擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的建模仿真與頻譜分析

銅陵學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）ⅡPAGEIIⅠ目錄第一章緒論11.1擴(kuò)頻通信系統(tǒng)簡介11.2擴(kuò)頻通信發(fā)展綜述11.2.1擴(kuò)頻技術(shù)的歷史11.2.2擴(kuò)頻技術(shù)的現(xiàn)狀21.2.3擴(kuò)頻技術(shù)的未來展望21.3課題研究意義和研究內(nèi)容2第二章擴(kuò)頻通信系統(tǒng)32.1擴(kuò)頻通信技術(shù)基本原理32.2目前常用的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)32.2.1直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)原理32.2.22.2.第三章擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)83.1MATLAB軟件的相關(guān)知識83.1.1MATLAB簡介83.1.2Simulink簡介93.2擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型93.2.1基于Simulink的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真93.2.2基于Simulink的跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真103.3擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真結(jié)果及分析113.3.1直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)113.3.2跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)15第四章擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的特點(diǎn)和用途184.1直擴(kuò)系統(tǒng)的特點(diǎn)和用途184.2跳頻系統(tǒng)的特點(diǎn)和用途194.3混合擴(kuò)頻系統(tǒng)的特點(diǎn)和用途19結(jié)論20主要參考文獻(xiàn)21致謝22PAGE28第一章緒論1.1擴(kuò)頻通信系統(tǒng)簡介擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具備3個主要特征：①載波是一種不可預(yù)測的，或稱之為偽隨機(jī)的寬帶信號；②載波的帶寬比調(diào)制數(shù)據(jù)的帶寬要寬得多；③接收過程是通過將本地產(chǎn)生的寬帶載波信號的復(fù)制信號與接收到的寬帶信號相關(guān)來實(shí)現(xiàn)的。頻譜擴(kuò)展的方式主要有以下幾種:直序擴(kuò)頻(DS-SS)使用高速偽隨機(jī)碼對要傳輸?shù)牡退贁?shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制；跳頻系統(tǒng)則利用偽隨機(jī)碼控制載波頻率在一個更寬的頻帶內(nèi)變化；跳時則是數(shù)據(jù)的傳輸時隙是偽隨機(jī)的；線性調(diào)頻系統(tǒng)中的頻率擴(kuò)展則是一個線性變化的過程。幾種方式組合的混合系統(tǒng)也經(jīng)常得到應(yīng)用衡量擴(kuò)頻系統(tǒng)最重要的一個指標(biāo)就是擴(kuò)頻增益，又稱為處理增益。正是因?yàn)閿U(kuò)頻系統(tǒng)本身具有的特征使其性能具有一系列的優(yōu)勢：①低截獲概率；②抗干擾能力強(qiáng)；③高精度測距；④多址接入；⑤保密性強(qiáng)。也正是這些特性使其獲得了廣泛的應(yīng)用。1.2擴(kuò)頻通信發(fā)展綜述1.2.1擴(kuò)頻技術(shù)的歷史擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是在50年代中期產(chǎn)生的，其最初的應(yīng)用包括軍事抗干擾通信、導(dǎo)航系統(tǒng)、抗多徑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及其它方面。真正實(shí)用的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是在50年代中期發(fā)展起來的。麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)F9C-A/Rake系統(tǒng)被公認(rèn)為第一個成功的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的研制過程中，首次提出了瑞克(RAKE)接收的概念并成功應(yīng)用，該系統(tǒng)也是第一個真正實(shí)用的寬帶通信系統(tǒng)。一直到80年代初期，擴(kuò)頻通信的概念都只是在軍事通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用，這種狀況到了80年代中期才得到改變。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）于1985年5月發(fā)布了一份關(guān)于將擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用到民用通信的報告。從此，擴(kuò)頻通信技術(shù)獲得了更加廣闊的應(yīng)用空間。擴(kuò)頻技術(shù)最初在無繩電話中獲得成功應(yīng)用，因?yàn)楫?dāng)時已經(jīng)沒有可用的頻段供無繩電話使用，而擴(kuò)頻通信技術(shù)允許與其它通信系統(tǒng)共用頻段，所以擴(kuò)頻技術(shù)在無繩電話的通信系統(tǒng)中獲得了其在民用通信系統(tǒng)中應(yīng)用的第一次成功經(jīng)歷。而真正使擴(kuò)頻通信技術(shù)成為當(dāng)今通信領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的原因是碼分多址（CDMA）的應(yīng)用。90年代初，在第一代模擬蜂窩通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了PCS研究的熱潮。隨著PCS以及蜂窩移動通信的發(fā)展，CDMA技術(shù)已經(jīng)成為不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。擴(kuò)頻通信技術(shù)也在民用通信中找到更為廣闊的應(yīng)用空間,而關(guān)于CDMA技術(shù)的研究熱潮也一直延續(xù)到現(xiàn)在。1.2.2擴(kuò)頻技術(shù)的現(xiàn)狀擴(kuò)頻技術(shù)由于其本身具備的優(yōu)良性能而得到廣泛應(yīng)用，到目前為止，其最主要的兩個應(yīng)用領(lǐng)域仍是軍事抗干擾通信和移動通信系統(tǒng),而跳頻系統(tǒng)與直擴(kuò)系統(tǒng)則分別是在這兩個領(lǐng)域應(yīng)用最多的擴(kuò)頻方式。一般而言，跳頻系統(tǒng)主要在軍事通信中對抗故意干擾，在衛(wèi)星通信中也用于保密通信，而直擴(kuò)系統(tǒng)則主要是一種民用技術(shù)。對跳頻系統(tǒng)的分析，現(xiàn)在仍集中在其對抗各種干擾的性能方面，如對抗部分邊帶干擾以及多頻干擾等。而直擴(kuò)系統(tǒng)，即DS-CDMA系統(tǒng)，在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用則成為擴(kuò)頻技術(shù)的主流。歐洲的GSM標(biāo)準(zhǔn)和北美的以CDMA技術(shù)為基礎(chǔ)的IS-95都在第二代移動通信系統(tǒng)（2G）的應(yīng)用中取得了巨大的成功。而在目前所有提議的第三代移動通信系統(tǒng)（3G）標(biāo)準(zhǔn)中都采用了某種形式的CDMA。因此CDMA技術(shù)成為目前擴(kuò)頻技術(shù)中研究最多的對象。1.2.3擴(kuò)頻技術(shù)的未來展望從擴(kuò)頻技術(shù)的歷史可以看出，每一次技術(shù)上的大發(fā)展都是由巨大的需求驅(qū)動的。軍事通信抗干擾的驅(qū)動以及個人通信業(yè)務(wù)的驅(qū)動使得擴(kuò)頻技術(shù)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(qū)動無疑會使擴(kuò)頻技術(shù)傳輸高速數(shù)據(jù)的能力得到更大的拓展。3G設(shè)計的目標(biāo)主要是支持多媒體業(yè)務(wù)的高速數(shù)據(jù)傳輸，因此其研究主要集中在新標(biāo)準(zhǔn)和新硬件的開發(fā)。而對于3G以后的發(fā)展，不同的研究者有不同的觀點(diǎn)。但是從用戶的觀點(diǎn)看，4G應(yīng)該具備以下的主要特征：①最大的靈活性,應(yīng)該能夠滿足在任何時間和地點(diǎn)，通過任何設(shè)備都可以實(shí)現(xiàn)通信；②降低成本，4G在實(shí)現(xiàn)比3G的傳輸速率高1~2個數(shù)量級的同時，還應(yīng)該使成本降為3G時的1/10或1/100；③個性化和綜合化的業(yè)務(wù)，不僅僅是保證每個人都能通過一個終端進(jìn)行通信，而要在人周圍的家庭、辦公室以及熱點(diǎn)地區(qū)建立一個通用的信息環(huán)境，使每個人都可以根據(jù)需要以各種方式獲得信息。1.3課題研究意義和研究內(nèi)容本課題的研究意義主要在于：在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)展的越來越快，也被人們越來越認(rèn)可的情況下，我們來研究基于MATLAB的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的建模仿真與頻譜分析是十分必要的。采用擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，有抑制抗干擾能力強(qiáng)，信號的功率譜密度低，信號便于隱蔽和隱藏，可實(shí)現(xiàn)隨意選址能力的碼分多址的通信，可進(jìn)行高分辨率的測距的優(yōu)勢。本文先介紹擴(kuò)頻系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，得到擴(kuò)頻技術(shù)在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中應(yīng)用是很廣泛的，在目前正高速發(fā)展的3G通信中得到應(yīng)有，并且會受到未來4G技術(shù)的青睞。用MATLAB/Simulink對直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)和跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)進(jìn)行仿真，通過建模仿真和頻譜分析達(dá)到進(jìn)一步了解擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的目的，具有一定的實(shí)用價值。本論文主要研究擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的分類及各類的建模仿真與頻譜分析，其研究內(nèi)容主要有：進(jìn)行擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的簡要介紹和兩種具體的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的工作原理的介紹。介紹MATLAB及Simulink模塊的特點(diǎn)，然后對直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)和跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和結(jié)果分析。簡要介紹幾種擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的特點(diǎn)和用途。第二章擴(kuò)頻通信系統(tǒng)2.1擴(kuò)頻通信技術(shù)基本原理擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)是仙農(nóng)定理:（公式1）式中：——信道容量，——傳輸帶寬，——信號功率/噪聲功率。在信息速率一定時，可以用不同的信號帶寬和響應(yīng)的信噪比來實(shí)現(xiàn)傳輸，即信號帶寬越寬則傳信噪比可以越低，甚至在信號被噪聲淹沒的情況下也可以實(shí)現(xiàn)可靠通信。因此，將信號的頻譜擴(kuò)展，則可以實(shí)現(xiàn)低信噪比傳輸，并且可以保證信號傳輸有較好的抗干擾性和較高的保密性。2.2目前常用的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)主要有直接序列擴(kuò)頻(DirectSequenceSpreadSpectrum)系統(tǒng)，跳頻擴(kuò)頻（FH-SS）系統(tǒng)，跳時擴(kuò)頻（TH-SS）系統(tǒng)，直擴(kuò)/調(diào)頻系統(tǒng)等方式.2.2.1直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)原理直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)碼（PN碼）擴(kuò)展到一個很寬的頻帶上去，在接收端，用與發(fā)端擴(kuò)展用的相同的偽隨機(jī)碼對接收到的擴(kuò)頻信號進(jìn)行相關(guān)處理，恢復(fù)出發(fā)送的信息。直擴(kuò)系統(tǒng)的原理框圖如圖2-1所示：信源擴(kuò)頻信源擴(kuò)頻調(diào)制PN碼振蕩)高放高放混頻解擴(kuò)解調(diào)本振PN碼同步(b)接收端圖2-1直擴(kuò)系統(tǒng)組成框圖圖2-1為直擴(kuò)系統(tǒng)的組成原理框圖。在發(fā)送端，由信源輸出的信號是碼元持續(xù)時間Ta的信息流，偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼為，每一偽隨機(jī)碼元寬度為Tc，將信碼與偽隨機(jī)碼進(jìn)行模二加，產(chǎn)生一速率與偽隨機(jī)速率相同的擴(kuò)頻序列，然后再用擴(kuò)頻序列去調(diào)制載波，這樣就得到已擴(kuò)頻調(diào)制的射頻信號。在接收端，接收到的擴(kuò)頻信號經(jīng)高放和混頻后，用與發(fā)端同步的偽隨機(jī)序列對中頻的擴(kuò)頻調(diào)制信號進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，將信號的頻帶恢復(fù)為信息序列的頻帶，即為中頻調(diào)制信號；然后再進(jìn)行解擴(kuò)，恢復(fù)出所傳輸?shù)男畔?從而完成信息的傳輸。直擴(kuò)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo):直擴(kuò)系統(tǒng)的兩個重要的抗干擾指標(biāo)是處理增益和干擾容限。（1）處理增益：在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，傳輸信號在擴(kuò)頻和解擴(kuò)的擴(kuò)頻過程中，擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能得到提高，這種擴(kuò)頻處理得到的好處，就稱之為擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益。其定義為接收機(jī)處理器輸出與輸入信噪比的比值，即輸出信噪比與輸入信噪比的比值,即（公式1）一般用分貝表示，為（公式2）對于直擴(kuò)系統(tǒng)，解擴(kuò)器的輸出信號功率不變，但對于干擾信號而言，由于解擴(kuò)過程相當(dāng)于干擾信號的擴(kuò)展過程，干擾功率被分散到很寬的頻帶上，進(jìn)入解調(diào)器輸入端的干擾功率相對解擴(kuò)器輸入端下降很大，即干擾功率在解擴(kuò)前后發(fā)生了變化。因此，對于直擴(kuò)系統(tǒng)而言，器處理增益就是干擾功率減小的倍數(shù)。（2）干擾容限：所謂干擾容限，是指在保證系統(tǒng)正常工作地條件下，接收機(jī)能夠承受的干擾信號比有用信號高出的分貝數(shù)，用表示，有（公式3）式中，為系統(tǒng)內(nèi)部損耗；為系統(tǒng)工作時要求的最小輸出信噪比，即相關(guān)器的輸出信噪比或解調(diào)器的輸入信噪比；為系統(tǒng)的處理增益。干擾容限直接反映了擴(kuò)頻系統(tǒng)接收機(jī)可能抵抗的極限干擾強(qiáng)度，即只有當(dāng)干擾機(jī)的干擾功率超過干擾容限后，才能對擴(kuò)頻系統(tǒng)形成干擾。因而，干擾容限往往比處理增益能更確切地反映系統(tǒng)的抗干擾能力。2.2.2跳頻也是一種擴(kuò)頻方式，跳頻系統(tǒng)的載頻受一偽隨機(jī)碼的控制，不斷地、隨機(jī)地跳變，可看成載頻按照一定規(guī)律變化的多頻頻移鍵控（MFSK）。與直擴(kuò)系統(tǒng)相比較，跳頻系統(tǒng)中的偽隨機(jī)序列并不直接傳輸，而是用來選擇信道。跳頻系統(tǒng)從20世紀(jì)60年代后期開始，發(fā)展便非常迅速。跳頻系統(tǒng)的原理框圖如圖2-2所示：信息調(diào)制器信息調(diào)制器頻率合成器射頻調(diào)制器擴(kuò)頻碼發(fā)生器射頻發(fā)生器信息(a)發(fā)送端變頻器變頻器中頻帶寬信息調(diào)制頻率合成擴(kuò)頻碼發(fā)生器信息（b）接收端圖2-2跳頻系統(tǒng)組成框圖圖2-2所示，在發(fā)送端，用信源產(chǎn)生的信息流a（t)去調(diào)制頻率合成器產(chǎn)生的載頻，得到射頻信號。頻率合成器產(chǎn)生的載頻偽隨機(jī)碼的控制，按一定規(guī)律跳變。跳頻系統(tǒng)的解跳多采用非相干解調(diào)，因而調(diào)制方式多用FSK、ASK等可進(jìn)行非相干解調(diào)的調(diào)制方式。在接收端，接收到得信號與干擾經(jīng)高放濾波后送至混頻器。接收機(jī)的本振信號也是一頻率跳變信號，發(fā)端的本振和收端的本振的跳變規(guī)律是相同的，兩個合成器產(chǎn)生的頻率相對應(yīng)，但對應(yīng)的頻率有一頻率差為f1，正好為接收機(jī)的中頻。只要收發(fā)雙方的偽隨機(jī)碼同步，就可使收發(fā)雙方的跳頻源——頻率合成器產(chǎn)生的跳變頻率同步，經(jīng)混頻器后，就可得到一不變的中頻信號，然后對此中頻信號進(jìn)行解調(diào)，就可恢復(fù)出發(fā)送的信息。而對于干擾信號而言，由于不知道跳頻頻率的變化規(guī)律，與本地的頻率合成器產(chǎn)生的頻率不相關(guān)，因此，不進(jìn)入混頻器后面的中頻通道，不能對跳頻系統(tǒng)形成干擾，這樣就達(dá)到了抗干擾的目的。在這里，混頻器實(shí)際上擔(dān)當(dāng)了解跳器的角色，只要收發(fā)雙方同步，就可將頻率跳變信號轉(zhuǎn)換成為一固定頻率（中頻）的中頻信號。2.2.跳頻和直擴(kuò)系統(tǒng)都具有很強(qiáng)的抗干擾能力，是用得最多的兩種擴(kuò)頻技術(shù)。將兩種有機(jī)的結(jié)合起來，可以大大改善系統(tǒng)性能，提高抗干擾能力。直擴(kuò)/跳頻混合系統(tǒng)的組成框圖如圖2-3所示：信源信源擴(kuò)頻調(diào)制PN碼1頻合PN碼2….(a)發(fā)送端高放高放混頻解擴(kuò)解調(diào)頻合PN碼1PN碼2同步……（b）接收端圖2-3直擴(kuò)/跳頻系統(tǒng)的組成框圖圖2-3的圖（a）中，需要發(fā)送的信號首先被偽隨機(jī)碼1擴(kuò)頻，然后去調(diào)制偽隨機(jī)碼的2控制的頻率合成器產(chǎn)生的跳變頻率，被放大后發(fā)送出去。接收端首先進(jìn)行解跳，得到一固定中頻的直擴(kuò)信號，然后進(jìn)行解擴(kuò)，送至解調(diào)器，將傳送的信號恢復(fù)出來。在這里用了兩個偽隨機(jī)碼，一個用于直擴(kuò)，一個用于控制頻率合成器。一般用于直擴(kuò)的偽隨機(jī)碼的速率比用于跳頻的偽隨機(jī)碼的速率要高得多。采用直擴(kuò)/跳頻混合擴(kuò)頻技術(shù)，有利于提高系統(tǒng)的抗干擾性能。干擾機(jī)要有效地干擾直擴(kuò)/跳頻系統(tǒng)，需要同時滿足兩個條件：①頻率要跟上跳變頻率的變化；②干擾電平必須超過直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾容限。由此可見，采用直擴(kuò)/跳頻混合擴(kuò)頻系統(tǒng)后，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，更能滿足系統(tǒng)抗干擾的要求，而且將跳頻系統(tǒng)和直擴(kuò)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)集中起來，克服了單一擴(kuò)頻方式的不足。如直擴(kuò)系統(tǒng)對同步的要求高，“遠(yuǎn)——近”效應(yīng)影響大，這些不足是跳頻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)；跳頻系統(tǒng)在抗選擇性衰落、抗多徑等方面的能力不強(qiáng)，直擴(kuò)系統(tǒng)正好彌補(bǔ)了他的不足。這樣，把直擴(kuò)和跳頻相結(jié)合，使系統(tǒng)更加完善、功能更強(qiáng)，提高了系統(tǒng)的保密程度，給敵方的竊聽、截獲設(shè)置了更多的障礙。第三章擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)3.1MATLAB軟件的相關(guān)知識3.1.1MATLAB簡介MATLAB是所有Math-Works公司產(chǎn)品的基石，它包括了數(shù)值計算，2D和3D圖形，語句以及單一使用環(huán)境下的語言能力。MATLAB具備卓越的數(shù)值計算能力，還提供了專業(yè)水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實(shí)時控制等功能。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C語言完全不同的是簡捷得多。MATLAB用更直觀的，符合人們思維習(xí)慣的代碼，代替了C語言的冗長代碼。MATLAB給用戶帶來的是最直觀，最簡潔的程序開發(fā)環(huán)境。Matlab語言有如下特點(diǎn)：（1）編程效率高它是一種面向科學(xué)與工程計算的高級語言，允許用數(shù)學(xué)形式的語言編寫程序，且比Basic、Fortran和C等語言更加接近我們書寫計算公式的思維方式，用Matlab編寫程序猶如在演算紙上排列出公式與求解問題。因此，Matlab語言也可通俗地稱為演算紙式科學(xué)算法語言由于它編寫簡單，所以編程效率高，易學(xué)易懂。（2）用戶使用方便Matlab語言是一種解釋執(zhí)行的語言（在沒被專門的工具編譯之前），它靈活、方便，其調(diào)試程序手段豐富，調(diào)試速度快，需要學(xué)習(xí)時間少。人們用任何一種語言編寫程序和調(diào)試程序一般都要經(jīng)過四個步驟：編輯、編譯、連接以及執(zhí)行和調(diào)試。各個步驟之間是順序關(guān)系，編程的過程就是在它們之間作瀑布型的循環(huán)。Matlab語言與其它語言相比，較好地解決了上述問題，把編輯、編譯、連接和執(zhí)行融為一體。它能在同一畫面上進(jìn)行靈活操作快速排除輸入程序中的書寫錯誤、語法錯誤以至語意錯誤，從而加快了用戶編寫、修改和調(diào)試程序的速度，可以說在編程和調(diào)試過程中它是一種比VB還要簡單的語言。（3）擴(kuò)充能力強(qiáng)高版本的Matlab語言有豐富的庫函數(shù)，在進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算時可以直接調(diào)用，而且Matlab的庫函數(shù)同用戶文件在形成上一樣，所以用戶文件也可作為Matlab的庫函數(shù)來調(diào)用。因而，用戶可以根據(jù)自己的需要方便地建立和擴(kuò)充新的庫函數(shù)，以便提高M(jìn)atlab使用效率和擴(kuò)充它的功能。（4）語句簡單，內(nèi)涵豐富Mat1ab語言中最基本最重要的成分是函數(shù)，其一般形式為「a，6，c……]=fun（d，e，f，……），即一個函數(shù)由函數(shù)名，輸入變量d，e，f,……和輸出變量a，b，c……組成，同一函數(shù)名F，不同數(shù)目的輸入變量（包括無輸入變量）及不同數(shù)目的輸出變量，代表著不同的含義（有點(diǎn)像面向?qū)ο笾械亩鄳B(tài)性。這不僅使Matlab的庫函數(shù)功能更豐富，而大大減少了需要的磁盤空間，使得Matlab編寫的M文件簡單、短小而高效。（5）高效方便的矩陣和數(shù)組運(yùn)算Matlab語言象Basic、Fortran和C語言一樣規(guī)定了矩陣的算術(shù)運(yùn)算符、關(guān)系運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符、條件運(yùn)算符及賦值運(yùn)算符，而且這些運(yùn)算符大部分可以毫無改變地照搬到數(shù)組間的運(yùn)算，有些如算術(shù)運(yùn)算符只要增加“·”就可用于數(shù)組間的運(yùn)算，另外，它不需定義數(shù)組的維數(shù)，并給出矩陣函數(shù)、特殊矩陣專門的庫函數(shù)，使之在求解諸如信號處理、建模、系統(tǒng)識別、控制、優(yōu)化等領(lǐng)域的問題時，顯得大為簡捷、高效、方便，這是其它高級語言所不能比擬的。在此基礎(chǔ)上，高版本的Matlab已逐步擴(kuò)展到科學(xué)及工程計算的其它領(lǐng)域。因此，不久的將來，它一定能名符其實(shí)地成為“萬能演算紙式的”科學(xué)算法語言。（6）方便的繪圖功能Matlab的繪圖是十分方便的，它有一系列繪圖函數(shù)（命令），例如線性坐標(biāo)、對數(shù)坐標(biāo)，半對數(shù)坐標(biāo)及極坐標(biāo)，均只需調(diào)用不同的繪圖函數(shù)（命令），在圖上標(biāo)出圖題、XY軸標(biāo)注，格（柵）繪制也只需調(diào)用相應(yīng)的命令，簡單易行。另外，在調(diào)用繪圖函數(shù)時調(diào)整自變量可繪出不變顏色的點(diǎn)、線、復(fù)線或多重線。這種為科學(xué)研究著想的設(shè)計是通用的編程語言所不及的?？傊?，Matlab語言的設(shè)計思想可以說代表了當(dāng)前計算機(jī)高級語言的發(fā)展方向。我們相信，在不斷使用中，讀者會發(fā)現(xiàn)它的巨大潛力。3.1.2Simulink簡介MATLAB是一種數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件,經(jīng)過多年的發(fā)展,開發(fā)了包括通信系統(tǒng)在內(nèi)的多個工具箱,成為目前科學(xué)研究和工程應(yīng)用最廣泛的軟件包之一。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具,是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境,是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包,被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(jìn)行建模,它也支持多速率系統(tǒng),也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型,Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI),這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成,它提供了一種更快捷、直接明了的方式,而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。3.2擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型3.2.1基于Simulink的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真利用Matlab中的Simulink對直擴(kuò)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，直接序列擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)的仿真圖如圖3-1所示。圖3-1直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型系統(tǒng)簡介：圖3-1中，發(fā)射機(jī)子系統(tǒng)“CDMATrans.”，信道由“AWGNChannel”模塊、采樣率為2000次/秒的300Hz離散正弦波源以及加法器模塊組成。接收機(jī)的本地PN序列由和發(fā)射機(jī)中完全相同參數(shù)的“PNSequenceGenerator”模塊和單雙極性轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成，其同步的雙極性偽隨機(jī)碼送入解擴(kuò)器（乘法器）中與接收信號相乘進(jìn)行解擴(kuò)，然后送入BPSK解調(diào)器等效基帶模型進(jìn)行解調(diào)和解碼。由于解擴(kuò)信號的采樣率為2000次/秒，而BPSK基帶數(shù)據(jù)信號速率為100bps，其采樣率亦為100次/秒，故BPSK解調(diào)器中應(yīng)設(shè)置“Samplespersymbol”參數(shù)為20。BPSK解調(diào)輸出是單極性的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，經(jīng)過單雙極性變換并進(jìn)行升速率采樣后送入頻譜儀觀察功率譜。接收機(jī)中以“BernoulliBinaryGenerator”產(chǎn)生同發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流，并延遲2個數(shù)據(jù)碼元寬度以補(bǔ)償接收延時，然后對比接收解調(diào)數(shù)據(jù)流，顯示數(shù)據(jù)波形并統(tǒng)計誤碼率。3.2.2基于Simulink的跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真利用Matlab中的Simulink對跳頻系統(tǒng)進(jìn)行仿真，跳頻擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)的仿真圖如圖3-2所示。圖3-2跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型系統(tǒng)簡介：該系統(tǒng)屬于一個慢跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)。跳頻輸出信號帶寬約為50*32=1600Hz，其等效低通信號頻率變化范圍為-800Hz到800Hz。為了使仿真觀測頻譜范圍達(dá)到-2000Hz到2000Hz，信號采樣率應(yīng)設(shè)計為4000次/秒。所以每一個傳輸數(shù)據(jù)碼元的仿真采樣點(diǎn)數(shù)為40點(diǎn)。跳頻速率為50跳/秒，故每跳持續(xù)時間為0.02秒，對應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)為80點(diǎn)。偽隨機(jī)碼采用m序列，也可采用Gold序列。將偽隨機(jī)碼中每5bit轉(zhuǎn)換為一個0到31的隨機(jī)整數(shù)，以控制跳頻載波的輸出頻率。由于假設(shè)接收機(jī)偽隨機(jī)碼是理想同步的，且信道沒有時延，在模型中可直接用發(fā)送方的偽隨機(jī)碼作為接收機(jī)恢復(fù)的偽隨機(jī)序列。3.3擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真結(jié)果及分析3.3.1直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)直接擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)頻譜仿真結(jié)果：圖3-3是原始信息的頻譜，圖3-4是擴(kuò)頻后的信號頻譜。圖3-3原始信息頻譜圖3-4擴(kuò)頻后的信號頻譜對比圖3-3和圖3-4可知，數(shù)據(jù)信號的帶寬約100HZ，其功率峰值為20dB,而擴(kuò)頻輸出信號帶寬為2KHZ，帶寬展寬了約20倍，其功率下降到約7dB處。圖3-5經(jīng)信道傳輸后的頻譜圖3-6解擴(kuò)輸出信號頻譜圖3-5為信息經(jīng)信道傳輸后的頻譜，對比圖3-4和圖3-5可知，信息經(jīng)信道傳輸后，信號被疊加了噪聲和干擾。圖3-6為解擴(kuò)后的信息頻譜，由圖可知，解擴(kuò)后，原來被展寬的信號頻譜將被收縮成帶寬為100Hz的BPSK調(diào)制信號，而單頻正弦干擾以及噪聲信號將被解擴(kuò)器進(jìn)行頻譜擴(kuò)展。圖3-7解調(diào)后的信號頻譜圖3-8原始信息與經(jīng)解調(diào)后的信息對比圖3-9直擴(kuò)系統(tǒng)的誤碼率結(jié)果分析：AWGN信道中噪聲方差設(shè)置為10。可見，經(jīng)過信道傳輸并添加單頻干擾后，擴(kuò)頻信號被淹沒在噪聲和干擾之中。解擴(kuò)后，原來被展寬的信號頻譜將被收縮成帶寬為100Hz的BPSK調(diào)制信號，而單頻正弦干擾以及噪聲信號將被解擴(kuò)器進(jìn)行頻譜擴(kuò)展。在方差為10的零均值加性高斯白噪聲，以及幅度為1的100Hz單頻干擾下，該擴(kuò)頻系統(tǒng)的傳輸錯誤比特率仿真結(jié)果約為0.026。如圖3-9所示。3.3.2跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)跳頻擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)頻譜仿真結(jié)果：圖3-10是信息經(jīng)調(diào)制后輸出的頻譜，圖3-11是跳頻擴(kuò)頻后的信號頻譜。圖3-10信息經(jīng)調(diào)制后輸出的頻譜圖3-11跳頻擴(kuò)頻后的信號頻譜對比圖3-10和圖3-11可知，數(shù)據(jù)信號的帶寬約100HZ，其功率峰值為20dB,而跳頻擴(kuò)頻輸出信號帶寬為1600HZ左右，帶寬展寬了約15倍，其功率下降到約4dB處。圖3-12經(jīng)信道傳輸后的頻譜圖3-13跳頻解跳輸出信號的頻譜圖3-12為信息經(jīng)信道傳輸后的頻譜，由圖可知，信息經(jīng)信道傳輸后信號被疊加了噪聲和干擾。圖3-13為信息經(jīng)解跳輸出的信號頻譜，信號被恢復(fù)。圖3-14原始信息與經(jīng)解調(diào)后的信息對比圖3-15跳頻系統(tǒng)的誤碼率由圖3-15可知，該系統(tǒng)的誤碼率是很低的。 第四章擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的特點(diǎn)和用途4.1直擴(kuò)系統(tǒng)的特點(diǎn)和用途主要特點(diǎn)：（1）具有較強(qiáng)的抗干擾能力。擴(kuò)頻系統(tǒng)通過相關(guān)接收，將干擾功率擴(kuò)展到很寬的頻帶上去，使進(jìn)入信號的頻帶內(nèi)的干擾功率大大降低，提高了解調(diào)器輸入端的信干比，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。這種能力的大小與處理增益成正比。（2）具有很強(qiáng)的隱蔽性和抗偵查、抗竊聽、抗側(cè)向的能力。擴(kuò)頻信號的譜密度很低，使信號淹沒在噪聲之中，不易被敵方截取、偵察、側(cè)向和竊聽。直擴(kuò)系統(tǒng)可在-15~-10dB乃至更低的信噪比條件下工作。（3）具有選址能力，可實(shí)現(xiàn)碼分多址。擴(kuò)頻系統(tǒng)本