直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真一、實(shí)驗(yàn)的背景及內(nèi)容1、直接擴(kuò)頻通信的背景擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信(Spread Spectrum Communication)，它與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時(shí)代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。有關(guān)擴(kuò)頻通信技術(shù)的觀點(diǎn)是在1941年由好萊塢女演員Hedy Lamarr和鋼琴家George Antheil提出的?；趯︳~雷控制的安全無線通信的思路，他們申請了美國專利#2.292.3871。不幸的是，當(dāng)時(shí)該技術(shù)并沒有引起美國軍方的重視，直到十九世紀(jì)八十年代才引起關(guān)注，將它用于敵對環(huán)境中的無線通信系統(tǒng)。解決了短距離數(shù)據(jù)收發(fā)信機(jī)、如：衛(wèi)星定位系統(tǒng)

2、(GPS)、移動通信系統(tǒng)、WLAN(IEEE802.11a, IEEE802.11b, IEE802.11g)和藍(lán)牙技術(shù)等應(yīng)用的關(guān)鍵問題。擴(kuò)頻技術(shù)也為提高無線電頻率的利用率(無線電頻譜是有限的因此也是一種昂貴的資源)提供幫助。擴(kuò)頻通信技術(shù)自50年代中期美國軍方便開始研究，一直為軍事通信所獨(dú)占，廣泛應(yīng)用于軍事通信、電子對抗以及導(dǎo)航、測量等各個(gè)領(lǐng)域。直到80年代初才被應(yīng)用于民用通信領(lǐng)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(gè)人通信中采用擴(kuò)頻技術(shù)，擴(kuò)頻技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于蜂窩電話、無繩電話、微波通信、無線數(shù)據(jù)通信、遙測、監(jiān)控、

3、報(bào)警等等的系統(tǒng)中。2、實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容及意義本次實(shí)驗(yàn)主要研究了直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)，建立了直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的matlab仿真模型，在信道中存在高斯白噪聲和干擾的情況下，對系統(tǒng)的在不同擴(kuò)頻增益下的誤碼率性能進(jìn)行了仿真及分析。近年來，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)、微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，以及一些新型元器件的應(yīng)用，擴(kuò)頻通信在技術(shù)上已邁上了一個(gè)新的臺階，不僅在軍事通信中占有重要地位，而且正迅速地滲透到了個(gè)人通信和計(jì)算機(jī)通信等民用領(lǐng)域，成為新世紀(jì)最有潛力的通信技術(shù)之一因此研究擴(kuò)頻通信具有很深遠(yuǎn)的意義。本人通過此次實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行深入地研究學(xué)習(xí)擴(kuò)頻通信技術(shù)及對它進(jìn)行仿真應(yīng)用，將所學(xué)的知識進(jìn)行歸納與總結(jié)，從而鞏固通信專業(yè)基礎(chǔ)知

4、識，為以后的個(gè)人學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。二、直接擴(kuò)頻通信簡介1、直接擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)擴(kuò)頻通信可簡單表述如下：“擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過一個(gè)獨(dú)立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端則用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)”。擴(kuò)頻通信是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機(jī)編碼(擴(kuò)頻序列：Spread Sequence)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸;接收端則采用相同的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理,恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻通信的可行性是從香農(nóng)公式引申而來，其內(nèi)容如式(2-1)所示。 式(2-1)其中，

5、C為系統(tǒng)信道容量(bit/s)；W為系統(tǒng)信道帶寬；N為噪聲功率S為信號功率。由上式可以看出，可以從兩種途徑提高信道容量C，即加大帶寬W或提高信噪比S/N。也就是說當(dāng)信道容量C一定時(shí)，信道帶寬W和信噪比S/N是可以互換的，增加帶寬可以降低對信噪比的要求，可以使有用信號的功率接近甚至湮沒在噪聲功率之下。擴(kuò)頻通信就是通過增加帶寬來換取較低的信噪比，這就是擴(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù)。當(dāng)信噪比無法提高時(shí)，可以加大帶寬，達(dá)到提高信道容量的目的。擴(kuò)頻是一種寬帶技術(shù)，由于擴(kuò)頻占用更寬的頻帶，看起來是浪費(fèi)有限的頻率資源，然而所占用的頻帶可以通過多用戶共享頻帶得到補(bǔ)償。擴(kuò)頻通信的方式有很多種，例如直接序列擴(kuò)頻、

6、跳頻擴(kuò)頻、跳時(shí)擴(kuò)頻等。本文將對直接序列擴(kuò)頻進(jìn)行詳細(xì)的分析和仿真。2、直接擴(kuò)頻系統(tǒng)組成直接序列擴(kuò)頻的原理是，在發(fā)射端把有用信號與偽隨機(jī)序列相乘(或者模二加)，使信號的頻譜展寬到一個(gè)很寬的范圍，然后用擴(kuò)展后的序列去調(diào)制載波。在接收端，把接收到的信號用相同的偽隨機(jī)序列相乘，有用信號與偽隨機(jī)碼相關(guān)，相乘后恢復(fù)為擴(kuò)頻前的信號。直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的組成原理框圖如圖2-1所示。由圖2-1可知，輸入的數(shù)據(jù)信息為d(t)(設(shè)基帶帶寬為B1)，由偽隨機(jī)編碼(如m序列)調(diào)制成基帶帶寬為B2的寬帶信號，由于擴(kuò)頻信號帶寬大于數(shù)據(jù)信號帶寬，所以信號擴(kuò)展的帶寬由偽隨機(jī)碼控制，而與數(shù)據(jù)信號無關(guān)。經(jīng)擴(kuò)頻調(diào)制的信號再經(jīng)射頻調(diào)制后即

7、可發(fā)送。圖2-1 直擴(kuò)系統(tǒng)的原理框圖接收端收到發(fā)送來的信號，經(jīng)混頻得到中頻信號后，首先通過同步電路捕捉并跟蹤發(fā)端偽碼的準(zhǔn)確相位，由此產(chǎn)生與發(fā)端偽碼相位完全一致的偽隨機(jī)碼作為擴(kuò)頻解擴(kuò)的本地?cái)U(kuò)頻碼，再與中頻信號進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，恢復(fù)出擴(kuò)頻前的窄帶信號，而在解擴(kuò)處理中，干擾和噪聲與偽隨機(jī)碼不相關(guān)故被擴(kuò)展，通過濾波使之受到抑制，這樣就可在較高的解擴(kuò)輸出信噪比條件下進(jìn)行信息解調(diào)解碼，最終獲得信息數(shù)據(jù)。三、直接擴(kuò)頻系統(tǒng)matlab仿真1、直接擴(kuò)頻matlab仿真組成框圖直接序列擴(kuò)頻的matlab仿真組成框圖如圖3-1所示。模2運(yùn)算模2運(yùn)算m序列m序列信碼判決電路信碼高斯信道干擾圖3-1 直接擴(kuò)頻仿真組成框圖由

8、圖3-1可以看出，在發(fā)送端，信碼為m(t)，其碼元寬度為，偽隨機(jī)碼為p(t),其碼元寬度為，進(jìn)行模2運(yùn)算后，得到，碼元寬度稱為擴(kuò)頻出來增益，表示為式(3-1)。 式(3-1)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(shí)還受到了干擾信號的影響，最終得到的信號包括“有用信號+高斯白噪聲+干擾”。接收端收到此信號后，經(jīng)過解擴(kuò)電路，得到，對進(jìn)行碼元判決，即可得到原始的輸入信號。2、m序列發(fā)生器本次直接序列擴(kuò)頻通信中的偽隨機(jī)序列為m序列，m序列是最長線性移位寄存器的簡稱。圖3-2示出的是由n級移位寄存器構(gòu)成的碼序列發(fā)生器示意圖。圖3-2 m

9、序列發(fā)生器在本次matlab設(shè)計(jì)中，PN碼發(fā)生器為6級m序列產(chǎn)生器，本原多項(xiàng)式為1+x+x4，寄存器初始值設(shè)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。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(shí)，不可避免地疊加了高斯白噪聲信號，在本次設(shè)計(jì)中，對高斯白噪聲信號的處理，是應(yīng)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(guān)，再與信號相加，即可得到信道傳輸?shù)男盘枴Ｓ脩羰怯蓃and()函數(shù)產(chǎn)生的隨機(jī)碼，并經(jīng)過處理之后成為碼值為1和-1變化的碼序列，為

10、了保證仿真的準(zhǔn)確性，取5000個(gè)碼元作為每次發(fā)送的信號，同時(shí)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(fù)G次，得到即將擴(kuò)頻的信號。PN碼發(fā)生器為6級m序列產(chǎn)生器，本原多項(xiàng)式為1+x+x4，寄存器初始值設(shè)置為1 1 1 0 0 0，通過G次輸出，與原信號碼進(jìn)行模二運(yùn)算，即可得到擴(kuò)頻增益為G的擴(kuò)頻碼輸出。4、干擾仿真時(shí)，每個(gè)擴(kuò)頻chip被疊加一個(gè)的干擾，干擾幅值取1和3，取1，n=1,2隨著擴(kuò)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(gè)形式為sin(n)的干擾信號。5、解擴(kuò)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(yùn)算之后便可還原出輸入信號。但由于

11、受到高斯白噪聲和干擾信號的影響，此時(shí)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3-3所示，接收端收到的信號與發(fā)送端發(fā)送的信號進(jìn)行碼元的逐個(gè)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(gè)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(kuò)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3-3 誤碼率判決模塊程序框圖比較器四、仿真結(jié)果分析(1)誤碼率在數(shù)字通信中，誤碼率是一項(xiàng)主要的性能指標(biāo)。在實(shí)際測量數(shù)字通信系統(tǒng)的

12、誤碼率時(shí)，一般測量結(jié)果與信源送出信號的統(tǒng)計(jì)特性有關(guān)。通常認(rèn)為二進(jìn)制信號中0和1是以等概率隨機(jī)出現(xiàn)的，所以測量誤碼率時(shí)最理想的信源應(yīng)是隨機(jī)信號發(fā)生器。擴(kuò)頻序列通過終端機(jī)和信道后，輸出仍為擴(kuò)頻序列。在接收端，本地產(chǎn)生一個(gè)同步的擴(kuò)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(jìn)行比較，一旦有錯(cuò)，誤碼計(jì)數(shù)器加一。誤碼率的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(4-1)所示。 式(4-1)其中S是信碼個(gè)數(shù)，e是誤碼個(gè)數(shù)，E就是誤碼率。(2)信噪比測量通信系統(tǒng)的性能時(shí)，常常要使用噪聲發(fā)生器，由它給出具有所要求的統(tǒng)計(jì)特性和頻率特性的噪聲，并且可以隨意控制其強(qiáng)度，以便得到不同信噪比條件下的系統(tǒng)性能。在實(shí)際測量中，往往需要用

13、到帶限高斯白噪聲。本實(shí)驗(yàn)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(dú)立于信源信號。信噪比計(jì)算是數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(4-2)所示。 式(4-2)其中為信碼發(fā)射功率，為噪聲功率，為信源碼，為信宿碼，計(jì)算結(jié)果單位為dB。圖4-1就是經(jīng)過matlab仿真之后的圖形，分別為10，30，50倍的擴(kuò)頻增益下的誤碼率和信噪比的變化曲線。圖4-1 擴(kuò)頻增益與誤碼率關(guān)系曲線由圖4-1可以看出，在相同擴(kuò)頻增益的條件下，系統(tǒng)的誤碼率隨著系統(tǒng)信噪比的增加呈現(xiàn)出對數(shù)形狀的減??；在相同信噪比的情況下，系統(tǒng)的誤碼率隨著系統(tǒng)擴(kuò)頻增益的增大呈現(xiàn)出直線型的下降，即系統(tǒng)的誤碼率與系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益和信噪比呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)的

14、擴(kuò)頻增益足夠大時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率可以達(dá)到0。五、實(shí)驗(yàn)心得此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)我投入了很大的熱情和精力，也是這次課程設(shè)計(jì)所帶來的一個(gè)不錯(cuò)的經(jīng)歷。無論是查找資料還是matlab編寫，調(diào)試程序都經(jīng)過了不懈的努力，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了自己在學(xué)習(xí)中存在的很多問題，例如高斯白噪聲的形成之類的，還有就是對matlab很多它自己自帶的函數(shù)庫的使用的熟悉程度。軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)流程圖很重要。畫好框圖后就開始一步一步編程了，編一個(gè)模塊，調(diào)試一個(gè)模塊。這樣可以排除很多錯(cuò)誤。通過此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，我鞏固了“信號與系統(tǒng)”、“通信原理”和“通信”等課程所學(xué)內(nèi)容，初步了解和掌握現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)的基本組成、基本原理、組網(wǎng)技術(shù)及典型通信系統(tǒng)(GSM數(shù)字

15、、CDMA碼分多址移動電話系統(tǒng))的設(shè)計(jì)、調(diào)試，理解其工作原理。為今后從事通信系統(tǒng)工程，移動通信，全球個(gè)人通信和多媒體通信打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。源程序：clc; clear; r=round(rand(1,5000); %產(chǎn)生5000個(gè)隨機(jī)碼元 r=2*r-1; %碼序列變?yōu)殡p極性 SNR=-10:1:10; % 信噪比 L=length(r); for m=10:20:50 %擴(kuò)頻增益的類型 a=repmat(r,1,m); b=(reshape(a,L,m)' x=reshape(b,1,L*m); len=length(x); x_code=sign(mgen(19,11,len)-

16、0.5); msout=x.* x_code; % 已擴(kuò)頻信號 %信道噪聲 for SNR1=1:21 Eb = 1; N0= Eb/(10(SNR1-11)/10); sig=msout+sqrt(N0)*randn(size(msout); for i=1:L A=randint(1,1,1,3); for g=1:m t=(i-1)*m+g; sig(t)=sig(t)+A*sin(t); end end msint=sig.* x_code; %開始解擴(kuò) Err=0; for j=1:L y=0; for pp=1:m y=y+msint(m*j+pp-m); end z=y/m; %

17、解擴(kuò)得到用戶信碼 if z>0 z=1; else z=-1; end if z=r(j) %用戶錯(cuò)誤計(jì)數(shù) Err=Err+1; end end BER(m,SNR1)=Err/L ; % 誤碼率實(shí)際值 end endfiguresemilogy(-10:10,BER(10,:),'b-*');text(0,5.e-004,' leftarrow Gain=10','FontSize',10)hold onsemilogy(-10:10,BER(30,:),'y-*');text(-6,3.e-003,' leftarrow Gain=30','FontSize',10)hold onsemilogy(-10:10,BER(50,:),'r-*');text(-9,5.e-003,' leftarrow Gain=50','FontSize',10)title('