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论文终稿

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

目录

中文摘要、关键词I

英文摘要、关键词II

引言1

第一章直接序列扩频通信原理2

1.1扩频通信概述2

1.1.1扩频通信的理论基础2

1.1.2通信系统的分类3

1.2直接序列扩频原理4

1.2.1直接序列扩频基本原理4

1.2.2伪随机码简介5

1.2.3直接序列扩频的扩频增益和优点7

第二章SystemView介绍10

2.1SystemView简要介绍10

2.2SystemView的主要特点11

第三章利用SystemView对直扩系统仿真12

3.1整体设计模型12

3.2各子系统说明12

3.2.1发射部分12

3.2.2信道模拟15

3.2.3接收部分16

3.2.4误码测试18

结论26

致谢27

参考文献28

附录29

基于SystemView的直接序列扩频系统仿真研究

摘要：

扩频通信由于具有抗干扰能力强，隐蔽性好，容易实现多址传输等优点而在移动通信、无线数据通信等领域得到越来越广泛的应用。

其中直接序列扩频通信是目前使用最典型的扩频工作方式。

随着通信技术日益成熟，扩展频谱技术凭借其特有的优势，显示出了极强的生命力。

尤其在电子对抗的今天，它将为军事上开展联合指挥提供最先进的通信系统。

因此，对其进行细致的讨论是十分必要的，具有很大的实用价值。

论文介绍了扩频通信概述，逐步地介绍了扩频通信的发展以及应用现状，简要的介绍了扩频通信的理论基础，随后阐述了一下扩频通信的分类。

直接序列扩频的原理。

伪随机码的基本概念以及直接序列扩频的抗干扰指标与优点。

介绍了通信仿真软件SystemView，以及较详细的表述了从整体设计到各个部分的子系统的说明，使用QPSK调制与解调技术恢复信号，并用该软件对扩频通信系统的模型进行仿真分析与一般的通信技术进行对比分析，说明直接序列扩频通信技术的优越性。

关键词：

通信技术直接序列扩频抗干扰SystemView

TheSimulationofDSSSBasedonSystemView

ABSTRACT：

Becauseofthespreadspectrumcommunicationwiththeanti-interferenceability,goodconcealment,easytorealizetheadvantagesofmulticasttransmissioninmobilecommunications,wirelessdatacommunicationfields,suchasmoreandmorewidelyused.Oneofdirectsequencespreadspectrumcommunicationisthemosttypicaluseofspreadspectrumwork.Withtheincreasinglysophisticatedcommunicationstechnology,spreadspectrumtechnology,withitsuniqueadvantages,hasshownstrongvitality.Especiallyintoday'selectroniccountermeasures,itwillcarryoutjointmilitarycommandtoprovidethemostadvancedcommunicationsystems.Therefore,theirdetaileddiscussionisnecessarytohavegreatpracticalvalue.Thethesispresentedanoverviewofspreadspectrumcommunication,andgraduallytointroduceaspreadspectrumcommunication,aswellasthedevelopmentandcommunicationsinthemilitaryandciviliancommunicationsapplications,brieflyintroducedthebasictheoryofspreadspectrumcommunication,andthenclickonthespreadspectrumcommunicationcategoriesandthemainfeatures.Introducesthethesisinvolvedindirectsequencespreadspectrumofthemathematicalmodel.Andthepseudo-randomcodeonthebasicconceptoftheMandthemostcommonlyusedpseudo-randomcodesequencesinnature.Anddirectsequencespreadspectrumwiththetargetofanti-interferenceadvantages.ConciseintroductiontocommunicationsimulationsoftwareSYSTEMVIEW,aswellasmoredetailedstatementsfromthevariouspartsoftheoveralldesigntothesubsystemdescription,theuseofQPSKmodulationanddemodulationtechniquestorestorethesignal,andusethesoftwareonthespreadspectrumcommunicationsystemmodelAnalysisandsimulationofcommunicationtechnologiesingeneralcomparedwithanalysisofdirectsequencespreadspectrumcommunicationtechnologysuperiority.

KEYWORDS:

Communicationtechnology;QPSK;Anti-jamming;SystemView

引言

现代通信技术空前发展，无线电设备的使用越来越广泛，电磁环境变得异常复杂，电台、接力通信受到的干扰愈来愈严重，对实现通信的迅速、准确、保密和不间断要求提出了严峻的挑战。

近年来，经各国专家的努力探索实践，终于找到了干扰的“克星”———扩频通信。

所谓扩频通信，是扩展频谱通信的简称。

它是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式，扩频通信系统的出现，被誉为是通信技术的一次重大突破。

扩频通信技术由于具有较强的抗干扰能力、保密性好以及易于实现多址通信等优良的特性，它不仅在军事通信中占有重要的地位，而且近年来在民用通信中也得到了越来越广泛地应用与研究。

扩频通信主要有直接序列扩频（DSSS）、跳频扩频（FHSS）和跳时扩频（THSS）3种工作方式，其中直接序列扩频通信是扩频通信技术中最为常用的一种，影响其性能的主要因素有扩频增益和扩频码序列。

本文将借助Systemview这一系统级的通信仿真工具，建立直接序列扩频通信系统模型，研究不同的扩频码序列和扩频增益对扩频系统性能的影响。

第一章直接序列扩频通信原理

1.1扩频通信概述

现代通信技术的突出成就之一就是CDMA技术，由于CDMA技术可以处理多媒体数据业务的异步特性，可以提供比传统多址技术（如TDMA、FDMA）更高的容量，并且能够抵抗信道的频率选择性衰落，可以提供方便的多用户接入，所以它被公认为第三代移动通信的主要技术。

扩展频谱通信系统是将待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号送入信道中传输，而在接收端利用相应的手段将信号解压缩，从而获取传输信息的通信系统。

也就是说，在传输同样信息时它所需的射频带宽，远比我们已熟知的各种调制方式要求的带宽要宽的多，扩频带宽至少是信息带宽的几十倍甚至几万倍。

信息不再是决定调制信号带宽的一个重要因素，其调制信号的带宽主要由扩频函数来决定。

在过去的几十年中，由于技术的限制，人们还无法有效地扩展信号频谱，所以只能一直在走增加信号功率、减少噪声、提高信噪比的发展道路。

即使到了20世纪70年代伪码技术已经出现，但关键环节未能突破仍是无济于事。

近几年，由于超大规模集成电路的发展，几十兆赫、甚至几百兆赫的伪码发生器及其相关部件都已成为现实，才使扩频通信获得了极其迅速的发展，通信的发展史也开始进入全新的转折点，已由用信噪比换带宽的年代进入了用带宽换信噪比的新时代。

有人说，从20世纪90年代开始无线通信已步入扩频通信的年代，并开始崭新的发展时期。

此话不假，而今扩频通信的热浪已波及短波、超短波、微波通信和卫星通信，大家已十分熟悉的码分多址（CDMA）技术，已开始广泛用于蜂窝通信、无线通信和个人通信以及各种无线本地环路，并在造福于社会中大显身手，将发挥越来越大的作用。

扩频通信具有抗干扰性能好、选择性寻址能力强，保密性能好等优点，它的出现，还使军事通信在电磁环境复杂、干扰严重情况下实现顺畅指挥变为可能，从而为军事通信的进一步发展奠定了重要基础，它已成为未来军事通信和民用通信的一大发展方向。

1.1.1扩频通信的理论基础

扩频技术的理论基础可用香农（C.E.Shannon）信道容量公式

（1-1）

来表述。

式中：

C——信道容量，b/s；

B——信道带宽，Hz；

S——信号功率，W；

N——噪声功率，W。

香农公式表明了一个信道无差错地传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。

该公式表明，在高斯信道中当传输系统的信噪比S/N下降时，可用增加系统传输带宽B的办法来保持信道容量C不变。

对于任意给定的信噪比，可以通过增大传输带宽来获得较低的信息差错率。

扩频技术正式利用这一原理，用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目的，故在相同的信噪比条件下，具有较强的抗噪声干扰的能力。

香农指出：

在高斯噪声干扰下，在限平均功率的信道上，实现有效和可靠的通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。

目前人们找到的一些伪随机序列的统计特性逼近于高斯白噪声的统计特性。

这些特性适用于扩频系统中，可以使得所传输信号的统计特性逼近于高斯信道要求的最佳信号形式。

早在世纪年代，A.A.哈尔凯维奇就从理论上证明了要克服多径衰落干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式也应该是具有白噪声统计特性的信号形式。

由于扩频函数逼近白噪声的统计特性，因此扩频通信又具有抗多径干扰的能力。

1.1.2通信系统的分类

扩频通信系统的关键问题是在发信机部分如何产生宽带的扩频信号，在收信机部分如何解调扩频信号。

根据通信系统产生扩频信号的方式，可以分为下列三种。

第一种是直接序列扩频（DS-SS）

将信息码元与高速率的伪随机码序列相乘后去直接控制射频信号的某个参量，一般是调制信号的载频。

第二种是跳频扩频系统（FH-SS）

数字信息与二进制伪码序列模二相加后，去离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号频率随伪码的变化而跳变。

跳频系统实际上是一个“多频，选码和移频键控”系统。

在跳频系统中控制频率跳变的伪码的速率，没有直接序列扩频中的伪码速率高，一般为每秒几十跳到几万跳。

第三种是跳时扩频系统（TH-SS）

跳时是用伪码序列来启闭信号的发射时刻和持续时间。

发射信号的“有”或“无”同伪码系列一样是伪随机的。

跳时一般和跳频结合起来使用，两者一起构成一种“时频跳变”系统。

其中直接序列扩频通信是扩频通信技术中最为常用的一种，而本文主要研究的就是直接序列扩频的仿真模拟。

1.2直接序列扩频原理

直接序列扩频（DSSS—DirectSequenceSpreadSpectrum）技术是当今人们所熟知的扩频技术之一。

这种技术是将要发送的信息用伪随机码（PN码）扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信息。

它是二战期间开发的，最初的用途是为军事通信提供安全保障,是美军重要的无线保密通信技术。

这种技术使敌人很难探测到信号。

即便探测到信号，如果不知道正确的编码，也不可能将噪声信号重新汇编成原始的信号。

有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员HedyLamarr和钢琴家GeorgeAntheil提出的。

基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路，他们申请了美国专利#2.292.387。

不幸的是，当时该技术并没有引起美国军方的重视，直到十九世纪八十年代才引起关注，将它用于敌对环境中的无线通信系统。

直序扩频解决了短距离数据收发信机、如：

卫星定位系统（GPS）、3G移动通信系统、WLAN（IEEE802.11a,IEEE802.11b,IEE802.11g）和蓝牙技术等应用的关键问题。

扩频技术也为提高无线电频率的利用率（无线电频谱是有限的因此也是一种昂贵的资源）提供帮助。

1.2.1直接序列扩频基本原理

直序扩频通信系统的工作原理如图1.1所示。

在发端输入的数字信号信息，先由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱，扩频码序列一般采用PN码。

展宽后的信号再调制到射频发送出去。

调制多采用PSK、QPSK、MPSK等调制方式。

在接收端收到的信号进行解调（一般采用相干解调）。

然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。

恢复成原输入的信息输出。

由此可见，—般的扩频通信系统都要进行两次调制和相应的解调。

一次调制为扩频调制，二次调制为射频调制，以及相应的解扩和射频解调。

与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。

在直接序列扩频中，信息信号频谱的扩展是通过与信息序列无关的编码来实现的，此码有伪随机性质，下文会介绍什么是伪随机编码以及它的原理。

1.2.2伪随机码简介

什么是伪随机码？

伪随机码（PseudoRandomCode）又称为伪噪声码（PseudoNoiseCode），简称PN码。

简单地说，伪随机码是一种具有类似白噪声性质的码。

白噪声是一种随机过程，它的瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽频带内都是均匀的。

白噪声具有优良的相关特性，但至今无法实现对其进行放大、调制、检测、同步及控制等。

在工程上和实践中，只能用类似于带限白噪声统计特性的伪随机码信号来逼近，并作为扩展频谱系统的扩频码。

香农在其文章中指出，在高斯噪声的干扰情况下，在受限平均功率的信道上，实现有效和通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。

这是因为高斯白噪声信号具有理想的自相关特性，其功率谱密度函数为

-∞

对应的自相关函数为

（1-3）

其中：

τ为时延，

定义为

（1-4）

白噪声的自相关函数具有

函数的特点，说明它具有尖锐的自相关特性。

但是对于白噪声信号的产生、加工和复制，迄今为止仍存在着许多技术问题和困难。

然而人们已经找到了一些易于产生又便于加工和控制的伪噪声码序列，它们的统计特性近似于或逼近于高斯白噪声的统计特性。

伪噪声序列的理论在本论文不作专门讲述，这里仅简略引用其统计特性，借以说明扩频通信系统的实质。

通常伪噪声序列是一周期序列。

假设某种伪噪声序列的周期（长度）为N，且码元

都是二元域

上的元素。

一个周期（或称长度）为N，码元为

的伪噪声二元序列

的归一化自相关函是一周期为N的周期函数，可以表示为

（1-5）

其中

为伪噪声二元序列

一个周期内的表示式

（1-6）

式中

，1，2，3，…N。

当伪噪声序列周期（长度）N取足够长或N→∞时，式（1-6）可简化为

（1-7）

比较式（1-3）和式（1-7），看出它们比较接近，当序列周期（长度）足够长时，式（1-3）就逼近式（1-7）。

（式（1-6）是自相关函数归一化的形式，乘周期N后就是一般表达式，在一般表达式中

）。

所以伪噪声序列具有和白噪声相类似的统计特性，也就是说它很接近于高斯信道要求的最佳信号形式。

因此用伪噪声码扩展待传输信息信号频谱的扩频通信系统，优于常规通信系统。

PN序列有多种，其中最基本、最常用的两种序列就是m序列和gold序列，下面就简单介绍下这两种序列：

m序列

m序列是伪随机序列的一种情况。

他可以在很多领域中都有重要应用。

对于一个n级反馈移位寄存器来说，最多可以有2^n个状态，对于一个线性反馈移位寄存器来说，全“0”状态不会转入其他状态，所以线性移位寄存器的序列的最长周期为2^n-1。

当n级线性移位寄存器产生的序列{ai}的周期为T=2^n-1时，称{ai}为n级m序列。

当反馈函数f（a1,a2,a3,…an）为非线性函数时，便构成非线性移位寄存器，其输出序列为非线性序列。

输出序列的周期最大可达2^n，并称周期达到最大值的非线性移位寄存器序列为M序列。

GoId码序列

　m序列虽然性能优良，但同样长度的m序列个数不多，且序列之间的互相关值并不都好。

R·Gold提出了一种基于m序列的码序列,称为Gold码序列。

这种序列有较优良的自相关和互相关特性，构造简单，产生的序列数多，因而获得了广泛的应用。

如有两个m序列，它们的互相关函数的绝对值有界，且满足以下条件：

（1-8）

我们称这一对m序列为优选对。

它们的互相关函数如图3-3（实线），由小于某一极大值的旁瓣构成。

如果把两个m序列发生器产生的优选对序列模二相加，则产生一个新的码序列，即为Gold序列。

1.2.3直接序列扩频的扩频增益和优点

通常在衡量扩频通信系统抗干扰能力的优劣时，我们引入“处理增益Gp”的概念来描述，其定义为接收机解扩器的输出信噪功率比与接收机的输入信噪功率比之比，即

（1-9）

处理增益表示经过扩频接收系统处理后，使信号增强的同时抑制输入到接收机干扰信号的能力的大小。

处理增益

越大，则系统的抗干扰能力越强。

在直接序列扩频通信系统中，扩频增益

为

（1-10）

从上式可以看到，提高伪码速率或者降低信息码速率都可以提高扩频增益。

下面主要说说直接序列有哪些优点：

1、抗干扰能力强

扩频解调器实际上是一个相关器，扩频信号通过相关器后能有效地恢复，干扰信号（包括瞄准性窄带干扰和宽带干扰）由于与本地PN码不相关而被相关器抑制掉。

表示扩频通信特性的一个重要参数是扩频增益G（SpreadingGain）,其定义为扩频前的信号带宽B1与扩频后的信号带宽B2之比。

G=B2/B1扩频通信中，接收端对接收到的信号做扩频解调，只提取扩频编码相关处理后带宽为B1的信号成份，而排除了扩展到宽带B2中的干扰、噪声和其他用户通信的影响，相当于把接收信噪比提高了G倍。

考虑到输出端的信噪比和接收系统损耗，可以认为实际的扩频增益带来的信噪比的改善为：

M=G-输出端信噪比——系统损耗公式中的M叫做抗干扰容限。

在第三章的系统仿真中，我们可以更直观的观察到系统的抗干扰性能。

　　二、具有强的抗多径干扰能力

　　无线电波在传播的过程中，除了直接到达接收天线的直射信号外，还会有各种反射体（如大气对流层、建筑物、高山、树木、水面、地面）等引起的反射和折射信号被接收天线接收。

反射和折射信号的传播时间比直射信号长，它对直射信号产生的干扰称为多径干扰。

多径干扰会造成通信系统的严重衰落甚至无法工作。

由扩频序列的自相关函数的特性知道。

当两个接收信号序列相对时间超过码元宽度时，相关器输出只为码长的倒数，故被很大程度地抑制掉。

直序扩频技术还有一种更先进的接收技术，叫RAKE接收技术，它可以实现多径分集接收，即将各种路径来的信号，包括直接、折射、反射绕射信号解扩后在相位上根据峰值校齐并进行叠加，使信号强度更高，这样对其他同频段电台的接收不会形成干扰，信号也就不容易被发现，进一步检测出信号就更难，所以有非常高的隐蔽性，非常适合保密通信，特别适合应用于军事领域的通信。

正因为有此特点，FCC规定使用扩频通信机不必申请专用频率。

　三、对其他电台干扰小，抗截获能力强

理论分析表明，信号的检测概率与信号能量与噪声功率谱密度之比成正比，与信号的频带宽度成反比。

直扩信号正好具有这两方面的优势，它的功率谱密度很低，单位时间内的能量就很小，同时它的频带很宽。

因此，它具有很强的抗截获性。

简单的说：

由于信息信号经过扩频调制后频谱被大大扩展，使信号的功率谱密度大大降低，接收端接收到的信号谱密度比接收机噪声低，即信号完全淹没在噪声中。

　四、可以同频工作

　由于采用相关解扩，所以只要每部通信的解扩码（PN）不同，几部通信机就可以使用同一载频而不会有互相干扰，只是多增加一点背景噪声而已。

　五、便于实现多址通信

　由于不同的扩频码是正交或接近正交的，彼此相互影响很小，所以可以把不同的扩频码作为用户的地址码，则很容易实现码分多址（CDMA）通信。

移动通信系统采用CDMA方式，理论上可以使通信容量比目前的蜂窝式通信容量大。

第二章SystemView介绍

2.1SystemView简要介绍

SystemView是美国Eagleware-Elanix公司推出的（Eagleware-Elanix被Agilent于2005年收购后改名为SystemVue，但我们依然习惯性称之为SystemView），基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块（Token）去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。

　　利用SystemView，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此，它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。

用户在进行系统设计时，只需从SystemView配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。