毕业设计 扩频通信系统仿真.docx

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毕业设计扩频通信系统仿真

电气信息学院

毕业设计说明书

题目：

扩频通信系统的仿真

专业：

通信工程

年级：

通信10-1

学生：

吕盼

学号：

***************

****李斌

完成日期：

年月日

扩频通信系统的仿真

摘要：

扩频通信系统是指待传输信息的频谱用伪随机序列扩展成为宽频带信号送入信道，再经同步的伪随机序列进行解扩解调，从而获得传输信息的通信系统。

MATLAB中的simulink组件带来了交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图。

在本次仿真设计中用simulink让设计更加方便的进行动态系统建模、仿真和分析。

设计包括发射模块、扩频模块、BPSK调制模块、信道传输干扰模块、解扩模块、解调模块和误码统计模块，组成发射机和接收机,并通过仿真说明扩频通信系统具有强抗干扰性和在移动通信中的重要意义。

关键词：

伪随机序列,宽频带,抗干扰性,Simulink,BPSK调制

Abstract:

Directsequencespreadspectrumsystemisthatthesourcecodetobetransportfirstlyexpandedtothewidebandsignalbythepseudo-randomsequenceandsendintotheinformationchannels，secondlydemodulatedbythepseudo-randomsequencethatthesameasthesender,sothatwecangettheoriginalcode.TheInteractivegraphiceditorthatSimulinkbringsprovidesvisualcombinationandmanagementmodulediagram.Itisconvenienttomodeling,simulatingandanalysingthedynamicsystem.Thesysdemcontainsthetransmittingmodule,theDSSSmodule,modulationmodule,channelinterferencemodule,dispreadingmodule,demodulationmoduleanderrorstatisticsmodule,formingtransmittersandreceivers,andprovingthatithasheimportantsignificanceofstronganti-jammingandinmobilecommunicationspreadspectrumcommunicationsystembythesimulationresults.

Keywords:

Pseudorandomsequence,Broadband,Anti-interference,Simulink,BPSKmodulation

1绪论

1.1扩频通信的应用

现如今的通信技术已经发展的非常迅速，它包括了光纤通信、扩频通信和卫星通信。

扩频通信技术是在20世纪50年代由两个美国和通信技术毫无关系的人提出的，他们一个是好莱坞女演员，一个是钢琴家。

两人基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路申请了美国专利#2.292.387[1]。

然而该技术直到十九世纪八十年代才引起美国军方的关注与重视并将它用于敌对环境中的无线通信系统。

从1950年开始美国军方就开始对扩频技术进行研究，在当时无线电还不发达的时代扩频技术毫无疑问的以压倒性优势战胜了当时流行的各种模拟通信技术。

他在军事上得到广泛运用，从军事通信到抗电子干扰，各种测量仪器的运用。

过了30年后它才开始进入广大群众的视线，扩频技术开始迅速发展，搭载在各种通信设备上，如GSM通信和如今的3G、4G通信，毫无疑问都用了扩频通信技术，不管在抗干扰性和增加信道利用率上，都比传统通信方式占很大优势。

1.2直序扩频通信系统的优点

1.2.1抗干扰能力强

被扩频调制的宽频信号在接收端通过一个乘法器和很多锁相回路进行相关解扩，在这个过程中，夹杂着各种干扰的宽频信号被滤除掉，留下有用的窄带信号，各种噪声干扰犹豫和本地PN码没有相关性而在相关解扩中被消除。

扩频增益是扩频通信系统中表示它特性的一个很重要的参数,学术上把它定义成扩频前和扩频后的信号带宽B1、B2之比：

G=B2/B1。

扩频通信的原理就是在发送端产生一个高频序列和信息源叠加在一起，产生一个带宽为B2的扩频信号，在接收端通过解扩解调去掉高频的干扰信号而留下被扩频后的信息源码，这就相当于把接收信噪比提高了G倍。

我们可以在后面的仿真中能够更直观的观察到系统的抗干扰性能。

1.2.2抗多径干扰能力强

无线电波波在传播的过程中，除了直接到达接收天线的直射信号外，同时存在着各种反射体，如大气对流层、建筑物、山林树木、水面、地面等引起的反射和折射信号被接收天线接收。

直射信号比反射和折射信号的传播时间比短，因而直射信号对其产生了严重的干扰，学术上将直射信号产生的干扰称为多径干扰。

多径干扰会对通信系统产生非常严重的干扰，严重时会让通信接受端口无法接收到正常的信号，但是扩频通信中用的是相关解调，他的自相关性决定了如果接受序列的接收时间比码元的宽度宽时，不会输出正常的码元，这时多径干扰就会被很大程度地滤除掉了。

直序扩频技术中存在更为先进的----RAKE接收技术，它把信道中的各种干扰信号和自身产生的多径干扰信号在接收端进行叠加，这样就把干扰转换成了有用的信号并且将其信号强度进行了增强，但是因为技术和资金的原因，这种技术暂时没有被广泛应用。

1.2.3抗截获能力强

信号被检测出来的概率和信号的能量以及噪声功率和传输信息的带宽有关，科学家们经过理论分析和各种实际测试发现，它与前两者成正比关系，与后者成反比关系。

所以当信号的能量和功率密度非常小，而信号带宽非常大时，要从信道中检测出有用信号是非常困难的，所以说扩频通信的抗截获能力非常强。

简而言之，信息信号经过扩频调制后频谱被大大扩展，从而使信号的功率谱密度大大降低，并且在传输过程中他相当于一个低密度的噪声信号，在被信道中的高斯白噪声和其他噪声淹没之后，对其他的通信也不会造成干扰，其他接收器也无法检测出其中的有用信号，所以信号也就不容易被发现，想要确切的检测出信号源就更为困难，因此具有极高的隐蔽性，十分使用于保密通信。

因为扩频通信的这个特点，军事上广泛应用扩频通信技术，提升通信的保密性，减小信号被敌人发现及破译的几率。

1.2.4可同频工作

因为接收端采用同步PN序列解调的方法进行解扩，当PN序列和发送端不同步时，接收端无法正常接受并检测出可用信号，所以只有产生与发射端相同伪随机序列才能对有用信号进行解调，就算是信号都在同一频段上也是如此，所以就增大了频道的利用率，即使信号在同一个频率上工作也不会相互产生干扰。

1.2.5便于实现多址通信

因为扩频码不一样时各扩频通信序列是基本不会产生什么影响的，所以在CDMA通信方式上可以把不同的扩频码作为发射的地址码，这样就让码分多址的通信方式找到了一个区分各个不同地址的方法。

移动通信集团采用CDMA方式，理论上可以增大通信容量。

1.2.6直扩通信速率高

直接序列扩频通信有很多种速率，在组建各种网络时由于他的信道频率影响小，所以不需要再申请特定的频率，节省了网络资源，并且性能非常稳定。

1.3直扩通信系统的不足

虽然直接扩频通信系统节约了网络资源，通信可靠性得到了增强，但是它必须有一个同步的PN序列才能进行相干解扩解调，如果接收端的PN序列不同步或者当伪随机码的码字变长时，就需要更高精度的同步性能才能达到正常解扩的要求，并且伪随机序列越长，系统所需发生同步序列的时间也就越长。

2总体方案设计

2.1方案比较

扩频通信作为当代通信中应用最广泛的一个通信方式，他的性能不断的得到提高，不管是从频带虑用率、抗干扰性还是抗截获能力。

他的调制是通过一个与信源码毫不相关的高速伪随机序列，通过这个序列把信号频谱扩宽，在接收端产生一个和发射端同步的伪随机序列对信号进行解扩，最后解调出原信号。

扩频通信分为4种类型，它包括直接序列扩展频谱系统（DS-SS）、跳频扩频系统（FH-SS）、跳时扩频系统（TH-SS）和混合模式4种类型。

2.1.1直接序列扩展频谱系统

直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum）是通过一个高速的的伪随机扩频序列将待发射的信号频谱就行扩宽，在接收端产生一个同步高速伪随机序列对接收序列进行解扩，最后解调出原信号的过程。

他的关键是产生一个伪随机噪声序列经过信道编码发送，原信号和伪随机信号在乘法器中被调制成宽频信号。

图2.1直接序列扩展频谱系统原理框图

如图2.1所示，直接序列扩展频谱系统通过经编码后的2进制信息序列，用乘法器将伪随机序列与编码后的序列调制在一起，使得传输带宽扩展得更宽。

而传输带宽通过编码信号进行控制。

2.1.2跳频扩频系统（FH-SS）

跳频扩频（Frequency-hoppingspreadspectrum,FHSS）在扩频通信技术中也有很大的运用；他是一个伪随机序列控制调频器不断的在不同频率之间进行跳变，接收端也通过同步的伪随机序列进行不同频率的解扩过程。

跳频所需要的总带宽比使用单一载频传输同样信息所需的带宽要大得多。

但是，因为在给定得时间内，传输仅使用一小部分带宽，所以实际有效占用的带宽是一样的。

我们甚至可以构建一个拥有负信噪比（-dBs）的系统，在这个系统中，不管位于任何频率，期望信号的电平都低于噪声。

跳频系统所面临的挑战之一是发送方与接收方的同步。

一个可行的方法是确保发送方要在固定的时间段内用到所有的信道，如此，接收方就可以随机地选择一个信道并从中读取有效信息。

图2.2调频系统（FH-SS）原理框图

在伪噪声发生器里信源被调制，调制后的信息码序列在接收到不同的图案或指令后让频率合成器产生随即跳跃的信号。

跳频信号被接收端接受后同时进行解调。

接收端的伪噪声发生器必须与发送端的伪噪声发生器相同，伪噪声信号控制频率发生器在接受到发送信号后产生与输出端相同的信号，这个信号和接受信号在混频器中差频出一个固定信号，且该信号在中频带通滤波器中被放大，最终送入解调器中解调出原始信息。

2.1.3跳时系统（TH-SS）

时间跳变也是一种扩展频谱技术，跳时扩频通信系统（TimeHoppingSpreadSpectrumCommunicationSystems，TH-SS）是时间跳变扩展频谱通信系统的简称，主要用于时分多址（TDMA）通信中。

与跳频系统相似，跳时是使发射信号在时间轴上离散地跳变。

我们可以把跳时理解为：

用一伪随机码序列进行选择的多时隙的时移键控。

犹豫这个信号的发送时隙非常的短，所以信源码的频带也相应就被拓宽了。

图2.3跳时扩频系统原理框图

跳时系统通过码发生器产生的伪随机码序列来控制键控发射机，把一个持续时间的信源码分成很多个小时隙，码发生器产生的伪随机码来控制某个时隙发送一个信源码。

即信源码以脉冲形式且用最高的峰值功率在极短的时间里发出。

2.2方案论证与选择

扩频的概念很早就提出了，首先是军用领域；鉴于早期器件的问题，以数字电路为基础的直序扩频实现上有很大难度，例如高速扰码器；而对数字电路要求较低且实现更为简单的调频，在实行难度的相比之下首先得到了广泛的应用。

现在的民用以及军事领域中，因为数字电路研究和发展的迅速，扩频技术的日渐完善。

直接序列扩频、跳频通信和时跳通信以及混合通信等通信技术先后提出和应用。

直接序序列扩频技术的优点显而易见。

首先它的抗干扰能力：

众所周知信号在传输过程中会被信道中的各种有用或者无用的信号干扰，这种干扰有高斯白噪声，有各种电台通信、电话网通信甚至无线wifi通信的干扰，这些干扰层层叠加，就如同一碗清水倒入了一盆污水里面，信号源发送出去之后被这些干扰覆盖，最终导致接收端无法识别到信道中的有用信息，就像比喻的一样，想从污水里面再把清水给分出来几乎不可能。

所以这里用到了扩频通信技术，它将信息码的频率扩宽到非常大，宽频信号在信道中也会受到上面所述的干扰，但是在接收端通过一个和发送端同步的伪随机信号信号的调制之后，干扰变成平滑的频谱，而有用的信号叠加在这上面则变成一个峰值功率很高的尖峰，并且存在于低频部分，再通过解调器滤除高频信号之后，有用信号就被还原出来。

所以本次设计选择对直接序列扩频通信系统进行仿真。

3直接序列扩频通信系统

3.1直接序列扩频通信系统组成

直接序列扩频通信系统就是通过直接序列调制把高速的伪噪声码序列与信息源码进行相乘之后产生的波形来对载波进行相位调制控制而产生的扩频信号。

大部分直接序列扩频通信都是用的PSK调制。

他的组成如图3.1所示。

图3.1直接序列扩频通信框图

直接扩频通信系统组成原理如图上所示，在发端输入的信息先经信息调制成为数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列调制数字信号以展宽信号的频谱。

展宽后的信号再调制到射频发送出去。

在接收端将收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩，再经信息解调、恢复成原始信息输出。

所有的扩展频谱通信系统都基于一个最基本的公式－香农公式：

（3-1）从式子中不难看出，当信道传输的信噪比S/N减小的时候，在一个传输系统中若要保持信道容量C不变，那么扩大传输带宽是一种很好的解决办法，无论信号噪声功率比怎么变化，都能找到一个合适的信号带宽使得信号容量不发生改变，以减小信息差错率。

扩展频谱通信利用这个原理，把信源码加上一个很高速率的扩频码，大幅度增加要发送信号的带宽。

实际生活中扩展频谱通信的信号带宽比普通的信号带宽大3、4个数量级，如果通信系统的信噪比相同的话，扩频通信就大大减小了噪声整个通信传输系统的影响。

同时，香农又认为：

在平均功率被限制的情况下，如果有高斯噪声的干扰，将传输信号信号转换为具有高斯白噪声统计特性的信号是实现可靠和理想通信的最好的信号。

这是因为高斯白噪声的自相关性非常理想，他的功率谱可以表示为

（

）（3-2）那么白噪声的自相关函数为

（3-3）其中：

，

是时间延迟，

（3-4）高斯白噪声的自相关函数具有的这种特点充分说明了他尖利的自相关性质。

但是如何产生如此一个有着自相关特性的的高斯白噪声，对加工和拷贝有着非常严格的要求，但是现今的技术无法满足这么高的要求，所以科学家们找到了一个统计特性和高斯白噪声非常相似的伪噪声序列，它便于生产又易于加工，已在现阶段被广泛应用。

我们可以利用他统计特性的模型来讨论其扩频的实质。

把一个伪随机序列的周期设为p，并且所有的码元都是｛1，-1｝上面的码元，那么在一个p周期上码元的伪随机二院序列X的归一化的自相关函数是：

（3-5）在式子中，j为小于p-1的自然数，如果伪随机码长p可以取得足够的长度或者

时，上式可以化简为

（3-6）

不难看出式2-5和式2-6是两个比较接近的式子，如果p足够长，那两个式子将更加接近。

所以伪噪声码和高斯白噪声码具有相互类似的统计特性，从另一个方面来说他就是高斯白噪声的一种理想情况，所以在扩频通信系统中我们采用伪随机码来扩宽等待传输基带信号频谱的扩频系统，他的性能已经超过普通的通信传输体制。

3.2伪随机编码

从上一节的香农公式中我们已经知道，当信息速率

比信道容量C小的时候，就能找到并且总会找到一种编码的方法，如果码周期非常长，我们就能够几乎没有差错的从被高斯白噪声干扰的信号里找出原有的信息。

在码元都属于｛0，1｝的二元域时，把x,y设为码周期都相同且为p的两个序列码，他们的互相关函数定义为

（3-7）如果

，x和y就会正交。

把码长为p的x码字的自相关函数

定义为

（3-8）其中：

。

对于在｛0，1｝中的二进制码，可以将j=0的互相关函数简化成

（3-9）其中：

A为x,y码元相等的一个数目（码元同时为0或者同时为1），D是码元不相等的数目，原因是总会有一个成立的条件让

（3-10）同上所示，我们可以把

表示为

（3-11）上面一节说过高斯白噪声属于一种随机过程，他有服从高斯分布的瞬时值，切在很宽的频带内功率都是均匀的，具有类似

函数的自相关函数形状。

高斯白噪声具有独立性，他们各不互相产生干扰，互相关函数等于0。

伪随机码就采用了高斯白噪声的这种特性，把+1和-1这两种电平以高斯噪声的特性发送出去，生成足够长的码长。

它的分布和高斯白噪声的统计特性类似，所以我们可以把它定义为：

凡是自相关函数具有

（3-12）这种形式的码元，就把它叫做伪随机码，又称侠义伪随机码。

凡是自相关函数具有

（3-13）这种形式的码元，就把它叫做广义的随机码。

3.3m序列

二元m序列也是伪随机序列的一种，他的自相关函数更好，属于狭义伪噪声序列，并且易于复制和产生，所以在扩频通信技术领域应用广泛。

在直接序列扩频通信中用于扩展基带信号，而在跳频通信中用于跳频频率合成器的控制，来组成各种随即跳跃的频谱图。

图3.2n级线性反馈移位寄存器

如图3.2所示，可以用一个GF

（2）上的N次多项式为连接的多项式来表示一个非退化的N级线性移位寄存器

（3-14）式3-14就是一个用多项式连接起来表示的n级线性移位寄存器的产生序列，他的周期

。

如果一个n级线性移位寄存器产生的序列周期为

，那么我们就把这个序列成为n级最大周期线性移位寄存器序列。

这样就可以把m序列定义成：

如果用GF

（2）上的n次多项式（3-14）连成的多项式的n级线性移位寄存器它产生的非0序列｛a｝的周期为

，我们就把｛a｝序列称为n级最大周期线性移位寄存器的序列，简称为m序列。

m序列具有以下3个性质：

在每一个周期为

中，1比0多出现一次，即0出现的次数为

，0出现的次数为

。

每一个周期中的游程数目为

，并且出现0的游程的数目和出现1的游程的数目占总数的一半。

m序列

和他的位移序列

的模2和依然是m序列的另外一种位移序列

，即

+

=

（3-15）或者

（3-16）

3.4扩展频谱信号的解扩和解调

用信号的相干性来检测被各种噪声覆盖的有用信号是扩频通信中最常用的方法，相干性就是指信号的时间坐标和他的标记有规定的特定时间关系，如果信号有这种特性我们就把这个信号成为相干信号。

相干信号不紧有各种随机参数，还有规定的特定时间关系，满足这两点的相干信号可以对原信号和噪声信号的混合信号进行一种时域的运算，并通过判决来计算运算结果，产生出原信号。

互相关是一种典型的运算方法，把信号设为s（t），设噪声为n（t），他们的混合波形可以表示成

（3-17）s（t）就是输入的原信号的一种规定信号或者是被调制后的信息，互相干运算就是把一个和原信号有个很大关系的信号

和

的乘积进行积分，即

（3-18）他的处理过程可以通过图3.3表示。

图3.3相干检测原理图

和信号源s（t）的频率一样，相位相干，用鉴相器实现乘法器，用低通滤波器来积分。

本地参考信号是由锁相环回路生成的。

他把能产生一个一个和输入信号频率相同频率的振荡器的相位和输入信号的相位进行对比，获得误差信号（即误差电压），再把此误差信号进行滤波，待平滑后作用于振荡器来减小误差信号的差值，所以这个被输入信号不断进行调整的振荡器输出的相位不断靠近输入信号的相位，最后达到频率和相位都一致。

用相位跟踪误差来表示他们之间的近似程度。

锁相环路的工作原理如图3.4所示。

图3.4相干参考信号的产生原理图

信号经过解扩去掉调制码之后，剩下的就是从被解扩的信号中找出发送出来的原信号。

直序列扩频通信采用的解调器有很多种，常用的有锁相环调频反馈解调器和克斯塔斯环解调器等。

直接序列扩频通信系统的解调过程是一个相干解调的过程。

锁相环是减小相相位误差的一个理想器件。

图3-5是一个被解扩后的中频PSK信号被锁相环解调器解调的原理图。

a点向锁相环解调器输入一个

信号，通过带通滤波器滤波之后输出一个

信号，被锁相环同步之后的信号经过压控振荡器VCO输出的信号

和输入信号在锁相环里相乘，不断进行相位调节。

在BPSK调制信号里，

=0时，符号检测器输出“1”码；当

=

时，符号检测器输出“0”码，从而恢复出基带数字信号。

图3.5锁相环解调器原理图

4各单元模块功能介绍

4.1伯努力二进制发生器（BernoulliBinaryGenerator）

把｛Ai｝（i为自然数）设成一个序列的随机实验，Ai为

的样本空间，把Ak设为Ek中的随机一种事件，并且Ak属于Ek，如果Ek的结果和Ak出现的概率相互不产生任何影响，就把｛Ai｝称谓是相互独立的随机实验序列，也就是独立的实验序列。

如果在实验中每一组实验数据产生的概率和他不产生的概率之和为1，并且各个实验结果都相互独立的，那就把此次实验成为伯努力实验。

在simulink里伯努力二进制发生器就是发生随即机且相互独立的伯努力二进制序列，这个序列作为信息源为以后的扩频处理做准备。

他的参数设置如图3.1所示。

Probabilityofazero：

产生0的概率，二进制码为10序列，配置时一般为0产生的概率0.5，1产生的概率也为0.5。

他的配置窗口如图4.1所示。

图4.1伯努利二进制发生器配置界面

Initialseed：

随机数的产生不是matlab现生成的，是原来就有一个长系列，只不过通过initialseed指定了从这个序列的哪个位置开始取值。

每次仿真，设置不同的initialseed，就可以避免每次仿真都是采用相同的仿真数据。

seed可以设置成一个与时间有关的数，每次重新仿真，种子可以自动变换，如seed=fix（cputime）。

Sampletime：

采样的时间间隔。

Outputdatatype：

输出的数据类型。

有常用的int、char、long、double等数据类型。

4.2PN序列发生器（Pseudo-NoiseCode）

PN码（Pseudo-NoiseCode），是相当于白噪声的由0和1所构成的随机互不影响序列，m-序列是运用最广的随机序列，PN码是最大长度位移暂存器序列，他是由一具线性回授的m级暂存器来产生具有长2的N次方-1个位元。

PN码分为长码和短码，在现代通信中具有不同的应用。

他的配置窗口如下图4.2所示

图4.2PN序列发生器配置界面

Generatorpolynomial：

PN序列随机多项式的生成

Initialstates：

初始状态设置，可以设置PN序列产生的初始状态，令其一个初始值开始产生随机序列。

Shi