完整版本科毕业设计m序列发生器的仿真实现.docx

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完整版本科毕业设计m序列发生器的仿真实现

编号：

审定成绩：

重庆邮电大学移通学院

毕业设计（论文）

设计（论文）题目：

m序列发生器的仿真实现

单位（系别）：

电子信息工程系

学生姓名：

专业：

班级：

学号：

指导教师：

答辩组负责人：

填表时间：

2012年5月

重庆邮电大学移通学院教务处制

重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文）任务书

设计（论文）题目m序列发生器的仿真实现

学生姓名系别专业班级

指导教师职称联系电话

教师单位重庆邮电大学下任务日期__2012__年_03_月__日

主

要

研

究

内

容

、

方

法

和

要

求

1、掌握扩频通信的基本概念，了解m序列在扩频通信中的作用

2、了解m序列的性质和特点

3、掌握m序列发生器的结构，能够实现不同PN序列周期的m序列

4、掌握matlab仿真软件的应用

5、利用matlab仿真工具来实现不同周期的m序列

进

度

计

划

第3-5周：

查阅资料，了解m序列在扩频通信中的作用

第6-8周：

了解m序列的随机性质以及m序列产生原理

第9-11周：

用matlab仿真工具实现不同周期的m序列

第12-13周：

撰写论文初稿，给出论文目录

第14-15周：

撰写并修改论文

第16周：

准备毕业答辩

主

要

参

考

文

献

1、啜钢，移动通信原理与系统，北京邮电大学出版社，2005.9.

2、田日才，扩频通信，清华大学出版社，2007.4.

3、王立宁，matlab与通信仿真，人民邮电出版社，2000.1.

4、吴海红，CDMA扩频通信中m序列与Gold序列的比较及应用，喀什师范学院学报，2010.3.

指导教师签字：

年月日

教研室主任签字：

年月日

备注：

此任务书由指导教师填写，并于毕业设计（论文）开始前下达给学生。

摘要

现代社会发展要求通信系统功能越来越强，性能越来越高，构成越来越复杂；另一方面，要求通信系统技术研究和产品开发缩短周期，降低成本，提高水平。

这样尖锐对立的两个方面的要求，只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。

现代计算机科学技术快速发展，已经研发出了新一代的可视化的仿真软件。

这些功能强大的仿真软件，使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展。

在通信领域中，伪随机码越来越受到人们的重视，被广泛应用于导弹、卫星、飞船轨道测量和跟踪、雷达、导航、移动通信、保密通信和通信系统性能的测量以及数字信息处理系统中，m序列是伪随机码中带线性反馈移位寄存器周期最长的一种基本序列。

本文前言对本次毕业设计的内容作了概述，第一章主要介绍了扩频通信的基本内容,包括扩频通信的概念、主要特点、扩频通信系统的模型以及m序列在扩频通信中的应用；第二章主要是对m序列的定义、原理以及性质的研究；第三章针对m序列的仿真实现以及分析的研究。

【关键词】扩频通信伪随机m序列移位寄存器仿真

ABSTRACT

Thedevelopmentofmodemsocietyrequirescommunicationssystem，theotherlevels．WecarlmsoNetheconflictbyusingthecomputeraideddesigntechnologyandtools．Therapiddevelopmentofcompmersciencecausesthesuccessfulresearchanddevdopmemofnewgenerationvisualsimulationsoftware．Thesimulationsoftwareispowerfulwhichmakestheprocessofdesignandanalysisofcommunicationssystemsimulationmoreintuitionalandconvenient．Today,thecommunicationssystemsimulationisrapiddeveloping．

Pseudorandomcodeismoreandmoreattractivethaneverbefore.Itiswidelyusedintheorbitmeasuringandtracingofguidedmissile,satelliteandairship.Theperformancemeasurementofsystemsuchasradar,commoncommunication,secrecycommunicationandcommunicationsystemisalsousedinthesystemofdigitalsignalprocessing（DSP）.Themsequenceisakindofpseudorandomcodeandlongestperiodsequence.

Thefirstpartofthecontentofthisgraduationdesignforeworded,Thefirstchaptermainlyintroducesthespreadspectrumcommunicationthebasiccontent,includingtheconceptofspreadspectrumcommunication,maincharacteristics,spreadspectrumcommunicationsystemmodelandthemsequenceinspreadspectrumcommunicationapplication;Thesecondchapterismainlyonthemsequenceofthedefinition,principlesandpropertiesof;Thethirdchapterinthemsequencesimulationandanalysisstudy.

【keywords】spreadspectrumcommunicationPNcodemsequenceshiftregistersimulate

前言2

第一章扩频通信基础4

第一节扩频通信的基本概念及相关模型4

第二节扩频通信系统的主要特点10

第三节m序列在扩频通信中的应用12

第二章m序列13

第一节m序列的定义13

第二节m序列的原理14

第三节m序列的性质17

第三章m序列发生器的仿真及分析20

第一节MATLAB软件介绍20

第二节m序列的仿真及分析21

结论26

致谢27

参考文献28

附录29

一、英文原文29

二、英文翻译38

前言

扩展频谱通信（SpreadSpectrumCommunication）是将待传送的信息数据被伪随机编码（扩频序列：

SpreadSequence）调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。

显然，这种通信方式与一般常见的窄带通信方式相反，是在扩展频谱后，宽带通信，再相关处理恢复成窄带后解调数据。

扩展频谱通信方式有许多优点，如抗干扰、抗噪音、抗多径衰落、低功率谱密度下工作、有保密性、可多址复用和任意选址、高精度测量等。

扩展频谱通信作为新型通信方式，特别引人注目，得到了迅速发展,如今在移动通信、卫星通信、宇宙通信、雷达、导航以及测距等领域得到越来越广泛的应用。

扩频通信的优势主要来自于伪随机码具有白噪声的统计特性。

而随着扩频速率的不断提高，扩频码的长度急剧增加，利用计算机设计并验证扩频码的各项指标能大大提高效率。

m序列是伪随机序列中最重要的序列中的一种，是最长的线性移位寄存器序列。

既然，m序列在扩频通信中占据着极其重要的位置，而对于m序列的产生及仿真的研究，自然也就有很大的必要性。

1、在通信加密中的应用

m序列自相关性较好，容易产生和复制，而且具有伪随机性，利用m序列加密数字信号使加密后的信号在携带原始信息的同时具有伪噪声的特点，以达到在信号传输的过程中隐藏信息的目的；在信号接收端，再次利用m序列加以解密，恢复出原始信号。

2、在雷达信号设计中的应用

近年兴起的扩展频谱雷达所采用的信号是已调制的具有类似噪声性质的伪随机序列，它具有很高的距离分辨力和速度分辨力。

这种雷达的接收机采用相关解调的方式工作，能够在低信噪比的条件下工作，同时具有很强的抗干扰能力。

该型雷达实质上是一种连续波雷达，具有低截获概率性，是一种体制新、性能高、适应现代高技术战争需要的雷达。

采用伪随机序列作为发射信号的雷达系统具有许多突出的优点。

首先，它是一种连续波雷达，可以较好地利用发射机的功率。

其次，它在一定的信噪比时，能够达到很好的测量精度，保证测量的单值性，比单脉冲雷达具有更高的距离分辨力和速度分辨力。

最后，它具有较强的抗干扰能力，敌方要干扰这种宽带雷达信号，将比干扰普通的雷达信号困难得多。

3、在通信系统中的应用[1]

伪随机序列是一种貌似随机，实际上是有规律的周期性二进制序列，具有类似噪声序列的性质，在CDMA中，地址码都是从伪随机序列中选取的，在CDMA中使用一种最易实现的伪随机序列：

m序列，利用m序列不同相位来区分不同用户；为了数据安全，在CDMA的寻呼信道和正向业务信道中使用了数据掩码（即数据扰乱）技术，其方法是用长度为2的42次方减1的m序列用于对业务信道进行扰码（注意不是扩频），它在分组交织器输出的调制字符上进行，通过交织器输出字符与长码PN码片的二进制模工相加而完成。

迄今为止，人们获得的伪随机序列仍主要是PC（相控）序列，移位寄存器序列（m和M序列），Gold序列，GMW序列，级联GMW序列，Kasami序列等。

其中，m序列是最有名和最简单的,也是研究的最透彻的序列。

m序列还是研究其它序列的基础。

它序列平衡，有最好的自相关特性，但互相关满足一定条件的族序列数很少（对于本原多项式的阶数小于等于13的m序列，互为优选对的序列数不多于6），且线性复杂度很小。

m序列族序列数极其巨大（当寄存器级数等于6时，有226个序列）。

但其生成困难，且其互相关特性目前知之甚少，一般很少用。

本次毕业设计，首先，了解了扩频通信的基本内容；其次,研究m序列性质、原理及特点等内容；最后，研究生成序列的反馈移位寄存器、反馈逻辑函数，主要针对它们的生成、随机特性以及相关特性的研究，m序列的Matlab生成源程序是基于线性反馈移位寄存器结构而编写的，并最后在理论证明的基础上应用matlab对m序列进行仿真验证。

第一章扩频通信基础

第一节扩频通信的基本概念及相关模型

一、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，所以信息传输的有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统性能的主要指标。

通信系统的有效性，是指通信系统传输信息速率的高低。

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。

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，决定于通信系统的抗干扰性。

在模拟通信系统中，传输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，传输可靠性是用差错率来衡量的[2]。

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。

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（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（-∞，+∞）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的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息码无关）扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，再利用相应的手段将其压缩，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所需要的射频带宽，远远超过被传输信息所必需的最小的带宽。

扩频后射频信号的带宽至少是信息带宽的几十倍、几百倍甚至几万倍。

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。

由上述可见，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的山农（C·E·Shannon）信道容量公式:

（1-2）

式中C为信道容量（bits），W为信道带宽（Hz），S为信号功率（W），N为噪声功率（W）。

仙农公式表明了一个信道无误差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，对式（1-2）用幂级数展开，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W，理论上就可以增加在信道中无误差地传输的信息率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W的办法来保持信道容量C不变。

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。

扩频通信系统正是利用这一原理，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。

扩频通信系统的带宽比常规通信体制大几百倍乃至几万倍，所以在相同信噪比的条件下，具有较强的抗干扰的能力。

仙农指出，在高斯噪声的干扰下，在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，其功率谱为

-∞

它的自相关函数为

（1-7）

其中：

τ为时延，

（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，它们的统计特性逼近于高斯白噪声的统计特性。

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（长度）为N，码元为的伪噪声二元序列的归一化自相关函数为

（1-9）

式中，1，2，3，…。

当伪噪声序列周期（长度）N取足够长或N→∞时，式（1-9）可简化为

（1-10）

比较式（1-7）和式（1-10），看出它们比较接近，当序列周期（长度）足够长时，式（1-10）就逼近式（1-7）。

所以伪噪声序列具有和白噪声相类似的统计特性，也就是说它逼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基带信号频谱的扩频通信系统，优于常规通信体制[3]。

二、数学模型

我们以二元直接序列扩展频谱通信系统为例，来讨论扩展频谱通信系统的数学模型。

假设系统的调制方式为PSK，图1-1（a）就是在这种情况下的发射机系统数学模型。

发射机输出PSK信号的表达式为

（1-11）

式中：

为载波的中心频率；

A为载波的振幅；

为载波的初始相位；

为二进制序列所控制的载波相位。

图1-1扩频通信系统模型

以上建立的DS-SS数学模型，是扩展频谱通信系统在理论上的抽象和概括，对扩频通信系统的本质作了描述。

虽然这种描述是在若干假设的情况下，忽略了许多次要的因素进行的，但它反映了扩频通信系统最本质的特性。

因此这个模型是很有用的，在以后讨论扩频通信系统的抗干扰性能时，我们要经常用到这个模型。

以下图1-2给出了频率跳变扩展频谱通信系统的模型[4]。

设跳频频率合成器能提供的频率数为N，则发射机输出的信号为

（1-12）

式中：

为跳频频率合成器输出信号的中心频率；

为跳频频率合成器跳变频率的最小间隔；

为每个频率信号的初相位，n=，1，2，3，…，。

图1-2跳频通信系统模型

跳频信号经过信道传输后，受到各种干扰信号的污染，假如不考虑传播损耗，则接收机收到的信号为

（1-13）

式中：

为信道传播时延；

代表各种干扰；

为高斯噪声。

假设接收机已与发射机同步，接收信号经射频滤波器滤波后，与本地跳频频率合成器输出的信号相乘，经混频器混频后，然后经中频滤波器滤波，中频滤波器的输出信号为

（1-14）

式中：

为接收机的本振频率，与相差一个中频频率。

当收发两端以相同的跳变规律跳频时，式（1-14）中的第一项中的和频分量不能通过中频滤波器，被中频滤波器滤除；差频分量在理想同步的情况下（，），通过中频滤波器的信号为

（1-15）

式中：

，为接收机的中频频率。

从式（1-15）可看出，跳频信号已经被解跳。

中频信号经解调器解调后，即可恢复出发射端传来的信息。

式（1-14）中，第二项是接收机所受的干扰情况，其中一部分是其它无线电设备对接收机的干扰，这部分干扰通常可认为是窄带干扰；另一部分是同一系统中其它发射机输出跳频信号对本接收机造成的干扰，即多址干扰，这部分干扰是宽带干扰。

窄带干扰信号在通过混频器后，只有其载波频率和跳频系统的载波频率相差不多的那部分才能通过中频滤波器，而其它大部分窄带干扰信号和接收机的本振信号混频后，落在了中频滤波器的通频带之外，被中频滤波器滤除了。

同一系统中其它发射机输出的跳频信号可以写作

（1-16）

式中，k为同一系统中发射机的个数，即用户数；

是第i个发射机的载波频率。

第i个发射机输出的跳频信号只有在载波频率时，和接收机的本振信号混频后，才落在中频滤波器的通频带之内，对接收机造成干扰。

因为和n是时间t的函数，在进行系统设计时，总可以选择，或在大部分时间内，在很小的一部分时间内。

经过中频滤波器后，大部分其它发射机输出的跳频信号被滤除，只有很小一部分落入中频滤波器的通带内造成干扰。

设为解跳后带来的窄带高斯噪声，那么

（1-17）

其中表示窄带干扰通过中频滤波器的那部分干扰信号。

在不考虑干扰和噪声的情况下，式（1-17）可表示为

（1-18）

从（1-18）式可知，只要收信端的中频滤波器能无失真的传输受信息调制的已调信号，经解调可恢复除信息信号。

第二节扩频通信系统的主要特点

扩频通信技术是一种具有优异抗干扰性能的新技术，它的主要优点是[2]：

（1）抗干扰性能好。

它具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰的能力，有利于电子反对抗，特别适合军事通信系统中运用。

相对于常规通信系统，DS-SS、FH-SS、DSFH、DSTH等系统对多径干扰不敏感，如果再采用自适应对消、自适应天线、自适应滤波等技术或措施，可以使多径干扰消除。

这对移动通信是很有利的。

（2）选择性寻址能力强，可以用码分多址的方式来组成多址通信网。

多址通信网内的所有接收机和发射机可以同时使用相同的频率工作。

对于给定的接收机，当指定了特定的扩频码后，该接收机就只能和使用相同扩频码的发射机相联系。

当网内所有的接收机都指定了不同的扩频码后，网内的任一发射机可通过选择不同的扩频码来和使用相应扩频码的接收机相联系。

使用扩频通信技术组成多址通信网时，网络的同步比常规通信体制易于实现。

便于实现机动灵活的随机接入，便于采用计算机进行信息的控制和交换。

（3）保密性能好，信息隐蔽以防窃取。

扩频信号的频谱结构基本与待传输的信息无关，主要由扩频码来决定。

信息的隐蔽程度或安全程度取决于所使用的扩频码。

由于扩频通信系统使用码周期很长的伪随机码，在一个伪码周期中具有随机特性，经过它调制后的数字信息类似于随机噪声，因而将其用于保密通信系统中，敌方采用普通侦察手段和破译方法不易发现和识辨信号。

扩频信号的功率相当均匀的被分布在很宽的频率范围内，以至被传输的功率谱密度很低，侦察接收机难以检测，使得系统具有低的截获概率，从而提高了系统的保密性能。

（4）频谱密度低，对其它通信系统的干扰小。

在输出信号功率相同的情况下，由于扩频信号扩展了频带，降低了输出信号单位频带内的功率（能量），从而降低了系统在单位频带内电波的通量密度。

频谱密度低，对空间通信大有好处。

当空间通信系统在地面上产生的电波通量密度太大时，会造成对地面通信系统的干扰。

对于当前无线电通信中频率资源匮乏的问题，利用扩频通信技术，使频率资源可重复利用。

使用扩频码分多址技术可解决常规通信系统中电波拥挤的大难题。

所以扩频码分多址通信在城市移动通信中有着广阔的应用前景。

（5）高分辨率测距。

测距是扩频技术最突出的应用。

无线电测距在测量距离增大的情况下，反射信号变弱，造成接收困难。

为克服这一困难，就必须加大发射信号的功率。

增大脉冲雷达信号的峰值功率，会受到设备和器件的限制。

加大信号的脉冲宽度，又会降低测距的分辨率。

利用连续波雷达测距时，会出现距离模糊问题。

利用扩频技术测距，扩频码序列的长度（周期）决定了测距系统的最大不模糊距离；而扩频码序列的速率（码元宽度）决定了测距系统的分辨率。

产生长周期高速率的伪随机码，在今天已不存在问题[5]。

第三节m序列在扩频通信中的应用

由前面给出的扩展频谱系统的模型知道，在扩频系统中有一个伪随机码发生器，它是构成扩展频谱通信系统不可缺少的一部分。

PN伪随机码也称为伪噪声，本论文中m序列就属于PN码的一种，在扩频通信中的扩频与解扩部分采用相应的PN码制，不同的PN码对系统的影响也不同，简单的来说，周期较短的伪码扩频以后所占频谱较窄，但是其抗干扰能力也相对较弱，如果需要获得很好的系统性能，在伪码周期选择上既要保证信号频谱不太宽也要考虑到期抗干扰能力。

伪码序列可以人为产生与复制，具有类似白噪声的性质，相关函数具有尖锐的特性，功率谱占据很宽的频带，易于从其他信号或干扰中分离出来，具有优良的抗干扰特性在本文中选用n=5的m序列来研究其产生和扩频通信系统中的性能。

扩展频谱通信系统简称扩频通信，其设计思想是将待传输的信息信号用特定的扩频码扩展频谱后成为宽带信号进行传输；接收时再采用相应的技术手段将频谱压缩，恢复原来待传信息