直接序列扩频通信系统.docx

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直接序列扩频通信系统

玉溪师范学院信息技术工程学院

工程设计开发训练报告

题目：

直接序列扩频通信系统

姓名：

王XX

学号：

2009XXXXX

专业：

通信工程

班级：

09级通信XX班

指导教师:

XXXX

时间:

2012年12月17日－2012年12月25日

一、课题内容………………………………………………2

二、设计目的………………………………………………2

三、设计要求………………………………………………2

四、实验条件………………………………………………2

五、系统设计………………………………………………2

1.概念…………………………………………………………………3

2.理论基础…………………………………………………………3

3.直接扩频通信系统组成及原理图…………………………………4

4.扩频通信系统的研究的意义……………………………………5

5.直接序列扩频通信技术特点……………………………………20

六、系统仿真模型的建立………………………………8

七、详细设计和编码……………………………………10　

1.设计方案………………………………………………………11

2.编程工具的选择本次仿真使用Matlab………………………12

3.设计步骤…………………………………………………………13

4.运行结果及分析………………………………………………13

5.直接序列扩频通信系统使用缺陷……………………………15

八、结论和设计心得……………………………………15

八、参考文献……………………………………………17

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.综合使用《Matlab编程和系统仿真》、《信号和系统》、《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.培养学生系统设计和系统开发的思想；

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

直接序列扩频通信系统

（1）概念

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（DirectSequenceSpreadSpectrum）是高安全性高抗扰性的一种无线序列型号传输方式。

（2）理论基础

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

（1）

式中：

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

（2）

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和信噪比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和C成正比，而C和S/N成对数关系，因此，增加B比增加S/N更有效。

（3）直接扩频通信系统组成及原理图

直接序列扩频通信系统的原理是使用快速变化的二进制比特流调制射频载波信号，这种二进制比特流看上去是随机的，实际上是按照特定的算法由数字电路产生的，称为伪随机码。

在伪随机码的调制下，载波的相位在00～1800之间跳跃变化，被调制后的载波又同有效信息进行混合，通过发射机发射。

相应的接收机内能够产生相同的伪随机码，按照发射的逆过程解调，分析出有效信息信号。

图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，信源输出的信号和伪随机码产生器产生的伪随机码进行模2加，产生一速率和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，用和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。

（4）直接序列扩频通信系统的研究的意义

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，被广泛地使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，由于和扩频信号不相关，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使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。

（5）直接序列扩频通信技术特点

　　直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum）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，用和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使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：

   a,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。

   b,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。

   c,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。

美国国家航天管理局（NASA）的技术报告指出：

采用扩频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。

d,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。

  e,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。

六、系统仿真模型的建立

（1）Simulink简介

MATLAB最初是Mathworks公司推出的一种数学使用软件，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使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。

（2）模型建立及主要模块设计

基于MATLAB/Simulink所建立的直接序列扩频通信系统的仿真模型，能够反映直接序列扩频通信系统的动态工作过程，可进行波形观察、频谱分析和性能分析等，同时能根据研究和设计的需要扩展仿真模型，实现以直接序列扩频通信系统为基础的现代通信的模拟仿真，为系统的研究和设计提供强有力的平台。

（3）直接扩频通信系统仿真模型

图2为基于MATLAB/Simulink的直接序列扩频通信系统仿真模型。

图2直接序列扩频通信系统仿真模型

随机整数发生器（RandomIntegergenerator）：

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序列牛成器模块（PNSequenceGenerator）：

伪随机码产生器，扩频过程通过信息码和PN码进行双极性变换后相乘加以实现。

解扩过程和扩频过程相同，即将接收的信号用PN码进行第二次扩频处理。

通带M-PSK调制器及通带M-PSK解调器（M-PSKModulatorBassband&M-PSKDemodulatorBassband）：

使用二相相移键控PSK方式进行调制、解调。

调制由正弦载波和双极性扩频码直接相乘实现，采用相干解调法进行解调。

加性高斯白噪声（AWGNChannel）：

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（ErrorRateCalculation）：

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。

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。

七、详细设计和编码

PN码

1.设计方案　（可以画出编程的流程图，阐述设计思路等）实验流程图：

设计思路：

（1）信源：

用随机整数发生器（RandomIntegergenerator）产生二进制随机信号作为信源；

（2）M-PSK调制/解调（M-PSKModulatorPassband&M-PSKDemodulatorPassband）：

使用二相相移键控PSK方式进行调制、解调。

调制由正弦载波和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（PNSequenceGenerator）：

伪随机码产生器，扩频过程通过信息码和PN码进行双极性变换后相乘加以实现。

解扩过程和扩频过程相同，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和待传信号相乘，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（ErrorRateCalculation）：

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。

2.编程工具的选择本次仿真使用Matlab

MATLAB具有以下几个特点：

（1）友好的工作平台和编程环境

（2）简单易用的程序语言

（3）强大的科学计算机数据处理能力

（4）出色的图形处理功能

（5）使用广泛的模块集合工具箱

（6）实用的程序接口和发布平台

（7）使用软件开发（包括用户界面）

3.设计步骤

a．确定设计课题、查阅资料并进行原理图设计；

b．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和解扩系统的设计后保存。

c.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。

d.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。

4.　运行结果及分析

a，随机整数发生器产生二进制随机信号

b，MPSK解调后的信号

c，信源处号和信宿处信号比较

d,display模块误码率显示结果及分析

运行次数

错误个数

误码率值

Display模块中的误码率，是扩频后的信号和解扩后的信号的误码率比较，如果不经过扩频其误码率小于0.0025为正确值，但是经过扩频后它们的误码率为0.25，经多次修改模块参数设置并观察误码率还是没有改变，所以我觉得信号经过扩频后，其误码率也相应的扩大。

5.直接序列扩频通信系统使用缺陷

（1）频道数减少

　　当采用跳频/扩频体制时，为获得足够大的处理增益，系统占用带宽太大，这就减少了可供跳频的信道数。

（2）带宽增大

　　系统带宽太大，进入接收机前端的干扰信号增多。

（3）信息量增大

　　要得到有效的抗多径和利用多径的能力，扩频码片必须足够窄，信息比特必须足够宽，而后者又限制了信息传输速率的提高。

为了解决系统占用频带过宽、外部干扰增多和传输速率受限的矛盾，当前各国大多采用多进制扩频技术，相对有效的解决这些问题。

（4）传播频率比较

　　除了直接序列扩频以外还有其他不同的无线传播方式有不同的特性。

这些特性决定了在不同距离上传输不同数据量的能力。

以下提及的传输方式已被运用到各种无线技术中。

八、结论和设计心得　

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。

可以广泛使用于对抗干扰性和保密性要求较高的军用或民用通信。

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，我选择了扩频和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和该课题有关的资料，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，分析结果及意义；

最后，改变系统中的一些模块在进行实验调试和分析并总结经验。

九、参考文献

[1]樊昌信曹丽娜.通信原理（第6版）[M].国防工业出版社，2011年8月

[2]肖燕彩邱成等著,朱衡君主编.MATLAB语言及实践教程（第2版）[M],清华大学出版社，北京交通大学出版社

[3]李卫东等著.移动通信原理和使用技术,人民邮电出版社，2010年11月

[4]赵刚等著.扩频通信系统实用仿真技术，国防工业出版社，2009年8月

[5]matlab_XX百科,

[6]直接序列扩频技术_XX百科,