直接序列扩频通信系统研究及仿真(24页).doc

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1、-第 I 页直接序列扩频通直接序列扩频通信系统研究及仿信系统研究及仿真真-第 I 页编号编号本科生毕业设计直接序列扩频通信系统研究及仿真Research and Simulation of Direct Sequence Spread SpectrumCommunication System学 生 姓 名专业通信工程通信工程学号指 导 教 师学院电子信息工程学院电子信息工程学院二一六年六月-第 II 页毕业设计（论文）原创承诺书毕业设计（论文）原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）直接序列扩频通信系统研究及仿真，是认真学习理解学校的XXX 本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下

2、，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！

3、作 者 签 名：2016年6 月日-第 I 页摘摘要要直接序列扩频通信系统（Direct Seqcuence Spread Spectrdm）因其抗干扰性强、隐蔽性好、易于实现码分多址（CDMA）、抗多径干扰、直扩通信速率高等众多优点，在个人通信网、无线局域网、第三代移动通信、卫星通信以及军事战术通信等领域得到广泛应用。本论文首先介绍了直接序列扩 I 频通信系统的应用背景、特点、意义和发展现状，然后从基本原理和主要性能等方面阐述了直接序列扩频通信系统，并利用Matlab 中的 Simulink 模块对直接扩频通信系统进行了仿真，在给定基带信号、伪随机序列、信道等条件下运行仿真程序，通过分析频谱

4、、误码率等指标验证了直接序列扩频通信系统的性能优势。关键词：直接序列扩频通信系统MATLAB 仿真Simulink 模块仿真-第 II 页AbstractThe direct sequence spread spectrum communication system is widely used invarious areas,such as personal communication,networks,wireless local area network,the third generation mobile communications,satellite communications

5、 and militarytactical communications,because of its many advantages:strong anti-interference,good for hiding,easy to implement code division multiple access(CDMA),anti-multipath interference,and higher DSSS communication rate.First,the application background,features,significance and the development

6、 ofthe direct sequence spread spectrum communication system are presented,and thenfrom the basic principle and main performance,expounds the direct sequence spreadspectrum communication system.The simulation model of the direct sequence spreadspectrum communication system is built by using Simulink,

7、which is provided byMATLAB.Thesimulationprogramrununderthegivenbasebandsignal,pseudo-random sequence and channel conditions by analyzing the spectrum,bit errorrate and other indicators to verify the performance advantages of Direct SequenceSpread Spectrum communication system.Keywords:Direct sequenc

8、e spread spectrum communication system;MATLAB；Simulink-第 III 页目目录录-第 1 页第第 1 1 章章绪绪论论1.11.1 引言引言扩频通信的基本概念是从 20 世纪 40 年代末期开始逐步形成的。扩频的精确定义为用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身带宽的一种传输方式，频带的扩展由独立于信息的扩频码来实现，与所传信息数据无关，在接收端用同步接收实现解扩和数据恢复。简言之，扩频通信是把所要传输的信号带宽扩展到很宽的频带中进行传输。1.21.2 直接序列扩频通信简介直接序列扩频通信简介1.2.11.2.1 直接序列扩频背景及研究现状直接

9、序列扩频背景及研究现状世界上第一个直接序列扩频系统是在美国的联邦通信实验室（FTL）于 1949年由 Derosa 和 Rogff 完成的，成功的工作在 New Jersey 和 California 之间的通信线路上。最近的二十几年扩频技术得到越来越广泛的应用。比如美国的全球定位系统(GPS)、通信数据转发卫星系统（TDESS）、码分多址（CDMA）卫星通信系统、特别是 NASA 和军用卫星通信系统，这些都是 DS 系统。近年来，在直接序列扩频通信原理及其特点的基础上，针对不同的干扰方式，分别对直接序列扩频通信系统的抗干扰能力进行分析。根据目前直接序列扩频通信的军用情况，对直扩电台的战术应用

10、进行研究，提出解决电台组网时台间相互干扰以及“远近效应”的可能措施1。今后，在卫星通信，移动通信系统，定位系统等领域都将得到进一步广泛使用。1.1.2.2.2 2 直序序列扩频通信的特点直序序列扩频通信的特点1.直扩方式的优点直扩方式的优点（1）抗干扰性强扩频通信系统具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰的能力，有利于电子反对抗，特别适合在军事通信系统中运用2。相对于常规通信系统，直接序列系统、频率跳变系统、直接序列一频率跳变混合扩频系统、直接序列一时间跳变混合扩频系统等对多径干扰不敏感，如果再采用自适应对消、自适应天线、自适应滤波等技术或措施，就可以使多径干扰的影响减至最小

11、或完全消除，这对移动通信是很有利的。（2）抗截获性强理论分析表明，信号的检测概率与信号能量与噪声功率谱密度之比成正比，与信号的频带宽度成反比3。直扩信号正好具有这两方面的优势，它的功率谱密度很低，单位时间内的能量就很小，同时它的频带很宽。因此，它具有很强的抗截获性。-第 2 页（3）易于实现码分多址(CDMA)多址通信系统指的是许多用户组成的一个通信网，网中任何两个用户都可以通信，而且许多对用户同时通信时互不干扰4。应用直扩系统就很容易组成这样一个多址通信系统网。（4）抗多径干扰直扩系统能够同步锁定在最强的直达路径的电波上，其它有延迟到达的电波，由于相关解扩的作用，只起到噪声干扰的作用。另外，

12、如果采用不同时延的匹配滤波器，把多径信号分离出来，还可以变害为利，将这些多径信号在相位上对齐相加，起到增加接收信号能量的作用。因此，直扩系统是一种有效的抗多径干扰的通信系统。（5）高分辨率测距当采用一个较长周期的 PN 码序列作为发射信号、用它于目的地反射回来或转发回来的 PN 码序列的相位进行比较，即比较两个码序列相差的时片数，就可以看出其时间差，也就能换算出发射机与目的地之间的距离。2.直扩方式的缺点直扩方式的缺点直接序列扩展频谱系统是两个宽带系统，虽然可与窄带系统电磁兼容，但不能与其建立通信。在直接扩展频谱系统的接收机存在的明显的远近效应。对此，需要在系统中采用自动功率控制，以保证远端和

13、近端电台到达接收机的有用信号是同等功率的，增加了直接扩展频谱系统在移动通信环境中应用的复杂性。直接扩展频谱系统的处理增益受限于码片（chip）速率和信源的比特率，即码片速率的提高和信源比特率的下降都存在困难。处理增益受限，意味着抗干扰能力受限，多址能力受限。1.2.31.2.3 与其他扩频技术比较与其他扩频技术比较扩频通信系统按扩频方式的不同，可分为以下四种类型5:（1）直接序列扩频（DS）；（2）跳频扩频（FH）；（3）跳时扩频（TH）；（4）混合方式(以上三种基本方式的不同组合)。直接序列扩频采用高码速率的直接序列(Direct Sequence,DS)，伪随机码在发送端进行扩频，在接收端

14、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。跳频扩频（FH）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。某个时间点上，某一用户的跳频信号只占用单个频率信道。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-第 3 页分为快跳频和慢跳频两种。如果信号跳频的速率等于或接近符号速率，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。跳时扩频（TH）是使发射信号在时间轴上跳变。先把时间轴分成许多时间片，在一帧内的哪个时间片发射信号由扩频码序列

15、进行控制。由于采用了很窄的时间片去发送信号，所以信号的频谱被展宽了，达到了扩频的效果。其中 DS 的研究最为深入，为了实现直接序列扩频信号的正确接收，对接收端的伪码及载波相关处理所构成的捕获与跟踪环节尤为重要。可以说，直接序列扩频信号的高效同步环路的机理研究是关键，更是难点。1.31.3 本文主要工作和结构安排本文主要工作和结构安排本文主要研究了基于 Simulink 的直接序列扩频通信系统，首先进行了扩频通信的理论学习及 matlab/simulink 学习，最后对直接序列扩频通信系统进行了仿真分析，在给定条件下运行了仿真程序，得到了预期的结果。直接序列扩频通信系统抗干扰性强、隐蔽性好、易于

16、实现码分多址（CDMA）、抗多径干扰、直扩通信速率高等众多优点。本文的章节结构安排如下：第一章，介绍了直接序列扩频通信系统的背景及研究现状，特点及与其他扩频通信技术的比较。第二章，介绍了直接序列扩频通信系统的基本理论，研究了仿真中用到的伪随机序列，并对直接序列扩频的主要特性进行了分析。同时也对matlab/simulink 进行了概述。第三章，完成了基于 Simulink 的直接序列扩频通信系统仿真研究，并对各个模块进行了逐一的介绍分析，得出直接序列扩频通信系统抗干扰性强等优点。最后对本论文研究课题进行总结。-第 4 页第第 2 2 章章直接扩频通信系统直接扩频通信系统2.12.1 扩频通信基

17、本原理扩频通信基本原理扩频通信的理论基础是 Shannon 于 1948 年发表的A Mathematical Theoryof Communication一文，即著名的信息论。Shannon 信息论中有关信道的理论容量公式为6)1(log2NSBC（2-1）式中：C-信息的传输速率（信道容量），单位 b/s；S-信号平均功率，单位 W；B-频带宽度，单位 Hz；N-噪声平均功率，单位 W。由式（2-1）中可以看出：为了提高信息的传输速率 C，可以从两种途径实现，即加大带宽 B 或提高信噪比 S/N。换句话说，当信号的传输速率 C 一定时，信号带宽 B 和信噪比 S/N是可以互换的，即增加信号

18、带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，增强了系统的抗干扰能力。典型的扩频通信系统框图如图 2-1 所示。由图 2-1 可以看出，扩频通信系统主要由原始信息、信源编译码、信道编译码（差错控制）、载波调制与解调、扩频调制与解扩和信道六大部分组成7。信源编码的目的是减少信息的冗余度，提高信道的传输效率。信道编码的的目的是增加信息在信道传输中的冗余度，使其具有检错或纠错能力，提高信道传输质量。调制部分的目的是使经信道编码后的符号能在适当的频段传输，通常使用的数字信号调

19、制方式有 QPSK 和OQPSK 等。扩频调制和解扩是为了提高系统的抗干扰能力而进行的信号频谱展宽和还原。可见，与传统通信系统相比较，该系统模型中多了扩频和解扩两个部分，经过扩频，在信道中传输的一个宽带的低谱密度的信号。图2-1扩频通信系统模型信源信源编码信道编码载波调制扩频信道信息输出信源译码信道译码载波解调解扩-第 5 页2.22.2 直接序列扩频的基本原理直接序列扩频的基本原理直接序列调制扩展频谱通信系统，简称直接序列系统或直扩系统，是用信息信号与高传输速率的伪噪声（伪随机）码的波形相乘后，去直接控制载波信号的某个参量，来扩展传输信号的带宽的。用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。在接

20、收端用与发送端相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信号。对干扰信号而言，与伪随机码不相关，在接收端被扩展，使落入信号通频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了相关的输出信噪比，达到了抗干扰的目的。直扩系统一般采用频率调制或相位调制的方式来进行数据调制，在码分多址通信中，其调制多采用 BPSK、DPSK、QPSK、MPSK 等方式。直接序列扩频系统的数据序列是双极性波形，扩频所使用的伪随机序列也是双极性波形，伪随机序列的码元称为码片，码片速率通常是数据速率的整数倍，对于双极性波形而言，扩频过程等价于数据流与伪随机序列相乘的过程，扩频输出序列也是双极性波形，其速率等于码片速率

21、8。扩频序列经过调制后得到调制输出信号送入信道。由于 PN 码速率远远高于数据传输速率，所以调制输出信号的频带宽度将远远大于数据波形的带宽。图 2-2 示出了直扩序列通信系统的原理图。图 2-2 直扩通信系统的原理图在发送端输入信息码元 a(t)，它是二进制数据，其码元宽度为 Ta，伪随机码产生器产生高速率的伪随机码 C(t)，其码元宽度为 Tc（TcTa）。将信息码与伪随机码相乘，产生速率与伪随机码速率相同的扩频序列 d(t)，这时信息带宽已经被展宽（如图 2-2），然后用扩频序列去调制载波，以便信号在信道上有效的传输，载波频率为 f o，这样就得到已扩频的射频信号 s(t)ttCtts0c

22、os)()(a)(（2-2）-第 6 页则信号频谱被搬移到射频 fo 上。从图 2-3 可以清楚的看出直扩系统的信号波形变化。图 2-3 直扩系统的主要波形图发射的信号经过信道传输，在接收端，由于信道中的干扰，接受到的信号有有用信号、多径干扰信号、窄带干扰信号、宽带干扰等。扩频解调器实际上是一个相关器，扩频信号通过相关器后干扰信号（包括多径干扰、窄带干扰、宽带干扰）由于这些干扰与本地伪随机码（PN 码）不相关，接受机解扩对它们相当于一次扩频，将干扰和噪声的频谱展宽，降低了功率谱密度，然后通过中频滤波器，滤除不相关的各种干扰，从而大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，经解调恢复出原始信息，这使解

23、调器的输入信噪比得到提高，从而提高了系统的抗干扰能力。这一过程说明了直扩系统的基本原理和它是怎样通过对信号进行扩频与解扩处理从而获得提高输出信噪比的好处的，它体现了直扩系统的抗干扰能力。2.32.3 伪随机序列（伪随机序列（PNPN 码）码）伪随机码又称为伪噪声码（Pseudo Noise Code），简称 PN 码9。简单地说，伪随机码是一种具有类似白噪声性质的码。白噪声是一种随机过程，它的瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽的频带内都是均匀的。白噪声具有优良的相关特性，但至今无法实现对其进行放大、调制、检测、同步及控制等操作。在工程应用于实践中，只能用类似于带限白噪声统计特性的伪随机码信号来逼

24、近，并作为扩频通信系统的扩频码。扩频码序列的特性对直接序列扩频通信系统的性能有决定性的作用。在通常情况下，扩频码序列需具有以下特性：-第 7 页（1）伪随机序列的自相关函数必须具有尖锐的的特性，而互相关函数值应接近 0 值；（2）有足够长的序列周期，以确保达到抗侦破与抗干扰的要求；（3）序列的数量足够多，用来作为独立的地址，以实现码分多址的要求；（4）工程上易于产生、加工、复制和控制。二进制 m 序列是一种伪随机序列，有优良的自相关函数，是狭义伪随机序列。m 序列易于产生和复制，在扩展频谱技术中得到广泛应用。在 DS 系统中用于扩展基带信号，在 FH 系统中用来控制 FH 的频率合成器，组成跳

25、频图案。m 序列是最长线性移位寄存器序列的简称。顾名思义，m 序列是由多级移位寄存器或其延迟原件通过线性反馈产生的最长的码序列。在二进制移位寄存器中，若 n 为移位寄存器的级数，n 级移位寄存器共有 2n个状态，除去全 0状态外还剩下 2n-1 种状态，因此它能产生的最大长度的码序列为 2n-1 位。产生 m 序列的线性反馈移位寄存器称作最长线性移位寄存器。产生 m 序列的移位寄存器的电路结构，其反馈线连接不是随意的，m 序列的周期 P 也是不能取任意值，而必须满足 P=2n-1，其中，n 是移位寄存器的级数。n 级非退化的线性移位寄存器10的组成示意图如图 2-4 所示。图 2-4 n 级线

26、性移位寄存器其反馈逻辑可用二元域 GF（2）上的 n 次多项式来表示：f(x)=c0+c1x+c2x2+cnxn（1）ci 0，1 式（1）称为线性移位寄存器的特征多项式。其中 ci表示移位寄存器的反馈连线，ci=1，表明第 i 级移位寄存器和反馈网络的连线存在；否则，表明连线不存在。m 序列具有以下性质11：（1）0-1 分布特性。m 序列中“1”的个数为 2n-1，“0”的个数为 2n-1-1，这是码的平衡性。（2）移位可加性。m 序列循环移位后和其本身进行模 2 加运算，所得结果仍是 m 序列。（3）游程特性。m 序列一个周期内有 2n-1个元素游程，其中码元“0”的游程和“1”的游程相

27、同，它们各占一半，这便是 m 序列的游程平衡特性。图 2-5 为 511 码周期的 m 序列自相关和互相关特性：图 2-5 m 序列相关特性2.42.4 直接序列扩频的主要特性分析直接序列扩频的主要特性分析1.直扩系统的抗干扰性直扩系统的抗干扰性直扩系统最早应用是在军事通信中作为很强抗干扰性的通信手段。直扩系-第 8 页统对窄带干扰、宽带干扰等，都具有抗干扰能力12。下面以直扩系统抗窄带干扰为例来进行分析。对单频或窄带干扰，直扩系统有很强的抗干扰能力。图 2-6 a)为解扩前的功率谱，窄带干扰功率很大，由于干扰与本地扩频码(PN 码)是不相关的。对干扰来说，相关器起到扩展频谱的目的，功率谱密度

28、就大大下降，其中对信号有害的干扰分量只有落入信息带宽部分，从而抑制了大部分干扰。由于有用信号能顺利通过窄带滤波器，因此提高了输出的信噪比。2.直扩系统的抗截获性直扩系统的抗截获性截获敌方信号的目的在于：(1)发现敌方信号的存在(2)确定敌方信号的频率(3)确定敌方发射机的方向理论分析表明，信号的检测概率与信号能量与噪声功率谱密度之比成正比，与信号的频带宽度成反比。直扩信号正好具有这两方面的优势，它的功率谱密度很低，单位时间内的能量就很小，同时它的频带很宽。因此，它具有很强的抗截获性。如果满足直扩信号在接收机输入端的功率低于或与外来噪声及接收机本身的热噪声功率相比拟的条件、则一般接收机发现不了直

29、扩信号的存在。另外，由于直扩信号的宽频带特性，截获时需要在很宽的频率范围进行搜索和监测，也是困难之一。因此，直扩信号可以用来进行隐藏通信。至于如何发现敌方直扩信号的存在，和弄清楚其参数，即直扩信号的检测与估值问题。3.直扩码分多址通信系统直扩码分多址通信系统多址通信系统指的是许多用户组成的一个通信网，网中任何两个用户都可以通信，而且许多对用户同时通信时互不不扰。应用直扩系统就很容易组成这样一个多址通信系统（网）。AA解扩后的有用信号干扰被扩展频谱有用信号窄带干扰信号2cRfiffcfa)未解扩的功率谱图 2-6直扩系统抗窄带干扰示意图b）解扩后的功率谱-第 9 页多址通信网内的所有接收机和发射

30、机可以同时使用相同的频率工作。对于给定的接收机，当指定特定的扩频码后，该接收机就只能与使用相同扩频码的发射机联系。当网内所有的接收机都指定不同的扩频码后，网内的任一发射机可通过选择不同的扩频码来与使用相应扩频码的接收机联系。使用扩频通信技术组成多址通信网时，网络的同步比常规通信体制易于实现。便于实现机动灵活的随机接人，便于采用计算机进行信息的控制和交换。4.直扩系统的抗多径干扰性能直扩系统的抗多径干扰性能多径干扰是一种在通信中，尤其是移动通信中常见的且影响很严重的干扰，它属于乘性干扰。多径干扰是由于电波在传播过程中遇到各种反射体(如电离层，对流层，高山和建筑物等)引起的反射或散射，在接收端收到

31、的直接路径信号与反射路径信号产生的群反射信号之间的随机干涉形成的。多径的形成与电台所处的环境，地形，地物等有关。由于多径干扰信号的频率选择性衰落和路径差引起的传播时延，使信号产生严重的失真和波形展宽并导致信息波形重叠。这不但能引起噪声增加和误码率上升，使通信质量降低。而且可能使某些通信系统无法工作。综上所述，由于 DS 系统得宽带传输和 PN 码优良的特性，使其具有抗多径效应的能力。这为一直困扰着无线通信的多径效应问题提出了一种很好的通信方式，即扩频通信。2 2.5 5 MATLABMATLAB 简介简介2 2.5 5.1.1 MatlabMatlab 概述概述MATLAB 是一种数学应用软件

32、,经过多年的发展,开发了包括通信系统在内的多个工具箱,成为目前科学研究和工程应用最广泛的软件包之一。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,被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中13。Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模,它也支持多速率系统,也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI),这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它提

33、供了一种更快捷、直接明了的方式,而且用户可以立即看到系统的仿真结果。2 2.5 5.2.2 SimulinkSimulink 的设计和开发的设计和开发Simulink 非常有利于建造和管理一个大型系统，其模型具有层级结构。Simulink 模块库中的非线性字库中含有一种专用的模块子系统模块，这样是为了便于实现分层设计，同时 Simulink 还为子系统模块提供了封装（MASK）功能14。-第 10 页（1)子系统模块动态模型包含许多环节时，可以把此系统按功能分块，其中每一块都可以建立一个子系统。在设计中使用子系统，可以减少窗口中的模块数，降低模型的复杂度，并易于对模型进行修改和扩充。具体地说，

34、可以采用“自顶向下”的设计方式，也可以采用“自底向上”底设计方式。详细的设计步骤将在快跳频系统设计中介绍。（2）封装功能Simulink 通过封装可以为子系统建立用户自定义的图标和对话框，具有封装功能是 Simulink 模块一个十分实用的特点，可以用简单的图标来代替子系统，从而在当前窗口中隐藏子系统的设计内容。此外，子系统中的每个模块都有一个对话框，因此仿真的时候，需要分别定义参数，这相对来说，比较麻烦。而封装功能，可以使仿真模型有一个更友好的界面，可以简化用户定义仿真参数的过程。（3）用户自定义模块的设计用户自定义 Simulink 模块的设计步骤为：1）根据公式和算法编写核心部分的 S-

35、函数。2）通用 S函数模块处理 S函数后，可以转化为用户自创建的模块。3）根据要求的功能，可以构造用户子系统，其中包括 S函数模块、输入端口、输出端口和一些其它的附加功能模块。4）利用 Simulink 中的封装功能，将子系统封装起来，其生成用户自定义的图标和封装对话框，将为整个子系统进行统一的设置。这样，就完成了用户自定义的 Simulink 模块，其中包含的子系统能完成所要求的功能。本文通过 simulink 对直接序列扩频通信系统进行了仿真，用到的主要模块如图 2-7 所示。图 2-7 仿真用到的主要模块1)Scope将输入信号在示波器中显示出来。2)Display将输入信号以数字的形式

36、显示出来。3)Error Rate Calculation计算输入信号的比特或符号错误率。-第 11 页4)AWGN channelAWGN 信道。5)PN Sequence Generator生成 PN 序列。6)Bernoulli Binary Generator生成 Bernoulli 分部二进制数。7)BPSK Demodulator Basband BPSK 解调。8)BPSK Modulator BasbandBPSK 调制。2 2.6 6 本章小结本章小结本章首先介绍扩频通信的基本原理，在此基础上对直接序列扩频通信系统的基本原理进行了研究，主要特性进行了分析，直接序列扩频通信系统

37、抗干扰性强、隐蔽性好、易于实现码分多址（CDMA）、抗多径干扰、直扩通信速率高等众多优点。扩频码序列的特性对直接序列扩频通信系统的性能有决定性的作用。扩频码序列通常采用伪随机序列，因此，本章对伪随机序列进行了介绍。由于论文是基于 Simulink 的直接序列扩频通信，因而对 matlab/simulink 进行了深入学习与概述。-第 12 页第第 3 3 章章直接序列扩频通信系统的仿真实现直接序列扩频通信系统的仿真实现3.13.1 SimulinkSimulink 通信仿真基本步骤通信仿真基本步骤一个典型的 Simulink 模块由信源、系统及信宿等三部分组成。他们的关系如图 3-1 所示。图

38、 3-1Simulink 模型的典型结构在本系统中信源提供系统的输入信号；系统是直接序列扩频通信系统，信宿是接收信号的部分，用户可以把它送到示波器中显示出来，或者保存到相应的.mat 文件。通信系统仿真的基本步骤15如下：1)建立数学模型：根据通信系统的基本原理，将整个系统简化到源系统，确定总的系统功能，并将各部分功能模块化，找出各部分之间的关系，画出系统流程框图模型。2)仿真系统：根据建立的模型，从 SIMULINK 通信模型库(MATLAB 所提供的 Communication Toolbox SIMULINK Block Library)的各个子库中，将所需要的单元功能模块拷贝到 Unt

39、itled 窗口，按系统流程框图模型连接，组建要仿真的通信系统模型。3)设置、调整参数：参数设置包括运行系统参数设置(如系统运行时间、采样速率等)和功能模块运行参数设置(正弦信号的频率、幅度、初相；低通滤波器的截至频率、通带增益、阻带衰减等)。4)置观察窗口，分析仿真数据和波形：在系统模型的关键点处设置观测输出模块，用于观测仿真系统的运行情况，以便及时调整参数，分析结果。5)生成新的模块：对于 Communication Toolbox 中没有的功能模块，可以根据已掌握的技术生成所需新的子模块，例如由 C 或 Fortran 编写 MEX 文件，编译成 DLL 后利用 SIMULINK 提供的

40、封装(Masking)功能封装或自定义模块库，以便随时调用。3.23.2 直接序列扩频通信系统的框图直接序列扩频通信系统的框图在实际的 CDMA 系统中，直接序列扩频方式得到了广泛的认可和应用16。直接序列扩频系统的发射机和接收机框图如图 3-2 所示。恢复信息扩频调制数据调制信道数据解调解扩扩频码发生器载波发生器载波发生器解扩码发生器-第 13 页图 3-2 直接序列扩频的发射机和接收机框图直接序列扩频主要由信源，扩频，调制，传输，解调，解扩，信宿 7 部分组成，下面就对直接序列扩频通信系统里的扩频与解扩、BPSK 调制、编码信道 AWGN 信道进行了 Simulink 模块仿真。3.33.

41、3 直接序列扩频通信系统功能的实现直接序列扩频通信系统功能的实现3.3.3.3.1 1 发射端的发射端的 SimulinkSimulink 仿真图仿真图在发射端输入信息码元，它是二进制数据，加入扩频解调器，扩频码为一个伪随机码(PN 码)17。然后对载频进行调制，以便信号在信道上有效的传输。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。扩频的过程可以简而

42、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18。BPSK 是二进制相移键控，在二进制数字调制中，当正弦载波相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生 BPSK 信号19。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。本论文仿真建立在数据传输率为 100 bps，扩频码片速率为 2000chip/s，采用 m 序列作为扩频序列，采用调相(BPSK)调制方式的基础上。以扩频发射机为信号源，构建扩频传输和接收系统。设传输信道为 AWGN 信道，在信道中加入300Hz 的单

43、频正弦干扰信号，并设扩频接收机的同步系统是理想的，建立系统模型并观察各个阶段信号的波形与频谱，测试传输信号的误码率。发射端的仿真模型20如图 3-3 所示：图 3-3发射端仿真模型在上面的模型中 Bernoulli Binary Generator 即伯努力二进制发生器，产生的数据流相当于信源，其采样时间(sample time)设置为 1/100，即数据流的传输速率为 100bps。PN Sequence Generator 用于产生伪随机扩频序列（PN 序列），设置其采样时间(sample time)为 1/2000，即扩频码片速率为 2000chip/s。由于相乘时数据流的传输速率要与扩

44、频码片序列相同，因此可用 RateTransition 提升数据流的传输速率，将其 out put sample time 设置为 1/2000。Unipolar to Bipolar Converter 模块用于完成数据和扩频序列的双极性变换，将单极性码变为双极性码，Bipolar to Unipolar Converter 则刚好相反。乘法器输出的就是扩频序列其码速率等于采样速率，即每个采样点代表一-第 14 页个码片。扩频输出信号以 BPSK 方式进行调制。模型中采用了调制的等效低通模型来实现，调制输出信号是复信号，采样率为 2000 次/s。调制也可采用通带模型来实现。为了使频谱观察范

45、围达到 4kHz，需要被观察信号的采样率达到 8000 次/s，为此，以升速率模块配合采样保持模块将调制输出信号采样率提高到 8000 次/s。图 3-4原数据信号的频谱图 3-5扩频信号的频谱由频谱图可见，原数据信号的频谱被展宽了，功率峰值下降，增强了抗干扰的能力，降低了被截获率21。通过示波器 Scope 可以观察原信息序列、PN 序列和扩频序列。图 3-6三路信号的时域波形3.3.3.3.2 2 接收端的接收端的 SimulinkSimulink 仿真图仿真图信号从发射端输出后经过 AWGN 信道，然后进行 BPSK 解调，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信息。接收

46、端的仿真模型22如图 3-7 所示。图 3-7接收端仿真模型其中，扩频发射子系统如图 3-8 所示。图 3-8 直接扩频发射子系统模型本设计中采用 AWGN 作为编码信道，所谓 AWGN 信道，是指信号在信道-第 15 页中传输时加入了高斯白噪声23，设置其噪声的均值为 10。如图 3-9 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 3-9通过 AWGN 信道输出前和输出后的波形正弦信号发生器产生频率为 200Hz 的单频干扰。PN Sequence Generator 为本地 PN 序列，是与发射机中的 PN 序列完全相同的。从加法器出来的信号即为接收到的信号，

47、其中包含有有用信号，噪声和干扰，信号频谱如 3-10 所示。该信号和本地 PN 序列相乘进行解扩。图 3-10接收到的信号频谱Scope 频谱仪中的频谱就是解扩后的接收信号的频谱，解扩后信号的频谱如图 3-11 所示，其中有用信号被还原为窄带信号，噪声和干扰的频谱反而被展宽。图 3-11解扩后信号的频谱利用 Error Rate Calculation 模块对误码率进行测试，其中 Tx 为发送端，Rx为接收端，中间加入 2 个数据码元的延迟是为了补偿接收延迟。BPSK Demodulator Baseband为BPSK解调器，解调后信号的频谱如图3-12。图 3-12解调后信号的频谱图 3-1

48、3发送序列和解调之后的序列图 3-14 误码率输出曲线由图可知，直接序列扩频通信系统的抗干扰性能与被干扰的频段有关，即误码率与信噪比有关。随着信噪比的增大，误码率大体呈下降趋势24。图中，实际误码率曲线与理论误码率曲线基本吻合，仿真基本正确，存在一定的误差。通过仿真，可以验证，误码率随着信噪比的递增而递减，从而可以综合考虑带宽与信噪比，寻求最佳参数，最大发挥直接序列扩频通信系统的抗干扰性能。3.43.4 本章小结本章小结本章运用 MATLAB 中的 Simulink 建模软件对直接序列扩频通信系统进行了仿真，通过仿真结果分析系统的性能，检验此系统的优势。从理论上分析了典型通信干扰对直接序列扩频

49、通信系统的影响,通信系统包括发射端和接收端两大部分。仿真结果表明，实际误码率曲线与理论误码率曲线基本吻合，仿真基本正确，存在一定的误差。通过仿真，可以验证，误码率随着信噪比的递增而递减，从而可以综合考虑带宽与信噪比，寻求最佳参数，最大发挥直接序列扩频通信系统的抗干扰性能。-第 16 页结论结论结合发送端扩频信号的频谱，可以看到，发送端信号的功率峰值在接收信号功率峰值之下，说明有用信号淹没在了噪声之中，大大增强了抗干扰能力。从解扩后的频谱可以看出，只有有用信号的频谱被还原成窄带信号，其他信号的频谱反而被展宽。从误码率的统计来看，当信号受到 200Hz 单频正弦信号和噪声均值为 10 的噪声的干扰

50、时，误码率约为 0.025，在实际通信中是远远达不到要求的。对通信系统进行仿真，可以帮助我们更加理解相关技术的原理、特点等相关知识，帮助我们建立起系统的概念，通过将一个个模块结合起来形成一个系统，可以提高我们搭建系统模型的能力。通过对直接序列扩频系统的仿真，使我们更加理解了直接序列扩频的相关原理，对其特点有了更加深刻的体会。在今后的学习研究中，在实际条件不允许的情况下，我们应该多利用系统仿真的方法来学习相关的内容，加深对原理的理解，提高自己的能力。-第 17 页参考文献参考文献1 冯永新，刘芳，潘高峰.直接序列扩频信号同步新机理.国防工业出版社，2011.2 樊昌信，曹丽娜.通信原理M.第六版