.dml文件進行

23、存取），進而進行仿真與分析。SIMULINK已經(jīng)成為在動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真方面應用最廣泛的軟件包之一，確切地說，它是對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的一個軟件包。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)。運行Simulink方式有三種：(1)在MATLAB的命令窗口直接鍵入“Simulink”；(2)單擊MATLAB工具條上的Simulink圖標；(3)在MATLAB菜單上選擇File-New-Model。選擇第3種方式運行后會顯示Simulink模塊庫瀏覽器以及新建模型窗口，Simulink模塊庫包括：(1)Sourccs：輸入源模塊；(2)Sinks：接收模塊；(

24、3)Continuous：連續(xù)系統(tǒng)模塊；(4)Discrete：離散系統(tǒng)模塊；(5)Signals&Systems：信號與系統(tǒng)模塊；(6)Math：數(shù)學運算模塊。新建模型窗口是Windows的一個標準窗口，用戶可用鼠標拖入Simulink模塊庫瀏覽器中的模塊，用戶可以用鼠標對模塊進行修改或設置各模塊的參數(shù)。系統(tǒng)仿真步驟(1)根據(jù)系統(tǒng)圖，在窗口中繪制仿真框圖。(2)根據(jù)實驗要求設置各環(huán)節(jié)系數(shù)。將鼠標移至欲修改的單元上，雙擊鼠標左鍵，Windows將彈出對話框供用戶修改該環(huán)節(jié)的參數(shù)，不同環(huán)節(jié)的對話框略有不同，對話框由若干個編輯框和按鈕組成，在編輯框內(nèi)輸入希望的參數(shù)，然后按OK按鈕確認修改的

25、參數(shù)或Cancel按鈕取消修改。啟動系統(tǒng)仿真通過菜單啟動系統(tǒng)仿真或通過工具欄起動系統(tǒng)仿真，這時Windows將彈出一曲線窗口顯示仿真曲線。第三章 擴頻通信系統(tǒng)3.1 擴展頻譜通信的定義所謂擴展頻譜通信，可簡單表述如下：“擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關；在接收端則用同樣的碼進行相關同步接收、解擴及恢復所傳信息數(shù)據(jù)?！边@一定義包含了以下三方面的意思： (1)信號的頻譜被展寬了。(2)采用擴頻碼序列調(diào)制的方式來展寬信號頻譜。(3)在接收端用相關解調(diào)來解擴。3.2

26、 擴頻通信的理論基礎長期以來，人們總是想法使信號所占領譜盡量的窄，以充分利用十分寶貴的頻譜資源。為什么要用這樣寬頻帶的信號來傳送信息呢？簡單的回答就是主要為了通信的安全可靠。 擴頻通信的基本特點，是傳輸信號所占用的頻帶寬度(W)遠大于原始信息本身實際所需的最小(有效)帶寬(DF)，其比值稱為處理增益Gp。 眾所周知，任何信息的有效傳輸都需要一定的頻率寬度，如話音為1.7 3.1kHz，電視圖像則寬到數(shù)兆赫。為了充分利用有限的頻率資源，增加通路數(shù)目，人們廣泛選擇不同調(diào)制方式，采用寬頻信道(同軸電纜、微波和光纖等)，和壓縮頻帶等措施，同時力求使傳輸?shù)拿浇橹袀鬏數(shù)男盘栒加帽M量窄的帶寬。因現(xiàn)今使用的

27、、廣播系統(tǒng)中，無論是采用調(diào)幅、調(diào)頻或脈沖編碼調(diào)制制式，Gp值一般都在十多倍范圍內(nèi)，統(tǒng)稱為“窄帶通信”。而擴頻通信的Gp值，高達數(shù)百、上千，稱為“寬帶通信”。擴頻通信的可行性，是從信息論和抗干擾理論的基本公式中引伸而來的。 信息論中關于信息容量的香農(nóng)(Shannon)公式為： (3-1)式中：C - 信道容量(用傳輸速率度量) W - 信號頻帶寬度 P - 信號功率 N - 白噪聲功率 式(3-1)說明，在給定的傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比PN是可以互換的。即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比PN(SN)情況下，傳輸信息。擴展頻譜換取信噪比要求的降低，正是擴頻通信的重要特點，

28、并由此為擴頻通信的應用奠定了基礎?？傊覀冇眯畔挼?00倍，甚至1000倍以上的寬帶信號來傳輸信息，就是為了提高通信的抗干擾能力，即在強干擾條件下保證可靠安全地通信。這就是擴展頻譜通信的基本思想和理論依據(jù)。3.3 擴頻通信的主要性能指標處理增益和抗干擾容限是擴頻通信系統(tǒng)的兩個重要性能指標。 (1)處理增益G也稱擴頻增益(Spreading Gain) 它定義為頻譜擴展前的信息帶寬DF與頻帶擴展后的信號帶寬W之比： (3-2)在擴頻通信系統(tǒng)中，接收機作擴頻解調(diào)后，只提取偽隨機編碼相關處理后的帶寬為DF 信息，而排除掉寬頻帶W中的外部干擾、噪音和其地用戶的通信影響。因此，處理增益G反映了擴頻

29、通信系統(tǒng)信噪比改善的程度。 (2)抗干擾容限是指擴頻通信系統(tǒng)能在多大干擾環(huán)境下正常工作的能力，定義為： (3-3)其中：- 抗干擾容限- 處理增益 - 信息數(shù)據(jù)被正確解調(diào)而要求的最小輸出信噪比 - 接收系統(tǒng)的工作損耗 由此可見，抗干擾容限與擴頻處理增益成正比，擴頻處理增益提高后，抗干擾容限大大提高，甚至信號在一定的噪聲湮沒下也能正常通信。通常的擴頻設備總是將用戶信息(待傳輸信息)的帶寬擴展到數(shù)十倍、上百倍甚至千倍，以盡可能地提高處理增益。3.4 擴頻通信的主要特點(1)抗干擾性強，誤碼率低擴頻通信在空間傳輸時所占有的帶寬相對較寬，而收端又采用相關檢測的辦法來解擴，使有用寬帶信息信號恢復成窄帶信

30、號，而把非所需信號擴展成寬帶信號，然后通過窄帶濾波技術提取有用的信號。這祥，對于各種干擾信號，因其在收端的非相關性，解擴后窄帶信號中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干擾性強。擴頻通信的抗干擾如圖3-1。圖3-1 擴頻系統(tǒng)抗干擾頻譜示意圖從圖3-1可以看出，對于脈沖干擾， 由于在信號的接收過程中，它是一個被一次“模二相加”過程，可以看成是一個被擴頻過程，其帶寬將被擴展，而有用信號卻是一個被二次"模二相加"過程，是一個解擴過程，其信號被恢復(壓縮)后，保證高于干擾。由于擴頻系統(tǒng)這一優(yōu)良性能，其誤碼率很低，正常條件下可達，最差條件下也可達，抗干擾性能強是擴頻通信的最突出的優(yōu)點

31、。(2)易于同頻使用，提高了無線頻譜利用率用戶只能使用申請獲得的頻率，依靠頻道劃分來防止信道之間發(fā)生干擾。由于擴頻通信采用了相關接收這一高技術，信號發(fā)送功率極低，且可工作在信道噪聲和熱噪聲背景中，易于在同一地區(qū)重復使用同一頻率，也可以與現(xiàn)今各種窄帶通信共享同一頻率資源。(3)抗多徑干擾在無線通信中，抗多徑干擾問題一直是難以解決的問題，利用擴頻編碼之間的相關特性，在接收端可以用淹沒中提取出來，在目前商用的通信系統(tǒng)中，擴頻通信是唯一能夠工作于負信噪相關技術從多徑信號中提取分離出最強的有用信號，也可把多個路徑來的同一碼序列的波形相加使之得到加強，從而達到有效的抗多徑干擾。(4)可以實現(xiàn)碼分多址 擴頻

32、通信提高了抗干擾性能，但付出了占用頻帶寬的代價。如果讓許多用戶共用這一寬頻帶，則可大為提高頻帶的利用率。由于在擴頻通信中存在擴頻碼序列的擴頻調(diào)制，充分利用各種不同碼型的擴頻碼序列之間優(yōu)良的自相關特性和互相關特性，在接收端利用相關檢測技術進行解擴，則在分配給不同用戶碼型的情況下可以區(qū)分不同用戶的信號，提取出有用信號。這樣一來，在一寬頻帶上許多對用戶可以同時通話而互不干擾。(5)隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小由于擴頻信號在相對較寬的頻帶上被擴展了，單位頻帶內(nèi)的功率很小，信號湮沒在噪聲里，一般不容易被發(fā)現(xiàn)，而想進一步檢測信號的參數(shù)(如偽隨機編碼序列)就更加困難，因此說其隱蔽性好。再者，由于擴

33、頻信號具有很低的功率譜密度，它對目前使用的各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小。(6)擴頻通信是數(shù)字通信，特別適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)同時傳輸，擴頻通信自身具有加密功能，保密性強，便于開展各種通信業(yè)務。擴頻通信容易采用碼分多址、語音壓縮等多項新技術，更加適用于計算機網(wǎng)絡以及數(shù)字化的話音、圖像信息傳輸。(7)擴頻通信絕大部分是數(shù)字電路，設備高度集成，安裝簡便，易于維護，也十分小巧可靠，便于安裝，便于擴展，平均無故障率時間也很長。(8)擴頻設備一般采用積木式結構，組網(wǎng)方式靈活，方便統(tǒng)一規(guī)劃，分期實施，利于擴容。3.5 頻譜擴展的實現(xiàn)和直接序列擴頻頻譜的擴展是用數(shù)字化方式實現(xiàn)的。在一個二進制碼位的時段內(nèi)用一組新的多

34、位長的碼型予以置換，新碼型的碼速率遠遠高出原碼的碼速率，由傅立葉分析可知新碼型的帶寬遠遠高出原碼的帶寬，從而將信號的帶寬進行了擴展。這些新的碼型也叫偽隨機(PN)碼，碼位越長系統(tǒng)性能越高。通常，商用擴頻系統(tǒng)PN碼碼長應不低于12位，一般取32位，軍用系統(tǒng)可達千位。目前常見的碼型有以下三種：(1)M序列，即最長線性偽隨機系列；(2)GOLD序列；(3)WALSH函數(shù)正交碼。當選取上述任意一個序列后，如M序列，將其中可用的編碼，即正交碼，兩兩組合，并劃分為若干組，各組分別代表不同用戶，組內(nèi)兩個碼型分別表示原始信息"1"和"0"。系統(tǒng)對原始信息進行編碼、傳送，

35、接收端利用相關處理器對接收信號與本地碼型相關進行相關運算，解出基帶信號(即原始信息)實現(xiàn)解擴，從而區(qū)分出不同用戶的不同信息。微波無線擴頻通信的原理見圖3-2。圖3-2 擴頻通信原理由圖3-2可見，一般的無線擴頻通信系統(tǒng)都要進行三次調(diào)制。一次調(diào)制為信息調(diào)制，二次調(diào)制為擴頻調(diào)制，三次調(diào)制為射頻調(diào)制。接收端有相應的射頻解調(diào)，擴頻解調(diào)和信息解調(diào)。根據(jù)擴展頻譜的方式不同，擴頻通信系統(tǒng)可分為：直接序列擴頻(DS)、跳頻(FH)、跳時(TH)、線性調(diào)頻以及以上幾種方法的組合。圖3-3 信息的頻譜擴展過程（1源信號，2PN碼，3擴展后的信號）直接序列擴頻(DS-Direct Scquency)，就是用高碼率的

36、擴頻碼序列在發(fā)端直接去擴展信號的頻譜，在收端直接使用相同的擴頻碼序列對擴展的信號頻譜進行解調(diào)，還原出原始的信息。直接序列擴頻的頻譜擴展和解擴過程見圖3-3和圖3-4所示。從圖3-3、3-4上可以看出：在發(fā)端，信息碼經(jīng)碼率較高的PN碼調(diào)制以后，頻譜被擴展了。在收端，擴頻信號經(jīng)同樣的PN碼解調(diào)以后，信息碼被恢復；信息碼經(jīng)調(diào)制、擴頻傳輸、解調(diào)然后恢復的過程，類似與PN碼進行了二次“模二相加”的過程。在圖3-3、3-4中還可以用能量面積圖示概念看出：待傳信息的頻譜被擴展了以后，能量被均勻地分布在較寬的頻帶上，功率譜密度下降；擴頻信號解擴以后，寬帶信號恢復成窄帶信息，功率譜密度上升；相對與信息信號，脈沖

37、干擾只經(jīng)過了一次被模二相加的調(diào)制過程，頻譜被擴展，功率譜密度下降，從而使有用信息在噪聲干擾中被提取出來。圖3-4 擴頻信號的解擴過程（1待傳信號，2PN碼，3解調(diào)后的擴頻信號）3.6 擴頻系統(tǒng)需要滿足以下幾個條件 (1)信號占用的帶寬遠遠超出發(fā)送信息所需的最小帶寬。(2)擴頻是由擴頻信號(spreading singnal)實現(xiàn)的，擴頻信號通常稱為編碼信號(code signal)，與數(shù)據(jù)無關。(3)接收端解擴(恢復原始信號)是將接收機的擴頻信號與擴頻信號的同步副本通過相關完成。標準的調(diào)制方式，如頻率調(diào)制，脈沖編碼調(diào)制也擴展了原始信號的頻譜，但它們并不滿足上述條件，因此不能稱為擴頻系統(tǒng)。3.7

38、 擴頻通信特征(1)是一種數(shù)字傳輸方式。(2)帶寬的展寬是利用與被傳信息無關的函數(shù)(擴頻函數(shù))對被傳信息進行調(diào)制實現(xiàn)的。(3)在接收端使用相同的擴頻函數(shù)對擴頻信號進行相關解調(diào)，還原出被傳信息。第四章 直序擴頻通信系統(tǒng)4.1 直序擴頻通信系統(tǒng)框圖直接序列(DS)擴頻是一種直接用具有高碼元速率的PN碼序列在發(fā)送端擴展基帶信號的頻譜，在接收端用相同的PN碼序列進行解擴,把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。圖4-1為直接擴頻系統(tǒng)的組成與原理框圖。圖4-1 直擴系統(tǒng)組成原理框圖4.2 直接序列擴頻信號的產(chǎn)生原理直接序列擴頻系統(tǒng)是目前廣泛應用的一種擴展頻譜系統(tǒng)。美國的國際衛(wèi)星通信系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)都是直接序

39、列擴頻系統(tǒng)的應用實例。直接序列擴頻系統(tǒng)采用直接序列擴頻信號體制。下面就從偽隨機碼序列(m序列和GOLD碼序列)的產(chǎn)生原理、調(diào)制信號的產(chǎn)生原理幾方面來說明直接序列擴頻信號的產(chǎn)生原理。(1)m碼序列的產(chǎn)生原理偽隨機碼序列是一種具有類似白噪聲統(tǒng)計特性的編碼信號，通常作為擴頻系統(tǒng)的擴展碼。M碼序列是移位寄存器序列。M碼序列可以由移位寄存器加反饋產(chǎn)生，如圖4-2所示。圖4-2 n級反饋移位寄存器的結構Cn是每個移位寄存器的初值，可以是1或0，An是第n級移位寄存器的反饋系數(shù)，An=0時表示無反饋，反饋線斷開：An=1時表示有反饋，反饋線相連。這種結構的A0和An必須有反饋，否則n級最長線性反饋移位寄存器

40、將簡化為n-1級最長線性反饋移位寄存器。采用不同的反饋邏輯，即An的不同取值將產(chǎn)生不同的移位寄存序列。N級最長線性反饋移位寄存器的周期為2n-1，n為移位寄存器的級數(shù)。 (1)GOLD碼序列的產(chǎn)生原理由于m碼序列具有的移位寄存序列不能滿足擴頻系統(tǒng)碼分多址的要求，因此實際采用的地址由2個長度和速率相同的m碼序列優(yōu)選對模2相加得到GOLD碼序列。GOLD碼序列產(chǎn)生的移位寄存序列為2n+1個。GOLD碼序列可以通過2個m碼序列優(yōu)選對串聯(lián)產(chǎn)生，如圖4-3所示。圖4-3 有2個n=6的m碼序列優(yōu)選對串聯(lián)產(chǎn)生的GOLD碼序列由2個n=6的m碼序列優(yōu)選對串聯(lián)組成1個n=12的移位寄存器序列(GOLD碼序列)

41、不是最長線性移位寄存器序列。根據(jù)Cn和Dn(n+16)的不同取值產(chǎn)生的GOLD碼序列總共為26+1=65條。4.3 直接序列擴頻原理直接序列擴頻的實質(zhì)是用一組編碼序列調(diào)制載波，其調(diào)制過程可以簡化表示為：信碼和擴展碼序列模2相加進行擴頻調(diào)制，產(chǎn)生擴頻調(diào)制信號；擴頻調(diào)制信號對載波反相鍵控進行載波調(diào)制，產(chǎn)生直接序列擴頻信號，如圖4-4所示，任意波形發(fā)生器的實現(xiàn)方法。圖4-4 直接序列擴頻信號的產(chǎn)生原理理想的任意波形發(fā)生器既是一種信號源，又是一種調(diào)制源。4.4  直擴系統(tǒng)的性能 直擴系統(tǒng)最早應用是在軍事通信中作為很強抗干擾性的通信手段。直擴系統(tǒng)對窄帶干擾、寬帶干擾等，都具有抗干擾能力，其抗干

42、擾能力大小就是前面提出的擴頻處理增益，越大，抗干擾能力就越強。下面就來分析直擴系統(tǒng)抗寬帶干擾和抗窄帶干擾的原理圖4-5為直擴系統(tǒng)抗寬帶干擾的示意圖。這里的寬帶干擾是泛指的與擴頻信號不相關的，在通信網(wǎng)中，其它用戶的信號就是一種寬帶干擾。相關處理前，信號頻譜是很寬的，經(jīng)相關處理后，有用信息被解擴，其功率譜集中于信息帶寬內(nèi)，而寬帶干擾通過相關器，其功率譜密度基本不變。由于解擴后必然連接窄帶濾波器，保證信號能順利通過，對信號頻帶之外的各種干擾起到很大的抑制作用，從而提高了輸出的信噪比。 (a)接收機輸入的信號及干擾的功率譜 (b)相關器輸出的信號及干擾的功率譜圖4-5 直擴系統(tǒng)抗寬帶干擾的示意圖對單頻

43、或窄帶干擾，直擴系統(tǒng)有很強的抗干擾能力。圖4-6（a）為解擴前的功率譜，窄帶干擾功率很大，由于干擾與本地擴頻碼（PN碼）是不相關的。對干擾來說，相關器起到擴展頻譜的目的，功率譜密度就大大下降，其中對信號有害的干擾分量只有落入信息帶寬部分，從而抑制了大部分干擾。由于有用信號能順利通過窄帶濾波器，因此提高了輸出的信噪比。 (a)未解擴的功率譜 (b)解擴后的功率譜圖4-6 直擴系統(tǒng)抗窄帶干擾示意圖 截獲敵方信號的目的在于： 1.發(fā)現(xiàn)敵方信號的存在。2. 確定敵方信號的頻率。 3.確定敵方發(fā)射機的方向。     理論分析表明，信號的檢測概率與信號能量與噪聲功率

44、譜密度之比成正比，與信號的頻帶寬度成反比。直擴信號正好具有這兩方面的優(yōu)勢，它的功率譜密度很低，單位時間內(nèi)的能量就很小，同時它的頻帶很寬。因此，它具有很強的抗截獲性。 如果滿足直擴信號在接收機輸入端的功率低于或與外來噪聲及接收機本身的熱噪聲功率相比擬的條件、則一般接收機發(fā)現(xiàn)不了直擴信號的存在。另外，由于直擴信號的寬頻帶特性，截獲時需要在很寬的頻率范圍進行搜索和監(jiān)測，也是困難之一。因此，直擴信號可以用來進行隱藏通信。至于如何發(fā)現(xiàn)敵方直擴信號的存在，和弄清楚其參數(shù)，即直擴信號的檢測與估值問題。 多址通信系統(tǒng)指的是許多用戶組成的一個通信網(wǎng)，網(wǎng)中任何兩個用戶都可以通信，且許多對用戶同時通信時互不不擾。應

45、用直擴系統(tǒng)就很容易組成這樣一個多址通信系統(tǒng)(網(wǎng))。具體的做法是給每一個用戶分配一個PN碼作為地址碼。首先，利用直擴信號中PN碼的相關特性來區(qū)分不同的用戶，每個用戶只能收到其他用戶按其地址碼發(fā)來的信號，此時自相關特性出現(xiàn)峰值，可以判別出是有用信號。對于其他用戶發(fā)來的別的信號，因PN碼不同時互相關值很小，不會被解擴出來。其次，利用直擴信號中頻譜擴展，功率譜密度很低的特性，可以有許多用戶共用同一寬頻帶。此時相互之間干擾很小，可以當作噪聲處理。另外，每個用戶占用的頻寬很窄，相對說來，頻譜利用率也是高的。實現(xiàn)直擴碼分多址通信值得注意的問題有： 1. 是要選擇有優(yōu)良互相關特性的碼。 一般多采用有二值或三值

46、相關特性的碼作為地址碼。同時還需要有一定的數(shù)量。Gold碼就可以作為地址碼來用，它既有較優(yōu)良的相關特性，也有足夠的數(shù)量可供選。 2. 是要注意克服“遠近”問題。 所謂“遠一近”問題指的是距離近的用戶的信號強，它會干擾距離遠的弱信號的接收。解決的辦法是采用自動功率控制，自動調(diào)節(jié)各用戶的發(fā)射功率，使達到接收機時各用戶信號功率基本相等，也就是滿足接收機輸入端等功率的條件，才能正確地區(qū)分有用信號。 3. 是同時通話的用戶數(shù)，決定于整個網(wǎng)內(nèi)的噪聲水平。 因此，直擴碼分多址系統(tǒng)是一種噪聲受限的系統(tǒng)。隨著用戶數(shù)的增加，通信質(zhì)量逐漸變壞。  多徑信道就是發(fā)射機和接收機之間電波傳播的路徑不止一條。例如

47、由于大氣層的反射和折射，以及由于建筑物等對電波的反射都是形成多徑信道的原因。不同的傳播路徑使電波在幅度上衰減不同，到達時間的延遲也不同。直擴系統(tǒng)能夠同步鎖定在最強的直達路徑的電波上。其它有延遲到達的電波，由于相關解擴的作用，只起到噪聲干擾的作用。這就是利用PN碼的自相關特性，只要延遲超過半個PN碼時片，其相關值就很小，可作為噪聲來對待。另外，如果采用不同時延的匹配濾波器，把多徑信號分離出來，還可以變害為利，將這些多徑信號在相位上對齊相加，起到增加接收信號能量的作用。因此，直擴系統(tǒng)是一種有效的抗多徑干擾的通信系統(tǒng)。 直擴系統(tǒng)的發(fā)展是從測距開始的。電磁波在空間是以固定的光速傳播的。如果測定了電波傳

48、播的時間，也就測定了距離。用直擴信號來測取和定時有獨特的優(yōu)點。當采用一個較長周期的PN碼序列作為發(fā)射信號、用它于目的地反射回來或轉(zhuǎn)發(fā)回來的PN碼序列的相位進行比較，即比較兩個碼序列相差的時片數(shù)，就可以看出其時間差，也就能換算出發(fā)射機與目的地之間的距離。不難把碼片選得很窄，即碼的鐘速率很高，則可以高精度的測距與定時，基本的分辨率即一個碼片。此外，有了精確的測距的定時系統(tǒng)，不難形成一個精確的定位系統(tǒng)；按照簡單的幾何關系，已知兩個點的位置(座標)和距離，及其在某一平面上分別與第三點的距離，也就能確定第三點的座標位置。4.5 直接序列擴頻信號的實現(xiàn)方法直接序列擴頻信號的調(diào)制分為擴頻調(diào)制和載波調(diào)制兩部分

49、。擴頻調(diào)制為信息碼和擴展碼模2相加，這里為了簡單，采用m序列作為擴展碼調(diào)制信息碼，信息碼用全0代替進行擴頻調(diào)制。當信息碼為全0時，擴頻調(diào)制信號即原來的m碼序列。擴展碼的設計碼速率為4MHz，擴頻調(diào)制產(chǎn)生的擴頻調(diào)制信號即m碼序列存為ds.wfm。要注意的是，實際擴頻調(diào)制時，由于信息碼和擴展碼速率不同，需要對信息碼波形進行水平擴展，擴展的倍數(shù)約等于擴展碼速率與信息碼速率的比值。載波調(diào)制為擴頻調(diào)制信號與載波相乘，要注意的是擴頻調(diào)制信號對載波進行反相鍵控時，要求擴頻調(diào)制信號必須為1、-1兩種狀態(tài)，另外，由于擴頻調(diào)制信號的碼速率和載波頻率不同，載波調(diào)制時需要對擴頻調(diào)制信號進行水平擴展(expand)，擴

50、展的倍數(shù)約等于載波頻率與擴頻調(diào)制信號速率的比值。應用發(fā)現(xiàn)，任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的直接序列擴頻信號存在兩點不足，一是輸出頻率是中頻，不能進行射頻調(diào)制；二是擴頻信號的副瓣沒有抑制，儀器內(nèi)置的數(shù)字濾波器頻率上限為50MHz，因此不能直接利用儀器內(nèi)置的數(shù)字濾波器對載波為50MHz以上的直接序列擴頻信號濾波。因此任意波形發(fā)生器在實際應用中，往往需要和其他測試儀器配合完成射頻調(diào)制過程，另外需要單獨使用帶通濾波器進行濾波。第五章 直接擴頻系統(tǒng)MATLAB仿真5.1 直接擴頻MATLAB仿真組成框圖直接序列擴頻的MATLBA仿真組成框圖如圖5-1所示。模2運算模2運算m序列m序列信碼判決電路信碼高斯信道干擾圖5

51、-1 直接擴頻仿真組成框圖由圖5-1可以看出，在發(fā)送端，信碼為m(t)，其碼元寬度為，偽隨機碼為p(t),其碼元寬度為，進行模2運算后，得到，碼元寬度稱為擴頻出來增益，表示為（5-1）。 (5-1)由于有<<，所以信碼的頻譜被展寬了，信號在傳輸?shù)倪^程中經(jīng)過AWGN信道，被疊加了高斯白噪聲，同時還受到了干擾信號的影響，最終得到的信號包括“有用信號+高白噪聲+干擾”。接收端收到此信號后，解擴電路，對進行碼元判決，即可得到原始的輸入信號。5.2 m序列發(fā)生器本次直接序列擴頻通信中的偽隨機序列為m序列，m序列是最長線性移位寄存器的簡稱。圖5-2示出的是由n級移位寄存器構成的碼序列發(fā)生器示意

52、圖。圖5-2 m序列發(fā)生器在本次MATLAB設計中，PN碼發(fā)生器為6級m序列產(chǎn)生器，本原多項式為1+x+x4，寄存器初始值設置為1 1 1 0 0 0，根據(jù)m序列發(fā)生器示意圖就可以編寫出m序列。5.3 高斯噪聲信道傳輸模塊是指傳輸?shù)男盘柦?jīng)過AWGN信道時，不可避免地疊加了高斯白噪聲信號，在本次設計中，對高斯白噪聲信號的處理，是應用信號信噪比，根據(jù)，在已知信號功率譜的條件下，可以得出信道噪聲的功率譜密度函數(shù)2，則P=即為單位信號所疊加上的噪聲的能量，將單位信號的噪聲與白噪聲的概率密度函數(shù)相關，再與信號相加，即可得到信道傳輸?shù)男盘?。用戶是由rand( )函數(shù)產(chǎn)生的隨機碼，并經(jīng)過處理之后成為碼值為1

53、和-1變化的碼序列，為了保證仿真的準確性，取5000個碼元作為每次發(fā)送的信號，同時為了接收電路接收的方便，將信號的碼值變換為0和1，再將信號重復G次，得到即將擴頻的信號。PN碼發(fā)生器為6級m序列產(chǎn)生器，本原多項式為1+x+x4，寄存器初始值設置為1 1 1 0 0 0，通過G次輸出，與原信號碼進行模二運算，即可得到擴頻增益為G的擴頻碼輸出。5.4 干擾仿真時，每個擴頻chip被疊加一個的干擾，干擾幅值取1和3，取1，n=1,2隨著擴頻chip的序號而改變。在信道傳播的信號在接收端處被加上一個形式為sin(n)的干擾信號。5.5 解擴判決接收端收到信號后，采用與發(fā)送端相同的PN序列，通過模二運算

54、之后便可還原出輸入信號。但由于受到高斯白噪聲和干擾信號的影響，此時的信號是碼值為處在-G和+G之間的信號，必須通過碼元判決，將大于0的碼元判為1，小于0的碼元判為-1，即原始信號。誤碼率判決模塊的程序框圖如圖5-3所示，接收端收到的信號與發(fā)送端發(fā)送的信號進行碼元的逐個比較，如果碼元相同，則不作任何操作，如果碼元不同，則誤碼信號寄存器error加1，將最終的得到的誤碼個數(shù)error與發(fā)送信號的總數(shù)L的比值P=error/L即為在一定性噪比和擴頻增益的條件下的系統(tǒng)的誤碼率。發(fā)送信號誤碼加1碼元不同圖5-3 誤碼率判決模塊程序框圖比較器5.6 仿真結果分析 (1)誤碼率在數(shù)字通信中，誤碼率是一項主要

55、的性能指標。在實際測量數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率時，一般測量結果與信源送出信號的統(tǒng)計特性有關。通常認為二進制信號中0和1是以等概率隨機出現(xiàn)的，所以測量誤碼率時最理想的信源應是隨機信號發(fā)生器。擴頻序列通過終端機和信道后，輸出仍為擴頻序列。在接收端，本地產(chǎn)生一個同步的擴頻碼，與收碼序列逐位相乘再求規(guī)格化內(nèi)積，再與發(fā)送端信源碼進行比較，一旦有錯，誤碼計數(shù)器加一。誤碼率的數(shù)學表達式如(5-2)所示。 (5-2)其中S是信碼個數(shù)，e是誤碼個數(shù)，E就是誤碼率。 (2)信噪比測量通信系統(tǒng)的性能時，常常要使用噪聲發(fā)生器，由它給出具有所要求的統(tǒng)計特性和頻率特性的噪聲，并且可以隨意控制其強度，以便得到不同信噪比條件下的系統(tǒng)性能。在實際測量中，往往需要用到帶限高斯白噪聲。本實驗中的噪聲主要是我們自己添加到信道的高斯加性白噪聲AWNG，它獨立于信源信號。信噪比計算是數(shù)學表達式如(5-3)所示。 (5-3)其中為信碼發(fā)射功率，為噪聲功率，為信源碼，為信宿碼，計算結果單位為dB。圖5-4就是經(jīng)過MATLAB仿真之后的圖形，分別為10，30，50倍的擴頻增益下的誤碼率和信噪比的變化曲線。圖5-4 擴頻增益與誤碼