基于Matlab的扩频通信系统设计.docx

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基于Matlab的扩频通信系统设计

摘要

扩频通信是指用于传输信号的信道带宽远远大于信号自身带宽的一种通信方式，其在抗干扰、抗多径衰落、码分多址、信号隐蔽性和保密性等方面具有传统无线通信方式无可比拟的优势，在军用和民用通信中已得到广泛应用。

本文研究的是基于Matlab的扩频通信系统设计。

扩频通信就是将发送信号进行频谱扩展来达到提高其在信道中抗干扰的能力。

扩频通信关键技术有接收同步技术，信道编码技术，信道抗干扰技术。

本文利用WALSH函数生成WALSH序列码对信号进行频谱扩展，然后通过载波与扩频后的信号进行BPSK调制后将信号送入信道中，并在信道中加入加性高斯白噪声，最后对接收信号进行BPSK解调和WALSH解扩，通过求规格化内积得到较平整的波形，再通过判决器得到最后的信号波形，并将该信号与原来生成的信号进行比较，同时生成整个传输过程中的各种波形变化图，并对系统信噪比与误码率进行分析。

关键词：

扩频；Matlab；信噪比

Abstract

Spreadspectrumcommunicationmeansfortransmittingthesignalbandwidthofthechannelismuchlargerthanthesignalbandwidthofacommunicationmode,theanti-interference,multipathfadingsignal,codedivisionmultipleaccess,securityandotheraspectsofhavingatraditionalwirelesscommunicationmeansthereisnothingcomparabletothisadvantage,incivilandmilitarycommunicationhasbeenwidelyused.

ThisstudyisbasedonMatlabspreadspectrumcommunicationsystemdesign.Spreadspectrumcommunicationisthetransmissionspreadspectrumsignaltointerferenceinthechanneltoimproveitscapacity.Keytechnologiesspreadspectrumcommunicationreceiversynchronization,channelcoding,channelinterferencetechnology.ThisgeneratedusingtheWALSHfunctionsforWALSHcodesequencespreadspectrumsignal,andthenthecarriersignalafterthespreadBPSK-modulatedsignalintothechannelafter,andinJiaRujiawhiteGaussiannoisechannel,thelastofthereceivedsignalBPSKWALSHdemodulationanddespreading,bycalculatingthenormalizedinnerproducttobemoresmoothwaveformisobtainedthroughafinaljudgmentsignalwaveform,andtheoriginalsignalandthecomparisonsignalgenerated,whilegeneratingthetransmissionprocessofeachwaveformschangemap,andthesystemSNRandBERanalysis.

Keywords:

Spreadspectrumcommunication;Matlab；Signaltonoiseratio

1引言

1.1扩频通信

在扩频通信技术得到应用之前，通常使用的幅度调制和频率调制模式应用比较广泛，但是他们的数据通信受限制比较多，不再能满足新时代人们对数据速率和效率的要求。

为了改变这种现状和满足通信领域对通信的更高的要求，人们通过努力的研究分析得到了一新的、更加高效的更加可靠的通信方式，那就是扩展频谱模式。

1.2选题的目的和意义

扩频通信是指用于传输信号的信道带宽远远大于信号自身带宽的一种通信方式，它在抗噪声、抗干扰、抗多径衰落、码分多址、信号隐蔽性和保密性等方面具有较传统无线通信方式无可比拟的优势，从而与光纤通信，卫星通信一同被誉为信息时代三大主流通信传输方式。

近年来，随着超大规模集成电路技术、微处理器技术的飞速发展，以及一些新型元器件的应用，扩频通信在技术上已迈上了一个新的台阶，不仅在军事通信中占有重要地位，而且正迅速地渗透到了个人通信和计算机通信等民用领域，成为新世纪最有潜力的通信技术之一。

因此研究扩频通信具有很深远的意义。

1.3国内外现状

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。

扩频技术（SpreadSpectrum,SS）的历史可以追溯到20世纪50年代中期，但是直到80年代初，扩频技术仍然主要应用在军事通信和保密通信中。

随着个人通信业务的发展以及全球定位系统的应用，到现在为止，使用扩频技术的用户已经超过一亿。

无线通信已经成为电信产业最大的部门之一，经过十年多的稳步发展，俨然是21世纪中最有发展潜力的领域。

扩频技术在未来无线系统中的应用也再次成为人们关注的重点。

扩频通信系统是在50年代中期产生的，其最初的应用包括军事抗干扰通信、导航系统、抗多径实验系统以及其它方而。

自从扩频通信的概念在50年代开始成熟以后，此后的二十多年扩频通信技术仍得到很大的发展，但都只是局部的发展，如硬件的改进和应用领域的拓展。

’而个人通信业务（PCS）的发展终于使扩频技术迎来了另一次大发展的机遇。

一直到80年代初期，扩频通信的概念都只是在军事通信系统中得到应用，这种状况到了80年代中期才得到改变。

美国联邦通信委员会（FCC）于1985年5月发布了一份关一将扩频技术应用到民用通信的报告。

从此，扩频通信技术获得了更加广阔的应用空间。

90年代初，在第一代模拟蜂窝通信系统的基础上，出现了PCS研究的热潮。

扩频技术为共享频谱提供了可能。

使用扩频技术能够实现码分多址，即在多用户通信系统中所有用户共享同一频段，但是通过给每个用户分配不同的扩频码实现多址通信。

利用扩频码的自相关特性能够实现对给定用户信号的正确接收;将其他用户的信号看作干扰，利用扩频码的互相关特性，能够有效抑制用户之间的干扰。

随着PCS以及蜂窝移动通信的发展，CDMA技术己经成为不可或缺的关键技术。

扩频通信技术也在民用通信中找到更为广阔的应用空间，而关一于CDMA技术的研究热潮也一直延续到现在。

扩频技术由一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。

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。

2Matlab介绍

2.1Matlab简述

Matlab是矩阵实验室（MatrixLaboratory）之意。

除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。

Matlab的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似，故用Matlab来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，当前流行的Matlab5.3/Simulink3.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包（Toolbox）。

工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。

功能工具包用来扩充Matlab的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。

学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类。

开放性使Matlab广受用户欢迎.除内部函数外，所有Matlab主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。

2.2Matlab的特点

1）科学计算。

Matlab拥有庞大的数学、统计及工程函数，可实现所需的强大的数学计算功能。

安全、成熟、可靠的算法，保证了最大的运算速度和可靠的结果。

2）先进的可视化工具。

Matlab提供功能强大的、交互式的二维和三维绘图功能，可创建富有表现力的彩色图形。

3）直观灵活的语言。

Matlab不仅是一套打好包的函数库，同时也是一种高级的、面向对象的编程语言。

Matlab自身的许多函数，实际上也包括所有的工具箱函数，都是M文件实现的。

4）开放性、可扩展性强。

源程序的开放性。

开放性也许是Matlab最受人们欢迎的特点。

除内部函数以外，所有Matlab的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。

5）功能强大的工具箱是Matlab的另一特色。

Matlab包含两个部分：

核心部分和各种可选的工具箱。

核心部分中有数百个核心内部函数。

其工具箱又分为两类：

功能性工具箱和学科性工具箱。

功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互功能。

功能性工具箱用于多种学科。

而学科性工具箱是专业性比较强的，如control,toolbox,signlproceessingtoolbox,commumnicationtoolbox等。

这些工具箱都是由该领域内学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高，精，尖的研究。

6）语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。

Matlab程序书写形式自由，利用起丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。

由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。

可以说，用Matlab进行科技开发是站在专家的肩膀上。

　具有FORTRAN和C等高级语言知识的读者可能已经注意到，如果用FORTRAN或C语言去编写程序，尤其当涉及矩阵运算和画图时，编程会很麻烦。

例如，如果用户想求解一个线性代数方程，就得编写一个程序块读入数据，然后再使用一种求解线性方程的算法编写一个程序块来求解方程，最后再输出计算结果。

在求解过程中，最麻烦的要算第二部分。

解线性方程的麻烦在于要对矩阵的元素作循环，选择稳定的算法以及代码的调试动不容易。

即使有部分源代码，用户也会感到麻烦，且不能保证运算的稳定性。

而Matlab的程序极其简短。

更为难能可贵的是，Matlab甚至具有一定的智能水平，会根据矩阵的特性选择方程的求解方法，所以用户根本不用怀疑Matlab的准确性。

2.3Matlab发展史

Matlab的发展历程和介绍Matlab软件是山关国Mathworks公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统环境。

Matlab是英文MATrixLABoratory（矩阵实验室）的缩写。

它的第1版（Dos版本1.0）发行于1984年，经过10余年的不断改进，现今已推出它的WindoM98/NT版本（6.1版）。

新的版本集中了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。

在Matlab环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。

Matlab提供厂一个人机交互的数学系统环境，该系统的从本数据结构是矩阵，在生成矩陈对象时，不要求作明确的维数说明。

与利用c语言或FORTRAN语言作数值计算的程序设计相比，利用Matlab可以节省大量的编程时间。

在美国的一些大学里，Matlab正在成为对数值线性代数以及共他一些高等应用数学课程进行辅助教学的有益工具。

在工程技术界，Matlab也被用来解决一些实际课题和数学模型问题。

典塑的应用包括数值计算、算法预设计与验证，以及一些特殊的短阵计算应用，如自动控制理论、统计、数字信号处理（时间序列分拆）等。

Matlab系统最初是由CleveMoler用FORTRAN语言设计的，有关矩阵的算法来自LINPACK和EIsPACK课题的研究成果:

现在的Matlab程序足MathWorks公司用C语言开发的，第一版中steveBangert主持开发编译解释程序，SteveKleiman完成图形功能的设计，JohnLittle和CleveMoler主持开发了各类数学分析的子模块，撰写用户指南和大部分的M文件。

自从第1版发行以来，已有众多的科技工作者加入到Matlab的开发队伍中，并为形成今天的Matlab系统做出了巨大的贡献。

Matlab以商品形式出现后，仅短短儿年，就以其良好的开放性和运行的可靠性，使原先控制领域里的封闭式软件包（如英国的UMIST,瑞典的LUND和SIMNON,德国的KEDDC）纷纷淘汰，而改以Matlab为平台加以重建。

在时间进入20世纪九十年代的时候，Matlab已经成为国际控制界公认的标准计算软件。

到九十年代初期，在国际上30几个数学类科技应用软件中，Matlab在数值计算方面独占鳌头，而Mathernatica和Maple则分居符号计算软件的前两名。

Mathcad因其提供计算、图形、文字处理的统一环境而深受中学生欢迎。

MathWorks公司于2001年推出Matlab6.0版本，6.x版在继承和发展其原有的数值针算和图形可视能力的同时，出现了以下几个重要变化:

1）推出了SIMULINK。

这是一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。

它的出现使人们有可能考虑许多以前不得不做简化假设的非线性因素、随机因素，从而大大提高了人们对非线性、随机动态系统的认知能力。

2）开发了与外部进行直接数据交换的组件，打通了Matlab进行实时数据分析、处理和硬件开发的道路。

3）推出了符号计算工具包。

1993年MathWorks公司从加拿大滑铁卢大学购得Maple的使用权，以Maple为”引擎“开发了SymbolicMathTootbox1.0。

MathWorks公司此举加快结束了国际上数值计算、符号计算孰优孰劣的长期争论，促成了两种计算的互补发展新时代。

4）构作了Notebook。

MathWorks公司瞄准应用范围最广的Word，运用DDE和OLE,实现了Matlab与Word的无缝连接，从而为专业科技工作者创造了融科学计算、图形可视、文字处理于一体的高水准环境。

Matlab是一个功能十分强大的系统，是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境。

2.4Matlab开发环境

1）Matlab窗口

在Windows平台启动Matlab，可双击在操作系统桌面上自动创建的快捷方式，打开的Matlab开发平台界面如下：

图2.1Matlab开发环境

2）运行窗口

在Matlab中进行基本数学运算，只需将运算式直接打入提示号“>>”之后，并按“Enter”键即可。

Matlab会将运算结果直接存入变量ans中，代表Matlab运算后的答案，并显示在其数字屏幕上。

Matlab指令窗是Matlab十分重要的组成部分，是用户与Matlab交互的工具。

它是直接运行函数或脚本的窗体。

在输入等待符前都有“>>”来表示输入指令行，只要通过键盘输入指令就可以运行Matlab程序，运行如下：

图2.2Matlab的运行

3）M文件

对于一些比较简单的问题，可从命令窗口中直接输入指令加以执行。

但随着指令数的增加、控制流复杂度的增加，以及重复计算的要求，直接在命令窗口中进行计算就显得很烦琐。

Matlab提供的M文件很容易地解决了这个问题。

M文件实际上是由一系列Matlab指令所构成的集合或程序文件，以“文件名.m”形式存放。

文件名以英文字母开头，一般只能由英文字母、数字以及下划线符号“_”组成。

Matlab中所有的示范程序都是以M文件的形式给出,因此在做实验时所编写的程序也最好以M文件形式存放。

图2.3M文件

4）指令历史浏览器

Matlab的指令历史浏览器是管理指令历史的工具。

选择Matlab菜单Start→DesktopTools→CommandHistory即可打开指令历史浏览器（系统默认组合在Matlab桌面上）或在指令窗中执行指令commandhistory。

指令窗中运行的指令将保存在指令历史中，指令历史中的指令可以在指令窗中用箭头键再次调用出来执行，或直接在指令历史浏览器还总选择需要再次执行的指令双击即可执行，也可以用复制粘贴来实现指令窗导入俩是指令。

使用指令历史浏览器用户可以方便的了解以前做过的工作。

图2.4为指令历史浏览器界面。

图2.4指令历史浏览器

5）帮助系统

Matlab提供了丰富的查询帮助功能。

Matlab中有以下几种方法可获得帮助：

帮助指令、Matlab的web帮助和在线帮助。

帮助指令所示查询函数语法的最基本方法，是直接在指令窗中执行，并且帮助星系直接显示在指令窗中。

这对于记得函数名而对函数用法忘记或者记不清时十分有效。

指令help后直接跟随函数名、类名或其他，在工作指令窗就显示出该对象的具体说明信息。

Matlab帮助窗口包括左边的帮助向导（HelpNavigator）窗格和右边的帮助显示窗格两部分。

在左边的帮助向导窗格选择帮助项目名称或图标，将在右边的帮助显示窗格中显示对应的帮助信息。

6）图形窗口

当程序运行后，如果有图形，图形会直接显示。

如图2.5所示。

图2.5图形视窗

3基于Matlab的直接序列扩频

3.1扩频通信基本原理

图3.1扩频通信系统基本框图

图3.1所示为一个数字扩频通信系统的基本框图。

其中信道编码器、信道解码器、调制器和解调器是传统数字通信系统的基本构成单元。

在扩频通信系统中除去了这些单元外，应该用了相同的伪随机序列发生器，分别作用在发送前端的调制器与接收前端的解调器。

这两个序列发生器产生伪随机噪声（PN）二值序列，在调制端将传送信号在频域进行扩展，在解调端解扩该扩频发送信号。

所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：

“扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”。

扩频通信的基本特点，是传输信号所占用的频带宽度（W）远大于原始信息本身实际所需的最小带宽（B），其比值称为处理增益（Gp）。

总之，我们用扩展频谱的宽带信号来传输信息，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地通信。

这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。

扩频通信的性能。

扩频通信的可行性是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。

信息论中关于信息容量的香农（Shannon）公式为:

C=Blog2（1+SN）其中:

C为信道容量（即极限传输速率）,B为信号频带宽度,S为信号功率,N为噪声功率。

Shannon公式说明,在给定的传输速率不变的条件下,频带宽度和信噪比P可以互换,即可以通过增加频带宽度,在信噪比较低的情况下传输信息。

扩展频谱以换取信噪比要求的降低,正是扩频通信的重要特点,并由此为扩频通信的应用奠定了基础。

扩频扩频通信的一个重要参数是增益,反信噪比映了系统抗干扰能力的强弱,是对改善程度的度量,定义为接收机相关器输出信噪比和输入信噪比之比,即

（3.1）

其中:

Rs为扩频码的传输速率,Rd为信息数据的传输速率,Bs为扩频码的带宽,Bd为信息数据的带宽。

按照扩展频谱的方式不同,现有的扩频通信系统可分为直接序列（DS）扩频、跳频（FH）、跳时（TH）、线性调频（chirp）以及上述几种方式的组合。

扩频通信常用的扩频码主要有PN序列、GOLD序列、WALSH码和OVSF码。

PN码即伪噪声序列也称之为伪随机序列,是用确定性方法产生的序列,但它却近似具有随机产生序列所希望的某些关键随机特性。

其中最常见的伪随机序列是m序列。

而扩频通信调制方式一般采用频率调制（FM）或相位调制（PM）的方式来进行数据调制,在码分多址通信中,其调制多采用BPSK、DPSK、QPSK、MPSK等方式。

在码分多址通信中最常用BPSK（二相移相键控）。

3.2扩频通信系统的特点

扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号，其带宽远大于欲传输数据（信息）带宽，同时，接收机中必须有与宽带载波同步的副本。

由于扩频信号的上述特点，扩频系统具有以下特点。

1）提高了无线频谱利用率

无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波都得到了开发利用，仍然满足不了社会的需求。

在窄带通信中，主要依靠波道划分来防止信道之间发生干扰。

为此，世界各国都设立了频率管理机构，用户只能使用申请获准的频率。

扩频通信发送功率极低，采用了相关接收技术，且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率，也可与各种窄道通信共享同一频率资源。

所以，在美国及世界绝大多数国家，扩频通信无须申请频率，任何个人与单位都可以无执照使用。

2）抗干扰性强

由于扩频信号的不可顶测性，扩频系统具有很高的抗干扰能力。

因为干扰者难以通过观察改善其干扰性能，而只能采用发射同被干扰信号不匹配的干扰技术，因此，干扰起不了太大作用;由于扩频通信系统在传输过程中扩展了信号带宽，所以即使信噪比低，甚至是有用信号功率低于干扰信号功率的情况卜仍能够高质量地不受干扰地进行通信，扩展的频谱越宽，其抗干扰性越强。

3）保密性好

在一定的发射功率下，由J气扩频信号分布在很宽的频带内，无线信道中有用信号功率谱密度极低，这样信号可以在强噪声背景下，甚至是有用信号被噪声淹没的情况下进行可靠通信，使外界很难截获传送的信息，想进一步检测出信号的特征参数就更难了。

所以，扩频系统可实现隐蔽通信;同时，对不同用户使用不同的码，旁人无法窃听他们的通信，因而扩频系统具有高的保密性。

4）可以实现码分多址

扩频通信提高了抗干扰性能，但付出了占用频带宽的代价。

如果让许多用户共用这一宽频带，则可大大提高频带的利用率。

由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。

这样一来，在一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。

5）抗多径干扰

多路径干扰是由一于在电波传播过程中，遇到各种非期望反射体（如电离层、高山、

建筑物等）引起反射或散射。

这些反射或散射信号同直达路径信号在接收端相互干涉造成干扰。

多路径干扰在雷达和通信中都有