直接序列扩频课程设计.docx
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直接序列扩频课程设计
直接扩频课程设计报告
1.
设计要求
说明：
扩频通信（spreadspectrumcommunication）是近几年内迅速发展起来的一种通信技术。
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。
（1）设计时要综合考虑实用、经济并满足性能指标要求；
（2）必须独立完成设计课题；
（3）合理选用元器件；
（4）按时完成设计任务并提交设计报告。
2.设计目的
设计一个信息码的频率设为50kHz，采样频率设为40MHz，伪随机码频率为5MHz的直接扩频系统。
假设信源信息码的总长度为20，则每个信息码内含40MHz/50kHz＝800个采样点。
通过sign函数，把20个（0，1）区间内的随机数变成20个只用“1”与“－1”表示的信息码，而后再通过一个循环，对每一个信息码采样800次，共生成16000个采样点，每个点之间的间隔为0.025μs。
伪随机码频率设为5MHz，信息码频率为50kHz，所以每个信息码内包含5MHz/50kHz＝100个伪码。
通过调用一个产生m序列的子函数mgen.m，与一个长度为20×100的循环，就得到了伪随机序列PN码。
3.设计的具体实现（仿真）
3.1直接扩频介绍
扩频通信技术自50年代中期美国军方开始研究，一直为军事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域，直到80年代初才被应用于民用通信领域。
为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术现已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。
在传统的无线电通信系统中，信号的格式的设计是：
在保证通信质量的前提下，为了在系统所能使用的射频频带中能尽可能多地传输信息，所以要求信号的带宽不要过宽，一般信号带宽与信息的带宽是接近的，传统的无线电通信系统就是采用这种窄带信号（Sn）概念的系统，称之为窄带系统。
在扩频通信系统中，信号格式的设计思想与窄带概念是信息论的奠基者ClaudeE.Shannon在20世纪40年代提出的。
根据无线传输信道容量的理论公式1：
式中：
C是信道可能传输的最大信息速率，即信道容量；W为信道带宽；N为白噪声的平均功率；P是信号的平均功率。
从上式中可以看出：
在信噪比很小的条件下，可以用增加带宽的办法来提高系统的抗干扰性能，以保证信道容量不变。
换句话讲，在信道容量相同的条件下，宽带系统比窄带系统的抗干扰性能要好，所以当信噪比太小而且不能保证通信质量时，可以采用增加带宽的方法来改善通信质量。
设Bs表示传输信号时所占有的带宽（信号带宽），Bo表示原始信号（信息带宽），则可以把通信系统按Bs/B0的比值分为三类：
由于扩频技术在传输扩频信号时，并不增加发射信号的平均功率，仅是将要传输的信号的频带扩展后，再进行传输的。
因此扩频通信系统在信道上传输的信号功率谱密度就很低。
这种系统可以在信噪比很小的情况下，甚至在信号已被噪声淹没的情况下，仍可保持可靠的通信。
扩频通信的基本特点是传输信息所用的信号带宽远大于信息本身的带宽，也因为如此，扩频通信具有一些其它通信方式无法比拟的优越性：
（1）扩频通信最为显著的优越性是其极强的抗干扰性。
理论上讲它可以在信噪比为负值，即信号被噪声淹没的情况下，将信号提取出来。
对于单频及多频都有比较强的抑制作用，即使采用同类型的信号干扰，也由于扩频码序列之间的不相关性，干扰不起太大作用。
（2）扩频通信的另一个优越性是其隐蔽性好。
由于扩频信号的频带较宽，所以信号的功率谱密度很低，敌方不容易发现信号的存在。
在战争中，扩频信号的被截获率很低，可以进行隐蔽通信。
从民用通信方面来说，由于扩频信号的隐蔽性好，它对目前使用的各中窄带通信系统干扰很小。
理论和实验证明，在原有的窄带通信的频带内同时进行扩频通信，不需要分配另外的频段，即可实现。
（3）扩频通信可以很容易地实现码分多址，提高频带的利用率。
由于扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，利用不同码型的扩频码序列之间优越的自相关性和互相关性，对不同的用户分配不同的码型，使多个用户公用一个宽频带，提高了系统的容量。
同时还有利于组网、选呼、增加保密性及解决新用户随时入网的问题。
除此之外，扩频通信还具有良好的抗多经干扰的能力，使无线通信的性能变得更加可靠。
除通信以外，扩频系统还可用于定时、定位及测距，应用在导航、雷达等系统中。
3.2直接扩频系统
3.2.1直接扩频系统模型
在接收端，接收到的信号经混频后，用与发射同步的伪随机码对中频信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息的频带，然后再进行解调，恢复出所传送的信息a（t）。
对信道中的干扰，这些干扰包括：
窄带干扰、多径干扰、多址干扰等。
由于这些干扰与伪随机码不相关，接收机的相关解扩对它们相当于一次扩频，将干扰和噪声的频谱展宽，降低了功率谱密度，经滤波后就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪比得到提高，从而提高了系统的抗干扰能力。
直扩系统的系统框图如图1:
图.1直接扩频系统框图
由直接扩频系统框图分析可知，直接扩频系统频谱如图.2所示：
图.2直接扩频系统频谱
直接扩频系统由于在发端扩展了信号频谱，在收端解扩恢复了所传信息，这一处理过程带来了信噪比上的好处，即接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比大有改善，从而提高了系统的抗干扰能力。
因此，在衡量扩展频谱系统抗干扰优劣时，引入了“处理增益”Gp的概念来描述，其定义为接收机解扩器输出信噪功率比与接收机输入信噪功率比之比，Gp=输出信噪功率比/输入信噪功率比，它表示经扩频接收机处理后，使信号增强的同时抑制输入接收机的干扰能力的大小；Gp越大，则抗干扰能力越强。
因此，扩频通信系统对干扰有很好的抑制作用。
3.2.2直接扩频系统的仿真
常用的伪随机码主要有m序列、GOLD序列、WALSH码和OVSF码，其中最常见的是m序列。
GOLD码是m序列的复合码，是由2个码长相等，码时钟速率相同的序列优选对模2加构成，每改变2个序列相对位移就可得到一个新的GOLD序列。
GOLD序列具有良好的自、互相关特性，且地址数远远大于m序列地址数，结构简单，易于实现，在工程上得到较为广泛的应用。
WALSH函数是一种非正弦的完备正交函数系，具有理想的互相关特性，两两之间的互相关函数为0，亦即它们是正交的，因而在码分多址通信中，WALSH函数可以作为地址码使用，在IS-95中，正向传输信道就使用了64阶WALSH函数。
OVSF码是一种正交可变扩频因子码，保证在不同时隙上的不同扩频因子的扩频码正交，而在每个时隙上可使用的码的数目不固定，与每个物理信道的数据速率和扩频因子有关，OVSF码在TD-SCDMA系统中得到了广泛使用。
信息码的频率设为50kHz，采样频率设为40MHz。
假设信源信息码的总长度为20，则每个信息码内含40MHz/50kHz＝800个采样点。
通过sign函数，把20个（0，1）区间内的随机数变成20个只用“1”与“－1”表示的信息码，而后再通过一个循环，对每一个信息码采样800次，共生成16000个采样点，每个点之间的间隔为0.025μs。
伪随机码频率设为5MHz，信息码频率为50kHz，所以每个信息码内包含5MHz/50kHz＝100个伪码。
通过调用一个产生m序列的子函数mgen.m，与一个长度为20×100的循环，就得到了伪随机序列PN码。
sign（x）：
符号函数 （Signum function）
当x<0时，sign（x）=-1；
当x=0时，sign（x）=0；
当x>0时，sign（x）=1。
仿真程序如下：
code_length=20;%信息码元个数
N=1:
code_length;
rand（'seed',0）;
x=sign（rand（1,code_length）-0.5）;%信息码
fori=1:
20
s（（1+（i-1）*800）:
i*800）=x（i）;%每个信息码元内含fs/f=800个采样点
end
%产生伪随机码
length=100*20;%伪码频率5MHz,每个信息码内含5MHz/50kHz=100个伪码
x_code=sign（mgen（19,8,length）-0.5）;%把0,1序列码变换为-1,1调制码
fori=1:
2000
w_code（（1+（i-1）*8）:
i*8）=x_code（i）;%每个伪码码元内含8个采样点
end
%扩频
k_code=s.*w_code;%k_code为扩频码
%调制
fs=20e6;
f0=30e6;
fori=1:
2000
AI=2;
dt=fs/f0;
n=0:
dt/7:
dt;%一个载波周期内采样八个点
cI=AI*cos（2*pi*f0*n/fs）;
signal（（1+（i-1）*8）:
i*8）=k_code（（1+（i-1）*8）:
i*8）.*cI;
end
%解调
AI=1;
dt=fs/f0;
n=0:
dt/7:
dt;%一个载波周期内采样八个点
cI=AI*cos（2*pi*f0*n/fs）;
fori=1:
2000
signal_h（（1+（i-1）*8）:
i*8）=signal（（1+（i-1）*8）:
i*8）.*cI;
end
%解扩
jk_code=signal_h.*w_code;
%低通滤波
wn=5/10000000;%截止频率wn=fn/（fs/2）,这里的fn为信息码（扩频码）的带宽5M
b=fir1（16,wn）;
H=freqz（b,1,16000）;
signal_d=filter（b,1,jk_code）;
------------------------------------------------------------------------------------------------------
%mgen.m
function[out]=mgen（g,state,N）
gen=dec2bin（g）-48;
M=length（gen）;
curState=dec2bin（state,M-1）-48;
fork=1:
N
out（k）=curState（M-1）;
a=rem（sum（gen（2:
end）.*curState）,2）;
curState=[acurState（1:
M-2）];
end
PN码波形如图.3所示，扩频码如图.4所示，输入与输出对比如图.5所示:
图.3PN码
图.4扩频码
图.5输入与输出对比
从图形整体看，解扩出来的信息码与信源信息码基本相同。
3.2.3提高直接序列扩频系统的抗干扰性能
1．采用更长的伪随机序列
根据香农信道容量公式C=Wlog（1+S/N）,该公式表明，在高斯信道中当传输系统的信号噪声功率比S/N下降时，可以通过增加系统传输带宽，即PN码带宽的办法来保持信道容量C不变，对于任意给定信号噪声功率比，可以用增加传输带宽来获得较低的信息差错率，扩频技术正是利用这一原理，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，且长伪随机序列比短伪随机序列，周期更长，更难被敌方所侦察到，对其实施干扰几乎是不可能的。
2．采用波束可变天线（智能天线）
其原理魏采用阵列天线技术，根据天线阵列哥哥阵元接收的电磁信号因为阵元排列位置的不同带来相位差，经过待定参数的加权控制器处理后，进一步改变哥哥阵元输出信号的相位和幅度，达到最佳接收和发射，使得在同一信道上接收和发射多个用户且相互之间不干扰，实现关键是数字波束形成技术。
因此，在多用户条件下，使用智能天线形成窄波束取代传统的全向天线能够提供更大的增益，哥哥链路的用户可以降低发射功率，相应地降低了智能天线能够通过自适应调零技术实现信号的空间滤波，使不同方向的用户共享同一频率资源，所以应用智能天线的直接序列扩频系统的抗干扰能力将大大高于其处理增益。
3．采用自适应横向滤波器
自适应滤波器是一个空间域的数字滤波器，它对不应作滤波处理的点不作滤波，使滤波过程对区域成分的畸变降到最小。
在扩频通信系统中应用时，可在接收机基带部分或中频部分加入自适应干扰抑制滤波器，因为扩频信号有很宽的频带，且强的窄带干扰是容易识别和估计的，所以窄带干扰和其他单频干扰所引起的系统性能下降，可以由自适应滤波法来改善。
通常用来估计和抑制窄带干扰的算法分为2类：
第一类是非参数法，利用快速傅里叶变换算法完成对接收信号的谱估计，在谱估计的基础上用一个横向滤波器来抑制干扰：
第二类是线性预测，称为参数法。
这种算法是把干扰模拟成为白噪声通过一个全极点滤波器，用线性预测来估计所有极点模拟的相关系数，抑制干扰窄带干扰的估计及抑制是在扩频信号解扩前进行。
4．采用Racke接收机
由于信道的多径传输，接收信号包含了同一信号的多径副本，即产生了多径干扰，其幅度和相位以及时延是随机变量，这使接收机信号有很大的是真。
DS-SS系统的码片可以将多径信号区别出来，从而在接收机时加以分离和平衡，然后再予以合并，得到优化的信号。
Rake接收机实质上是才有用多径分离技术的接收机，它具有多个分支，各分支具有不同的加权值。
Rake接收机主要有两个过程，将接收机信号按预定模型分离以及将分离的信号加权相加，最后与判决变量比较输出。
心得体会及建议
在设计的过程中我也不可避免的遇到了很多的问题。
尤其是在调试过程中，会因为某些原因出不来结果。
通过不断的努力，最后在调试结果出来后，我更是无比的兴奋、无比的自豪。
总之，通过这次电子课程设计，我不仅对自己的所学知识有了更好的掌握和应用于实际，还学会了思考中发现问题解决问题。
学会思考是一个高效率的人非常重要的品质，思考是需要走出单纯的知识记忆，培养我们善于联想、敢于判断、勇于创造的新型能力。
当我们在做一件事情前、做中和做后都要思考，做前思考是根据以为或者别人的经验进行行为方式的取舍的过程，需要从很多种方案中选取最合适与最有利于事情发展的；做的过程中思考是及时根据具体情景选取进一步处理事务的方法和途径；做后思考是一个总结的过程，学会总结在以后遇到同样或者类似情况时在能得心应手。
总之在思考过程中应该注意以下几点：
全面考虑，要有很好的全局观；深入专业，不能止于事物表面，要求甚解；寻求规律性的东西，其实万事万物都是有其发展规律的。
课程设计是每一个学生必须拥有的一段经历，它使我们在实践中了解社会，让我们学到了很多在课堂上根本就学不到的知识,也打开了视野，增长了见识，为我们以后进一步走向社会打下坚实的基础。
我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。
使我充分认识到学习是自己的事，只要自己不断的地去努力学习，知识才会像喝水一样进入人的体内的，否则将是什幺都没有得到，人更不能懒字当头要学会勤奋、刻苦、认真，不管做什幺事都要经历一段过程的，必须一步一个脚印的走，一点一滴的去积累，在必要时才会拥有自己想要的。
挫折是一份财富，经历是一份拥有。
人生就是一个不断地去拼搏、奋斗的过程，只要自己认真去做了，就一定会有所收获的，才会创造更辉煌的人生，我相信只要自己在以后的学习和工作中认认真真地去做，多积累一些经验，相信自己的未来一定是美好的。
在这次课设中得到了，老师的大量指导，尤其是周剑岭老师对这次课设认真的指导，在这向您们表示衷心的感谢。
4.
参考文献
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高等教育出版社.2004
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高等教育出版社.2000
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[8]谢自美.电子线路设计、实验、测试.武汉：
华中科技大学出版社.2005
5.
附录（元器件明细表）
元器件名称
备注（型号）
元器件数目（个）
电阻
不等
15
普通电容
无极性
7
电解电容
有极性
5
三端变压器
带磁芯（交流）
8
电源
直、交（高、低）流
4
二极管
1N4007
5
表1元器件明细表
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