直接序列扩频通信系统的设计.docx
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直接序列扩频通信系统的设计
直接序列扩频通信系统的设计
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。
针对频通信广泛的应用，本文用MATLAB工具箱中的SIMULINK通信仿真模块和MATLAB函数对直接序列扩频通信系统进行了分析和仿真，使其更加形象和具体。
关键词：
直接序列扩频通信系统，码分多址，MATLAB仿真，SINMULINK模块仿真
ABSTRACT：
Directsequencespreadspectrumcommunicationsystembecauseofitsadvantagesuchasstronganti-disturbance,hidden,beingeasytorealizeCDMA,anti-multi-pathinterference,DScommunicationsratehigherstrengthsandso,soitiswidelyusedinmanyfields.Withthewideuseofthedirectsequencespreadspectrumcommunicationtechnique,thistextusecommunicationsimulatedmoduleofSIMULINKinthetoolboxofMATLABandMATLABfunctionstomakeananalysisandemulationtoDS-CDMAsystemandmakethesystemmoreimageandparticular.
Keywords：
DS-CDMA,CDMA,MATLAB,SINMULINK
1.前言
直接序列扩展频谱通信是将待发送的信息码用伪随机码调制进行频谱扩展,在接收端用同样的伪随机码进行解扩处理,恢复原始信号的通信方式。
它的理论基础是香侬信道容量公式C=log2（1+S/N）:
为达到给定的信道容量要求,可以用带宽换取信噪比,即在低信噪比的条件下可以用增大带宽的方法无误地传输给定的信息[1]。
同时,由于直扩通信还具有抗干扰、抗多径、保密性、多址复用等特点,被认为是最有发展前景的通信方式。
目前广泛地应用于移动通信,军用中的高保密抗干扰数据链,全球定位系统GPS,电子医学测量和工业中的无损检测等。
通信系统的软件仿真是现代通信系统设计、调试和检测中的有力工具。
通过仿真的方法,可以在避免建立实际的硬件电路的条件下,做出系统的最佳设计方案,估计和评价系统工作性能,极大地节省了科研人员的时间和精力。
它虽然不能完全代替实验,但却可以十分逼真地模拟实验,在某些难以实现或不可能实验的情况下,仿真的作用就更加重要。
目前,国外的信仿真已经被广泛应用,比较著名的仿真软件主要有SPW、COSSAP和SERENADE等。
扩频通信件仿真的主要侧重点,一是通过蒙特卡罗或重点抽样等算法来计算扩频通信系统在噪声干扰下的误码率[2,3];另一种则是通过通信仿真软件设计并模拟扩频通信系统的电路。
本文侧重于后者,在建立直扩通信系统模型的基础上,用ANSOFT公司的系统仿真软件SERENADE对其进行全面的仿真,包括信号的扩频、调制、信道传送、本地扩频码捕捉与跟踪、解扩、载波同步与解调的全部过程。
给出了各部分的仿真框图和框图中重要器件的输出波形,全面而详细地展示了扩频通信的关键技术,即扩频码同步捕获与跟踪的全过程。
m序列是最长线性移位寄存器序列的简称。
二进制的m序列是一种重要的伪随机序列，有优良的自相关特性。
容易产生、规律性强，但其随机性接近于噪声和随机序列。
m序列在扩展频谱及码分多址技术中有着广泛的应用，并在m序列基础上还能够成其它码序列，因此无论从m序列直接应用还是从掌握伪随机序列基本理论而言，应该熟悉m序列的产生及其主要特性。
顾名思义，m序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。
在二进制移位寄存器发生器中，若n为级数，则所能产生的最大长度的码序列为2n－1位。
2.系统总体方案设计
图2-1是直扩系统的总体框图,主要由发送、信道和接收三部分组成。
在发送端,PN码时钟的信号输入到PN码产生器,输出端发的PN码序列,它在PN码调制器中对信息码进行扩频,然后将扩频基带信号送到载波调制器中调制成BP2SK信号。
该信号经过高斯白噪声信道传输,进入接收端。
图2-1直接扩频系统的总体框图
3.系统各部分的工作原理与模型
3.1 发送端与信道
发送端的PN码产生器是一个7阶线性反馈移位寄存器,输出长度为（27-1）=127的m序列的PN码,其特征多项式为f（x）=1+x+x7PN码信号的频率和相位由PN码时钟信号决定。
扩频调制器是一个乘法器,信息码的频谱在这里得到了扩展,载波调制器进行载波调制和功率放大后发送信号。
若用d（t）和PN（t）分别表示信息码和PN码信号,ω0表示载波频率,P表示发射功率,则CM输出的信号可以表示为
（1）
式中d（t）=±1,PN（t）=±1
由于扩频通信对窄带噪声的抑制能力较强,而当噪声带宽和扩频带宽一样都非常宽时,扩频通信系统对噪声不再有明显的抑制能力,因此这里要将高斯白噪声信道设置为信噪比较好的信道。
3.2同步捕捉环路
在通信刚开始时,PN码肯定处于失步状态,收端的PN码可以用PN（t-τ）表示,其中|τ|>Tc,Tc为表示一个PN码元宽度的切普周期,这时要用滑动的方法调整本地PN码相位,使之与发端的PN码相位差在半个切普周期之内,即|τ|同步捕捉环路的框图如图2所示。
接收信号x（t）+n（t）和PN（t-τ）,从1、2两个端口输入后,通过乘法器和匹配带通滤波器组成的相关器,输出表示相关值大小的三角包络正弦信号。
如果忽略噪声,乘法器的输出可以表示为
（2）
当PN码已经同步,即τ=0时,有PN（t）PN（t-τ）=1,所以此时有
（3）
匹配带通滤波器与
相匹配，其冲激相应为
（4）
图3-1同步捕捉环路仿真框图
式中Td—信息码元周期,它与切普周期的关系是Td=NTc,N—扩频码长。
所以当|τ|Pd（t）R（τ）（1-|t-nTd|/Td）cosω0t（n-1）Td而当|τ|>Tc时,由PN码的性质可知,ymbpf（t）≈0,所以,这个包络信号就为同步的检测提供了信息。
后面的平方律包络检波器和低通滤波器提取出这个包络并送入积分器积分。
这里还有一个复实转换器,其作用是将复数信号转换为实数信号,后面还有一个实复转换,它的作用是将实数信号转换为复数信号。
积分器每隔一个信息码元周期Td积分并清除一次,用来计算收发两端PN码序列的相关程度。
该信号经过放大和抽样后,与本地门限值相减,后面的电平转换器将这个差值信号转换为逻辑电平信号的捕捉指示信号,如果差值大于零,指示信号为逻辑高电平,否则为逻辑低电平,该信号直接控制后面跟踪环路的工作。
这里还有一个扣除时钟,它输出以信息码速率为频率的时钟信号,占空比很小,脉冲宽度只比PN码时钟信号的脉宽略宽。
若同步捕捉没有完成,捕捉指示信号为低电平,扣除时钟的信号可以通过“与”门和反相器,成为扣除脉冲,从图1可以看到,它通过“与”门,每隔一个信息码元周期扣除收端PN码时钟的一个脉冲,这样收端PN码就滞后了一个Tc,以此来达到收端PN码的滑动。
当收端PN码滑动到与发端PN码相位差小于Tc/2时（通过调整门限值来控制）,捕捉指示信号为高电平,扣除脉冲信号也保持高电平,保证了图1中的PN码时钟信号通过“与”门。
3.3同步跟踪环路
同步捕捉完成之后,收发端的PN码相位差小于Tc/2,这时,同步跟踪环路在捕捉指示信号的指示下开始工作,它的作用是利用扩频序列的自相关性来微调PN码时钟的相位,进一步减小收发端PN码序列的相差。
m序列PN码在一个周期内的自相关函数为
（6）
当N>>1时,（6）式可以简化为
（7）
图3所示,R（τ）当τ=0时达到相关峰值,当|τ|>Tc时,相关值约为零。
另外,
图3-2 基于m序列相关性的鉴相曲线
它就是PN码跟踪的鉴相曲线。
两路相位相差一个Tc的PN码序列与同一输入PN码序列相关,当输入PN码序列与这两个序列的相位差都为Tc/2时（一个超前Tc/2,一个滞后Tc/2）,两相关值的平方差为零,即在图中的Tc/2点,同步跟踪环的作用就是调整收端PN码序列的相位到这一点,再将其延迟Tc/2,就与发端PN码序列完全同步了。
从图看到,当0<τ从图中的输入输出信号的关系可以表示为
式中f为固定频率Vin（t）误差控制信号,它的值可以改变输出信号的频率和相位。
此处我们假设收发端的PN码只存在相差,不存在频差,这样既符合大多数扩频通信系统在同步时所碰到的情况,也可以使问题简化。
图3-3 同步跟踪环路仿真框图
3.4压控时钟、收端PN码产生器和解扩器
图2-1中的压控时钟由压控振荡器和整形电路组成压控时钟的输入控制信号为跟踪环路输出的误差信号,其输出正弦波,通过整形电路将它变为时钟信号。
收端PN码产生器与发端的PN码产生器一样,因为接收端不可能知道发送PN码信号的相位,为了在仿真中体现这个问题,将收端PN码产生器的初值设置得与发端的初值不同,这样收发双方的PN码相位就不同,要靠同步捕捉和跟踪来减小这个相位差。
其输出PN码序列输入到捕捉环路、跟踪环路并通过延迟时间为Tc/2的延迟器输入到解扩器。
解扩器就是图1中的乘法器和低通滤波器,它的输入是已经同步的收端PN码序列和接收到的扩频宽带BPSK信号,它对BPSK信号进行解扩处理,使之还原为解扩后的仅由信息码调制的窄带BPSK信号
3.5科斯塔斯环解调器
当PN码的同步捕捉跟踪和输入信号的解扩工作完成后,就要对解扩后的窄带BPSK信号进行解调以还原信息码。
还原信息码需要从接收信号中提取一个与发端载波同频同相的本地载波,这项工作由科斯塔斯环来完成,其框图如图5示。
解扩后的窄带BPSK信号分成两路输入到两个乘法器,分别与VCO输出的相位相差π/2的本地载波信号相乘。
图中的移相器移相π/2,使两路信号分别为cosω1t和-sinω1t,所以,两路乘法器的输出分别为
滤除和频成分后输出差频成分
图3-4科斯塔斯环解调器框图
其中Δω=ω0-ω1收端载波与发端载波的频差。
这两路信号通过乘法器后,由于d2（t）=1,所以输出为
verror（t）=Psin（2Δωt）
为VCO的误差控制信号,调整本地载波的频率和相位与发端载波一致,使Δω=0。
当载波同步上后,可以从信号探测器看到解调后的信息码波形。
在仿真中,载波的同步工作在PN码没有同步时就可以开始了,这时上面式子中的d（t）都要改写成d（t）PN（t）PN（t-τ）,但是由于[d（t）PN（t）PN（t-τ）]=1,所以乘法器的输出信号verror（t）保持不变。
此时虽然可以进行载波同步,但是由于PN码没有同步,所以无法恢复信息码。
4.软件设计
4.1直接序列扩频通信系统的MATLAB仿真
矩阵实验室（MATLAB:
MatrixLaboratory）是一种以矩阵运算为基础的交互式的程序语言。
与其它计算机语言相比，具有简洁和智能化程度高的特点，而且适应科技专业人员的思维方式和书写习惯，因而用其编程和调试，可以大大提高工作的效率。
目前MATLAB已经成为国际上最流行的软件之一，除了可提供传统的交互式的编程方法之外，还能提供丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理和方便的Windows编程工具等。
因而出现了各种以MATLAB为基础的工具箱，应用于自动控制、图像信号处理、生物医学工程、语音处理、信号分析、时序分析与建模、优化设计等广泛的领域，表现出了一般高级语言难以比拟的优势。
较为常见的MATLAB工具箱有：
控制系统工具箱、系统辩识工具箱、多变量频率设计工具箱、分析与综合工具箱、神经网络工具箱、最优化工具箱、信号处理工具箱、模糊推理系统工具箱，以及通信工具箱等。
在MATLAB通信工具箱中有SIMULINK仿真模块和MATLAB函数，形成一个运算函数和仿真模块的集合体，用来进行通信领域的研究、开发、系统设计和仿真。
通信工具箱中的模块可供直接使用，并允许修改，使用起来十分方便，因而完全可以满足使用者设计和运算的需要。
MATLAB通信工具箱中的系统仿真，分为用SIMULINK模块框图进行仿真和用MATLAB函数进行的仿真两种。
在用SIMULINK模块框图的仿真中，每个模块，在每个时间步长上执行一次，就是说，所有的模块在每个时间步长上同时执行。
这种仿真被称为时间流的仿真。
而在用MATLAB函数的仿真中，函数按照数据流的顺序依次执行，意味着所处理的数据，首先要经过一个运算阶段，然后再激活下一个阶段，这种仿真被称为数据流仿真。
某些特定的应用会要求采用两种仿真方式中的一种，但无论是哪种，仿真的结果是相同的。
MATLAB的启动界面主要包括六部分：
标题栏、菜单栏、工具条、CommandWindow（命令窗口）、Workspace（工作窗口）、CommandHistory（历史命令窗口）及Start（项目启动菜单）。
其中，标题栏用于显示打开文件的名称：
菜单栏包括“File”、“Edit”、“Web”、“Window”、和“Help”5个菜单；工具栏包括了一些常用的操作图标，单击它们MATLAB可立即执行相应操作。
菜单栏和工具栏操作方法和其它应用程序中的操作方法相同。
4.2MATLAB程序设计
由图4-1直序扩频通信系统仿真框图可知，系统主要组成分为七个部分，分别为信源部分、扩频部分、调制部分、信道传输部分、解调部分、解扩部分和信宿部分。
信源部分：
用户把要传输的信息给定，用户输入的信息。
调制部分：
采用的是BPSK调制，数据进行调制然后输送出其调制之后的波形。
调制后的传输信道选用的是高斯白噪声信道，信噪比可任意设定，在本次仿真中信噪比设定为20。
扩频部分：
数据要进行扩频处理。
这里选用的是利用PN码与输入的信号进行扩频，扩频后等待送入信道。
PN码的产生是由一个PN码发生器来完成的。
PN码发生器如图4-2所示。
图4-2
在信道的接收端进行的过程和输入端刚好是相反的。
首先进行解调，也是选择BPSK的解调。
然后是解扩，解扩时使用的PN码和扩频时使用的一致。
这样才能保证解扩出相应的信息。
整个仿真过程共设置了八个波形观测设备，运行后可以从这八个波形图中较直观的看到DS-CDMA系统的每一个调制过程。
4.2．2BPSK调制
BPSK是二进制相移键控，在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生BPSK信号。
通常用已调信号载波的0°和180°分别表示二进制数字基带信号的1和0。
理想的BPSK调制可使载波相位瞬时变化180°。
BPSK信号的调制原理图如图4-3所示：
图4-3BPSK调制原理图
BPSK信号的解调通常都是采用相干解调，解调器原理图如图4-4所示，在相干解调过程中需要用到与接收到的BPSK信号同频同相的相干波。
图4-5是BPSK调制与解调框图，5-17是信源输入的随机数字信息的波形，图5-18是随机数字信息经BPSK调制后的频谱图。
在数字通信系统中，编码器的输出是某一数字序列，而译码器输入同样也是一数字序列，它们在一般情况下是相同的数字序列。
因此，从编码器输出端到译码器输入端的所有转换器及传输媒质可用一个完成数字序列变换的方框加以概括，这个方框就称为编码信道。
AWGN信道，是指信号在信道中传输时加入了高斯白噪声，如图4-7的仿真波形中第一个图形为输入信息，第二个波形为加入高斯白噪声后的波形。
4.3软件设计流程图：
5.系统仿真结果
6系统功能和指标参数
5.1系统功能
本文通过对直接序列扩展频谱通信系统进行建模,在系统仿真软件下,对无导频直接扩频通信系统进行了全面的仿真:
采用相关器捕捉环路和跟踪环路,在载波未同步条件下先实现PN码同步,然后从解扩信号中提取载波,最后恢复信息码。
该仿真的实现,详细地展示了扩频通信系统的关键技术即PN码同步的整个工作过程,体现了仿真在通信工程应用中的优点。
本文的仿真结果,既是直扩通信系统设计的一种方案,也为今后对直扩通信系统进行性能评价和故障分析提供了方便。
5.2系统指标参数
载波频率为1217MHz
信道的信噪比为SNR=20dB
中心频率设置为f=121698MHz
6设计总结和体会
6.1设计总结
本次课程设计经过为期2周的不懈努力，目前基本达到了预期的要求，能够实现抗混叠滤波的功能。
系统结构简单，可靠性高，成本低，容易实现，实用效果良好。
6.2设计的收获体会
由于这次设计是在放假期间独立完成的，所以在各模块之间的衔接上，以及某些参数的确定上可能还存在一定的问题。
但通过这次设计，收获也颇多。
通过查阅资料，我对DS直接序列和m序列有了很深刻的印象。
以前，虽然也接触过这些，但都不太了解，连具体的用处都还不是很明白。
现在，了解了很多，也明白了做一个设计首先就是要把具体方案设计出来，找出所需要的元件，再对其参数进行设定，这样完成一个设计就会很快了。
最难的一块就是确定方案了。
当时，我做这个设计的时候就是在设计方案以及参数的选择上花费了很多时间。
做完设计的同时也感觉到自己需要学的知识还很多。
因此我将在以后的时间中加强学习，同时要学会利用Internet或图书馆查阅自己需要的资料。
使自己在面对一个设计时能知道先做什么，后做什么。
遇见不懂的地方也能通过查阅资料来搞懂。
这次设计也存在着一些不足之处，望老师指教修改，进一步完善。
参考文献
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附录
functiondscdmamodem（user,snr_in_dbs）
%建立模型：
用户信息，snr_in_dbs为信噪比
%设置初始参数
user=[0101101];
closeall
%定义步长变量%
length_user=length（user）;
%改变用户数据中的0为-1
fori=1:
length_user
ifuser（i）==0
user（i）=-1;
end
end
%用户传输前设置
fc=3;%载频
eb=2;%每个字符的能量
tb=1;%每个信息比特所占的时间
%用户输入的数据信息
t=0.01:
0.01:
tb*length_user;
basebandsig=[];
fori=1:
length_user
forj=0.01:
0.01:
tb
ifuser（i）==1
basebandsig=[basebandsig1];
else
basebandsig=[basebandsig-1];
end
end
end
figure
plot（basebandsig）
axis（[0100*length_user-1.51.5]）;
title（'用户输入的信息'）
%用户的BPSK调制过程
bpskmod=[];
fori=1:
length_user
forj=0.01:
0.01:
tb
bpskmod=[bpskmodsqrt（2*eb）*user（i）*cos（2*pi*fc*j）];
end
end
length（bpskmod）
%用户BPSK调制后的波形图输出
figure
plot（bpskmod）
axis（[0100*length_user-33]）;
title（'用户经BPSK调制之后的波形'）
%扩频
%PN码发生器
seed=[1-11-1];%设PN码初始值为1000
spreadspectrum=[];
pn=[];
fori=1:
length_user
forj=1:
10%PN码和数据比特码的比率设为10：
1
pn=[pnseed（4）];
ifseed（4）==seed（3）temp=-1;
elsetemp=1;
end
seed（4）=seed（3）;
seed（3）=seed
（2）;
seed
（2）=seed
（1）;
seed
（1）=temp;
end
spreadspectrum=[spreadspectrumuser（i）*pn];
end
%扩频过程
pnupsampled=[];
len_pn=length（pn）;
fori=1:
len_pn
forj=0.1:
0.1:
tb
ifpn（i）==1
pnupsampled=[pnupsampled1];
else
升级会员 