基于MATLAB的扩频通信研究.doc

基于MATLAB的扩频通信研究摘 要扩展通信的技术复杂，比较难模拟，为了更好的研究相关问题，本文关于MATLAB的扩频通信技术方面进行相关调查研究。为更好的掌握该技术，通过MATLAB提供的Simulink的工具包以此创建的名为扩频通信系统的模型，之后对该仿真程序进行运行并使用扩频码，保证系统误码率不改变，以此建立扩频增益与输出信噪比二者间的联系，并对扩频通信系统进行学术探究。观察有关数据发现，系统的输出信噪比有了良好的改良。所以通过研究MATLAB该仿真模型，扩频通信系统具有强抗干扰能力，为扩频通信的现代通信打下坚实基础。关键词：扩频通信；MATLAB；扩频增益；输出信噪比；强抗干扰能力Research on spread spectrum communication based on MATLABAbstractThe technology of extended networking is complex and difficult to approximate. In order to study the related problems better, this paper examines the spread spectrum communication technology of MATLAB. In order to better master the technology, the Simulink software kit provided by Matlab is used to create a model called spread spectrum communication system. Then the simulation program is run and spread spectrum code is used to assure that the failure rate of the system does not change, so as to obtain the relationship between the spread spectrum gain and the output signal-to-noise ratio, and carry out academic research on the spread spectrum communication system. It has been found that the SNR output of the system has been improved. Therefore, through the study of the MATLAB simulation model, the spread spectrum communication system has a strong anti-jamming ability, which lays a concrete foundation for the modern communication of spread spectrum communication. technology of extended communication is complex and difficult to simulate. With the purpose of studying the related problems better, this paper studies spread spectrum communication based on MATLAB. On the basis of thoroughly mastering the theory of spread spectrum communication, KeyWords： technology of extended networking; MATLAB; spread spectrum gain; output signal-to-noise ratio; strong anti-jamming ability目 录1 前言 11.1 本设计的目的、意义及应达到的技术要求 21.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题 31.3本设计应解决的主要问题 42本设计 42.1设计原理 52.2方案选择 62.3设计过程 73结论 10参考文献 12致谢 13附录 141 前言扩展频谱通信，简言之，便为扩频通信。该技术使用伪随机码，从而得出电射频信号比基带信号的频带宽度大得多。伪随机码与其他代码的不同之处便是与信息无关，可以直接序列扩频、线性调频、跳频跳时、线性调频等，都是扩频通信的相关范围，接下来我将一一列举有关扩频通信的一些特点：1.提升无线频谱的利用效果，使反复使用频率更为简易获取无线频谱是十分难得的，虽然现在有关长短波的技术开发已经十分先进，但是远远无法达到目前所需。而窄道通信则是利用波道来划分并以防各个信道之间互相干扰。当今世界各地都限制了用户使用频率的次数，并建立了频率管理机构以此监督，从而导致发送功率低下，以此为背景，并反复使用同一区域中的同一频率，并在各个窄道通信中实现同一频率的共享。因此在世界上的许多国家，无论是单位还是个人都不用单独申请频率，可以直接使用扩展频谱通信。 2. 减少误码率，增强抗干扰性扩展频谱通信占用的带宽很大，在进行空间传输过程时，接收端解扩后，使所需的信号还原为窄道信号，没有价值的信号增加为宽带信号，并提炼所需的信号。从而使解扩后窄带信号中含有很少量的成分，信噪比也随之增加，并增强抗干扰性。3.实现码分多址扩展频谱通信虽然可以有效提升抗干扰性，但它占据宽频带较大。为了调制扩频码在扩频通信中更好运用扩频序列，以及优良特征，通过接收端使用一些检测技术解扩，分辨不同用户的信号，并提炼出所需信号。从而实现，多用户在同一时间通话从而互不干扰。4.抗多径干扰往普通窄带通信采取分集接收技术和梳状滤波器提升抗多径干扰能力。分集接收技术就是分离出最有用的信号，去除干扰信号。后者的应用原理便是把不同路径、位置的信号从时域上对齐相加，合并为有用信号。使扩频码发挥自身长处，分离多个路径的信号从而得出同一码中的有用信号，整合序列的波长，它与上述的作用一致。在频率跳变扩频调制方式的扩频系统中，多频率信号传送相同信息，有频率分集的功能。5.隐蔽性好，不会干扰到其他窄带通信系统因为扩展了较宽频道的扩频信号，所以单位频带内功率很小，信号在噪声里不突出，及时发现有难度，若要进而检测信号就更加困难，所以说它的隐蔽性好。6.可开展多种通信业务和进行数字话音和数据传输，扩展频谱通信适用于多领域，包括计算机网络，数据和图像传输，都采用码分多址技术和数字通信。7.定时、测距的精准性高在扩展频谱通信中，扩频速率和频谱成正比例的关系，如果扩频速率越快，那么它的频谱就越宽，这样一来每个码片时间就很短。发射的扩频信号被测量的物体反射回来之后，同时分解扩频码序列，对比两个码序列的差别，就可以来精确测量该信号往返的时间差，然后计算出二者的距离。测量的精度取决于码片的宽度（若码片越窄，频谱就越宽，精度就越准确）。8.便于安装，轻松维护扩展频谱通信所具有的强干扰性与保密性说明着它可以运用于民用及军用通信中。扩频通信系统使用扩展频谱技术，把信号扩展到更宽的频带上，在接收端处理扩展信号，称为带宽压缩，恢复成为窄带信号。但由于它与扩频信号不同步，扩展干扰信号的带宽，干扰率减少。因此，扩频通信系统拥有较强的对抗能力。扩频通信不仅可以增加信号的频谱，而且发端使用扩频码序列进行扩频调制，能够很大程度上扩展信号的频谱，并且它在收端应用解调技术，所以它的优势在于它有很多窄道通信无法代替的功能，这也是它之后被快速应用于各种公用以及专用的通信网络中。需要我们注意的是，扩频通信也是目前唯一可以在工作于负信噪比条件的商用的通信系统。扩频通信是高度集成的一种，使用了顶端的技术。它的优点还有，设计小巧、性能卓越，而且成本低，便于安装，因此可以广泛推广。MATLAB软件拥有超强的科学计算功能、系统仿真能力技术已经炉火纯青、并且可以精准的仿真电路使得它成为当今应用最广的一款系统仿真软件，用它完成扩频通信系统的仿真更是不在话下。本文则使用了MATLAB软件仿真了扩频通信系统中的直接序列，对扩频通信系统的往后的发展技术以及各个领域进行了相关研究，并提出了理论依据。1.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求扩频通信作为通信的重要组成部分也是未来信道通信系统的目标。它的优势是使用扩展频谱置换信噪比，简单地说，就是很大程度上面改良接收机输出与输出的信噪比的比较，以此提升了它的抗干扰能力。另外，它还具有良好的保密功能、便于多址通信各个优势，因此受到社会各界的关注。随着近几年科技发展速度的加快，扩频通信技术达到了新高度。它在民用领域应用很广，而且在我们的军用领域也有所造诣，是未来潜力最大的通信技术之一，因此研究扩频技术意义重大，可以加快我们未来的信息技术的发展。1.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题随着越来越多相关科技人才深入研究信息技术，近年来，它扩频通信得到了快速发展，它与光纤通信、卫星通信成为最总重要的三大通信方式。扩频通信也被第三代数字移动通信应用于各个领域，也是码分多址通信的根本，是未来通信的重要组成部分，对未来通信方向的影响具有深远的意义。扩频通信技术有着多种优势，它以抗干扰能力强、易于实现多址通信、良好的保密性著称，在当今世界信息技术领域有着无法替代的位置。21世纪信息技术的超快发展，微处理技术以及超大规模集成技术也得到了进一步的精进，随着各种新型元器件的研发以及应用，扩频通信在技术层面上已经得到了新的发展。越来越多的国家发射卫星，全球定位系统的精准性应用也有了质的飞跃，个人通信业务也随之发展，扩频技术也有了全球范围的应用，根据有关数据统计，使用该技术的用户已经超过一亿，这也意味着，无线通信在未来发展的前景很好，也是未来21世纪发展最有潜力的技术部分之一。扩频技术也进入人们的眼球，它在未来无限系统的应用也受到很多人的关注。20世纪50年代，扩频通信系统产生并应用于军事领域，五十年代以后，扩频通信的理论方面的知识内容逐渐完善成熟，在之后的发展中取得了极大的胜利，但是当时的扩频通信技术还是有所局限的，如应用领域的扩展以及优化硬件设施，但是紧接着它又迎来了另外一次机遇，在个人通信业务方面得到了进一步发展。到了20世纪八十年代初，扩频通信技术都是只局限于军事领域，没有很大的进步，1985年美国联邦通信委员会发布的一则报告改变了它的现状。1990年，第一代模拟蜂窝通信系统的出现，很多专家学者热衷于PCS的研究。共享频谱在扩频技术领域有了更多发展方向，实现码分多址近在眼前，多用户共享同一频段且不被干扰成为可能，不同用户有不同的扩频码，实现多址通信。当前扩频通信系统的研究令信息的保密性更加完好，信息在传播过程中保密性更强。信息的抗干扰能力更加好，隐蔽性也增强了，可以体现它的更多优势。它与普通的通信系统比较而言，优点在于它在一定层面上增强抗干扰能力以及抗阻塞能力，所以在扩频通信系统中，信号可以实现在带宽很宽的噪音中进行传输，并在很大程度上避免信息被截获，提高信息的安全性能。虽然扩频通信的优势诸多，但是也有一些短板。例如处理增益待提升，扩频带宽带完善以及在跳时和跳频的速度也要更快提升，也要提高扩频码的复杂程度。不仅如此，扩频通信应用于现代信息技术的各方面。通过毕业论文设计，进一步研究扩频通信技术各方面优势以及技术特色，并进行学习，加深对扩频通信的认识，为以后工作中打下一定的基础。 1.3本设计应解决的主要问题扩频通信系统没有具体化的概念、技术也很深奥、内容则更加庞大复杂，如果想要深刻学习和掌握该技术的难度系数很大，不是其他简单的模拟实验可以与之比较的。所以，如果想灵活的掌握了解扩频通信知识，并以Matlab仿真软件为平台，以扩频通信系统仿真的一些真实案例为关键，结合其中的基础概念与设计思想，使我们系统化对扩频通信技术有了全面而又深刻的认识。2本设计扩频通信比较于一般的通信系统，它的特殊点在于可以提高发射端的扩频调制，传输到接收端可以一定程度上增加其解扩的过程。如果想应用扩频通信，重要环节便是如何使发信机模块产生宽带的扩频辛哈，其次便是如何解扩扩频信号的收信机端。本设计以直接序列扩频系统为例说明扩频通信的实现方法。我们以直序扩频通信的简化框图来了解直序扩频，而后深入剖析它的特点及其在信息技术方面应用，以MATLAB提供的可视化工具包Simulink为例，实现扩频通信系统的完整仿真，从而最终得出直序扩频通信系统的仿真结果。该理论应用的基础是香农公式，信道容量不变为前提进行相关深入调查，提升信号的传输频带宽度从而达到降低信噪比的效果。我们观察该扩频通信系统的仿真模型，并对它进行一系列比较分析，通过研究发现一定规律，若想降低对信噪比的条件，可以增加信号的传输带宽。普通的二进制系统小于直扩系统的抗干扰力，同时扩频系统性能的好坏可以说取决于扩频码的独特性能。2.1设计原理扩频通信使用独立的码序列扩展信息，信号的频带宽度大于信息的最小带宽，通过编码得出信息；独立的码序列一般情况下是伪随机码。1扩频通信是由抗干扰理论与信息论的相关公式衍生而来的，体现出其中的可行性，香农公式是该通信实施的理论基础，香农公式即c=wlog2(1+s/n)。式子中：w为信道带宽（赫兹），s为信道内所传信号的平均功率（瓦），n为信道内部的高斯噪声功率（瓦）。得出信道容量与信道带宽是正比的关系，除此外，这个结果也与系统信噪比以和编码技术种类有关。该公式有如下规律：假设r>c，那就无法传递类似的信息，也可以说传递相似的信息有1/2的错误率。在香农公式的基础上得出：当信息最大速率c不变时，带宽w和信噪比s/n能够互相转换。也就是说，在环境恶劣情况时，使用增加信号带宽（W）来保持通信的稳定，以此信息的功率可以少于噪音基底。换句话说，也就是通过扩频的办法让宽带传输信息以此达到信噪比的益处，这就是该理论的基本思想过程。所给的传播速率不变时，互换频带宽度和信噪比P，提高频带宽度，信噪比较低时传输信息，并提供了基本的理论，这也是扩频通信的特点之一。它其中的重要的作用是扩频增加收益，该参数显示出系统抗干扰能力的变化，用来衡量信噪比改良的程度，定义为接收机相关器输出信噪比除以输入信噪比，即 Rd称为信息数据的传输速率，Bs称为扩频码的的带宽，Rs称为扩频码的传输速率，Bd称为信息数据的带宽。扩展频谱的可以使用数字化来获取。可以转换其二进制码位的一个时间段并用新的一组多位长的码型，原码的码速率小于新码型，得出来原码的带宽比新码型的小。新的码型称之为随机（PN）码，码位长度和系统的能力成正相关。在选择以上一个序列，例如M序列，将其中可用的编码，进行两两组合，然后划分为若干组，组内两个码型分别表示原始信息"1"和"0"。系统对原信息进行编码、传送这两个步骤后，接收端用相关的处理器对接收信号与本地码型进行相关运算，使得基带信号实现解扩，以此来区分不同用户的不同信息。直扩通信系统，也就是直接用一个序列来扩展频谱通信系统，把需要传输的信号乘以高速率高带宽的伪随机码，输入信号其中的一个参量的，并扩展输入信号的带宽。用于频谱扩展的伪随机码序列又称为扩频码序列，它代表着扩频系统的性能。一个直扩通信系统中，扩频通过伪噪声序列（PN）对发送的信息数据进行调制实现的2。在接收端，原伪噪声序列和所收信号的相关运算可将窄带干扰扩展到DS信号的整个频带，使干扰等效为幅度较低频谱较平坦的噪声，并且将DS信号解扩，恢复成原始信息数据。直序扩频系统的特点有：1强抗干扰性2强抗衰落能力3可实现码分多址4强抗多径干扰能力5直扩通信速率很好6很好的隐蔽性7远具有近"效应"8组网能力9窄带系统的兼容以上各图得出如下结论，接收端接收到信息之后，对扩频调制信号进行解扩，并与发射端伪随机序列同步，而后恢复信号的频带，并进行解调，还原传输的信息，在发射端，信源输出的信号与伪随机码产生器产生的伪随机码进行模2加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制載波，从而得到已扩频调制的射频信号。2.2方案选择Simulink它是基于MATLAB的框图设计环境，为实现动态系统建模、仿真的软件包，具有可视化的功能，应用于非线性系统、线性系统、数字控制多领域中。3Simulink的环境很宽，是动态系统建模、仿真并综合分析的综合环境。该环境不需要书写复杂程序，可以简单建造出系统。用它实现扩频通信系统仿真功能，体现扩频通信系统的过程，而后观察波形，分析品剖和性能分析等，从而得出结论，模拟了扩频通信的真实状态，提供了专业化系统化的研究平台。直接扩频通信系统仿真模型如下：2.3设计过程扩频过程是PN码与信息码的双向变换后相乘加。解扩和扩频过程一样，将收到的信号利用PN码进行二次扩频处理。利用数字调制基带信号，从而使基带转到频带，显示出远距离传输的过程。利用加性高斯白信号噪声信号，将信噪比转化为负数，彰显扩频通信系统良好的降噪声的能力，以达到信号传输并进行解扩解调的作用。调节最小相移键控解调，并复原基带信号。分析计算误码率相关的信号，通过统计、调制、解调、扩频、解扩一系列操作，若有一个延迟。那么需在误码仪对话框中设置一个相应的延迟。随机整数发生器会产生二进制随机信号，可随机设置采用时间以及初始状态，以此可以满足目标信息来源。使用PN序列发生器中生成的伪随机码对基带信号扩频。以下是MATLAB仿真，得出的基带信号的频谱：4经过调制后频谱如下：扩频后频谱如下：接收端恢复后的输出信号频谱如下：观察发端的图像可以知道，在高的PN码调制后，信息码的频谱经过扩展。发端经过相同的PN码解调后，信息码还原，并且经过调制、扩频传输、解调并恢复等一系列过程，这与PN码的两次“模二相加”非常像。误码率分析：输出的数据是1个N行3列的矩阵。第一列即差错率，第二列即差错码的数量，第三列码元总数即前述的N。由这些图可以看出，差错率为零点零零二，差错码的数量为2，码元总数为1000。从这里可以看出它具有良好的抗噪声能力。实验得出，基带信号的频率分量集中在负的一百Hz到一百Hz，与信号源在之前设置的频率相符合。基带信号在M-PSK调节后，正频域的频率集中在2.9KHz-3.1KHz处，出载波频率为3KHz，它与M-PSK调制器的载波频率相同。频带信号经过与PN码相乘扩频后的信号频谱，正频域的频率集中在零Hz到二十KHz左右，带宽扩展了将近二十倍。信号经由信模拟信道的awgn信道模块，到接收端，经过解扩，得到解扩后的频带信号，然后解调模块，恢复成基带信号。观察恢复后的信号的频谱，和信源处的信号相同。3结论扩频通信的抗干扰、抗衰落、抗多径能力成为第三代通信的技术关键，并以其中的方法与基础理论，并由Simulin此可视化工具MATLAB从而建立完善系统仿真模型。以一定的条件下操作该模拟系统，从而证明了该仿真模式的准确度。并以此为研究对象，对扩频系统和抑制正弦干扰等问题进行深度研究，得出结论：扩频系统对正弦干扰具有强抗干扰性，增大信噪比抑制正弦信号的干扰，说明它有强抗干扰力，因而可以推广应用于民用领域和军事领域中。参考文献1曾兴雯，刘乃安，孙献璞。扩展频谱通信及其多址技术M。西安：西安电子科技大学出版社，2004。2郭海燕，毕红军。MATLAB在伪随机码的生成及仿真中的应用J。计算机仿真，21(3)，2004。3徐明远，邵玉斌。MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用M。西安：西安电子科技大学出版社，2005。4李建新，刘乃安，刘继平。现代通信系统分析与仿真MATALAB通信工具箱M。西安：西安电子科技大学出版社，2001。5胡晓冬，董辰辉。 Matlab经典教程从入门到精通M。人民邮电出版社，20186陈杰。 MATLAB宝典M。北京：电子工业出版社，20137付文利，刘刚。 MATLAB编程指南M。北京：清华大学出版社，20178王娟。 扩频通信技术及应用M.北京：清华大学出版社，20169暴宇，李新民。 扩频通信技术及应用M。西安：西安电子科技大学出版社，201910沈再阳。 MATLAB信号处理M。北京：清华大学出版社，2017谢 辞感谢我的导师刘宴涛副教授，本论文在导师的悉心循导下完成。导师严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严于律己、宽以待人的崇高风范，朴实无法、平易近人的人格魅力对本人影响很大。本次论文从选题到完成，每一步都是在导师的悉心指导下完成的，倾注了导师很多的心血。在写论文的过程中，遇到了很多的问题，在老师的耐心指导下，问题都得以解决。在此向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！时光匆匆，如今转眼已经是学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。离校日期已定，毕业论文的完成也随之进入了尾声。从开始进入课题到论文的顺利完成，一向都离不开老师、同学、朋友给我帮忙，感谢大学期间所有教过我的老师，他们严谨细致、一丝不苟的作风是我的工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。在此我向教过我的所有老师表示衷心的感谢，谢谢你们三年的辛勤栽培，谢谢你们在教学的同时更多的是传授我们做人的道理，谢谢三年里面你们孜孜不倦的教诲！感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨日。四年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生大学前所担心的任何不开心的事情。我们在一起的日子，我会记一辈子的。感谢我的爸爸妈妈，他们让我在漫长的人生旅途中使心灵有了虔敬的归依，而且也为我能够顺利的完成毕业论文带给了巨大的支持与帮忙。焉得援草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的情绪无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的学长、学姐、同学、朋友给了我无言的帮忙，在这里请收下我诚挚的谢意。三年寒窗，所掌握的不仅仅是愈加丰厚的知识，更多要的是在阅读，实践中所培养的思维方式， 表达潜力和广阔视野。很庆幸这三年来我遇到了如此多的良师益友，无论在学习上、生活上，还是工作上，都给予了我无私的帮忙和热心的照顾，让我在这充满温馨的环境中度过三年的大学生活。感恩之情难以用言语量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。"长风破浪会有时，直挂云帆济沧海。"这是我一直以来非常喜欢喜欢的诗句。就用这话作为这篇论文的结尾，也是一段生活鹏束。期望自己能够继续少年时的梦想，永不放弃。附 录直序扩频通信系统仿真程序如下：functionY=DSSS（X，mode）switch nargincase0X=This is a test.”;Y=DSSS(X);return case 1Y1=DSSS(X, 1);Y2=DSSS(Y1,2);Y=Y2; return: case 2if mode=lD=ones(l,7);m_seqiience=Msequence(D);X_1ength=length(X);ascii_value=abs(X); ascii_binary=zeros(X_length,7)；forii=l:X lengthascii_binary(ii,:)=Binary(ascii_value(ii);subplotGAiyplotaeshapeCascii-binaryJXJengthDUitleCA:输入数据);Sp_expand=zeros(X_1ength,127*7)For ii= 1:X_1engthFor jj=1:7Sp_expand(ii,127*jj-126:127*jj)=xor(m_sequence,ascii_binary(ii,jj);endendsubplot(2,3,2);plot(reshape(Sp_expand,1,X_length*127*7);title(B：数据扩展);for ii=1: X_lengthfor jj=l: 127*7if(Sp_expan d(ii,jj)Sp_expand(iijj)=-1;endendendSp_expand_bpsk=reshape(Sp_expand,l,X_length*127*7); subplot(23,3);plt(Sp_expand一bpsk);title(C:BPSK 调制） Y=Sp_expand_bpsk;elseif mode=2 D=ones(l,7);M_sequence=Msequence(D);l=length(X)/(127*7);X_length=length(X); forii=l:X lengthIf X(ii)=-lX(ii)=0;endendSp_expand=reshape(X,1,127*7);Subplot(2,3,4);plot(X);title(D：数据传输)；ascii_binary=zeros(1,7);Demodulate_binary=zero(1,127*7);For ii=1:1For jj=1:7Demodulate(ii,127*jj-126:127*jj)=xor(m_sequence,Sp_expand(ii,127*jj-126:127*jj);endendfor ii=1:1for jj=1:7ascii_binary(ii,jj)=Demodulate(ii,127*jj-126);end endsubplot(2,3,6);plot(reshape(ascii_binary,1,1*7);title(E：数据输出);A=zeros(l,1);for ii=l:1A(ii)=Ascii(ascii_binary(ii,:);endY=char(A);elsemode=l;endreturnendfiuictionYY=Binary(Zl)z=zeros(l,7);z(l)=inod(Zl,2);a=floor(Zl/2);for II=1:6z(II+1)=mode(a,2)a=floor(a/2);if a=0break;endendYY=z;functionZZ=Ascii(Z2)I=length(Z2);A=0;For ii=1: 1A=Z2(ii)*2A(ii-l)+A;endZZ=A;fimction Y=Mseqiience(X) switch nargincase 0Y=Msequence(X); Returncase 1l=lengtli(X);mp_register=X; out_sequence=zeros(l,21-1); sum_xor=0; for ii=l:2Al-lout_sequence(ii)=mp_register(1);sum_xor=xor(mp_register(1),mp_(1-1);for jj=1:1-1mp_ register(1-jj+1)=mp_register(1-jj);endmp_register(1)= sum_xor;if mp_register=XbreakendendY=out_sequence；returnend16