直接序列扩频通信的设计与仿真.doc

1、摘 要本次课程设计利用 Matlab/Simulink 对直接序列扩频系统进行了仿真，并对仿真结果做了详细的讲解分析。首先对直接序列扩频系统原理进行介绍，然后基于 Simulink 做了扩频仿真模型； AWGN 信道模型； BPSK 的调制与解调的仿真模型，还有它们的仿真波形和频谱分析，以及研究整个系统的抗干扰性能。关键词：通信系统；直接序列扩频；频谱分析目 录前言 .11.设计原理 .21.1 扩频通信概念及分类 .21.2 直接序列扩频的基本原理 .22.详细设计步骤 .52.1 扩频模块的概述 .52.2 扩频仿真模型的设计 .52.3AWGN 信道的设计 .62.4BPSK 的调制解调

2、的设计 .63.扩频码序列 .83.1 码序列的相关性 .83.2 m 序列 .113.3 Gold 码序列 .144.仿真 结果及其分析 .174.1 扩频仿真模型结果及分析 .174.2AWGN 信道仿真结果及分析 .174.3BPSK 调制解调仿真结果 及分析 .18总结 .20参考文献 .211前 言直接序列扩频(DSSS Direct Sequence Spread Spectrum)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

3、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 Hedy Lamarr 和钢琴家 George Antheil 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

4、(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。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。21.设计原理1.1 扩频通信概念及分类扩频通信是扩展频谱通信的简称。它是指用

5、来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式；主要有以下几类：1 直接序列扩频简称直扩（DS） 。所传送的信息符号经伪随机序列（或称伪噪声码）编码后对载波进行调制。伪随机序列的速率远大于要传送信息的速率，因而调制后的信号频谱宽度将远大于所传送信息的频谱宽度。2 载波频率跳变扩频简称跳频（FH） 。载荷信息的载波信号频率受伪随机序列的控制，快速地在给定的频段中跳变，此跳变的频带宽度远大于所传送信息的频谱宽度。3 跳时（TH ）将时间轴分成周期性的时帧，每帧内分成许多时片。在一帧内哪个时片发送信号由伪码控制，由于时片宽度远小于信号持续时间从而实现信号频谱的扩展。4 脉冲调频发信端发出射频脉

6、冲信号，在每一脉冲周期中频率按某种方式变化。在收信端用色散滤波器解调信号，使进入滤波器的宽脉冲前后经过不同时延而同时到达输出端，这样就把每个脉冲 5 信号压缩为瞬时功率高、但脉宽窄得多的脉冲，因而提高了信扰比。这种调制主要用于雷达，但在通信中也有应用。1.2 直接序列扩频的基本原理直接序列扩频（direct sequence spread spectrum）直接用具有高码片（chip）速率的 扩频码序列去扩展数字信号的频谱。简称直扩（DS） 。在接收端，用相同的扩频码序列将频谱展宽的扩频信号还原成原始信号。3图 1.1 直接序列扩频通信系统的原理框图图 1.1 是直接序列扩频通信系统的原理框图

7、。欲传输的数字信号与码片速率很高的扩频码进行调制，其输出为频谱带宽被扩展的信号，这个过程称为扩频。扩展频谱信号再变换为射频信号发射出去。在接收端，射频信号经过变频后输出中频信号，通常是 N 个发射信号和干扰及噪声的混合信号。它与发端相同的本地扩频码进行扩频解调（解扩） ，使宽带信号变为窄带信号。再经信息解调器恢复成原始数字信号。扩展频谱的特性取决于所采用的扩频码序列的码型和码片速率。为了获得具有近似噪声的频谱，采用伪噪声（PN ）序列作为扩频系统的扩频码。过程如图 1.2 所示。图 1.2 扩频和解扩的频谱变化4采用码片速率很高的 PN 码序列进行扩频调制，扩频信号的带宽可达1100MHz。通

8、过扩频解扩处理能够提高抗干扰能力。扩展频谱信号在接收端做相关解扩处理，有用信号被解扩为窄带谱信号；宽带无用信号与本地伪码不相关，因此不能解扩，仍为宽带谱；窄带干扰信号则被本地伪码扩展成为宽带谱。用一个窄带滤波器排除带外的干扰，这样窄带内的信噪比就大大提高了。52.详细设计步骤2.1 扩频模块的概述扩频模块包括伪随机码生成和相关运算两个部分。不同的伪随机码表示着不同的扩频方式。常用的伪随机码有 m 序列（最大长度移位寄存器序列） 、Gold 码序列等。在直序扩频序列通信系统中，每一用户都分配到一固定的 PN 序列，用户之间的 PN 序列都是互为正交的，以使得每一用户不受到其他用户的干扰。扩频的过

9、程可以简而言之为在发送端用 PN 码序列将载有信息的信号扩频到某个较宽的带宽上，然后在信道上进行传输。 解扩过程与扩频过程完全相同，也是将输入解扩模块的信号用伪随机码进行扩频处理。同时，要求接收端解扩频用的伪随机码与发送端扩频用的伪随机码不仅码字相同，而且相位相同；否则，将会导致期望用户的信号自身相互抵消。 解扩处理将扩频后的信号压缩到信息频带内，有宽带信号恢复为窄带信号；同时，解扩处理的结果也扩展了干扰信号，降低了干扰信号的功率谱密度，使之进入到信息频带内的功率下降，从而使系统获得处理增益，提高了系统的抗干扰能力，图 2.1 是用户信息被扩展的框图。图 2.1 扩频框图2.2 扩频仿真模型的

10、设计图 2.2 是扩频的仿真模型，图中一个随机序列与 PN 码序列异或相乘得一个新的序列，使随机序列的频谱被扩展。用户信息 扩频后的信息PN 码序列6图 2.2 扩频仿真模型的设计2.3AWGN 信道的设计在数字通信系统中，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 2.3 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。图 2.3 AWGN

11、信道设计2.4BPSK 的调制解调的设计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 2.4 所示。7BPSKet开关电路 S（t）cosct180移相图 2.4 BPSK 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 5-14 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 2.5 是 BPSK 调制与解调框图

12、。图 2.6 BPSK 信道设计cosct相乘器 输出BPSKet图 2.5 BPSK 解调原理图83.扩频码序列3.1 码序列的相关性在扩展频谱通信中需要用高码率的窄脉冲序列。这是指扩频码序列的波形而言。并未涉及码的结构和如何产生等问题。那么究竟选用什么样的码序列作为扩频码序列呢? 它应该具备哪些基本性能呢? 现在实际上用得最多的是伪随机码，或称为伪噪声(PN)码。这类码序列最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。因为噪声具有完全的随机性，也可以说具有近似于噪声的性能。但是，真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生的。我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，故称为伪随机码或 P

13、N 码。为什么要选用随机信号或噪声性能的信号来传输信息呢？许多理论研究表明，在信息传输中各种信号之间的差别性能越大越好。这样任意两个信号不容易混淆，也就是说，相互之间不易发生干扰，不会发生误判。理想的传输信息的信号形式应是类似噪声的随机信号，因为取任何时间上不同的两段噪声来比较都不会完全相似。用它们代表两种信号，其差别性就最大。在数学上是用自相关函数来表示信号与它自身相移以后的相似性的。随机信号的自相关函数的定义为下列积分：(3.1)2/ 0,)(1)(limTa dtf常 数 ，式中 f(t)为信号的时间函数， 为时间延迟。上式的物理概念是 f(t)与其相对延迟的 的 来比较:ft如二者不完全重叠，即 ，则乘积的积分 为 0；0a如二者完全重叠，即 ；则相乘积分后 为一常数。因此， 的大小可用来表征 f(t)与自身延迟后的 的相关性，故a ft称为自相关函数。现在来看看随机噪声的自相关性。图 3.1(a)为任一随机噪声的时间波形及其延迟一段 t 后的波形。图 3.1(b)为其自相关函数。当 t0 时，两个波形完全