基于SYSTEMVIEW的直序擴頻通信系統(tǒng)仿真

1、 III題目 基于System View的直序擴頻通信系統(tǒng)仿真 摘要 擴頻通信系統(tǒng)與常規(guī)的通信系統(tǒng)相比，具有很強的抗干擾能力，如抗人為干擾、抗窄帶干擾、抗多徑干擾等，并具有信息隱蔽、多址保密通信等特點，已從軍事應用向民用通信應用迅速發(fā)展。利用System View軟件作為平臺，對擴頻通信中最典型的擴頻工作方式直接序列擴頻系統(tǒng)(DSSS)進行了仿真分析；通過時域波形對比發(fā)送端和接收終端兩個波形圖，可明顯觀察到，解擴后的信號與輸入的原始信號波形基本一致，并注意到接收端有一些毛刺， 這是由于時間脈沖信號的脈寬有誤差而造成的。通過對頻譜波形的分析可知，擴頻系統(tǒng)抗噪聲能力很強，當不斷加大噪聲的幅度，達到

2、系統(tǒng)的干擾門限時， 則不能準確地恢復原始信息。結果證明隨著擴頻增益的增大，系統(tǒng)的誤碼率越小，同時擴頻系統(tǒng)性能的好壞很大程度上還取決于擴頻碼的特性。關鍵詞 擴頻通信 仿真 System View Title Based on The System View Direct Sequence Spread Spectrum Communication System Simulation Abstrac The spread spectrum communication system and the conventional communication system, have very strong

3、 compared the anti-interference ability, such as HIV human interference, fight narrowband interference, fight multipath interference, etc, and has the information hiding, multiple address secret communication and other characteristics, already from military application to civil communication applica

4、tion developing rapidly. Use System View software platform to spread spectrum communication, as the most typical spread spectrum work-way direct sequence spread spectrum system (DSSS) are analyzed; Through the time domain waveform contrast the sending end and receiving terminal two waveform figure,

5、can obviously observed after the expansion, solution and the input signal of the original signal waveform, and pay attention to the same at the receiving end has some burr, this is due to the time pulse signal pulse width is caused by the error. Through the analysis of the waveform of frequency spec

6、trum, it is known that spread spectrum system anti-noise ability is very strong, when rising of the amplitude, achieve system noise interference threshold, it cant accurately restored the original message. Results show that with the increase of spread spectrum gain, the system ber is smaller, and sp

7、read spectrum system the performance to a large extent depends on the characteristics of the code is spread spectrum. Keyword spread spectrum communication simulation System View 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc20784 1.前言 1.前言1.1選題背景、意義擴頻通信(spread spectrum communication)是近幾年內迅速發(fā)展起來的一種通信技術。在早期研究這種

8、技術的主要目的是為提高軍事通信的保密和抗干擾的性能，因此這種技術的開發(fā)和應用一直是處于保密狀態(tài)。美國在20世紀50 年代中期，就開始了對擴頻通信的研究，當時主要側重在空間探測、衛(wèi)星偵察和軍用通信等方面。以后，隨著民用通信的頻帶擁擠日益嚴重，又由于近代微電子技術、信號處理技術、大規(guī)模集成電路和計算機技術的快速發(fā)展，與擴頻通信有關的器件的成本大大地降低，從而進一步推動了擴頻通信在民用領域的發(fā)展金額應用，而且也使擴頻通信的理論和技術也得到了進一步的發(fā)展。1990年1月，國際無線電咨詢委員會(CCIR,現為ITUR)在研究未來民用陸地移動通信系統(tǒng)的計劃報告中已明確地建議采用擴頻通信技術。從擴頻技術的歷

9、史可以看出，每一次技術上的大發(fā)展都是由巨大的需求驅動的。軍事通信抗干擾的驅動以及個人通信業(yè)務的驅動使得擴頻技術的抗干擾性能和碼分多址能力得到最大限度的挖掘。展望未來，第四代移動通信系統(tǒng)(4G)的驅動無疑會使擴頻技術傳輸高速數據的能力得到更大的拓展。 擴頻通信，即擴展頻譜通信(Spread Spectrum Communication)，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據被偽隨機編碼(擴頻序列：Spread Sequence)調制，實現頻譜擴展后再傳輸；接收端則采用相同的編碼進行解調及相關處理，恢復原始信息數據。這種通信方式與常規(guī)

10、的窄道通信方式是有區(qū)別的： 一是信息的頻譜擴展后形成寬帶傳輸； 二是相關處理后恢復成窄帶信息數據。1.2國內外現狀 擴頻通信技術誕生得較早，從20世紀40年代起，人們就開始了對擴頻技術 的研究，其抗干擾性、抗竊聽、自50年代中期美國軍方開始研究，擴頻通信技術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、測量等各個領域。進入20世紀60年代后，隨著科學技術的迅猛發(fā)展，許多新型器件的出現，特別是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路、微處理器、數字信號處理(DSP)器件、擴頻專用集成電路(ASIC)以及FPGA等這樣的新型器件的問世，使擴頻通信技術有了重大的突破和發(fā)展。到本世紀80年代初擴頻通信技

11、術開始被應用于民用通信領域。為了滿足目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，擴頻技術已廣泛應用于蜂窩電話、無繩電話、微波通信、無線數據通信、遙測、監(jiān)控、報警等系統(tǒng)中。 從國內來看，近十多年來，出于民用通信特別是陸地移動通信的迅速發(fā)展，擴頻通信的研究也在不斷深入。各大高校及一些科研機構都在進行這方面的工作，如清華大學、天津大學、北京郵電大學、西安電子科技大學、南京郵電大學等都在積極地開展擴頻通信系統(tǒng)的研究。 從國外來看，軍事通信技術的進步和發(fā)展，軍工產品向民用產品的轉化，直接推動了擴頻通信理論、方法、技術等方

12、面的研究發(fā)展和應用普及?？箿y向等方面的能力早己被人們熟知。但由于擴頻系統(tǒng)的設備復雜等多方面的原因，致使擴頻通信技術一直都發(fā)展得較為緩慢。 2.直序擴頻通信系統(tǒng)2.1 定義直接序列擴頻系統(tǒng)是將要發(fā)送的信息用偽隨機碼（PN碼）擴展到一個很寬的頻帶上去，在接收端，用與發(fā)端擴展用的相同的偽隨機碼對接收到的擴頻信號進行相關處理，恢復出發(fā)送的信息。DSSS局域網可在很寬的頻率范圍內進行通信，支持12Mb/s數據速率，在發(fā)送和接收端都以窄帶方式進行，而傳輸過程中則以寬帶方式通信。擴頻技術在具體實施時由多種方案，但思路相同：把索引(也稱為碼或序列)加入到通信信道，插入碼的方式正好定義了所討論的擴頻技術。術語“

13、擴頻”指將信號帶寬擴展幾個數量級，在信道中加入索引即可實現擴頻。擴頻技術更加精確的定義是：擴頻是通過注入一個更高頻率的信號將基帶信號擴展到一個更寬的頻帶內的射頻通信系統(tǒng)，即發(fā)射信號的能量被擴展到一個更寬的頻帶內使其看起來如同噪聲一樣。擴展帶寬與初始信號之比稱為處理增益(dB)，典型的擴頻處理增益可以從10dB到60dB。采用擴頻技術，在天線之前發(fā)射鏈路的某處簡單的引入相應的擴頻碼，這個過程稱為擴頻處理，結果將信息擴散到一個更寬的頻帶內。在接收鏈路中數據恢復之前移去擴頻碼，稱為解擴。解擴是在信號的原始帶寬上重新構建信息。顯然，在信息傳輸通路的兩端需要預先知道擴頻碼。2.2 基本原理擴展頻譜通信(

14、Spread Spectrum Communication)簡稱擴頻通信。擴頻通信的基本特征是使用比發(fā)送的信息數據速率高許多倍的偽隨機碼把載有信息數據的基帶信號的頻譜進行擴展，形成寬帶的低功率譜密度的信號來發(fā)射。香農(Shannon)在信息論的研究中得出了信道容量的公式：C=Blog2(1+S/N) 式（2-1）這個公式指示出：如果信息傳輸速率C不變，則帶寬B和信噪比S/N是可以互換的，就是說增加帶寬就可以在較低的信噪比的情況下以相同的信息率來可靠的傳輸信息，甚至在信號被噪聲淹沒的情況下，只要相應的增加信號帶寬，仍然保持可靠的通信，也就是可以用擴頻方法以寬帶傳輸信息來換取信噪比上的好處。2.3

15、 擴頻通信系統(tǒng)的主要特點擴頻通信技術在發(fā)端以擴頻編碼進行擴頻調制，在收端以相關解調技術收信，這一過程使其具有諸多優(yōu)良特性：(1)抗干擾性強 抗干擾是擴頻通信主要特性之一，比如信號擴頻寬度為100倍，窄帶干擾基本上不起作用，而寬帶干擾的強度降低了100倍，如要保持原干擾強度，則需加大100倍總功率，這實質上是難以實現的。因信號接收需要擴頻編碼進行相關解擴處理才能得到，所以即使以同類型信號進行干擾，在不知道信號的擴頻碼的情況下，由于不同擴頻編碼之間的不同的相關性，干擾也不起作用。正因為擴頻技術抗干擾性強，美國軍方在海灣戰(zhàn)爭等處廣泛采用擴頻技術的無線網橋來連接分布在不同區(qū)域的計算機網絡。表示擴頻通信

16、特性的一個重要參數是擴頻增益G(Spreading Gain),其定義為擴頻前的信號帶寬B1與擴頻后的信號帶寬B2之比。G=B2/B1擴頻通信中，接收端對接收到的信號做擴頻解調，只提取擴頻編碼相關處理后帶寬為B1的信號成份，而排除了擴展到寬帶B2中的干擾、噪聲和其他用戶通信的影響，相當于把接收信噪比提高了G倍?？紤]到輸出端的信噪比和接收系統(tǒng)損耗，可以認為實際的擴頻增益帶來的信噪比的改善為：M=G-輸出端信噪比一系統(tǒng)損耗公式中的M叫做抗干擾容限。(2)隱蔽性強、干擾小 因信號在很寬的頻帶上被擴展，則單位帶寬上的功率很小，即信號功率譜密度很低。信號淹沒在白噪聲之中，別人難于發(fā)現信號的存在，再加之不

17、知擴頻編碼，就更難拾取有用信號。而極低的功率譜密度，也很少對其他電訊設備構成干擾。(3)易于實現碼分多址 擴頻通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能力，由于擴頻通信要用擴頻編碼進行擴頻調制發(fā)送，而信號接收需要用相同的擴頻編碼之間的相關解擴才能得到，這就給頻率復用和多址通信提供了基礎。充分利用不同碼型的擴頻編碼之間的相關特性，分配給不同用戶不同的擴頻編碼，就可以區(qū)別不同的用戶的信號，眾多用戶，只要配對使用自己的擴頻編碼，就可以互不干擾地同時使用同一頻率通信，從而實現了頻率復用，使擁擠的頻譜得到充分利用。發(fā)送者可用不同的擴頻編碼，分別向不同接收者發(fā)送數據；同樣，接收者用不同的擴頻編碼，就可以收到

18、不同的發(fā)送者送來的數據，實現了多址通信。(4)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。2.4擴頻通信的方式擴頻系統(tǒng)包括下面幾種擴頻方式:1)直接序列擴頻，記為DS (Direct Sequence)；2)跳頻，記為FH (Frequency Hopping)；3)跳時，記為TH (Time Hopping)；4)線性調頻，記為Chirp。除了上面四種基本方式外，還有這些擴頻方式的組合方式，如FH/DS，TH/D

19、S，FH/TH等6。本論文主要是針對直接序列擴頻系統(tǒng)干擾性能的研究，下面對其進行簡單介紹。2.5偽隨機序列-m序列在擴頻系統(tǒng)中，信號的頻譜擴展是通過擴頻碼實現的，擴頻碼對整個系統(tǒng)的性能起著決定性的作用。系統(tǒng)的抗干擾、抗噪聲、抗衰落、抗截獲、信息的隱蔽和保密、多址通信以及實現同步與捕獲等都是與擴頻碼的設計密切相關的8。能滿足上述要求的擴頻編碼應具有如下理想特性:1）偽隨機碼應必需具有尖銳的自相關函數，而互相關函數應接近于零；2）具有足夠長的碼周期，以確?？箓善?、抗干擾的要求；3）有足夠多的獨立地址數，以實現碼分多址的要求；4）工程上易于產生、加工、復制和控制。理論上白噪聲具有瞬時值服從正態(tài)分布，

20、功率譜在很寬頻帶內都是均勻的。它具有優(yōu)良的相關特性，但是至今無法實現對白噪聲放大、調制、檢測、同步及控制等。因此，我們必需選用類似于帶限白噪聲統(tǒng)計特性的偽隨機碼信號來逼近它，并用做擴頻系統(tǒng)的擴頻碼。m序列是最長線性移位寄存器序列，是偽隨機序列中最重要的一種。這種序列易于產生，有優(yōu)良的自相關特性9-12。它的產生是由移位寄存器加反饋形成的，其結構如圖2-1所示。圖2-1反饋移位寄存器結構Am序列的性質主要有以下幾點:1）序列的平衡性：m序列一個周期中“1”的個數比“0” 多1，且1的個數為2n-1，0的個數為2n-1-1。2）移位可加性：某個m序列同相移為任意值的同一m序列的模2和是另一相移的m

21、序列。 3）在周期為p=2-1的m序列中，總共有2個游程，有一個長度為n的1游程，一個長度為n-1的0游程。Bm序列信號的產生1）序列多項式與特征多項式設線性移位寄存器產生的序列為 a=a,a,a,定義以二元有限域的元素a(n=0,1,2,)為系數多項式叫序列多項式。 G(x)= a+ax+a2x2+ = (模2加) 式（2-1）式中a取0，1兩個值，符號x的冪次表示序列元素的位置。若r級線性移位寄存器的初始狀態(tài)為 a,a,a且滿足線性反饋邏輯 a=ca+ca+ca (模2加) 式（2-2）可得序列多項式G(x)與反饋邏輯函數關系： G(x)= 式（2-3）如果把模2加法器反饋到第一級的連線c

22、=1考慮進去，式2-12的分母就是反饋邏輯。令 F(x)=1+= 式（2-4） 為特征多項式。因c=1,所以上式變?yōu)?G(x)=1/F(x) 式（2-5）上式說明序列多項式是特征多項式的倒數。知道了特征多項式，通過長除就可以求出G(x).2）本原多項式設F(x)=,c=1,c=1 是F域上的特征多項式，以G(F)代表由特征多項式所產生的所有非零序列的集合。于是G(F)中之非零序列均為m序列的充要條件是F(x)為F上的本原多項式。所謂本原多項式是指F(x)是不可約的，F(x)可整除1+x，p=2-1，F(x)除不盡1+x，qT的積分器和在T時刻的門限判決，載波信號和本地載波信號幅值在這里都用來表

23、示，P是信號功率，T時刻為判決時刻。擴頻通信系統(tǒng)的發(fā)射信號：S(t)= d(t)pn(t)cos0t 式（2-13）忽略傳輸時延和衰減，其接收信號為： u(t)=S(t)+n(t) 式（2-14）這里，n(t)是0均值的高斯白噪聲，在擴頻通信的整個頻帶上有N/2的雙邊功率譜密度。在系統(tǒng)收發(fā)兩端已完全同步的情況下，并且積分器在積分期間，d(t)是不變的，要么是+1，要么是-1，仍用d表示，那么經解調后的接收信號送往積分器輸出為：v(t)=PT*d+ 式（2-15）式中第一項是有用信號，PT為在信息數據脈寬T內的信號能量，d是信息數據的正、負狀態(tài)，即發(fā)送來的信息數據。式中第二項為噪聲，在T時刻積分

24、器的噪聲輸出為： n(T)= 式（2-16）它的準確積分結果很難給出，但n(t)是與pn(t)獨立的0均值高斯白噪聲，因此n(T)的統(tǒng)計特性為：均值： En(T)=0 式（2-17）方差： = 式 （2-18）式中R(0)是噪聲自相關，對N/2的雙邊功率譜密度的白噪聲，則R(0)= N/2。R(0)是擴頻碼的自相關, R(0)=1,R(0)是信號功率為P的載波自相關,有R(0)=P。作為通信技術標準參量的信噪比,是有用信號功率與噪聲功率之比。對隨機變量檢測的場合，信噪比也是該隨機變量的均值的平方與它的方差之比。因此，擴頻通信系統(tǒng)的接收機對發(fā)送來的擴頻信號作相關解調處理時，當與發(fā)送來的信號的擴頻

25、碼完全同步的情況下，積分器輸出的有用信號功率為(PT*d)=(PT),這也就是把v(t)作為隨機變量時，它的均值的平方。積分器輸出的噪聲信號功率為，即v(t)的方差。因此，擴頻通信的輸出信噪比為： 式（2-19）式中，P為接收的有用信號功率，T為信息數據脈碼寬度，PT=E為bit信息數據的信號能量。由于信道和接收機中的高斯白噪聲和通常來自信到外部的窄帶隨機過程是完全獨立的，在這兩種噪聲干擾存在的情況下，擴頻通信的輸出信噪比為： 式（2-20）那么此時，誤碼率為:P=erfc 式（2-21） P 10 10 10 10 -10 0 10 20圖2-3 擴頻通信系統(tǒng)誤碼率特性曲線3.System

26、View簡介通信技術的發(fā)展日新月異，通信系統(tǒng)也日趨復雜，因此，在通信系統(tǒng)的設計開發(fā)過程中，在進行實際硬件系統(tǒng)試驗之前，軟件仿真己成為必不可少的一部分。目前，電子設計自動化 EDA(Electronic Design Automatic)技術已經成為電子設計的潮流。為了使繁雜的電子設計過程更加便捷，出現了許多針對不同層次應用的EDA 軟件。美國 Elanix公司推出的基于 PC 機 Windwos 平臺的 System View 動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，是其中一個非常優(yōu)秀的 EDA 軟件。3.1 System View 軟件介紹System View 是一個信號級的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)

27、的設計、仿真，是一個強有力的動態(tài)系統(tǒng)分析工具，能滿足從數字信號處理、濾波器設計、直到復雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設計、仿真要求。System View 以模塊化和交互式的界面，在大家熟悉的 Windows 窗口環(huán)境下，為用戶提供了一個嵌入式的分析引擎。使用System View 你只需要關心項目的設計思想和過程，而不必花費大量的時間去編程建立系統(tǒng)仿真模型。用戶只需使用鼠標器點擊圖標即可完成復雜系統(tǒng)的建模、設計和測試，而不會花費過多的時間和精力通過編程來建立系統(tǒng)的仿真模型,也不必擔心程序中是否存在編程錯誤.System View 是一個完整的動態(tài)系統(tǒng)設計、分析和仿真的可視化開發(fā)環(huán)境它可以構造各種復

28、雜的模擬、數字、數?；旌霞岸嗨俾氏到y(tǒng)，可用于各種線性、非線性控制系統(tǒng)的設計和仿真。尤具特色的是，它可以很方便地進行各種濾波器的設計。系統(tǒng)備有通信、邏輯、數字信號處理(DSP)、射頻/模擬、碼分多址個人通信系統(tǒng)(CDMA/PCS)、數字視頻廣播(DVB)系統(tǒng)、自適應濾波器、第三代無線移動通信系統(tǒng)等專業(yè)庫可供選擇，適合于各種專業(yè)設計人員。該系統(tǒng)支持外部數據的輸入和輸出，支持用戶自己編寫代碼(C/C+)，兼容 Matlab軟件。同時，提供了與硬件設計工具的接口，支持 Xilinx 公司的 FPGA 芯片和 TI 公司的 DSP 芯片，它已大量地應用于現代數字信號處理、通信系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設計與仿真等領

29、域。3.2 System View 主要特點System View 仿真軟件相對于其它軟件來說,具有如下主要優(yōu)點:(1)能仿真大量的應用系統(tǒng)。能在 DSP、通訊和控制系統(tǒng)應用中構造復雜的模擬、數字、混合和多速率系統(tǒng)。具有大量可選擇的庫，允許用戶有選擇地增加通訊、邏輯、DSP和射頻/模擬功能模塊。特別適合無線電話(GSM、CDMA、FDMA、TDMA、DSSS)、無繩電話、尋呼機和調制解調器以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)(GPS、DVBS、LEOS)等的設計;能夠仿真 DSP 結構;各種系統(tǒng)時域/頻域分析和譜分析;對射頻/模擬電路(混合器，放大器，RLC 電路和運放電路)進行理論分析和失真分析。(2)快速方便

30、的動態(tài)系統(tǒng)設計與仿真。使用熟悉的 Windows 界面和功能鍵，System View 可以快速建立和修改系統(tǒng)，并在對話框內快速訪問和調整參數，實時修改實時顯示。不用寫一行代碼即可建立用戶習慣的子系統(tǒng)庫(MetaSystem)。System View 圖標庫包括幾百種信號源、接收端、操作符和功能塊。信號源和接收端圖標允許在 System View 內部生成和分析信號，并提供可外部處理的各種文件格式和輸入/輸出數據接口。(3)在報告中方便地加入 System View 的結論。System View 通過 Notes(注解)很容易在屏幕上描述系統(tǒng);生成的System View系統(tǒng)和輸出的波形圖可

31、以很方便地使用復制和粘貼命令插入 word 等文字處理器。(4)提供基于組織結構圖方式的設計。通過利用 System View 中的圖符和MetaSystem(子系統(tǒng))對象的無限制分層結構功能，System View 能很容易地建立復雜的系統(tǒng)。首先可以定義一些簡單的功能組，再通過對這些簡單功能組的連接進而實現一個大系統(tǒng)。這樣，單一的圖符就可以代表一個復雜系統(tǒng)。MetaSystem 的連接使用也與系統(tǒng)提供的其他圖符同樣簡單，它可以在另一窗口中單獨顯示，也可以展開到主窗口中。(5)多速率系統(tǒng)和并行系統(tǒng)。System View 允許合并多種數據采樣率輸入的系統(tǒng)，以簡化 FIR 濾波器的執(zhí)行。這種特性

32、尤其適合于同時具有低頻和高頻部分的通信系統(tǒng)的設計與仿真，有利于提高整個系統(tǒng)的仿真速度，而在局部又不會降低仿真的精度。同時還可降低對計算機硬件配置的要求。（6)完備的濾波器和線性系統(tǒng)設計。System View 包含一個功能強大的、很容易使用的圖形模板設計模擬和數字以及離散和連續(xù)時間系統(tǒng)的環(huán)境，包含大量的FIR濾波類型和 FFT 類型，并提供易于用 DSP 實現濾波器或線性系統(tǒng)的參數。(7)先進的信號分析和數據塊處理。System View 提供的分析窗口是一個能夠提供系統(tǒng)波形詳細檢查的交互式可視環(huán)境。分析窗口還提供一個能對仿真生成數據進行先進的塊處理操作的接收計算器。System View 還

33、提供了一個真實而靈活的窗口用以檢查系統(tǒng)波形。(8)可擴展性。System View 允許用戶插入自己用 C/C+寫的用戶代碼庫，插入的用戶庫自動集成到 System View 中，如同系統(tǒng)內建的庫一樣使用。同時，它兼容 Matlab 可以與 Matlab 進行數據交換。(9)完善的自我診斷功能。System View 能自動執(zhí)行系統(tǒng)連接檢查，通知用戶連接出錯并通過顯示指出出錯的圖符。這個特點對用戶系統(tǒng)的診斷是十分有效。4.直擴系統(tǒng)System View仿真4.1 直擴系統(tǒng)的原理框圖直接序列調制就是載波直接被偽隨機碼序列調制。在發(fā)射機端, 要傳送的信息先轉換成二進制數據或符號, 與偽隨機碼( P

34、N 碼)進行模2 和運算后形成復合碼，再用該復合碼去直接調制載波。在接收機端, 用與發(fā)射機端完全同步的PN 碼對接收信號進行解擴后經解調器還原輸出原始數據信息。調制方式可以是調幅、調頻、調相和其他任何形式的振幅或角度調制。因PSK性能最佳, 現代DS -SS中載波調制一般都采用BPSK 或DPSK。其基本原理如圖2-1所示。（b）接收機模2和加法器PN碼發(fā)生器功率放大器載波發(fā)生器調制器調制器調制器（a）發(fā)射機混頻器調頻器調解調器數據輸出本振中放時鐘PN碼發(fā)生器同步圖4-1 直序擴頻系統(tǒng)原理圖直序擴頻通信系統(tǒng)仿真（無噪聲情況）4.2.1 系統(tǒng)模塊及主要模塊參數System view是一個信號級的

35、系統(tǒng)仿真軟件,主要用于電路與通信系統(tǒng)的設計和仿真,是一個強有力的動態(tài)系統(tǒng)分析工具,能滿足從數字信號處理,濾波器設計,到復雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設計仿真要求。利用System view建立的直擴系統(tǒng)的仿真原理圖,如4-2-1圖所示。圖4-2 直擴系統(tǒng)仿真原理圖為了對擴頻通信有一個初步認識,直接序列擴頻系統(tǒng)為例來進行仿真,并進一步說明擴頻通信的優(yōu)點。直接序列擴頻是目前應用最廣的一種擴頻技術,圖4-2-2是直序擴頻系統(tǒng)的仿真模型圖。作為一個仿真來說明直序擴頻在抗干擾方面的優(yōu)越性,所以直接采用了簡單而直接的方式來構造模型。數據信號源使用了一個低頻率(1KHz)的隨機序列(圖符0),通過一個1kHz的

36、低通濾波器(圖符3)來代替。擴頻用的PN碼采用10kHz的PN碼(圖符2),這樣,理論上可獲得10倍的擴頻增益。擴頻調制在本例中未使用通常的模2和加法運算,而是通過乘法直接用PN碼調制數據信號,合成后的擴頻復合信號同樣也是直接用更高的載波(圖符12,100kHz)調制發(fā)射。為了觀察擴頻系統(tǒng)的抗干擾性能,使用了一個干擾信號源。該干擾信號可以是單頻率窄帶干擾,也可以是寬帶的掃頻信號,或是高斯噪聲。接收端,通過本地載波解調后的復合信號直接原擴頻PN碼相乘后解擴,中間省略了有關本地PN發(fā)生器和相關的碼同步電路。因為直接使用原PN碼,所以理論上可認為收發(fā)2端完全同步。需要說明的是,實際工程中的碼同步是一

37、個十分復雜的問題,其復雜程度以及在此問題上付出的代價往往比擴頻本身要多得多。圖4-3 直序擴頻系統(tǒng)的仿真模型圖部分主要參數設置：采樣點：16384個 ， 采樣頻率：1000MHzToken 0：基帶信號PN 碼序列（頻率=1KHz，電平=2Level，振幅=1V，偏移=0V）Token 1：乘法器Token 2：基帶信號PN碼序列（頻率=10KHz，電平=2Level，振幅=1V，偏移=0V）Token 3：模擬低通濾波器（頻率=1000Hz，極點個數=3）Token 4：觀察窗Token 5：觀察窗Token 7：乘法器Token 8：掃頻信號（幅度=1.5V，開始頻率=90KHz,終值頻率

38、120KHz，掃頻周期0.015s）Token 9：觀察窗Token 10：模擬低通濾波器（頻率=1000Hz，極點個數=3）Token 11：乘法器Token 12：正弦波（幅度=1V，頻率=100KHz，相位=0）Token 13：正弦波（幅度=1V，頻率=100KHz，相位=0）Token 14：乘法器4.2.1 主要輸出點波形根據以上仿真模型, 在設置好系統(tǒng)、模塊參數后運行電路, 借助SystemView 分析視窗和接收計算器可直接給出各點信號的時域波形、功率譜等, 并分析系統(tǒng)的抗噪聲能力。調制以前的信號與調制以后波形信號比較：圖4-4 調制前后信號如上圖所示，上面的波形為調制前即擴頻

39、后的信號，下面的波形為解調后即解擴前的信號。2調制后的信號功率譜密度。圖4-5 調制后信號功率譜密度發(fā)送波形、低通濾波輸出波形、接收波形比較圖4-6 發(fā)送波形、接收波形、低通濾波器輸出波形如上圖所示，第一個波形為發(fā)送信號（sink5），第二個波形為恢復出的信號（sink9），第三個波形為接收端低通濾波器輸出信號（sink19）。恢復出的信號和發(fā)送信號有一段時延。4.3 直接擴頻通信系統(tǒng)抗干擾性分析4.3.1 加入高斯白噪聲后系統(tǒng)模型圖4-7 直接擴頻通信系統(tǒng)（加入白噪聲后）如上圖所示，(Token 21)為高斯白噪聲，(Token 24和26)是計算誤碼率的模塊。當發(fā)送信息碼元和接收到的信息碼

40、元對齊時，(Token 24)模塊統(tǒng)計在設定的時間內的錯誤的比特數和總比特數的比率，(Token 24和26)模塊把所計算的誤碼率顯示出來。其他模塊與圖4-3對應模塊相同。4.3.2 系統(tǒng)誤碼率的理論值與測量值的比較直接擴頻系統(tǒng)在高斯白噪聲的情況下的誤碼率為P=Q=Q，其中為系統(tǒng)輸出信噪比，P為信號功率，T為信息碼元的周期。N0/2為高斯白噪聲雙邊帶功率譜密度。 對于本設計的系統(tǒng)來說，接收端收到的信號幅度為1，所以信號功率為P=1/2，信息碼的速率為2K，所以T=1/2K。通過修改(Token 21)模塊的參數來修改N0，計算誤碼率的理論值并運行系統(tǒng)得到測量值。下表即為在不同高斯白噪聲的情況下

41、的各參數：表4-1 參數表N0/2(S/N)out10log(S/N)outPe1logPe1Pe2logPe20.000012514.02.87e-7-6.53.69e-5-4.40.0000212.5111.84e-4-3.78.76e-4-3.10.000038.339.21.93e-3-2.75.84e-3-2.20.000046.258.06.21e-3-2.20.0112-1.950.000055.007.00.0125-1.90.0266-1.60.000064.176.20.0207-1.70.0333-1.50.000073.535.50.0294-1.50.0412-1.4

42、0.000083.134.90.0384-1.40.0499-1.30.000092.784.40.0480-1.30.0627-1.20.00012.504.00.0571-1.20.0758-1.10.00021.250.970.1314-0.880.1429-0.840.00030.833-0.800.1814-0.740.1923-0.710.00040.625-2.00.2148-0.670.2208-0.660.00050.500-3.00.2389-0.620.2459-0.610.00060.416-3.80.2588-0.590.2643-0.580.00070.357-4.

43、50.2743-0.560.2832-0.550.00080.313-5.10.2877-0.540.2966-0.530.00090.278-5.60.2981-0.530.3130-0.500.0010.250-6.00.3085-0.510.3200-0.49 如上表所示，第一列N0/2為高斯白噪聲的雙邊帶功率譜密度。(S/N)out為系統(tǒng)輸出信噪比，由前面的討論可知(S/N)out=2PT/N0，Pe1為對應高斯白噪聲的系統(tǒng)誤碼率的理論值，logPe1為其對數值。Pe2為運行系統(tǒng)后的測量值，logPe2為其對數值。根據表4-1可得誤碼率的理論值和測量值同系統(tǒng)輸出信噪比的關系如下：圖4-

44、8 系統(tǒng)誤碼率的理論值和測量值如圖4-8所示，橫坐標為系統(tǒng)輸出信噪比分貝數，其值從-6.0db到14.0db，縱坐標為誤碼率的對數值。下面的曲線為誤碼率理論值和輸出信噪比的關系，上面的曲線為誤碼率測量值和輸出信噪比的關系。由兩條曲線的分布可以得出，當誤碼率比較高的時候，兩曲線基本重合，說明測量值和理論值很接近；當誤碼率比較低的時候，兩曲線差別很大。因為理論值是碼元錯誤接收的概率值，而測量值只是一個統(tǒng)計值，而仿真系統(tǒng)只是在所設定的時間內計算誤碼率，這個設定時間包含的碼元周期是有限的，只有在取無限長的周期的情況下，計算出來的誤碼率才是理論值，由于計算機內存容量的限制，這樣做是不可能的。當誤碼率越低的時候，系統(tǒng)所要求的取樣周期就越長，計算出的誤碼率和理論值差別就越大，但從兩曲線的走向是大致相同的，總體來說測量值要比理論值要大一些，這是因為系統(tǒng)設計的不完整性造成的，所以仿真得出的數據和理論值有差別是難免的。5.總結直接序列擴頻通信系統(tǒng)是一個復雜的通信系統(tǒng)，憑個人能力無法完成如此繁重的工作，從本設計目的出發(fā)，只是從實驗的角度完成了一個功能實現演示系統(tǒng)。直接擴頻系統(tǒng)，在發(fā)送端的設計一般都采用先擴頻后調制，既先用擴頻碼和信息碼進行模2運算，產生擴頻信號，然后用此信號去調制載波，采用二相移頻鍵控（BPSK）方式