dsss直接序列扩频通信系统.docx

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dsss直接序列扩频通信系统

一、课题内容

直接序列扩频通信系统

二进制随机信号+PN码扩频+M-PSK调制+加性高斯白噪声信道+解扩+M-PSK解调+误码率测试+信宿

二、设计目的

1.综合应用《Matlab编程与系统仿真》、《信号与系统》、《现代通信原理》等多门课程知识，使学生建立通信系统的整体概念；

2.培养学生系统设计与系统开发的思想；

3.培养学生利用软件进行通信仿真的能力；

4.培养学生独立动手完成课题设计项目的能力；

5.培养学生查找相关资料的能力。

三、设计要求

1.个人独立完成该课题；

2.对通信系统有整体的较深入的理解，深入理解自己仿真部分的原理的基础，画出对应的通信子系统的原理框图；

3.提出仿真方案；

4.完成仿真软件的编制；

5.仿真软件的演示；

6.认真完成并提交详细的设计报告。

四、实验条件

计算机、Matlab软件、相关资料、网络

五、系统设计

一、扩频通信系统发展概述

扩频通信（spreadspectrumcommunication）是近几年内迅速发展起来的一种通信技术。

在早期研究这种技术的主要目的是为提高军事通信的保密和抗干扰的性能，因此这种技术的开发和应用一直是处于保密状态。

美国在20世纪50年代中期，就开始了对扩频通信的研究，当时主要侧重在空间探测、卫星侦察和军用通信等方面。

以后，随着民用通信的频带拥挤日益严重，又由于近代微电子技术、信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的快速发展，与扩频通信有关的器件的成本大大地降低，从而进一步推动了扩频通信在民用领域的发展金额应用，而且也使扩频通信的理论和技术也得到了进一步的发展。

目前在军事上，它已经广泛应用于各种战略和战术通信的系统中，成为电子战中反干扰的一种重要的手段。

扩频技术在军事应用上的最成功的范例可以以美国和俄国的全球卫星定位系统（GPS和GLONASS）以及美军的联合战术分布系统（JTIDS）为代表；GPS和GLONASS在民用上也都得到了广泛的应用，这些系统的技术基础就是扩频技术。

扩频的码分多址技术应用于蜂窝移动通信中时，大大降低了噪声和衰落的影响，同时还避免了复杂的频率分配和时隙划分等技术上的困难，并可以省去保护频带或时隙，极大地提高了蜂窝通信系统中小区的频率复用度，使信号频谱利用率得到提高。

1990年1月，国际无线电咨询委员会（CCIR,现为ITUR）在研究未来民用陆地移动通信系统的计划报告中已明确地建议采用扩频通信技术[5]。

美国已制定出了基于CDMA蜂窝技术的IS-95标准，Samsung、Motorola等公司也已相继推出了各自的CDMA移动通信商用实验网已开通运行，并取得了良好的效果。

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。

面对全世界范围内对移动通信日益增加的要求，CDMA将是无线通信中最主要的多址介入手段。

在本世纪，扩频技术将得到更加广泛的应用。

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。

二、扩频通信的基本概念

通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。

通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。

这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。

在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。

显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。

在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。

通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。

由于信息在传输过程中受到干扰，收到的信息与发出的信息并不完全相同。

可靠性就是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度。

因此，可靠性决定于系统抵抗干扰的性能，也就是说，通信系统的可靠性决定于通信系统的抗干扰性能。

在模拟通信系统中，传输的可靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。

在数字通信系统中，传输的可靠性是用信息传输的差错率来描述的。

扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了应用。

近年来，扩展频谱通信技术的理论和应用发展非常迅速，在民用通信系统中也得到了广泛的应用。

扩频通信是扩展频谱通信的简称。

我们知道，频谱是电信号的频域描述。

承载各种信息（如语音、图象、数据等）的信号一般都是以时域来表示的，即信息信号可表示为一个时间的函数。

信号的时域表示式可以用傅立叶变换得到其频域表示式。

频域和时域的关系由式（1-1）确定：

（1-1）

函数的傅立叶变换存在的充分条件是满足狄里赫莱（Dirichlet）条件，或在区间（-∞，+∞）内绝对可积，即必须为有限值。

扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息信号无关）扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而到达传输信息目的的通信系统。

也就是说在传输同样信息信号时所需要的射频带宽，远远超过被传输信息信号所必需的最小的带宽。

扩展频谱后射频信号的带宽至少是信息信号带宽的几百倍、几千倍甚至几万倍。

信息已不再是决定射频信号带宽的一个重要因素，射频信号的带宽主要由扩频函数来决定。

由此可见，扩频通信系统有以下两个特点：

（1）传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽；

（2）传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常是伪随机（伪噪声）编码信号。

以上两个特点有时也称为判断扩频通信系统的准则。

扩频通信系统最大的特点是其具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的能力。

这里我们先定性地说明一下扩频通信系统具有抗干扰能力的理论依据。

扩频通信的基本理论根据是信息理论中香农（C·E·Shannon）的信道容量公式

（1-2）

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。

令C是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，对（1-2）式进行变换

（1-3）

对于干扰环境中的典型情况，当时，用幂级数展开（1-3）式，并略去高次项得

（1-4）

或

（1-5）

由式（1-4）和（1-5）可看出，对于任意给定的噪声信号功率比，只要增加用于传输信息的带宽B，就可以增加在信道中无差错地传输信息的速率C。

或者说在信道中当传输系统的信号噪声功率比下降时，可以用增加系统传输带宽B的办法来保持信道容量C不变。

或者说对于任意给定的信号噪声功率比，可以用增大系统的传输带宽来获得较低的信息差错率。

若（20dB），，则当时，就可以正常的传送信息，进行可靠的通信了。

这就说明了增加信道带宽B，可以在低的信噪比的情况下，信道仍可在相同的容量下传送信息。

甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号带宽也能保持可靠的通信。

如系统工作在干扰噪声比信号大100倍的信道上，信息速率R＝C＝3kb/s，则信息必须在带宽下传输，才能保证可靠的通信。

扩频通信系统正是利用这一原理，用高速率的扩频码来扩展待传输信息信号带宽的手段，来达到提高系统抗干扰能力的目的。

扩频通信系统的带宽比常规通信系统的带宽大几百倍乃至几万倍，所以在相同信息传输速率和相同信号功率的条件下，具有较强的抗干扰的能力。

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，实现有效和可靠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

（1-7）

其中：

τ为时延，定义为

（1-8）

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书以后的章节中要专门讲述，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

（1-9）

其中为伪噪声二元序列一个周期内的表示式

（1-10）

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（1-10）可简化为

（1-11）

比较式（1-7）和式（1-11），看出它们比较接近，当序列周期（长度）足够长时，式（1-11）就逼近式（1-7）。

（式（1-10）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。

哈尔凯维奇（А·А·Харкевич）早在上世纪50年代，就已从理论上证明：

要克服多径衰落干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式应该是具有白噪声统计特性的信号形式。

采用伪噪声码的扩频函数很接近白噪声的统计特性，因而扩频通信系统又具有抗多径干扰的能力。

下面我们以直接序列扩频通信系统为例，来研究扩频通信系统的基本原理。

图1-1给出了直接序列扩频通信系统的简化原理方框图。

由信源产生的信息流通过编码器变换为二进制数字信号。

二进制数字信号中所包含的两个符号的先验概率相同，均为，且两个符号相互独立，其波形图如图1-2（a）所示，二进制数字信号与一个高速率的二进制伪噪声码的波形（如图1-2（b）所示，伪噪声码作为系统的扩频码序列）相乘，得到如图1-2（c）所示的复合信号，这就扩展了传输信号的带宽。

一般伪噪声码的速率是Mb/s的量级，有的甚至达到几百Mb/s。

而待传输的信息流经编码器编码后的二进制数字信号的码速率较低，如数字话音信号一般为16kb/s~32kb/s，这就扩展了传输信号的带宽。

图1-1扩展频谱通信系统模型

（a）发射系统；（b）接收系统

频谱扩展后的复合信号对载波（为载波频率）进行调制（直接序列扩频一般采用PSK调制），然后通过发射机和天线送入信道中传输。

发射机输出的扩频信号用表示，其示意图如图1-2（d）所示。

扩频信号的带宽取决于伪噪声码的码速率。

在PSK调制的情况下，射频信号的带宽等于伪噪声码速率的2倍，即，而几乎与数字信号的码速率无关。

以上对待传输信号的处理过程就是对信号的频谱进行扩展的过程。

经过上述过程的处理，达到了对扩展频谱的目的。

图1-2理想扩展频谱系统波形示意图

在接收端用一个和发射端同步的参考伪噪声码所调制的本地参考振荡信号（为中频频率），与接收到的进行相关处理。

相关处理是将两个信号相乘，然后求其数学期望（均值），或求两个信号瞬时值相乘的积分。

当两个信号完全相同时（或相关性很好），得到最大的相关峰值，经数据检测器恢复出发射端的信号。

若信道中存在着干扰，这些干扰包括窄带干扰、人为瞄准式干扰、单频干扰、多径干扰和码分多址干扰等等，它们和有用信号同时进入接收机，如图1-3（a）所示。

图1-