扩频通信系统的建模仿真与频谱分析.docx

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扩频通信系统的建模仿真与频谱分析

第一章绪论...............................................................1

1.1扩频通信系统简介......................................................1

1.2扩频通信发展综述......................................................1

1.2.1扩频技术的历史...................................................1

1.2.2扩频技术的现状...................................................2

1.2.3扩频技术的未来展望...............................................2

1.3课题研究意义和研究内容................................................2

第二章扩频通信系统......................................................3

2.1扩频通信技术基本原理..................................................3

2.2目前常用的扩频通信系统................................................3

2.2.1直接序列扩频系统原理.............................................3

2.2.2跳频扩频系统原理................................................5

2.2.3直扩/跳频扩频系统原理...........................................6

第三章扩频通信系统的仿真实现............................................8

3.1MATLAB软件的相关知识.................................................8

3.1.1MATLAB简介......................................................8

3.1.2Simulink简介....................................................9

3.2扩频通信系统的仿真模型...............................................9

3.2.1基于Simulink的直接序列扩频通信系统的仿真........................9

3.2.2基于Simulink的跳频扩频通信系统的仿真...........................10

3.3扩频通信系统的仿真结果及分析..........................................11

3.3.1直接序列扩频系统................................................11

3.3.2跳频扩频系统....................................................15

第四章扩频通信系统的特点和用途.........................................18

4.1直扩系统的特点和用途................................................18

4.2跳频系统的特点和用途................................................19

4.3混合扩频系统的特点和用途............................................19

结论......................................................................20

主要参考文献..............................................................21

致谢......................................................................22

第一章绪论

1.1扩频通信系统简介

扩频通信系统具备3个主要特征：

①载波是一种不可预测的，或称之为伪随机的宽带信号；②载波的带宽比调制数据的带宽要宽得多；③接收过程是通过将本地产生的宽带载波信号的复制信号与接收到的宽带信号相关来实现的。

频谱扩展的方式主要有以下几种:

直序扩频（DS-SS）使用高速伪随机码对要传输的低速数据进行扩频调制；跳频系统则利用伪随机码控制载波频率在一个更宽的频带内变化；跳时则是数据的传输时隙是伪随机的；线性调频系统中的频率扩展则是一个线性变化的过程。

几种方式组合的混合系统也经常得到应用

衡量扩频系统最重要的一个指标就是扩频增益，又称为处理增益。

正是因为扩频系统本身具有的特征使其性能具有一系列的优势：

①低截获概率；②抗干扰能力强；③高精度测距；④多址接入；⑤保密性强。

也正是这些特性使其获得了广泛的应用。

1.2扩频通信发展综述

1.2.1扩频技术的历史

扩频通信系统是在50年代中期产生的，其最初的应用包括军事抗干扰通信、导航系统、抗多径实验系统以及其它方面。

真正实用的扩频通信系统是在50年代中期发展起来的。

麻省理工学院林肯实验室开发的扩频通信系统F9C-A/Rake系统被公认为第一个成功的扩频通信系统，在该系统的研制过程中，首次提出了瑞克（RAKE）接收的概念并成功应用，该系统也是第一个真正实用的宽带通信系统。

一直到80年代初期，扩频通信的概念都只是在军事通信系统中得到应用，这种状况到了80年代中期才得到改变。

美国联邦通信委员会（FCC）于1985年5月发布了一份关于将扩频技术应用到民用通信的报告。

从此，扩频通信技术获得了更加广阔的应用空间。

扩频技术最初在无绳电话中获得成功应用，因为当时已经没有可用的频段供无绳电话使用，而扩频通信技术允许与其它通信系统共用频段，所以扩频技术在无绳电话的通信系统中获得了其在民用通信系统中应用的第一次成功经历。

而真正使扩频通信技术成为当今通信领域研究热点的原因是码分多址（CDMA）的应用。

90年代初，在第一代模拟蜂窝通信系统的基础上，出现了PCS研究的热潮。

随着PCS以及蜂窝移动通信的发展，CDMA技术已经成为不可或缺的关键技术。

扩频通信技术也在民用通信中找到更为广阔的应用空间,而关于CDMA技术的研究热潮也一直延续到现在。

1.2.2扩频技术的现状

扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，到目前为止，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统,而跳频系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。

一般而言，跳频系统主要在军事通信中对抗故意干扰，在卫星通信中也用于保密通信，而直扩系统则主要是一种民用技术。

对跳频系统的分析，现在仍集中在其对抗各种干扰的性能方面，如对抗部分边带干扰以及多频干扰等。

而直扩系统，即DS-CDMA系统，在移动通信系统中的应用则成为扩频技术的主流。

欧洲的GSM标准和北美的以CDMA技术为基础的IS-95都在第二代移动通信系统（2G）的应用中取得了巨大的成功。

而在目前所有提议的第三代移动通信系统（3G）标准中都采用了某种形式的CDMA。

因此CDMA技术成为目前扩频技术中研究最多的对象。

1.2.3扩频技术的未来展望

从扩频技术的历史可以看出，每一次技术上的大发展都是由巨大的需求驱动的。

军事通信抗干扰的驱动以及个人通信业务的驱动使得扩频技术的抗干扰性能和码分多址能力得到最大限度的挖掘。

展望未来，第四代移动通信系统（4G）的驱动无疑会使扩频技术传输高速数据的能力得到更大的拓展。

3G设计的目标主要是支持多媒体业务的高速数据传输，因此其研究主要集中在新标准和新硬件的开发。

而对于3G以后的发展，不同的研究者有不同的观点。

但是从用户的观点看，4G应该具备以下的主要特征：

①最大的灵活性,应该能够满足在任何时间和地点，通过任何设备都可以实现通信；②降低成本，4G在实现比3G的传输速率高1~2个数量级的同时，还应该使成本降为3G时的1/10或　1/100　；③个性化和综合化的业务，不仅仅是保证每个人都能通过一个终端进行通信，而要在人周围的家庭、办公室以及热点地区建立一个通用的信息环境，使每个人都可以根据需要以各种方式获得信息。

1.3课题研究意义和研究内容

本课题的研究意义主要在于：

在扩频通信系统发展的越来越快，也被人们越来越认可的情况下，我们来研究基于MATLAB的扩频通信系统的建模仿真与频谱分析是十分必要的。

采用扩频通信系统，有抑制抗干扰能力强，信号的功率谱密度低，信号便于隐蔽和隐藏，可实现随意选址能力的码分多址的通信，可进行高分辨率的测距的优势。

本文先介绍扩频系统的发展状况，得到扩频技术在现代通信系统中应用是很广泛的，在目前正高速发展的3G通信中得到应有，并且会受到未来4G技术的青睐。

用MATLAB/Simulink对直接序列扩频系统和跳频扩频系统进行仿真，通过建模仿真和频谱分析达到进一步了解扩频通信系统的目的，具有一定的实用价值。

本论文主要研究扩频通信系统的分类及各类的建模仿真与频谱分析，其研究内容主要有：

1、进行扩频通信系统的简要介绍和两种具体的扩频通信系统的工作原理的介绍。

2、介绍MATLAB及Simulink模块的特点，然后对直接序列扩频系统和跳频扩频系统进行了仿真和结果分析。

3、简要介绍几种扩频通信系统的特点和用途。

第二章扩频通信系统

2.1扩频通信技术基本原理

扩频通信系统的理论基础是仙农定理:

（公式1）

式中：

——信道容量，——传输带宽，——信号功率/噪声功率。

在信息速率一定时，可以用不同的信号带宽和响应的信噪比来实现传输，即信号带宽越宽则传信噪比可以越低，甚至在信号被噪声淹没的情况下也可以实现可靠通信。

因此，将信号的频谱扩展，则可以实现低信噪比传输，并且可以保证信号传输有较好的抗干扰性和较高的保密性。

2.2目前常用的扩频通信系统

主要有直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum）系统，跳频扩频（FH-SS）系统，跳时扩频（TH-SS）系统，直扩/调频系统等方式.

2.2.1直接序列扩频系统原理

直接序列扩频系统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。

直扩系统的原理框图如图2-1所示：

（a）发射端

高放

混频

解扩

解调

本振

PN码

同步

（b）接收端

图2-1直扩系统组成框图

图2-1为直扩系统的组成原理框图。

在发送端，由信源输出的信号是码元持续时间Ta的信息流，伪随机码产生器产生的伪随机码为，每一伪随机码元宽度为Tc，将信码与伪随机码进行模二加，产生一速率与伪随机速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样就得到已扩频调制的射频信号。

在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频后，用与发端同步的伪随机序列对中频的扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息序列的频带，即为中频调制信号；然后再进