1、1基于 Matlab 的直序列和跳频扩频通信系统仿真一、实验目的根据通信理论知识熟练的运用 MATLAB 进行直序列扩频和跳频扩频的仿真研究。二、实验内容1.Matlab/simulink 通信系统仿真。2.用 matlab 实现直序列扩频和跳频扩频。三、实验平台硬件平台：笔记本电脑软件平台：windows XP 操作系统、Matlab R2014a四、扩频通信（一）理论基础通信技术和通信理论的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题开展的。所以，有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传
2、输最大数量的信息。在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。由于信息在传输过程中受到干扰，收到的与发出的信息并不完全相同。可靠性就是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度。因此，可靠性决定于系统抵抗干扰的性能，也就是说，决定于通信系统的抗干扰性。在模拟通信系统中，传输可靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。在数字通信系统中，传输可靠性是用差错率来衡量的。扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了应用。近
3、年来，扩展频谱通信技术的理论和应用发展非常迅速。扩频通信是扩展频谱通信的简称。我们知道，频谱是电信号的频域描述。承载各种信息(如语音、图象、数据等)的信号一般都是以时域来表示的，即表示为一个时间的函数 。信号的时域表示式 可以用傅立叶变换得到其频域表示式)(tf )(tf。频域和时域的关系由式(1-1)确定：F(1-1)deFtf ttftjfjf2)(21)(函数 的傅立叶变换存在的充分条件是 满足狄里赫莱(Dirichlet)条件，)(tf或在区间(-，+)绝对可积，即 必须为有限值。tf)(2扩展频谱通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息码无关）扩展后成为宽频带
4、信号，送入信道中传输，再利用相应的手段将其压缩，从而获取传输信息的通信系统。也就是说在传输同样信息时所需要的射频带宽，远远超过被传输信息所必需的最小的带宽。扩频后射频信号的带宽至少是信息带宽的几十倍、几百倍甚至几万倍。信息已不再是决定射频信号带宽的一个重要因素，射频信号的带宽主要由扩频函数来决定。由上述可知，扩频通信系统有以下两个特点： 传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽； 传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常是伪随机(伪噪声)编码信号。以上两个特点有时也称为判断扩频通信系统的准则。扩频通信系统最大的特点是其具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的能力。这里我们
5、先定性地说明一下扩频通信系统具有抗干扰能力的理论依据。扩频通信的理论基础是香农公式，即信道的理论容量公式为：(1-2)1(log2NSWC式（1-2）中， 为信道容量，单位为 bps；W 微信道带宽； 为信噪比。)(/dBNS扩频通信将信道上带宽扩展许多倍以换取信噪比上的好处，增强了系统的抗干扰能力。假设 是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，对(1-2)式进行变换(1-3)1(ln4.NSC对于干扰环境中的典型情况，当 时，对式(1-3)用幂级数展开，并略去1高次项得或 (1-4)SW4.1SC7.0由式(1-4)可看出，对于任意给定的噪声信号功率比 ，只要增加用于传输信N息的带宽 ，理论
6、上就可以增加在信道中无误差地传输的信息率 。或者说在信C道中当传输系统的信号噪声功率比 下降时，可以用增加系统传输带宽 的办法NW来保持信道容量 不变。对于任意给定的信号噪声功率比 ，可以用增大系统的CS传输带宽来获得较低的信息差错率。扩频通信系统正是利用这一原理，用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目的。扩频通信系统的带宽比常规通信体制大几百倍乃至几万倍，所以在相同信噪比的条件下，具有较强的抗干扰的能力。香农公式指出，在高斯噪声的干扰下，在限平均功率的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。这是因为高斯白噪声信号具有理想的自相关特性，其功率谱为3(1-5)
7、fNfS-2)(0，它的自相关函数为：(1-6)(2/)()(02dfefRj其中： 为时延，当 时 趋于无穷，当 时 。)(00)(白噪声的自相关函数具有 函数的特点，说明它具有尖锐的自相关特性。)(但是对于白噪声信号的产生、加工和复制，迄今为止仍存在着许多技术问题和困难。然而人们已经找到一些易于产生又便于加工和控制的伪噪声码序列，它们的统计特性逼近于高斯白噪声的统计特性。假设某种伪噪声序列的周期为 ，且码元都是二元域 上的元素。一个N1,周期为 ，码元为 的伪噪声二元序列 的归一化自相关函数为Nicic(1-7) )(mod011)( NRiic式中 ，1，2，3，当伪噪声序列周期 取足够
8、长或 时，式(1-7)0可简化为(1-8)(od01)(Nc比较式(1-6)和式(1-8)，看出它们比较接近，当序列周期(长度)足够长时，式(1-8)就逼近式(1-6)。伪噪声序列具有和白噪声类似的统计特性，也就是它逼近于高斯信道要求的最佳信号形式。用伪噪声码扩展待传输基带信号频谱的扩频通信系统，优于常规通信体制。（二）实现方法扩频通信与一般的通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接收端增加了扩频解调的过程，扩频通信按其工作方式不同主要分为直接序列扩频系统、跳频扩频系统、跳时扩频系统、线性调频系统和混合调频系统。直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectr
9、um，DS-SS） 跳频扩频（Frequency Hopping Spread Spectrum，FH-SS）跳时扩频（Time Hopping Spread Spectrum，TH-SS）直接序列扩频系统采用高码速率的直接序列（Direct Sequence，DS），伪随机码在发端进行扩频，在收端用相同的码序列去进行解扩，然后将展宽的扩频信号还原成原始信息。所谓跳频是指发送信号的载波按照某一随机跳变图样在跳变，跳频信号具有时变、伪随机的载频。跳频扩频系统在很多方面类似于将带宽为多个用户划分为多个信道的FDMA系统。在某个时间点上，某一用户的跳频信号只占用单个频率信道。跳频扩频系统和FDMA系
10、统的区别在于：跳频信号在很短的周期间隔内改变载频。跳频系统又分为快跳频4和慢跳频两种。如果信号跳频的速率等于或接近于符号速率，则该系统称为快跳频系统；如果信号跳频的速率低于符号速率，则称为慢跳频系统。跳时是使发射信号在时间轴上跳变。先把时间轴分成许多时片，在一帧内的哪个时片发射信号由扩频码序列进行控制。由于用了很窄的时片去发送信号，所以信号的频谱被展宽了，达到了扩频的效果。图1为扩频通信系统的模型框图。图4-2为理想扩展频谱系统波形。信 源信 源编 码信 道编 码载 波调 制扩 频解 扩载 波解 调信 道译 码信 源译 码信 息输 出信道干 扰 和噪 声图 1 扩频通信系统模型图 2 理想扩频
11、系统波形早在50年代，哈尔凯维奇已从理论上证明：要克服多径衰落干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式应该是具有白噪声统计特性的信号形式。采用伪噪声码的扩频函数逼近白噪声的统计特性，因而扩频通信系统又具有抗多径干扰的能力。现在我们以直接序列扩频通信系统为例，来研究扩频通信系统的基本原理。它的原理框图如图1所示。信源产生的信息流 通过编码器输出二进制码流 。na)(td二进制码流中所含的两个符号的先验概率相同，均为 ，且两个符号相互独立，2/1其波形图如图2(a)所示，二进制数字信号 与一个高速率的二进制伪噪声码)(tdTb(a) d(t)+1-1Tb(e) d(t)+1-1s(t)=d(t)c(t
12、)cos2f0t+(t)(d) s(t)P2 (b) c(t) +1-1 Tc(c) d(t)c(t) +1-15的波形（如图2(b)所示，伪噪声码为m序列）相乘，得到如图2(c)所示的复合)(tc信号 ，这就扩展了传输信息的带宽。一般伪噪声码的速率是Mb/s的量级，)(td有的甚至达到几百Mb/s。而待传输的信息流 经编码器编码后的码速率较低。扩na频后的复合信号 对载波进行调制(直接序列扩频一般采用PSK调制)，然后tc通过发射机和天线送入信道中传输。发射机输出的扩频信号用 表示，如图2(d)(ts所示。扩频信号 的带宽取决于伪噪声码 的码速率。在PSK调制的情况下，射)ts )(tc频信
13、号的带宽等于伪噪声码速率的2倍，而几乎与数字信息流的码速率无关。以上处理过程就达到了扩展数字信息流频谱的目的。图3 扩频接收机中频滤波器输出频谱在接收端用一个和发射端同步的伪噪声码 所调制的本地振荡信号)(drTtc，与接收到的 进行相关处理。相关处理是将两个信号)(2cosIF0tffd )(ts相乘，然后求其数学期望(均值)，或求两个信号瞬时值相乘的积分。当两个信号完全相同时(或相关性很好)，得到最大的相关峰值，经数据检测器恢复发射端的信号 。若信道中存在着干扰，这些干扰包括窄带干扰、人为瞄)(t准式干扰、单频干扰、多径干扰和码分多址干扰，它们和有用信号 同时进入接)(1ts收机，如图3(
14、a)所示。图3中， 为伪噪声码速率， 为射频频率， 为中频频cR0fIFf率， 为被基带数字信息 调制的已调波信号的带宽。bB)(td由于窄带噪声和多径干扰与本地扩频信号不相关，所以在进行相关处理时被削弱，实际上干扰信号和本地扩频信号相关处理后，其频带被扩展，也就是干扰信号的能量被扩展到整个传输频带之内，降低了干扰信号的电平(单位频率内的能量)，如图3(b)所示。由于相关器后的中频滤波器通频带很窄，所以中频滤波器只输出被基带信号 调制的中频信号和落在滤波器通频带内的那部分干扰和噪声，而绝)(td大部分的干扰和噪声能量被中频滤波器滤除，这样就大大地改善了系统的输出信噪比。Rcf0f f fBbf
15、IF fIFBb多径信号 窄带干扰白噪声白噪声有用信号有用信号多径信号 多径信号窄带干扰有用信号白噪声窄带干扰(a) 接收机 输入 (b) 混频器 输出 (c) 中频滤波器输出62.1直序列扩频通信系统直序列扩频系统的发射机和接收机框图如图 4 所示。扩频通信有两个重要参数：处理增益和干扰容限。扩 频调 制数 据调 制信 道二 进 制信 息扩 频 码发 生 器载 波发 生 器数 据解 调载 波发 生 器解 扩解 扩 码发 生 器恢 复 信 息图 4 直序列扩频的发射机和接收机2.1.1 扩频增益为衡量扩频系统抗干扰能力的优劣，接收机相关器输出信噪比和接收机相关器的输入信噪比之比定义为扩频增益，
16、即：（2-1）iNSG/0式中， 和 分别为接收机相关器的输入/输出信号功率； 和 分别为相关器iS0 iN0的输入/输出端干扰功率。假设系统中有 K 个通信用户，分别用不同的扩频码来调制信息数据。假设理想功率控制(各个用户到达接收端的功率相同)的情况,设 是接收的每一个用户的信P号功率，系统的扩频带宽为 ，噪声功率谱密度为 ，则接收端接收到的有用信W0号功率为 ，接收到的其他干扰用户的干扰功率为 ,该通信用户的输入信PK)1(噪比为：(2-2)WNPPKNSi 00)(/)1(/ 经接收机扩频解调后，该通信用户的信号被全部接收但信号带宽已变换到基带内（变为窄带信号），设基带信号的信息速率为
17、，此时有用信号的功率谱为bR，其他用户或者干扰噪声信号与用户信号的地址码不相关，不能得到解调，bRP/因此，它们的功率谱密度保持不变，输出信噪比为：（2-3）bb RNPKWPKNS 000 )1(/)1(/所以，很容易得到扩频解调前后的扩频增益，即：（2-4）bRG2.1.2 干扰容限7为了描述扩频系统在干扰环境下的工作性能，引入干扰容限的概念，干扰容限定义为;(2-5)/(0NSLGMsj式中， 为输出信噪比； 微系统损耗； 为扩频增益。干扰容限可以解释0/NSs为当干扰功率超过信号功率 时，系统不能正常工作。)(dBj在实验中，以 M 序列扩频码进行仿真,扩频后的数据通过脉冲成型滤波器后
18、通过信道同时到达接收端,在接收端分别对不同用户信息数据进行解扩 ,恢复各个用户的原始信息。图 5 DS-CDMA 通信系统原理图%直接序列扩频主程序代码function ber = dscdma(user,seq)%user 同时进行扩频通信的用户数%seq 扩频码 1:M-序列 2:Gold 序列 3:正交 Gold 序列%ber 该用户数下的误码率 %* 初始化部分 *sr=256000.0; % 符号速率nSymbol=10000; %每种信噪比下发送的符号数M=4; % 4-QAM 调制br=sr*log2(M); % 比特速率graycode=0 1 3 2; % Gray 编码规则
19、 EbNo=0:2:10; % Eb/No 变化范围 %* 脉冲成形滤波器参数 *delay=10; % 升余弦滤波器时延Fs=8; % 滤波器过采样数rolloff=0.5; % 升余弦滤波器滚降因子rrcfilter=rcosine(1,Fs,fir/sqrt,rolloff,delay);%设计根升余弦滤波器%* 扩频码产生参数 *stage=3; % m 序列的阶数ptap1=1 3; % m 序列 1 的寄存器连接方式8ptap2=2 3; % m 序列 2 的寄存器连接方式regi1=1 1 1 ; % m 序列 1 的寄存器初始值regi2=1 1 1; % m 序列 2 的寄存
20、器初始值%* 扩频码的生成 * *code=mseq(stage,ptap1,regi1,user);code=code*2-1;clen=length(code);%* 衰落信道参数 *ts=1/Fs/sr/clen; %信道采样时间间隔t=(0:nSymbol*Fs*clen-1+2*delay*Fs)*ts; %每种信噪比下的符号传输时间fd=160; %多普勒频移Hzh=rayleigh(fd,t); %生成衰落信道%* 仿真开始 *%* 发射端 *for indx=1:length(EbNo)indxdata=randsrc(user,nSymbol,0 :3); % 产生各个用户的
21、发射数据data1=graycode(data+1); % Gray 编码data1=qammod(data1,M); % 4-QAM 调制out=spread(data1,code); % 扩频out1=rcosflt(out.,sr,Fs*sr,filter,rrcfilter); % 通过脉冲成形滤波器spow=sum(abs(out1).2)/nSymbol; % 计算每个用户信号功率if user1 % 用户数大于 1 时，所有用户数据相加out1=sum(out1.);elseout1=out1.;end%* 接收端*sigma = sqrt(0.5 * spow * sr / b
22、r * 10(-EbNo(indx)/10);%根据信噪比计算高斯白噪声方差y=;for ii=1:user y(ii,:)=out1+sigma(ii).*(randn(1,length(out1)+j*randn(1,length(out1);%加入高斯白噪声（AWGN）endy=rcosflt(y.,sr,Fs*sr,Fs/filter,rrcfilter); %通过脉冲成形滤波器滤波y=downsample(y,Fs); %降采样for ii=1:usery1(:,ii)=y(2*delay+1:end-2*delay,ii);endyd=despread(y1.,code); % 数
23、据解扩demodata=qamdemod(yd,M); % 4-QAM 解调demodata=graycode(demodata+1); % Gray 编码逆映射err,ber(indx)=biterr(data,demodata,log2(M); % 统计误比特率end假设同时进行扩频通信的用户数分别为 1、4 和 7 个时，M 序列 DS-CDMA 在AWGN 下的性能如图 6 所示：9图 6 M 序列 DS-CDMA 在 AWGN 下的性能如图看可以看出，由于 M 序列即使在完全同步的情况下，相互之间的互相关值也不为 0，因此随着用户数的增加，干扰越来越大，导致系统的误码率增大，系统的性
24、能下降。2.2. 跳频扩频通信系统2.2.1.基本原理及数学模型跳频通信是指传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式。也就是说，通信使用的载波频率被一组高速变化的码控制而随机跳变。这种控制载波变化的规律，又叫“跳频图案”。从实现通信的技术角度来说，“跳频”是一种用码序列进行多频、选码、频移键控的通信方式，即用伪码序列构成跳频指令来控制频率合成器，并在多个频率中进行选择的频移键控，是一种码控载频跳变的通信系统。我们熟悉的二元移频键控 BFSK 只有两个频率 、 ，分别代表传号和空号。1f2而跳频系统则要求提供几百个、甚至上千万个频率。它由所传信息码与伪随机码序列模 2 加（或波形相乘
25、）的组合来构成跳频指令（图案），由它来随机选择发送频率。跳频系统简单原理图如图 7 所示。在发送端信息码序列与伪随机码序列调制后，按不同的跳频图案或指令去控制不同的频率合成器，使其输出频率在信道里随机跳变的变化。如图 8（a）所示。在接收端，为了对输入信号解调，需要有与发端相同的本地伪码序列发生器构成的跳频指令去控制本地频率合成器。经中频放大器放大及带通滤波后，送到数字信息解调器恢复出原始信息。从时频域来看，多频率的移频键控信号由时频矩阵组成，每个频率持续时间 T，并按跳频指令的规定在时频矩阵内跳变，如图 8（b）所示。10图 7 跳频系统简单原理图为了尽可能减少邻近干扰，频率间隔应选择为 ，这样频率 的谱状零值正T/1if好处于 的峰值处，即为 构成了频率的正交关系，如图 8（c）所Tfi/1)/1(Tfi示。因此，若取跳频频率数为 N，则跳频信号带宽等于 。理想的跳频)/1(NBRF器输出频谱呈矩形形状，并且每个频道均具有相同的功率，如图 8（a）中的跳频频谱所示。图 8 跳频时频矩阵图（a）跳频图案；（b）跳频时频矩阵；（c）跳频频率间隔图 9 是跳频系统的数学模型，设 为发送的跳频信号，)(1ts（2-6）o)(01 nTtms调制器 频率合成器伪码产生器混频器时钟源 伪 码产生器频率合成器解调器 中频放大器数据数据时钟源
