1、 本科毕业设计 (论文 ) ( 届 ) 论文题目 基于 MATLAB 的直接序列扩展 频谱通信系统的仿真 (英文 ) Based on the MATLAB direct sequence spread spectrum communication system simulation 所在学院 电子信息学院 专业班级 电子信息 工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 日 摘 要 扩频通信技术是一种信息处理传输技术，它是利用与被传输数据无关的扩频码对被传输信号进行频谱扩展，使得扩展后的频谱占有远远超过被传送信息所必需的最小带宽。扩展频谱通信具有很强的抗干扰性，其多址能力、保密、抗
2、多径等功能也倍受人们的关注，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。 基于 Simulink 所建立的扩频通信系统的仿真模型，能够反映扩频通信系统的动态工作过程，可进行波形观察、频谱分 析和性能分析等，实现以扩频通信为基础的现代通信的模拟仿真，为系统的研究和设计提供强有力的平台。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。 关键词： 扩频通信系统；抗干扰； Simulink；扩频增益 Abstract Spread spectrum communication technol
3、ogy is a kind of information processing transmission technology,it is to use and is transmitted data to be independent of spread spectrum yards transmission signal spectrum expand,making the spectrum has extended far more than was transmitted information necessary to the minimum bandwidth.Spread spe
4、ctrum communication has the very strong anti-interference, its multi-access ability,confidentiality, resistance to multipath function also highly the attention of people, it and optical communications,satellite communication,is known as into the information age with the three high technology communi
5、cation of transmission. Based on Simulink produces a spread spectrum communication system, and a simulation model can reflect the spread spectrum communication system dynamic work process, waveform observation, spectrum and performance analysis and so on,to realize spread spectrum communication as t
6、he foundation of modern communication simulation for the system of research and design provides a powerful platform.In a given simulation conditions,the operation simulation program,get the expected the simulation results.Through the analysis of no interference ber simulation curve and the calculate
7、d value is,proved the validity of the model built by simulation. Key Words: Spread spectrum communication system; Anti-interference; Simulink; Spread spectrum gain. 目 录 1 引言 .1 2 扩频通信系统 .2 2.1 扩频通信系统在国内外的发展现状 . 2 2.2 扩频通信系统的基本原理 . 3 2.2.1 扩频通信系统的定义 .3 2.2.2 扩频通信系统的理论基础 .4 2.2.3 扩频通信系统的主要性能指标 .5 2.2.
8、4 扩频通信系统的工作原理 .6 2.2.5 m 序列的介绍 .7 2.2.6 扩频通信系统的实现方法 .8 2.3 扩频通信系统的特点 . 9 2.3.1 扩频通信系统的保密性好 .9 2.3.2 扩频通信系统的抗干扰性强 .9 2.3.3 扩频通信系统的抗多路径干扰性能好 .10 2.3.4 扩频通信系统的码分多址技术 .10 2.3.5 扩频通信系统的截获性低 .10 3 SIMULINK 的简介 . 11 3.1 SIMULINK简介 . 11 3.2 SIMULINK的仿真过程 . 11 4 直接扩频通信系统的仿真及结果 .13 4.1 直接扩频通信系统的模型建立 . 13 4.1.
9、1 基 于 Simulink 的扩频通信系统的仿真模型的建立 .13 4.1.2 直接扩频通信系统的仿真模型的模块的功能及介绍 .15 4.2 随机整数发生器的仿真模型及结果 . 15 4.2.1 随机整数发生器的仿真模型 .15 4.2.2 随机整数发生器的仿真结果分析 .16 4.3 PN 序列生成模块的仿真模型及结果 . 17 4.3.1 PN 序列生成模块 的仿真模型 .17 4.3.2 PN 序列生成模块 的仿真结果分析 .17 4.4 直接扩频通信系统模型的仿真 . 18 4.4.1 直接扩频通信系统仿真模型的参数设置 .18 4.4.2 直接扩频通信系统模型的信息码频谱仿真 .2
10、0 4.4.3 直接扩频通信系统模型的误码分析 .22 5 结论 .24 致 谢 .25 参考文献 .26 附录 1 原理图 .27 1 引言 扩频通信系统与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。 20 世纪 5O年代中期扩频通信技术的开始被研究，但是直到 8O年代初，扩频通信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和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 1。为了满足民用通信容量的增长需求和有效地利用频谱资源，各个国家纷纷提出了在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频通信技术，扩频通信技术现在在蜂窝
11、电话、微 波通信、无线数据通信、遥测、监控等系统中已被广泛的使用。 扩频通信技术是一种数字传输方式，扩频信号的带宽是通过扩频序列对被传信息进行调制来实现扩展的。在接收端使用相同的扩频序列对扩频信号进行相关解调，还原出被传信号 2。采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱的方法可以换取信噪比，也就是在很大程度上改善了接收机输出的信噪比，从而系统的抗干扰能力提高了。 Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具 ,是一种基于 MATLAB 的框图设计环境 ,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，在线性系统、非线 性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中被广泛的应用。 Si
12、mulink 的主要特点是使用者可以通过便捷的鼠标操作和复制粘帖等指令来创建直观的系统框图模型，使用者还可以根据自己的需要改变模型中各个模块的参数，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。本文利用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，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。 2 扩频通信系统 2.1 扩频通信系统在国内外的发展现状 扩频 通信系统是在 20 世纪 50 年代中期产生的，但是直到 80 年代初，扩频通信系统仍然主要应用在军事通信中。最初应用在包括军事干扰通信、导航系统、
13、抗多径实验系统以及其他方面。扩频通信系统的最初构想是在第二次世界大战期间形成的。在战争后期，军事通信中干扰和抗干扰技术成为了决定战争胜负的重要因素 ,有人在战后得出了“最好的 抗干扰措施就是好的工程设计和扩展工作频率”的结论 3。在这段时期还出现了另一种通信思路，跳频通信：如果对窄带信号使用编码的频率控制，则可以使其在任何时间占据宽频段中的任何一部分，这样敌人要进行干扰就必须 保持很宽的频段。另一种扩频方式，直序扩频技术则起源于导航系统中高精度测距。 自从扩频通信的概念在 20 世纪 50 年代开始成熟以后，此后的二十多年扩频通信系统虽然得到很大的发展，但都只是局部的发展，如硬件的改进和应用领
14、域的拓展。随着个人通信业务的发展，扩频通信系统迎来了一次大发展的机遇。在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。扩频通信系统的码分多址技术为共享频谱提供了可能，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 4。扩频通信系统也在民用通信中找到更为广阔的应用空间 ,一直到现在有关于 CDMA 技术的研究还是
15、很火热的。 扩频通信系统由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，而跳频系统与直扩系统则分别是军事抗干扰通信和移动通信系统这两个领域应用最多的扩频方式。一般情况下，跳频系统主要应用于军事通信中对抗故意干扰和卫星通信中保密通信，直扩系 统主要应用于民用技术领域。对跳频系统的分析，现在仍集中在其对抗各种干扰的性能方面，如对抗部分边带干扰以及多频干扰等 5。然而现在直扩系统在移动通信系统中的应用则成为了扩频通信系统的主流。 从扩频通信系统的历史可以看出，业务上的巨大需求驱动着扩频通信系统技术上的大发展。军事通信的抗干扰与保密性的驱动以及个人通信业务的驱动使得扩频通信系统的抗干扰性能和码分多址技术得到了
16、最大的发展。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 6。 我国对扩频通信的研究起步较晚，对于目前的情况，还需要投入更大的人力，物力和财力，因为扩频通信技术在军事上的巨大价值和意义已被人们所公认 7。在现代商品经济信息保密的年代，它在商业中的应用也将会越来越重要。无论在军事上在战略决策上或是在经济建设上，都可以利用扩频通信技术来获取、处理和传送情报与信息，所以，对扩频通信技术的研究刻不容缓。 2.2
17、 扩频通信系统的基本原理 2.2.1 扩频通信系统的 定义 扩频通信系统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、解扩以及恢复所传信息数据 8。 这个定义包含以下三方面的意思： 1、信号频谱被扩展了。 信息带宽就是信息在传输时需要的一定带宽。为了使频率资源得到充分的利用，在传输信息时通常采用大体相当的带宽的信号来传输。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。 一般的调频信
18、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， 这些都属于窄 带通信。 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 9。 2、采用扩频码序列调制的方式来扩展信号频谱。 为了扩展信号的频谱，可以采用很窄的脉冲码序列去调制某一载波，得到一个很宽的双边带直扩信号；且采用的脉冲越窄，扩展的频谱越宽；直扩系统正是应用了这一原理来扩展信号频谱带宽的。这种很窄的脉冲码序列，具有很高的码速率，称为扩频码序列。扩频码序列在这里只起到扩展信号频谱的作用， 扩频码序列与被传输的信息数据之间是没有关联的。 3、在接收端用相关解调来解扩。 在一般的窄带通信中，已调信号在接
19、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采用速率很高的脉冲序列对信息进行编码和调制，使信号带宽远大于发送信息所必需的最小带宽，在接收端用相同的扩展码进行相关解调来恢复所传的信息，这种信息处理过程给扩频通信系统带来了很多的好处。理解扩频通信的本质，关键就在于弄清楚扩频和解扩处理的机制。 2.2.2 扩频通信系统的理论基础 为了将发射信号扩展到一个很宽的频带上，扩频通信系统需要在频带和技术复杂性方面付出昂贵的代价，以充分利用十分宝贵的频谱资源。用那么宽的频带信号来传送信息，目的就是为了更安全的通信。 任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，比如话音为 1.7kHz 3.1kHz，电视图
20、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。 扩频通信系统的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的10。信 息论中， Shannon 定理指出：在高斯白噪 声干扰条件下，通信系统的极限传输速率（信道容量）为： )1(log 2 NSWC （ 1） 其中： C 信道容量 (比特 /秒 ),W 信号频带宽度（赫兹） , S 平均信号功率 ,N 白噪声功率。 由式中可以看出，若白噪声的功率谱密度为 n0，噪声功率 N=n0W，则信道容量
21、 C 可表示为： )1(lo g 02 WnSWC （ 2） 由式 2 可以看出， W、 n0、 S 确定后，信道容量 C 就确定了。根据 Shannon第二定理可知，如果信源的 信息速率小于或等于信道容量 C，通过编码，可以以很小的差错概率通过信道来传输信源的信息。通过尽可能高的提高信道的容量 ,来使信源产生的信息以更快的信息速率通过信道。 由 Shannon 公式可以得出结论： 1）当信道的传输带宽一定时，接收端的信噪比越大，其系统的信道容量越大。当噪声功率趋近 0时，信道容量趋近无穷。2）当接收端的信噪比（ S/N）一定时，信道的传输带宽越大，其系统的信道容量也越大。当信道带宽趋于无穷时
22、，信道容量并不趋于无穷，而是趋于一个固定值。3）当信道容量一定时，信道带宽与信噪比可以互换。比如，可以通过 增加系统的传输带宽来降低接收机对信噪比的要求，即以牺牲系统的有效性来换取系统的可靠性，这也正是扩频通信的理论基础。 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 : )( 0NEfPowj （ 3） 其中： Powj 差错概率， E 信号能量 ,N0 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=WN0(W 为信号频带宽度 ),信息带宽DF=1/T,则式 2-3可化为 : )()( FWNPfNPTWfP o w j (4) 式
23、4说明 ,对于一定带宽 F的信息而言 ,用扩频增益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。也就是说式4与式 1 一样 ,说明信噪比和带宽是可以互换的。 总而言之，人们为了提高通信的抗干扰能力，就采用比信息带宽的一百倍，甚至上千倍的宽带信号来传输信息，这样在强干扰条件下也可以保证安全地通信。 2.2.3 扩频通信系统的主要性能指标 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 Gp 也称扩频增益，处理增益 Gp定义为频谱扩展前的信息带宽 F与频带扩展后的信号带宽 W 之比： FWGp (5) 其中： Gp 处理增益， W 信号频
24、带宽度（赫兹）， F 有效带宽。 在扩频通信系统中，接收机在扩频解调之后，只提取伪随机编码进行相关处理后带宽为 F 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 11。处理增益 Gp 反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。除此之外，扩频系统的其他一些性能也大都与 Gp 有关。因此，处理增益是扩频通信系统的一个重要性能指标。 抗干扰容限是 指扩频通信系统在多大干扰环境下能正常工作的能力，其定义为： )( LsoutNSGpMj （ 6） 其中 :Mj 抗干扰容， Gp 处理增益，（ S/N） out 信正确解调数据所需要的最小输出信噪比， Ls 接收系统的工作损耗。由式 6可知，抗干扰容限Mj与扩频处理增益 Gp 成正比，扩频处理增益提高后，抗干扰容限也提高了，从而使信号可以在一定的噪声的干扰下也能顺利通信。通常的扩频设备就是将要传送信息的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽可能地提高处理增益。 2.2.4 扩频通 信系统的工作原理 扩频通信的一般工作原理如图 2-1所示。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输出数据 信息序列 信道 编码器 调制器 信道 解调器 信道解码器 伪 随机序列发生器 伪随机序列发生器 图 2-1 扩频通信系统基本框图
