直接序列扩频通信系统的设计和仿真与实现本科毕设论文.docx
《直接序列扩频通信系统的设计和仿真与实现本科毕设论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直接序列扩频通信系统的设计和仿真与实现本科毕设论文.docx（77页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
直接序列扩频通信系统的设计和仿真与实现本科毕设论文
【摘要】直接序列扩频通信系统（DS-CDMA）因其抗干扰性强、 隐蔽性好、易于实现码分多址（CDMA）、抗多径干扰、直扩通信速率高等众多优点，而被广泛应用于许多领域中。
针对频通信广泛的应用，本文用MATLAB工具箱中的SIMULINK通信仿真模块和MATLAB函数对直接序列扩频通信系统进行了分析和仿真，使其更加形象和具体。
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
本人完全了解大学关于收集、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：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
1.引言
1．1直序扩频系统的应用背景:
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。
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BPSK、DPSK、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。
1．2直序扩频系统的特点:
1.直序扩频通信系统的优点：
1）抗干扰性强
抗干扰是扩频通信主要特性之一，比如信号扩频宽度为100倍，窄带干扰基本上不起作用，而宽带干扰的强度降低了100倍，如要保持原干扰强度，则需加大100倍总功率，这实质上是难以实现的。
因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰，在不知道信号的扩频码的情况下，由于不同扩频编码之间的不同的相关性，干扰也不起作用。
正因为扩频技术抗干扰性强，美国军方在海湾战争等处广泛采用扩频技术的无线网桥来连接分布在不同区域的计算机网络。
2）隐蔽性好
因为信号在很宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低，信号淹没在白噪声之中，别人难以发现信号的存在，加之不知扩频编码，很难拾取有用信号，而极低的功率谱密度，也很少对于其他电讯设备构成干扰。
3）易于实现码分多址（CDMA）
直扩通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，是否浪费了频段？
其实正相反，扩频通信提高了频带的利用率。
正是由于直扩通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码作相关解扩才能得到，这就给频率复用和多址通信提供了基础。
充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性，分配给不同用户不同的扩频编码，就可以区别不同的用户的信号，众多用户，只要配对使用自己的扩频编码，就可以互不干扰地同时使用同一频率通信，从而实现了频率复用，使拥挤的频谱得到充分利用。
发送者可用不同的扩频编码，分别向不同的接收者发送数据；同样，接收者用不同的扩频编码，就可以收到不同的发送者送来的数据，实现了多址通信，提高了频谱利用率。
另外，扩频码分多址还易于解决随时增加新用户的问题。
4）抗多径干扰
无线通信中抗多径（发射的信号经多条不同路径传播）干扰一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性，在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。
5）直扩通信速率高
直扩通信速率可达2M，8M，11M，无须申请频率资源，建网简单，网络性能好。
6）有很强的保密性能。
对于直扩系统而言，射频带宽很宽，谱密度很低，甚至淹没在噪音中，就很难检查到信号的存在。
由于直扩信号的频谱密度很低，直扩系统对其它系统的影响就很小。
2.直扩通信系统的不足：
直扩系统除了一般通信系统所要求的同步以外，还必须完成伪随机码的同步，以便接受机用此同步后的伪随机码去对接受信号进行相关解扩。
直扩系统随着伪随机码字的加长，要求的同步精度也就高，因而同步时间就长。
1.3直扩系统的发展
由于它的抗噪声的特性，直接序列扩频技术非常适合商业应用。
在容许无线设备公开使用的电磁环境里，它对其他传统微波设备造成最小的干扰，同时对附近其他设备有更高的抗扰性。
上世纪80年代末，晶体电子技术的先进程度已经足以提供商用的、成本效益好的直接序列扩频系统。
现在直扩技术被广泛应用于包括计算机无线网等许多领域。
扩频技术在发展的初始阶段，就已经实现了理论和技术上的重大突破，在此后的发展过程中主要是硬件的改善和性能的提高。
随着移动通信的迅猛发展，目前3G系统由研制开发逐步进入商用并且向第四代无线多媒体通信飞速发展。
根据ITU的标准，世界各大电信公司联盟均提出了自己的第三代移动通信系统方案，虽然第三代移动通信系统的标准差异很大，但采用码分多址技术已经达成共识。
直扩码分多址，由于具备通信容量大、能充分利用话音的统计特性、平滑的越区切换、通信容量的软特性等优点被作为未来移动通信中最具竞争力、最有前景的无线多址接入技术。
无线扩频通信作为另一种有效的补充通信手段,已在金融系统得到了越来越广泛的应用。
发展到现在，扩频技术理论和技术都已趋于完善，主要应从系统的角度考虑总体性能，且与其它新技术结合应用。
因此，应用的驱动一直是扩频技术发展的强大动力，未来的无线通信系统，如移动通信、无线局域网、全球个人通信等，扩频技术必将发挥重要作用。
随着科技的发展，扩频技术必将获得更加广阔的应用空间。
2．CDMA数字蜂窝移动通信的介绍
2．1CDMA简介
2.1.1CDMA技术背景
CDMA的英文全称为（CodeDivisionMultipleAccess），中文意思是码分多址。
它是基于IS-95标准（双模宽带扩谱蜂窝系统的移动台—基站兼容标准）的数字移动电话系统。
CDMA是根据现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等要求而设计的一种移动通讯技术。
它是20世纪60年代由美国高通公司（QUALCOMM）开发的移动通信技术，最早用于军事领域。
与使用时分多路的GSM技术不同，CDMA并不给每一个通话者分配一个确定的频率，而是让每一个通信都使用全部的频率，使大量用户能够共享同一个无线频率。
CDMA系统是以扩频调制技术和码分
多址接入技术为基础的数字蜂窝移动通信
系统。
它为每个用户分配各自特定的地址
码，利用公共信道来传输信息。
它的地址
码通过相互间的正交性进行区别。
也就是
说，每个用户有自己的地址码，地址码彼
此之间是互相独立、互相不影响的。
由于
有不同的地址码来区分用户，所以对频率、
时间和空间没有特定的限制，在这些方面
通信是可以重叠的。
CDMA的示意图如
2-1所示，用户信号是用Ci来区分的。
2.1.2．几种常见的CDMA技术。
1.N－CDMA：
窄带码分多址系统，在美国又称为IS－95。
由高通公司创立，具有大容量、小蜂窝半径、运用宽波技术和特殊密码主题的特点，1993年被电信产业协会采用。
2.B－CDMA：
宽带码分多址系统，包括W－CDMA、CDMA2000和TD－SCDMA，它们分别是欧洲、美国（高通）和中国（大唐电信与西门子合作）所提出并开发的第三代移动通信标准。
3.CDMAOne：
流行于日本的一个品牌，是应用IS―95CDMA技术的数字蜂窝通信系统。
4.CDMAPCS：
CDMA个人通讯服务系统。
与运行在800MHz的CDMA进行比较，具有系统容量大、收费低，适用于人口稠密地区等特点。
2.1.3CDMA的特点：
1.系统容量大：
理论上，CDMA移动网的容量比模拟网大20倍。
实际要比模拟网大10倍，比GSM要大4-5倍。
2.系统容量配置灵活：
这是由CDMA的原理决定的。
CDMA是一个自扰系统，所有移动用户都占用同一个带宽和频率，传输信号之间就会有干扰。
这就好像系统的带宽是一间大房子，所有的人都将进入这个大房子。
如果他们使用不同的语言,他们就可以清楚地听到同伴的声音，而其他人的谈话在他们听来只是干扰。
我们可以不断地增加用户直到整个背景噪音限制住我们的通话。
如果能控制住用户的信号强度,在保持通话的质量同时，我们就可以容纳更多的用户。
3.CDMA系统的软切换和自动跟踪多径信号技术，降低切换时通话中断的可能性，这便于用户在移动中进行通话和数据传输。
4.频率规划简单：
用户按不同的序列码区分，所以不相同CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。
5.话音质量好：
CDMA系统话音质量很高，其通话质量已经接近了固定电话的效果。
6.接通率高：
CDMA的扩频技术和频率复用技术，充分利用信道容量，提高了网络接通率。
7.保密性好：
CDMA系统中的通话保护措施可提供最佳的保密特性，防止通信过程中被窃听和手机密码被盗。
8.发射功耗小：
CDMA系统的发射功率非常小，最大只有200毫瓦，正常通话时仅需0.１毫瓦，因此移动电话功耗小，无线辐射能量低。
所以又被称为“绿色手机”。
9.支持多种业务：
CDMA采用宽带技术，支持短消息、语音信箱、自动漫游、呼叫转移、呼叫等待、三方会谈、主叫号码显示、传真和数据通信等多项业务
2.2CDMA通信技术的基本原理
2.2.1CDMA通信技术的基础
CDMA系统是以扩频调制技术和码分多址接入技术为基础的数字蜂窝移动通信系统。
目前扩频通信系统可分为：
1.直接序列（DS）扩频
所谓直接序列扩频（DS：
DdirectSequence），就是使用具有高码率的扩频序列，在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。
2.跳频（FH）扩频
跳频（FH：
FrequenceHopping），它是用一定的码序列进行选择的多频率频移键控。
也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变。
3.跳时（TH）
跳时（TH：
TimeHopping）是使发射信号在时间轴上跳变。
我们先把时间轴分成许多时片，在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。
即：
用一定的码序列进行选择的多时片的时移键控。
4.线性调频（Chirp）
如果发射的射频脉冲信号脉冲在一个周期内，其载频的的频率做线性变化，则称为线性调频。
因为其频率在较宽的频带内变化，信号的频带也被展宽了。
这种扩频调制方式主要用在雷达中，在通信中也有应用。
2.2.2CDMA通信技术的基本原理
点对点CDMA通信系统的组成如图2-2所示
发送端将话音数据通过通过伪随机码进行扩频，然后再进行高频调制，送到天线发射出去。
接收端经过解调、解扩恢复出话音数据。
在发送端将待传的的话音，通过A/D转换，将模拟话音成二进制数据信息，通过高速率的伪随机扩频调制，从原理上讲，两者相乘，扩展到一个很宽的频带，因而在在信道中传输信号的带宽远远大于原始信号本身带宽。
在接收端，接收机不但接收到有用的信号，同时还接收到各种干扰和噪声。
利用本地产生的伪随机序列进行相关的解扩。
本地伪随机码与扩频信号中中的伪随机码一致，因此可以还原成原始窄带信号，能顺利通过窄带滤波器，恢复话音数据，再通过D/A转换器恢复原始话音。
接收机接收到的干扰和噪声，由于与本地伪随机序列不相关，经过接收解扩（实质是相乘过程），将干扰和噪声频谱大大的扩展，频谱功率密度大大的下降（类似于发送端将信号频谱扩展），落入窄带滤波器的干扰和噪声分量大大下降，因此在窄带滤波器输出端的信噪比得到了极大的改善，其改善程度就是扩频的处理增益。
2.3CDMA的应用前景
CDMA以其本身所具有的特点及优越性而广泛应用于数字移动通信和个人通信系统中。
近年来,小卫星技术的发展为实现全球移动通信和个人通信提供了条件,CDMA引入卫星移动通信中,使卫星移动通信产生质的飞跃,并在全球移动通信和个人通信中占有决定性的地位。
在向第三代移动通信标准的演进中，靠目前的GSM和模拟系统已远不能满足要求，第三代CDMA2000的开发策略是对以IS-95标准为蓝本的CDMA系统的平滑升级，CDMA20001X在商用化进程方面处于领先阶段，CDMA20001X技术使得运营商可以灵活地引入多种先进数据服务来满足逐渐增长的市场需求，而且运营商可以在当前的1.25MHz频带内就享用3G的能力。
因此采用目前技术成熟、性能优越的CDMA系统使得通信标准，易于向第三代系统过渡。
3．扩频码序列
3.1码序列的相关性
在扩展频谱通信中需要用高码率的窄脉冲序列。
这是指扩频码序列的波形而言。
并未涉及码的结构和如何产生等问题。
那么究竟选用什么样的码序列作为扩频码序列呢?
它应该具备哪些基本性能呢?
现在实际上用得最多的是伪随机码，或称为伪噪声（PN）码。
这类码序列最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。
因为噪声具有完全的随机性，也可以说具有近似于噪声的性能。
但是，真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生的。
我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，故称为伪随机码或PN码。
为什么要选用随机信号或噪声性能的信号来传输信息呢？
许多理论研究表明，在信息传输中各种信号之间的差别性能越大越好。
这样任意两个信号不容易混淆，也就是说，相互之间不易发生干扰，不会发生误判。
理想的传输信息的信号形式应是类似噪声的随机信号，因为取任何时间上不同的两段噪声来比较都不会完全相似。
用它们代表两种信号，其差别性就最大。
在数学上是用自相关函数来表示信号与它自身相移以后的相似性的。
随机信号的自相关函数的定义为下列积分：
（3-1）
式中f（t）为信号的时间函数，
为时间延迟。
上式的物理概念是f（t）与其相对延迟的
的
来比较:
如二者不完全重叠，即
，则乘积的积分
为0；
如二者完全重叠，即
；则相乘积分后
为一常数。
因此，
的大小可用来表征f（t）与自身延迟后的
的相关性，故称为自相关函数。
现在来看看随机噪声的自相关性。
图3-1（a）为任一随机噪声的时间波形及其延迟一段t后的波形。
图3-1（b）为其自相关函数。
当t＝0时，两个波形完全相同、重叠，积分平均为一常数。
如果稍微延迟一t，对于完全的随机噪声，相乘以后正负抵消，积分为0。
因而在以t为横座标的图上
应为在原点的一段垂直线。
在其他t时，其值为0。
这是一种理想的二值自相关特性。
利用这种特性，就很容易地判断接收到的信号与本地产生的相同信号复制品之间的波形和相位是否完全一致。
相位完全对准时有输出，没有对准时输出为0。
遗憾的是这种理想的情况在现实中是不能实现的。
因为我们不能产生两个完全相同的随机信号。
我们所能做到的是产生一种具有类似自相关特性的周期性信号。
PN码就是一种具有近似随机噪声这种理想二值自相关特性的码序列。
例如二元码序列1110l00为码长为7位的PN码。
如果用＋1，－1脉冲分别表示“l”和“0”，则在图3-1（c）中示出其波形和它相对延迟
个时片的波形。
这样我们很容易求出这两个脉冲序列波形的自相关函数，如图3-1（d）中。
自相关峰值在
＝0时出现，自相关函数在±
0/2范围内呈三角形。
0为脉冲宽度。
而其它延迟时，自相关函数值为－1/7,即码位长的倒数取负值。
当码长取得很大时，它就越近似于图3-1（b）中所示的理想的随机噪声的自相关特性。
自然这种码序列就被称为伪随机码或伪噪声码。
由于这种码序列具有周期性，又容易产生，它就是下面即将介绍的m序列，成为直扩系统中常用的扩频码序列。
扩频码序列除自相关性外，与其他同类码序列的相似性和相关性也很重要。
例如有许多用户共用一个信道，要区分不同用户的信号，就得靠相互之间的区别或不相似性来区分。
换句话说，就是要选用互相关性小的信号来表示不同的用户。
两个不同信号波形f（t）与g（t）之间的相似性用互相关函数来表示：
（3-2）
如果两个信号都是完全随机的，在任意延迟时间t都不相同，则上式为0。
如果有一定的相似性，则不完全为0。
两个信号的互相关函数为0，则称之为是正交的。
通常希望两个信号的互相关值越小越好，则它们越容易被区分，且相互之间的干扰也小。
3.2m序列
m序列是最长线性移位寄存器序列的简称。
二进制的m序列是一种重要的伪随机序列，有优良的自相关特性。
容易产生、规律性强，但其随机性接近于噪声和随机序列。
m序列在扩展频谱及码分多址技术中有着广泛的应用，并在m序列基础上还能够成其它码序列，因此无论从m序列直接应用还是从掌握伪随机序列基本理论而言，应该熟悉m序列的产生及其主要特性。
顾名思义，m序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。
在二进制移位寄存器发生器中，若n为级数，则所能产生的最大长度的码序列为2n－1位。
现在来看看如何由多级移位寄存器经线性反馈产生周期性的m序列。
图3-2（a）为一最简单的三级移位寄存器构成的m序列发生器。
图中Dl、D2、D3为三级移位寄存器，为模二加法器。
移位寄存器的作用为在时钟脉冲驱动下，能将所
升级会员 