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3.2设计步骤7
3.3直接扩频通信系统仿真模型7
3.3.1软件介绍7
3.3.2直接扩频通信系统仿真模型图8
3.3.2各模块的简介8
3.3.3参数设置9
3.4运行结果展示11
3.5信噪比对误码率的影响14
第4章结论与设计心得20
4.1结论20
4.2设计心得20
参考文献21
第一章引言
1.1背景
人类社会进入到了信息社会，通信现代化是人类社会进入信息时代的重要标志。
怎样在恶劣的环境条件下保证通信有效地、准确地、迅速地进行，是当今通信工作者所面临的一大课题。
扩展频谱通信是现代通信系统中的一种新兴的通信方式，其较强的抗干扰、抗衰落和多径性能以及频谱利用率高、多址通信等诸多优点越来越多的为人们所认识，并被广泛的应用于军事通信和民用通信的各个领域，从而推动了通信事业的迅速发展。
扩频通信，即（Spread
Spectrum
Communication）扩展频谱通信，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。
1.2选题的目的和意义
直接序列扩频通信系统具有很强的抗干扰性能，其多址能力、保密、抗多径等功能也倍受人们的关注，被广泛地应用于军事通信和民用通信中。
直接序列扩频通信系统利用了扩展频谱技术，将信号扩展到很宽的频带上，在接收端对扩频信号进行相关处理即带宽压缩，恢复成窄带信号。
对干扰信号而言，由于与扩频信号不相关，则被扩展到一个很宽的频带上，使之进入信号通频带内的干扰功率大大降低，相应增加了相关器输出端的信号/干扰比，对大多数人为干扰而言，扩频通信系统都具有很强的对抗能力。
本文利用MATLAB/Simulink对扩频系统中的m序列的产生、频谱、相关函数，以及整个扩频系统工作原理及其抑制正弦干扰性能进行了仿真，为今后扩频通信系统在各个领域的应用和研究提供了依据。
直接序列扩频通信系统通过高速率的伪码大大展宽了待传信号的带宽，在通信领域中具有非常重要的地位。
直接序列扩频通信系统通过将信号扩展到很宽的频带上，大大降低了信号的功率谱密度，同时在接收端对扩频信号进行相关解扩，使其恢复成窄带信号。
直接序列扩频通信系统的抗干扰能力是其他通信系统无6
法比拟的。
直接序列扩频通信系统是目前唯一能够工作在负信噪比下的通信系统，其在现在的电子对抗中起着重要的作用，敌方使用很强的人为干扰信号来干扰正常的通信，然而采用扩频技术能够提高通讯设备抗干扰能力，从而保证通信安全有效。
第2章直接扩频通信系统
2.1概念
所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：
“扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；
频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；
在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。
而直接扩频通信是扩频通信中应用最广泛的，直接序列扩频，就是在发送端直接使用高码率的扩频序列码去扩展待传信号的频谱，同时在接收端使用相同的扩频序列码进行解调，把接收到的以扩信号还原成原始的信号。
直接序列扩频（Direct
Sequence
Spread
Spectrum）是高安全性高抗扰性的一种无线序列型号传输方式。
2.2理论基础
长期以来，人们总是想法使信号所占领谱尽量的窄，以充分利用十分宝贵的频谱资源。
为什么要用这样宽频带的信号来传送信息呢？
简单的回答就是主要为了通信的安全可靠。
扩频通信的基本特点，是传输信号所占用的频带宽度（W）远大于原始信息本身实际所需的最小（有效）带宽（F），其比值称为处理增益Gp。
众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，如话音为1.7
—3.1kHz，电视图像则宽到数兆赫。
为了充分利用有限的频率资源，增加通路数目，人们广泛选择不同调制方式，采用宽频信道（同轴电缆、微波和光纤等），和压缩频带等措施，同时力求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽。
因现今使用的电话、广播系统中，无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式，Gp值一般都在十多倍范围内，统称为“窄带通信”。
而扩频通信的Gp值，高达数百、上千，称为“宽带通信”。
扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。
信息论中关于信息容量的香农（Shannon）公式为：
（2-1）
式中：
C
---
信道容量（用传输速率度量）
W
信号频带宽度
P
信号功率
N
白噪声功率
式（2-1）说明，在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比
是可以互换的。
即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比
）情况下，传输信息。
扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。
总之，我们用信息带宽的100倍，甚至1000倍以上的宽带信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。
这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。
Shannon定理指出：
在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限传输速率（或称信道容量）为
公式一：
（2-2）
B为信号带宽；
S为信号平均功率；
N为噪声功率。
若白噪声的功率谱密度为n0，噪声功率N=n0B
，则信道容量C可表示为公式二：
（2-3）
由上式可以看出，B
、n0
、
S确定后，信道容量C就确定了。
由Shannon第二定理知，若信源的信息速率小于或等于信道容量C，通过编码，信源的信息能以任意小的差错概率通过信道传输。
为使信源产生的信息以尽可能高的信息速率通过信道，提高信道容量是人们所期望的。
由Shannon公式可以看出：
（a）信道容量C为常数时，带宽B与信噪比S/N可以互换，即可以通过增加带宽B来降低系统对信噪比S/N
的要求。
（b）要增加系统的信息传输速率，则要求增加信道容量。
增加信道容量的方法可以通过增加传输信号带宽B，或增加信噪比S/N来实现。
由式
（1）可知，
B与C成正比，而C与S/N成对数关系，因此，增加B比增加S/N更有效。
2.3直接扩频通信系统组成及原理图
产生相同的伪随机码，按照发射的逆过程解调，解析出有效信息信号。
图2-1
直接序列扩频通信系统组成及原理图
由直接序列扩频通信系统原理图可以看出，在发射端，信源输出的信号与伪随机码产生器产生的伪随机码进行模2加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样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，用与发射端同步的伪随机序列对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，然后进行解调，恢复出所传输的信息。
2.4直接序列扩频通信技术特点
直接序列扩频（Direct
Spectrum）通信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。
直接序列扩频通信系统开始出现于第二次世界大战，是美军重要的无线保密通信技术。
现在直接序列扩频通信系统被广泛应用于包括计算机无线网等许多领域。
直接序列扩频通信系统主要有以下一些特点：
（1）抗干扰性强
抗干扰是直接序列扩频通信系统主要特性之一，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。
正因为直接序列扩频通信系统抗干扰性强，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）
直接序列扩频通信系统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，直接序列扩频通信系统提高了频带的利用率。
正是由于直接序列扩频通信系统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。
（4）抗多径干扰
无线通信中抗多径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）直接序列扩频通信系统速率高
直接序列扩频通信系统速率可达
2M，8M，11M，无须申请频率资源，建网简单，网络性能好。
第3章系统的设计与实现
3.1设计方案
图3-1实验流程图
（1）信源：
用随机整数发生器（Random
Integer
generator）产生二进制随机信号作为信源；
（2）M-PSK调制/解调（M-PSKModulatorPassband
&
M-PSK
Demodulator
Passband）：
使用二相相移键控PSK方式进行调制、解调。
调制由正弦载波与双极性扩频码直接相乘实现，采用相干解调法进行解调。
（3）PN序列生成器模块（PN
Generator）：
伪随机码产生器，扩频过程通过信息码与PN码进行双极性变换后相乘加以实现。
解扩过程与扩频过程相同，即将接收的信号用PN码进行第二次扩频处理。
（4）扩频调制/扩频解扩：
扩频调制的过程就是使用一个高速率的伪随机码与待传信号相乘，待传信号的频谱被大大的展宽，信号的能量几乎均匀地分散在带宽的频带内，使得功率谱密度大大减小。
在接收端解扩时，将接收到的已扩信号，在同步电路的控制下，接收到的信号乘以相同的伪随机码，把已扩信号解扩为窄带信号。
在信道中引入的窄带干扰信号，在接收端经过扩频解调时，被扩展为宽带信号，干扰信号的密度大大的降低。
然后解扩后的信号经过窄带滤波器，滤掉有用信号的带外干扰，从而降低了干扰信号的强度，改善了信噪比，还原出原始信号。
（5）信道：
加性高斯自噪声信道。
（6）误码仪（Error
Rate
Calculation）：
误码仪在通信系统中主要任务是评估传输系统的误码率，它具有两个输入端口：
第一个端口（Tx）接收发送方的输入信号，第二个端口（Rx）接收接收方的输入信号。
（7）示波器（Scope）：
将发送方的信号和经过整个扩频系统的接受方信号同时输入示波器，可以很清晰直观地观察二者之间的差异。
3.2设计步骤
（1）．确定设计课题、查阅资料并进行原理图设计；
（2）．根据实验流程图设计系统图，打开matlab软件中的simulink，新建一个.mdl文件并保存，在simulink中选择所需模块进行扩频与解扩系统的设计后保存。
（3）.开始调试系统设计，观察运行结果，根据结果进行各模块的参数设计，并观察实验现象。
（4）.修改参数，多次进行调试，并在示波器中详细对比和分析实验结果。
3.3直接扩频通信系统仿真模型
3.3.1软件介绍
MATLAB最初是Mathworks公司推出的一种数学应用软件，经过多年的发展，开发了包括通信系统在内的多个工具箱，从而成为目前科学研究和工程应用的最流行的软件包之一。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个集成环境，广泛运用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
它包括一个复杂的接收器、信号源、线性和非线性组件以及连接组建的模块库，用户也可以根据需要定制或者创建自己的模块。
Simulink的主要特点在于使用户可以通过简单的鼠标操作和拷贝等命令建立起直观的系统框图模型，用户可以很随意地改变模型中的参数，并可以马上看到改变参数后的结果，从而达到方便、快捷地建模和仿真的目的。
3.3.2直接扩频通信系统仿真模型图
图3-2
直接序列扩频通信系统仿真模型
3.3.2各模块的简介
随机整数发生器（Random
generator）：
仿真系统的信源，随机整数发生器产生二进制随机信号，采样时间、初始状态可自由设置，从而满足扩频通信系统所需信源的要求。
PN序列集成器模块（PN
通带M-PSK调制器及通带M-PSK解调器（M-PSK
Modulator
Bassband
Bassband）：
加性高斯白噪声（AWGN
Channel）：
传输信道为加性高斯自噪声信进。
在加性高斯自噪声信道模块中，可进行信号功率和信噪比的设置。
误码仪（Error
示波器（Scope）：
3.3.3参数设置
Random-Integer
Generator（随机整数发生器）产生的二进制随机信号，采样周期为0.05。
信号经UnipolartoBipolarConverter进行单转双极性变换，采样周期为1/2000的伪随机（PN）码经UnipolartoBipolarConverter进行单转双极性变换，这两个序列经过模二加或相乘的过程完成扩频。
扩频后的双极性二进制的信号经过双转单极性变换进行BPSK调制。
调制后的信号进入AWGN（加性高斯白噪声）Es/N（信噪比）为32dB的传输环境后进入接收部分。
信号首先进行解调，然后与扩频采用同样的PN码进行解扩，解扩后的信号经滤波器护理后直接进入误码表。
⑴信源信源由随机整数产生器（Random
Generator）生成，随机整数产生器用来产生一个在0和M-1之间均匀分布的随机整数序列。
随机整数产生器主要有以下几个参数：
M-ary
number（输出范围）设定随机整数的取值范围。
当该参数设置为M时，随机整数的取值范围等于[0，M-1]。
Initial
seed（随机种子）随机整数产生器的随机数种子。
当使用相同的随机数种子时，随机整数产生器都会产生相同的整数序列，不同的随机数种子通常产生不同的序列。
当随机数种子的维数大于1时，随机整数产生器的输出信号维数也大于1。
Sample
time（抽样时间）输出序列每个整数的持续时间。
Frame-base
outputs（帧格式输出）指定随机整数产生器以帧格式产生输出序列。
如果选择了该选项，就不能再选择参数Interpret
vector
parameter
as
1-D。
per
frame（每帧抽样数）当选择了该选项，随机数产生器产生了一维的输出序列，这时候不能选择Frame
-based
outputs选项，否则输出的序列是一个二维向量。
表3-1
Generator（随机整数发生器）的主要参数
参数名称
参数值
M-arynumber（元数）
2
Initialseed（初始化种子）
40
Sampletime（采样时间）
0.05
⑵扩频模块
扩频模块包括伪随机码生成（由PN产生器模块完成）和相关运算两部分。
其中相关运算实质上为信息流与随机序列模二加或相乘的过程。
模型中采用的扩频码为m序列，码长31，码率为1/31。
M序列是最长线性移位寄存器序列，是伪随机序列中最重要的一种。
这种序列容易产生，有优良的自相关特性。
待发送的信息比特的长度为1秒，扩频码的每个切普长度为1/31秒。
在时间轴上一个比特正好对应于一条伪随机序列，这样将两者直接模2相加。
表3-2
PN
Generator（伪随机序列产生器）的主要参数
Generatorpolynomial（生成多项式）
[1100111]
Initialstates（初始状态）
[000001]
Outputmaskvector（orscalarshiftvalue）（移位）
1/2000
（3）调制和解调
由于发送端送来的信号具有较低的频谱能量，一般不适宜在信道中直接进行传输。
因此，在通信系统的发送端通常有调制过程，而在接收端需要解调过程。
调制和解调过程的作用在于通过某种方式将信号频谱由一个频率搬移到另一个频率的位置上。
（4）信道
加性高斯白噪声信道（AWGN）的作用是在信号中加入白噪声。
加性高斯白噪声信道模块有一个输入端口和一个输出端口，输入信号可以是实信号，也可以是复信号。
扩频后的双极性二进制信号进入AWGN信噪比为32的传输环境。
表3-3
AWGN
Channel（加性高斯白噪声信道）的主要参数
67
Mode（模式）
Signaltonoiseratio（Eb/No）
Eb/No（dB）（信噪比）
32
Inputsignalpower（输入信号功率）
1
Symbolperiod（s）（符号周期）
（5）解扩
解扩过程与扩频过程完全相同即将送入的信号用伪随机码进行第二次解扩处理。
要求使用的伪随机码与发送端的伪随机码不仅码字相同，而且相位相同。
否则会使有用信号相互抵消。
（6）误码率计算
发送信号与接收机恢复出的信号同时送入误码仪模块（Error
Calculation）进行比较，求出误码率，并显示发送信号与接收信号的值
表3-4
Error
Calculation（误码率计算）的主要参数
Receivedelay（接受延迟）
Computationdelay（计算延迟）
Computationmode（计算模式）
Entireframe
Outputdata（输出数据）
Port
3.4运行结果展示
（1）随机整数发生器产生二进制随机信号
图3-3随机整数发生器产生信号
（2）调制后的信号
图3-4调制后的信号
（3）解调后的信号
图3-5解调后信号
（4）解扩后的信号
图3-6解扩后信号
（5）扩频前，扩频后，PN码信号（其中第一行为扩频前的信号，第二行为PN码的信号，第三行为扩频后的信号）
图3-7扩频前信号-PN码信号-扩频后信号
（6）信号源，信宿信号（第一行为信源信号，第二行为信宿信号）
图3-8信源信号-信宿信号
（7）Display模块误码率显示结果及分析（下图为误码率的计算结果，第一行为误码率，第二行为所有码中错误的个数，第三行为总码数）
图3-9误码率
3.5信噪比对误码率的影响
（1）Eb/No（dB）：
10
a.参数设置
图3-10
b.误码率显示
图3-11
c.波形显示
图3-12
（2）Eb/No（dB）：
图3-13
图3-14
图3-15
（3）Eb/No（dB）：
100
图3-16
图3-17
图3-18
综上，三个信噪比参数设置运行后，它们对应的误码率显示，以及信源信宿波形比较之后，我们大致可以得出：
信噪比设置的越小，误码率显示的结果越大；
信噪比设置越大，误码率显示越小。
第4章结论与设计心得
4.1结论
直接序列扩频通信系统以其较强的抗干扰、抗衰落、抗多径性能而成为第三代通信的核心技术，本文阐述了扩频通信的理论基础和实现方法，利用MATLAB提供的可视化工具箱Simulink建立了直接序列扩频通信系统仿真模型，详细讲述了各模块的设计，并给出了仿真建模中需注意的问题。
在给定仿真条件下，运行了仿真系统，验证了所建仿真模型的正确性。
通过仿真研究了直接序列扩频通信系统在抑制正弦干扰方面的有效性问题，结果表明，直接序列扩频通信系统对正弦干扰有着良好的抗干扰性，增大信噪比可以有效抑制正弦信号的干扰。
可以广泛应用于对抗干扰性和保密性要求较高的军用或民用通信。
4.2设计心得
开始课程设计实验之前是做准备工作，准备实验所需的理论知识及实验器件及相应软件理论知识的学习，选择自己感兴趣的课题进行设计，在老师的帮助下，我选择了扩频与解扩这个课题作为我的通信系统设计课题，之后就是进行大量的收集与该课题有关的资料，并合理利用所学教材、图书馆相应文献和网络平台，进行课程设计。
该课程设计的心得有以下几点：
首先对该系统的详细了解和分析，初步掌握该系统的定义、作用、功能和意义；
其次，了解matlab中simulink的相关知识，并熟练掌握了simulink下的常用模块名称、用途和相应参数的设置；
再次，选择相应模块进行系统设计并调试，观察调试结果及示波器，分析结
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