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

直接序列扩频通信系统的设计与实现

摘要：

直接序列扩频通信系统（DS-CDMA）因其抗干扰性强、隐蔽性好、易于实现码分多址（CDMA）、抗多径干扰、直扩通信速率高等众多优点，而被广泛应用于许多领域中。

本设计中首先首先对于直接扩频和PSK调制解调基本原理进行研究，实际包括抽样定理、快速傅里叶变换FFT、数字滤波器原理等。

然后对系统进行抽象建模，并完成各部分功能描述和实现算法研究。

接着完成系统程序编写，程序主要包含两类：

系统设计和工具设计。

其中主要包含随机源信号生成，m序列生成，直接扩频，PSK调制，高斯白噪声信道，带通滤波，PSK解调，低通滤波，抽样量化，解扩，抽样，各频谱和波形图绘制，误码率计算等部分。

最后根据需求设置参数，运行程序，对于实验结果进行分析。

关键词：

DS扩频；Matlab仿真；PSP调制解调；

第1章绪论1

1.1背景1

1.2目的和意义1

1.3主要内容2

第2章直接扩频通信系统的理论基础3

2.1直接序列扩频的概念和理论基础3

2.1.1直接序列扩频的概念3

2.1.2扩频通信的理论基础3

2.1.3直接序列扩频的基本原理4

2.1.4m序列7

2.2直扩系统的性能10

2.2.1直扩系统的抗干扰性10

2.2.2直扩信号的抗截获性10

第3章直接序列扩频通信系统的MATLAB仿真11

3.1matlab简介11

3.2设计思路和模型抽象12

3.3系统仿真流程图13

3.3.1发射机14

3.3.1接收机14

3.4matlab仿真关键程序和实现15

3.4.1工具设计15

3.4.2m序列18

3.4.3系统主程序实现19

3.5结果分析22

3.4.1无白噪声通信系统22

3.4.1高斯白噪声信道系统分析26

第4章结束语30

参考文献31

附件:

第1章绪论

1.1背景

直接序列扩频（DSSS—DirectSequenceSpreadSpectrum）技术是当今人们所熟知的扩频技术之一。

这种技术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。

它是二战期间开发的，最初的用途是为军事通信提供安全保障,是美军重要的无线保密通信技术。

这种技术使敌人很难探测到信号。

即便探测到信号，如果不知道正确的编码，也不可能将噪声信号重新汇编成原始的信号。

有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员HedyLamarr和钢琴家GeorgeAntheil提出的。

基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路，他们申请了美国专利#2.292.387。

不幸的是，当时该技术并没有引起美国军方的重视，直到十九世纪八十年代才引起关注，将它用于敌对环境中的无线通信系统。

直序扩频解决了短距离数据收发信机、如：

卫星定位系统（GPS）、3G移动通信系统、WLAN（IEEE802.11a,IEEE802.11b,IEE802.11g）和蓝牙技术等应用的关键问题。

扩频技术也为提高无线电频率的利用率（无线电频谱是有限的因此也是一种昂贵的资源）提供帮助。

直序扩频通信系统在发端输入的数字信号信息，先由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱，扩频码序列一般采用PN码。

展宽后的信号再调制到射频发送出去。

调制多采用BPSK、DPSK、MPSK等调制方式。

在接收端收到的信号进行解调（一般采用相干解调）。

然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。

恢复成原输入的信息输出。

由此可见，—般的扩频通信系统都要进行两次调制和相应的解调。

一次调制为扩频调制，二次调制为射频调制，以和相应的解扩和射频解调。

与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。

1.2目的和意义

本文所选课题为直接序列扩频通信系统的设计和仿真，直接扩频通信系统具有以下优点和不足。

1）抗干扰性强

抗干扰是扩频通信主要特性之一，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。

正因为扩频技术抗干扰性强，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）直扩通信速率高

直扩通信速率可达2M，8M，11M，无须申请频率资源，建网简单，网络性能好。

4）有很强的保密性能。

对于直扩系统而言，射频带宽很宽，谱密度很低，甚至淹没在噪音中，就很难检查到信号的存在。

由于直扩信号的频谱密度很低，直扩系统对其它系统的影响就很小。

本设计为掌握利用计算机来加深对所学知识的理解和掌握，通过MATLAB/Simulink仿真平台，运用所学的理论和方法进行仿真、解决问题。

探究直接扩频通信系统的性能和痛惜各部分信号的波形和频率特征。

1.3主要内容

（1）对于直接扩频和PSK调制解调基本原理进行研究，实际包括抽样定理、快速傅里叶变换FFT、数字滤波器原理等。

（2）对系统进行抽样建模，并完成各部分功能描述和实现算法研究。

（3）程序编写，包括主系统函数，各部分子系统函数和工具设计。

（4）设置参数，运行程序，对于实验结果进行分析。

第2章直接扩频通信系统的理论基础

2.1直接序列扩频的概念和理论基础

2.1.1直接序列扩频的概念

所谓直接序列（DS：

DirectSequence）扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。

而在接收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。

2.1.2扩频通信的理论基础

长期以来，人们总是想方设法使信号所占的频谱尽量窄，以充分提高十分宝贵的频率资源利用率。

但扩频通信在发送端用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽，在接收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复出所传信息数据。

为什么要用宽频带信号来传输窄带信息呢？

主要是为了通信的安全可靠性。

这可用信息论和抗干扰理论的基本观点来说明：

根据香农（C.E.Shannon）在信息论研究中总结出的信道容量公式，香农公式：

（2-1）

式中：

C--信息的传输速率（信道容量）单位b/s；S--信号平均功率单位W；B--频带宽度单位Hz；N--噪声平均功率单位W。

由式中可以看出：

为了提高信息的传输速率C，可以从两种途径实现，既加大带宽B或提高信噪比S/N。

换句话说，当信号的传输速率C一定时，信号带宽B和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。

扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处。

柯捷尔尼可夫在其潜在抗干扰性理论中得到如下关于信息传输差错概率的公式

（2-2）

此公式指出，差错概率Pe是信号能量E与噪声功率谱密度

之比的函数。

设信息持续时间为T，或数字信息的码元宽度为T，则信息的带宽Bm为

（2-3）

信号功率S为

（2-4）

已调（或已扩频）信号的宽度为B，则噪声功率为

（2-5）

将式（4-3）~（4-5）代入式（4-2），可得

（2-6）

上面公式指出，差错概率Pe是输入信号与噪声功率之比（S/N）和信号带宽与信息带宽之比（B/Bm）二者乘积的函数，信噪比与带宽是可以互换的。

它同样指出了用增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处。

综上所述：

将信息带宽扩展100倍，甚至用1000倍以上的带宽信号来传输信息，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的通信。

这就是扩频通信的基本思想和理论依据。

2.1.3直接序列扩频的基本原理

所谓直接序列扩频（DS），就是直接用具有高速率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。

而接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信息。

图2-1示出了直接扩频通信系统的原理方框图

图2-1直扩通信系统的组成框图

图2-2直扩通信系统的主要相位或波形

如图2-2在发送端输入信息码元m（t），它是二进制数据，图中为0、1两个码元，其码元宽度为

。

加入扩频解调器，图中为模2加法器，扩频码为一个伪随机码（PN码），记作p（t）。

伪码的波形如图2-2中的第

（2）个波形，其码元宽度为

，且取

。

通常在DS系统中，伪码的速率

远远大于信码速率

，即

，也就是说，伪码的宽度

远远小于信码的宽度

，即

，这样才能展宽频谱。

模2加法器的运算规则可用下式表示

（2-7）

当m（t）与p（t）符号相同时，c（t）为0；而当m（t）与p（t）不同时，则为1。

c（t）的波形如图4-2所示中的第（3）个波形。

由图可见，当信码m（t）为0时，c（t）与p（t）相同；而当信码m（t）为1时，则c（t）为p（t）取反既是。

显然，包含信码的c（t）其码元宽度已变成了

，即已进行了频谱扩展。

其扩展处理增益也可用下式表示

（2-8）

在

一定的情况下，若伪码速率越高，即伪码宽度（码片宽度）

越窄，则扩频处理增益越大。

经过扩频，还要载频调制，以便信号在信道上有效的传输。

图中采用二相相移键控方式。

调相器可由环行调制器完成，即将c（t）与载频

相乘，输出为

。

即

（2-9）

式中，

（2-10）

因此，经过扩频和相位调制后的信号

为

（2-11）

由上面讨论可知，经过扩频调制信号c（t）可看作只取

1的二进制波形，然后对载频进行调制，这里是采用调相（BPSK）。

所谓调制，就是指相乘过程，可采用相乘器，环行调制器（或平衡调制器），最后得到的是抑制载波双边带振幅调制信号。

这里假定平衡调制器是理想对称，码序列取+1、

1的概率相同，即调制信号无直流分量，这样平衡调制器输出的已调波中，无载波分量。

通过发射机中推动级、功放和输出电路加至天线发射出去。

通常载波频率较高，或者说载波周期

较小，它远小于伪码的周期

，即满足

。

但图2-2中（4）示出的载波波形

的宽度为

，这是为了便于看清楚一些，否则要在一个

期间内画几十个甚至几百个正弦波。

对于PSK来说，主要是看清楚已调波与调制信号之间的相位关系。

图4-2中的第（5）个图为已调波

的波形。

这里，当c（t）为一码时，已调波与载波取反相；而当c（t）为0码时，取同相。

已调波与载波的相位关系如图4-2中的第（6）个图所示。

接收端的工作原理：

假设发射的信号经过信道传输，不出现差错，经过接收机前端电路（包括输入电路、高频放大器等），输出仍为

。

这里不考虑信道衰减问题，因为对PSK调制信号而言，重要的是相位问题，这里的假定对分析工作原理是不受影响的。