直接扩频通信毕业设计含实现代码VIP

11 绪 论1.1 扩频通信系统发展概述扩频通信(spread spectrum communication)是近几年内迅速发展起来的一种通信技术。在早期研究这种技术的主要目的是为提高军事通信的保密和抗干扰的性能，因此这种技术的开发和应用一直是处于保密状态。美国在 20 世纪 50 年代中期，就开始了对扩频通信的研究，当时主要侧重在空间探测、卫星侦察和军用通信等方面。以后，随着民用通信的频带拥挤日益严重，又由于近代微电子技术、信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的快速发展，与扩频通信有关的器件的成本大大地降低，从而进一步推动了扩频通信在民用领域的发展金额应用，而且也使扩频通信的理论和技术也得到了进一步的发展。目前在军事上，它已经广泛应用于各种战略和战术通信的系统中，成为电子战中反干扰的一种重要的手段。扩频技术在军事应用上的最成功的范例可以以美国和俄国的全球卫星定位系统(GPS 和 GLONASS)以及美军的联合战术分布系统 (JTIDS)为代表；GPS 和 GLONASS 在民用上也都得到了广泛的应用，这些系统的技术基础就是扩频技术。扩频的码分多址技术应用于蜂窝移动通信中时，大大降低了噪声和衰落的影响，同时还避免了复杂的频率分配和时隙划分等技术上的困难，并可以省去保护频带或时隙，极大地提高了蜂窝通信系统中小区的频率复用度，使信号频谱利用率得到提高。1990 年 1 月，国际无线电咨询委员会(CCIR,现为 ITUR)在研究未来民用陆地移动通信系统的计划报告中已明确地建议采用扩频通信技术 5。美国已制定出了基于 CDMA 蜂窝技术的 IS-95 标准，Samsung 、Motorola 等公司也已相继推出了各自的 CDMA 移动通信商用实验网已开通运行，并取得了良好的效果。扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，到目前为止，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统，而跳频系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而言，跳频系统主要在军事通信中对抗故意干扰，在卫星通信中也用于保密通信，而直扩系统则主要是一种民用技术。面对全世界范围内对移动通信日益增加的要求，CDMA 将是无线通信中最主要的多址介入手段。在本世纪，扩频技术将得到更加广泛的应用。从扩频技术的历史可以看出，每一次技术上的大发展都是由巨大的需求驱动的。军事通信抗干扰的驱动以及个人通信业务的驱动使得扩频技术的抗干扰性能和码分多址能力得到最大限度的挖掘。展望未来，第四代移动通信系统(4G)的驱动无疑会使扩频技术传输高速数据的能力得到更大的拓展。1.2 扩频通信系统的理论基础及其优越性在传统的无线电通信系统中，信号的格式的设计是：在保证通信质量的前提下，为2了在系统所能使用的射频频带中能尽可能多地传输信息，所以要求信号的带宽不要过宽，一般信号带宽与信息的带宽是接近的，传统的无线电通信系统就是采用这种窄带信号(Sn)概念的系统，称之为窄带系统。在扩频通信系统中，信号格式的设计思想与窄带概念是信息论的奠基者 Claude E.Shannon 在 20 世纪 40 年代提出的。根据无线传输信道容量的理论公式 5： )N/P1WlogC2（式中：C 是信道可能传输的最大信息速率，即信道容量；W 为信道带宽；N 为白噪声的平均功率；P 是信号的平均功率。从上式中可以看出：在信噪比很小的条件下，可以用增加带宽的办法来提高系统的抗干扰性能，以保证信道容量不变。换句话讲，在信道容量相同的条件下，宽带系统比窄带系统的抗干扰性能要好，所以当信噪比太小而且不能保证通信质量时，可以采用增加带宽的方法来改善通信质量。设 Bs 表示传输信号时所占有的带宽(信号带宽) ，B0 表示原始信号(信息带宽)，则可以把通信系统按 Bs/B0 的比值分为三类 5： 扩 频 通 信宽 带 通 信窄 带 通 信 10 5 2Bs由于扩频技术在传输扩频信号时，并不增加发射信号的平均功率，仅是将要传输的信号的频带扩展后，再进行传输的。因此扩频通信系统在信道上传输的信号功率谱密度就很低。这种系统可以在信噪比很小的情况下，甚至在信号已被噪声淹没的情况下，仍可保持可靠的通信。另外，根据柯捷尔尼可夫关于信息差错传输概率的公式 13为：)/(0NSfPowj式中： 为差错概率，E 为信号能量，N 0 为噪声功率谱密度。jPow0,/WFETS式中：为 T 为信息持续时间，F 为信息带宽 )/(/)/(0PjGNSf NSTffow因此，可通过提高处理增益 GP 降低对 S/N 的要求，在强干扰条件下保证可靠安全的通信。扩频通信的基本特点是传输信息所用的信号带宽远大于信息本身的带宽，也因为如3此，扩频通信具有一些其它通信方式无法比拟的优越性：（1）扩频通信最为显著的优越性是其极强的抗干扰性。理论上讲它可以在信噪比为负值，即信号被噪声淹没的情况下，将信号提取出来。对于单频及多频都有比较强的抑制作用，即使采用同类型的信号干扰，也由于扩频码序列之间的不相关性，干扰不起太大作用。（2）扩频通信的另一个优越性是其隐蔽性好。由于扩频信号的频带较宽，所以信号的功率谱密度很低，敌方不容易发现信号的存在，在战争中，扩频信号的被截获率很低，可以进行隐蔽通信。从民用通信方面来说，由于扩频信号的隐蔽性好，它对目前使用的各中窄带通信系统干扰很小。理论和实验证明，在原有的窄带通信的频带内同时进行扩频通信，不需要分配另外的频段，即可实现。（3）扩频通信可以很容易地实现码分多址，提高频带的利用率。由于扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，利用不同码型的扩频码序列之间优越的自相关性和互相关性，对不同的用户分配不同的码型，使多个用户公用一个宽频带，提高了系统的容量。同时还有利于组网、选呼、增加保密性及解决新用户随时入网的问题。除此之外，扩频通信还具有良好的抗多经干扰的能力，使无线通信的性能变得更加可靠。除通信以外，扩频系统还可用于定时、定位及测距，应用在导航、雷达等系统中。1.3 仿真软件 MATLAB 概述MATLAB 原意为“ 矩阵实验室MATrixLABoratory”，它是目前控制界国际上最流行的软件，它除了传统的交互式编程之外，还提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据和图象处理、Windows 编程等便利工具。MATLAB 还配备了大量工具箱，特别是还提供了仿真工具软件 SIMULINK。MATLAB 在 80 年代一出现，首先是在控制界得到研究人员的瞩目。随着 MATLAB 软件的不断完善，特别是仿真工具 SIMULINK 的出现，使 MATLAB 的应用范围越来越广。随着 MATLAB 库函数和仿真工具箱的不断扩充，使其在系统仿真与分析、信号处理、图像处理等方面的应用越来越广泛。MATLAB 具有 3 大特点：（1）功能强大，包括数值计算和符号计算，计算结果和编程可视化，数学和文字统一处理，离线和在线皆可计算；（2）面友好，语言自然。MATLAB 以复数矩阵为计算单元，指令表达与标准教科书的数学表达式相近；（3）开放性强。MATLAB 有很好的可扩充性，可以把它当作一种更高级的语言去使用，可容易地编写各种通用或专用应用程序。正是由于 MATLAB 的这些特点，使它获得了对应用学科（特别是边缘学科和交叉学科）的极强适应力，并很快成为应用学科4计算机辅助分析设计、仿真、教学乃至科技文字处理不可缺少的基础软件，成为欧美高等院校、科研机构教学与科研必备的基本工具。在 MATLAB 中，Simulink 是一个比较特别的工具箱，它具有两个显著的功能：Simu（仿真）与 Link（链接） ，是实现动态系统建模、仿真的一个集成环境。具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点，可大大提高系统仿真的效率和可靠性；同时进一步扩展了 MATLAB 的功能，可实现多工作环境间文件互用和数据交换。Simulink 提供了友好的图形用户界面（ GUI） ，模型由模块组成的框图来表示，用户建模通过简单的单击和拖动鼠标的动作就能完成。Simulink 的模块库为用户提供了多种多样的功能模块，其中有连续系统（Continuous ） 、离散系统（Discrete） 、非线性系统（Nonlinear）等几类基本系统构成的模块，以及连接、运算模块。而输入源模块（Sources）和接收模块（Sinks）则为模型仿真提供了信号源和结果输出设备。本文就是利用编制 MATLAB 仿真 m 文件进行 DS 扩频通信系统的性能仿真及其分析。 1.4 本文主要工作扩频通信技术本身的优越性，使其成为未来通信方式的主流。而 DS 扩频通信系统实扩频通信系统应用广泛的一种方式，本文主要分析了 DS 扩频通信系统的基本通信原理，说明其抗干扰的性能。并根据数学分析模型建立 MATLAB 仿真模型进行系统性能分析，主要有：抗正弦干扰、窄带干扰、多经干扰，进而对仿真结果进行分析说明 DS系统的性能。本文第 1 章主要说明了扩频通信的发展和其通信的理论基础，以及大概说明了扩频通信系统得优越性，接着介绍了本文用到的仿真软件 MATLAB 的基本情况。本文重点和主要工作是第 2 章和第 3 章。第 2 章在一般 DS 扩频通信的组成框图上，通过定量和定性分析来说明 DS 扩频通信系统的抗干扰性能原理。第 3 章是在第 2 章的数学模型上建立起 DS 扩频系统抗各种干扰的仿真模型，并运行仿真程序得出 DS 系统在抗干扰方面的有效性的曲线图，并且进行结果分析，这章也是本文的亮点之处。虽然，扩频系统自身处理增益的存在，使其具有较好的抗干扰性能。但是，随着现代通信的发展及其通信环境的变化，使得处理增益已不能满足现在通信的需要。这样，在本文的第 4 章，我们概括介绍了几种扩频系统的抗干扰技术，具体包括：混合式扩展频谱系统、自适应天线抑制干扰技术、自适应滤波器抑制窄带干扰等技术来提高其抗干扰能力。52 DS 扩频通信系统分析在一般扩频通信系统中，发端输入的信息先调制形成数字信号，然后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，展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩，再经信息解调，恢复成原始信息输出。可见，一般的扩频通信系统都要进行 3 次调制和相应的解调。一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。与一般通信系统比较，多了扩频调制和解扩部分。扩频通信应具备如下特征：(1)数字传输方式；(2)传输信号的带宽远大于被传信息带宽；(3)带宽的展宽，是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息的信元重新进行调制实现的；(4)接收端用相同的扩频函数进行相关解调(解扩)，求解出被传信息的数据。用扩频函数(也称伪随机码)调制和对信号相关处理是扩频通信有别于其他通信的两大特点。扩频通信系统按其工作方式可分为以下几种：（1）直接序列扩展频谱系统(DS-SS)：它是由于待传输信息信号与高速率的伪随机码波形相乘后，去直接控制射频信号的某个参量，扩展了传输带宽而得名。（2）跳频扩频系统(FH-SS)：数字信息与二进制伪码序列模二相加后，去离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪码的变化而跳变。跳变系统可以随机选取得频率数通常是几千到 个离散频率。每次频移是根据信息和伪码序列的状20态加权所得到的随机数来选取频率。（3）跳时扩频系统(TH-SS)：跳时是用伪码序列来启闭信号的发射时刻和持续时间。（4）混合式：以上三种基本扩频方式中的两种或多种结合起来，便构成了一些混合扩频体制。2.1 DS 扩频通信系统模型以伪随机码序列作为扩频函数的直接序列扩展频谱通信为例，来研究其系统模型，图 2-1 为其基本组成框图，由信号源输出的信号 a(t)是码元持续为时间 Ta 的信息流，伪随机码产生器产生高速伪随机码 C(t)，码元宽度为 Tc 将信息码 a(t)与伪随机码 C(t)进行相乘或模二加，产生一个速率与伪随机码速率相同的扩频信号，信号的频带得到扩展，再去调制载波，这样就可以得到已扩频的射频信号 s(t)。ttCats0cos)()(在接收端，接收到的扩频信号经高频放大和混频后(图中已经略去)，用与发端同步的、且完全相同的伪随机码对中频扩频信号进行相关解扩(相乘)，将信号的频带恢复为信息6码 a(t)的频带，恢复出所传输的信息 a(t)，完成信息的传输。对于干扰和噪声，由于与伪随机码不相关，接收机的相关解扩相当于又进行了一次扩频，将干扰信号和噪声的频谱扩展，降低了功率谱密度，这样就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪比提高，从而提高了系统的抗干扰能力。信 源 扩频 调制PN 码 振荡器带通滤波器基带滤波器信息解调器相位调制器本地振荡器PN 码产生器 同步)(ta)(td)(tsC(t) 0f带宽 B=2R)(ts)(tPtt0cos)(2带宽 rB0r(t)接受端 发送端图 2-1 直接序列扩展频谱通信系统基本组成框图2.2 DS 扩频通信系统抗干扰性能分析我们从扩频信号的频域来讨论它的抗干扰性，首先讨论下在没有干扰情况下扩频信号的功率密度谱函数。设扩频以后的信号是强度为 1 的双极性矩形脉冲随机序列，其码元宽度即为伪随机码的宽度 T，发 1 码和发 0 码的概率 p 相等，都是 1/2, 直接系列扩频信号的功率谱密度： n ssssC mffGpmfpfS )(|)(1()| |)( 21 得： 2)(CCcTSaf7式中： 和 是 0 码和 1 码信号频谱。信号占用带宽为 R= =1/Tc，当伪)(1fG)(2f sf随机码速越高，信号带宽越宽。如果用随机码对载波进行调制，得到相位键控信号 P(t)，根据调制定理，已调信号的功率谱密度可写成： 2124)(CCTSaRAP式中：A 是数字信号与载波相乘后的总振幅； 为发端载波频率，调制后信号占用频带1为 2R。可求出随机序列的自相关函数 。C/|)(在图 2-1 扩频接收机中，PN 码发生器发出的伪码为 K(t)，相位调制器输出(系数 2 是为了使输出信息信号完全恢复)。 为接收端本振频率。基ttktp01cos)(2 0带滤波器带宽为 r(等于信息速率)。 2)(11CCTSaP如果接收到有用信号： 式中：S 为信号功率；C(t) 为信息)cos(2)(1tmtS码；m(t)为发送扩频随机码； 为发端信号载波频率； 为发端信号载波频率相位。很1容易看出，当 K(t)=m(t)即收发伪码相同时，且达到同步 ,K(t)m(t)=1。若此时收发载波同步 ,则：01)2cos1()2)( 0ttCStr基带滤波器滤除高频分量，则接收信号： 信息全部恢复出来，功率等于rS。收信号的能量全部恢复出来。如果输入信号是各种干扰信号，则形成干扰。下面将分别讨论之。2.2.1 抗白色高斯干扰能力设白色高斯噪声双边功率谱密度为 ，暂不考虑输入宽带滤波器的带宽，相关2/0N器输出的干扰：8dTSaTNRPCC200200121)()(2令： 则有：/)(0CTx(双边谱)2)sin(21( 020NdxR结果表明，白色高斯噪声通过相关器后功率谱密度不改变。因输入滤波器带宽 2R，输出滤波器带宽为 r，处理增益： 。rRNSGoiiOP/扩频系统对于白噪声处理增益很高，正比于伪码速率和信息速率之比。这是它抗干扰能力很强的根本原因。2 倍是双边带调制系统(DSB)引起的处理增益。一般伪随机码的速率是兆的数量级，有的甚至达到几百兆，目前国外已有 1000Mbps 的超高速伪随机码 1，而待传信息流经编码器编码后的码速率较低，如数字话音信号一般为 3264kbps，甚至更低采用这些伪随机码扩频，就扩展了信息的频谱，处理增益是很高的。如果考虑输入是一个宽带滤波器，计算结果的差别只是积分限制在伪码频谱主瓣之内，计算较复杂，但按前面结果来估算系统的抗干扰性能应是足够满足要求了 1。2.2.2 抗单频正弦干扰能力设单频正弦干扰，其功率为 ， 相关器输出：ItItiicos2)()cos()cos(2( 000tttKItr iii 取差频项，若差频落入通频带内，则形成干扰根据前面的功率谱公式和调制定理，不难求出输出的功率谱密度： )2(21)4)0202CiiTSaRI若正好落入接收机相关器后面的基带低通滤波器内，就会形成干扰。认为干扰信号谱密9度为双边谱，近似地取其峰值 ，则通过基带滤波器的干扰功率 。)2/(RI RIrBIm21相关器