基于MATLAB的扩频通信系统仿真毕设范文.docx

基于MATLAB的扩频通信系统仿真毕设范文.docx

《基于MATLAB的扩频通信系统仿真毕设范文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MATLAB的扩频通信系统仿真毕设范文.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于MATLAB的扩频通信系统仿真毕设范文

西安文理学院机械电子工程系

本科毕业设计（论文）

题目基于MATLAB的扩频通信系统仿真

专业班级06级电子信息工程2班

学号017

学生姓名

指导教师刘密歌

设计所在单位西安文理学院

2010年5月

西安文理学院本科毕业设计（论文）任务书

题目

基于MATLAB的扩频通信系统仿真

学生姓名

学号

017

专业班级

06电信2班

指导教师

刘密歌

职称

副教授

教研室

电子信息工程

毕业设计（论文）任务与要求

为了能够将所学知识与实际应用联系起来，要求利用MATLAB中的SIMULINK仿真功能，对扩频通信系统中发射机与接收机中的电路进行仿真，具体要求如下：

1、建立扩频通信发射机和接收机电路的仿真模型。

2、给出仿真模型中各仿真模块的仿真波形。

3、通过给系统加入不同的数字信号来检验系统工作的可靠性。

4、撰写的论文要条理清楚，主次分明，书写格式符合毕业设计论文规范要求。

毕业设计（论文）工作进程

起止时间

工作内容

1-3周

4-7周

8-10周

11-12周

13周

根据任务书收集资料，完成开题报告

熟悉扩频通信的工作原理及MATLAB仿真功能的应用

搭建仿真模型并进行调试

撰写论文

答辩

开始日期完成日期

教研室主任（签字）系主任（签字）

西安文理学院本科毕业设计（论文）开题报告

题目

基于MATLAB的扩频通信系统仿真

学生姓名

学号

017

专业名称

电子信息工程

指导教师

刘密歌

开题时间

班级

06电信

（2）

一、选题目的和意义：

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，由于与扩频信号不相关，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的降低，相应增加了相关器输出端的信号/干扰比，对大多数干扰信号而言，扩频通信系统都具有很强的抗干扰性，除此之外它的、保密性、抗多径等功能也倍受人们的关注，被广泛的应用于军事通信和民用通信中。

Simulink是MATLAB中的一个可视化仿真工具，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。

本次毕设选用中的SIMULINK仿真功能，对扩频通信系统中发射机与接收机中的电路进行仿真，一方面进一步掌握MATLAB仿真工具的应用，另一方面加深对扩频通信系统结构、性能的理解。

二、本课题在国内外的研究状况及发展趋势：

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面。

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。

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。

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。

三、主要研究内容：

利用MATLAB提供的可视化工具Simulink建立扩频通信发射机和接收机电路的仿真模型，对扩频通信系统中发射机与接收机中的电路进行仿真。

在给定仿真条件下，运行仿真程序，得到仿真结果即仿真模块的仿真波形。

通过改变不同的数字信号来检测系统工作的可靠性。

指导教师意见及建议：

该生能够根据所作的设计任务，充分收集资料，明确设计任务，能够提出合理的设计方案及工作计划，同意开题。

签字：

年月日

教研室审核意见：

签字：

年月日

注：

此表前三项由学生填写后，交指导教师签署意见，经教研室审批后，才能开题。

西安文理学院本科毕业设计（论文）中期检查表

题目

基于MATLAB的扩频通信系统仿真

学生姓名

学号

017

专业名称

电子信息工程

指导教师

刘密歌

检查时间

班级

06级2班

毕业设计（论文）进展情况

前期我针对毕业设计—基于MATLAB的扩频通信系统仿真进行了资料的收集和查找。

进行了相关知识的学习和理解之后，我开始使用Simulink可视化仿真工具进行各种小模块的仿真练习。

熟练使用后，对收集资料和学习知识进行了综合.筛选。

参考资料，我开始使用MATLAB中的simulink仿真工具建立扩频通信系统的仿真模型。

我试着建立了寄存器的仿真模型。

同时得出m序列产生器的实现框图，构成可以产生周期的m序列反馈移位寄存器。

再进行扩频通信系统仿真模型的建立。

其中信源是采用随机整数发生器，伪随机码则是又PN序列牛成器模块产生，通带M-PSK调制器及通带M-PSK解调器，使用二相相移键控控制，由正弦载波与双极性扩频码直接相乘实现，采用相干解调法进行解调，传输信道为加性高斯白噪声信道。

模型初期建立后，对产生m序列的反馈移位寄存器进行仿真，起初得不到仿真图，经过认真阅读资料.通过老师的知道和同学的帮助后，对仿真模型进行了调试和修改，最后得到了仿真图形。

在今后设计中，我将致力于对直接扩频通信系统的仿真模型进行修改和仿真，最终得出仿真图。

指导教师意见

该生能够根据任务书的要求，查阅大量资料，熟悉扩频通信基本工作原理及其实现框图，学习了MATLAB的SIMULINK的仿真功能，下一步的工作就是进实验室利用SIMULINK对扩频通信进行仿真，估计在后一阶段能够按照计划完成整个设计任务。

在此阶段，由于该生边工作边做毕设，针对毕设遇到的问题，基本上是通过电子邮件的方式和老师保持联系。

签字：

年月日

教研室意见

签字：

年月日

西安文理学院本科毕业设计（论文）指导教师评分表

学生姓名

学号

专业

电子信息工程

班级

06级2班

毕业设计（论文）题目

设计（论文）起止时间

2010年3月1日至2010年5月日

指导教师评语：

建议成绩：

指导教师签名：

年月日

西安文理学院本科毕业设计（论文）评阅教师评分表

学生姓名

学号

专业

电子信息工程

班级

06级2班

毕业设计（论文）题目

设计（论文）起止时间

2010年3月1日至2010年5月日

评阅教师评语：

建议成绩：

评阅教师签名：

年月日

西安文理学院本科毕业设计（论文）答辩记录

学生姓名

学号

专业名称

电子信息工程

答辩时间

2010年5月日

答辩地点

指导教师

孙静

题目

答辩小组

成员

姓名

职称

姓名

职称

提问及回答情况记录：

记录人签字：

年月日

答辩成绩：

答辩小组组长签名：

年月日

毕业论文成绩

答辩委员会

认定成绩

毕业论文等级

系（院）答辩委员会意见：

负责人签名：

年月日

注：

1、毕业论文成绩=指导教师成绩×40%＋评阅教师成绩×20%＋答辩成绩×40%；

2、论文等级分优秀（≥90分）、良好（80~89分）、中等（70~79分）、及格（60~69分）、

不及格（<60分）。

基于MATLAB的扩频通信系统仿真的设计

摘要：

本文阐述了扩展频谱通信技术的基本原理、主要性能指标及其工作特点，然后根据香农定理和柯捷尔尼科夫潜在抗干扰理论，利用MATLAB提供的可视化工具Simulink和MonteCarb仿真算法，建立了扩频通信系统仿真模型，详细讲述了各个模块的设计，并指出了仿真建模中要注意的问题。

在给定的仿真条件下，运行了仿真程序，得到了预期的仿真结果。

通过分析无干扰时的误码率仿真曲线与理论计算值，证明了所建仿真模型的正确性。

同时，利用建立的仿真系统，研究了扩频增益与输出端信噪比的关系，结果表明，在相同误码率下，增大扩频增益，可以提高系统输出端的信噪比，从而提高通信系统的抗干扰能力。

关键词：

扩频通信；信噪比；扩频增益；MATLA

SimulationoftheSpreadSpectrumCommunicationSystem

BasedonMATLAB

Abstract：

Thisarticleelaboratedthespreadspectrumcommunicationtechnology'sbasicprinciple,themainperformanceindexandtheoperatingfeature,thenactaccordingtotheShannontheoremandtanoakJieertheNikefulatentantijammingtheory,providesvisualizationtoolSimulinkandMonteusingMATLABtheCarbsimulationalgorithm,hasestablishedthewidefrequencycommunicationssystemsimulationmodel,narratedindetaileachmodule'sdesign,andhadpointedoutinthesimulationmodellingmustpayattentionquestion.Inassignsunderthesimulationcondition,movedthesimulatedprogram,obtainedtheanticipatedsimulationresult.Doesnothavewhenthedisturbancethroughtheanalysistheerrorratesimulationcurveandthetheorypredictedvalue,hadprovenconstructsthesimulationmodeltheaccuracy.Atthesametime,theuseestablishment'ssimulationsystem,hasstudiedthewidefrequencygainandtheout-portsignal-to-noiseratiorelations,finallyindicatedthatunderthesameerrorrate,increases.

Keywords：

SpreadSpectrumCommunication,Signal-to-Noise,SpreadSpectrumGain；MATLAB

第一章绪论

选题的目的与意义

扩展频谱通信具有很强的抗干扰性，其多址能力、保密、抗多径等功能也倍受人们的关注，被广泛的应用于军事通信和民用通信中。

扩频通信系统李永乐扩展频谱技术，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，由于与扩频信号不相关，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的降低，相应增加了相关器输出端的信号/干扰比，对大多数认为干扰而言，扩频通信系统都具有很强的对抗能力。

Simulink是MATLAB中的一个可视化仿真工具，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、线性和非线性组建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。

本课题在国内外的发展现状

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面。

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月发布了一份关于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技术已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,而关于CDMA技术的研究热潮也一直延续到现在。

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。

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。

3G设计的目标主要是支持多媒体业务的高速数据传输，因此其研究主要集中在新标准和新硬件的开发。

而对于3G以后的发展，不同的研究者有不同的观点。

但是从用户的观点看，4G应该具备以下的主要特征：

①最大的灵活性,应该能够满足在任何时间和地点，通过任何设备都可以实现通信；②降低成本，4G在实现比3G的传输速率高1~2个数量级的同时，还应该使成本降为3G时的1/10或1/100；③个性化和综合化的业务，不仅仅是保证每个人都能通过一个终端进行通信，而要在人周围的家庭、办公室以及热点地区建立一个通用的信息环境，使每个人都可以根据需要以各种方式获得信息。

目前实现4G观点主要有2种：

一种是开发新的无线接口和技术；另一种则是集成现有的及未来的无线系统。

前者关注新技术的应用，例如多载波调制技术，即OFDM，是一种传输高速数据的有效调制方案，被认为有望成为4G的标准调制技术。

而另一种观点则认为，更重要的是将现有的和未来的通信系统集成，其中的网络包括无线局域网（WLANs）、无线个域网（WPANs）、AdHoc网络以及家庭局域网等，其中连接的设备则包括便携式移动终端、固定设备、个人电脑以及娱乐设备等。

超宽带（UWB）技术以及软件无线电（SDR）技术在无线网络集成方面也起着重要的作用。

在4G网络的实现中，有的技术本身就是扩频技术的延伸，有的则能够很好得与扩频技术结合，还有的则能用于扩频系统的实现，因此这些新技术的发展体现着扩频技术的发展趋势。

本课题要解决的主要问题

利用MATLAB中的SIMULINK仿真功能，对扩频通信系统中发射机与接收机中的电路进行仿真。

建立扩频通信发射机和接收机电路的仿真模型；给出仿真模型中各仿真模块的仿真波形；通过给系统加入不同的数字信号来检验系统工作的可靠性。

第二章扩频通信系统

扩频通信的基本原理

2.1.1扩频通信的定义

所谓扩展频谱通信，可以简单的描述成：

“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序列码来完成的，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。

”

这一定义包含了以下三方面的意思：

1）信号的频谱被展宽了。

传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。

例如人类的语言的信息带宽为300Hz—3400Hz，为了充分利用频率资源，通常都是尽量采用大体相当的带宽的信号来传输信息。

在无线电通信中射频信号的带宽与所传信息的带宽是相比拟的。

如用调幅信号来传送语音信息，其带宽为语言信息带宽的两倍；电视广播射频信号带宽也只是其视频信号带宽的一倍多。

这些都属于窄带通信。

一半的调频信号，或脉冲编码调制信号，它们的带宽与信息带宽之比也只有几到十几。

扩展频谱通信信号带宽与信息带宽之比则高达100—1000，属于带宽通信。

2）采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。

我们知道，在时间上有限的信号，其频谱是无线的。

例如很窄的脉冲信号，其频谱则很宽。

信号的频带宽度与其持续时间近似成反比。

1微秒的脉冲的带宽约为1MHz。

因此，如果用限窄的脉冲序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信号。

如下面介绍的直系序列扩频系统就是采用这种方法获得扩频信号。

这种很窄的脉冲码序列，其码速率是很高的，称为扩频码序列。

这里需要说明的是所采用的扩频码序列与所传信息数据是无关的，也就是说它与一般的正弦载波信号一样，丝毫不影响信息传输的透明性。

扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。

3）在接收端用相关解调来解扩。

正如在一半的窄带通信中，已调信号在接收端都要进行解调来恢复所传的信息。

在扩频通信中接收端则用与发送端相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解调，恢复所传的信息。

换句话说，这种相关解调起到解扩的作用。

即把扩展以后的信号又恢复成原来所传的信息。

这种在发端把窄带信息扩展成宽带信号，而在收端又将其解扩成窄带信息的处理过程，会带来一系列好处。

弄清楚扩频和解扩处理的机制，是理解扩频通信本质的关键所在。

2.1.2扩频通信的理论基础

长期以来,人们总是想法使信号所占频谱尽量的窄,以充分利用十分宝贵的频谱资源。

为什么要用这样宽频带的信号来传送信息呢?

简单的回答就是主要为了通信的安全可靠。

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

（有效）带宽（DF）,其比值称为处理增益Gp:

Gp=W/△F

（1）

众所周知,任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度,如话音为1.7kHz～3.1kHz,电视图像则宽到数兆赫。

为了充分利用有限的频率资源,增加通路数目,人们广泛选择不同调制方式,采用宽频信道（同轴电缆、微波和光纤等）,和压缩频带等措施,同时力求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽。

因现今使用的电话、广播系统中,无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式,Gp值一般都在十多倍范围内,统称为“窄带通信”。

而扩频通信的Gp值,高达数百、上千,称为“宽带通信”。

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=Wlog2（1+P/N）

（2）

其中:

C———信道容量（用传输速率度量）,W———信号频带宽度,———信号功率,N———白噪声功率1）式

（2）说明,在给定的传输速率C不变的条件下,频带宽度W和信噪比P/N是可以互换的。

即可通过增加频带宽度的方法,在较低的信噪比P/N（S/N）情况下,传输信息。

扩展频谱换取信噪比要求的降低,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。

扩频通信可行性的另一理论基础,为柯捷尔尼可夫关于信息传输差错概率的公式:

Powj≈f（E/No）（3）

其中:

Powj———差错概率,E———信号能量,N。

———噪声功率谱密度,信号功率P=E/T（T为信息持续时间）,噪声功率N=WN。

（W为信号频带宽度）,信息带宽DF=1/T,则式（3）可化为:

Powj≈f（TW.P/N）=f（P/N.W/△F）（4）

式（4）说明,对于一定带宽DF的信息而言,用Gp值较大的宽带信号来传输,可以提高通信抗干扰能力,保证强干扰条件下,通信的安全可靠。

亦即式（4）与式

（2）一样,说明信噪比和带宽是可以互换的。

总之,我们用信息带宽的100倍,甚至1000倍以上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。

2.1.3扩频通信的主要性能指标

1）处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。

处理增益G也称扩频增益（SpreadingGain）它定义为频谱扩展前的信息带宽DF与频带扩展后的信号带宽W之比:

Gp=W/△F（5）

在扩频通信系统中.接收机作扩频解调后,只提取伪随机编码相关处理后的带宽为DF的信息,而排除掉宽频带W中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。

因此,处理增益G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。

2）抗干扰容限

是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力,定义为:

Mj=G-[（S/N）out+LS]（6）

其中:

Mj———抗干扰容,G———处理增益,（S/N）out———信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比,Ls———接收系统的工作损耗.

2.1.4扩频通信系统的工作原理

数字扩频通信的一般工作原理如图1所示。

图1　数字扩频通信系统基本框图

图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。

2.1.5m序列

Shanno