直接序列扩频通信系统仿真设计

南华大学 通信原理课程设计 设计题目 直接序列扩频通信系统仿真设计 专 业 通信工程 学生姓名 谭雪棋 学 号 20129400125 起迄日期 2015 年 6 月 15 日 2015 年 6 月 30 日 指导教师 王明华 系主任 邓贤君 通信原理课程设计 任务书 1 课程设计的内容和要求 包括原始数据 技术要求 工作要求等 1 技术要求 1 该系统包括 数字信源 PN 码发生器 扩频调制 BPSK 调制 AWGN 信道 扩 频解调 信息解调 2 用 matlab 编程实现各功能模块 3 分析 BER 性能 2 工作要求 查阅参考文献 利用通信原理基本理论 分析系统工作原理 设计系统方框图 掌握计算机辅助设计方法 利用 Matlab Simulink Systemview Multisim MaxPlusIII QuartusII 等软件进行仿真 设计 具备独立设计能力 熟悉通信系统的调试和测量方法 掌握电子电路安装调试技术 选择合适的元器件搭接实际电路 掌握电路的测试 和故障排除方法 提高分析问题和解决问题的能力 不能直接从网上或其他资料下载拷贝 一旦发现雷同 35 以上 则相关雷同设计 的成绩都为不及格 按时完成设计报告 提交的电子稿必须在附录中含有全套仿真源文件 或设计原 图 电子稿是以 学生学号姓名 为命名的压缩文件 并提交纸质设计报告书 随机抽查 并进行最后答辩 2 对课程设计成果的要求 包括图表 或实物 等硬件要求 写出设计说明书 语言流畅简洁 文字 3500 5000 字 用软件编程语言实现时 写 出详细的注释 并画出各种信号的时域频域波形 分析实验结果 硬件设计电路 需要 详细分析安装调试过程 分析实验结果 仿真设计类要求有仿真流程图 调试时的电脑 屏幕截图 实物设计类要求图纸布局合理 符合工程要求 使用 Protel 软件绘出原理 图 SCH 和印制电路板 PCB 器件的选择要有计算依据 3 主要参考文献 1 樊昌信 通信原理 第 6 版 M 北京 电子工业出版社 2012 12 2 樊昌信 曹丽娜 通信原理教程 第 3 版 M 北京 国防工业出版社 2006 9 3 刘学勇 详解 MATLAB Simulink 通信系统建模与仿真 M 北京 电子工业出版社 2011 11 4 张水英 徐伟强 通信原理及 MATLAB Simulink 仿真 M 北京 人民邮电出版社 2012 9 5 赵鸿图 茅艳 通信原理 MATLAB 仿真教程 M 北京 人民邮电出版社 2010 11 6 赵静 张瑾 基于 MATLAB 的通信系统仿真 M 北京 北京航空航天大学出版社 2010 1 7 黄智伟 基于 NI Multisim 的电子电路计算机仿真设计与分析 修订版 M 北京 电子 工业出版社 2011 6 4 课程设计工作进度计划 序号起 迄 日 期工 作 内 容 2015 6 15 2015 6 20查阅资料 系统方案设计 2015 6 21 2015 6 24用编程语言或者仿真软件进行设计 2015 6 25 2015 6 28程序 软件 实物的调试 排除故障 分析实验结果 2015 6 29 2015 6 30分析总结 整理设计报告 主指导教师王明华 日期 2015 年 6 月 13 日 摘 要 随着微处理器技术和大规模集成电路技术的快速发展 以及一些新的元器件的应 用 扩频通信技术已经迈上了一个新的台阶 不仅在军事中占有重要的地位 在个人 通信和计算机通信中也得到了广泛的应用 成为当今最具潜力的通信技术之一 因此 研究扩频通信具有很深远的意义 而直接序列扩频通信系统也因其抗干扰能力强 隐 蔽性好 抗多径干扰 直扩通信速率高以及已用于实现码分多址等优点而被广泛应用 直接序列扩频主要是将要发送的信息用 PN 码 伪随机码 扩展到一个较宽的频带 上去 在接收端用与发送端扩展用的相同的 PN 码对接收到的扩频信号进行处理 恢复 发送的信息 本次实验将深入的研究和学习直接序列扩频通信系统并对其进行仿真 将所学到的知识进行归纳和总结 以此巩固通信专业基础知识 也可以复习 MATLAB 等学习工具的使用方法 为今后的个人学习和工作打下基础 关键词 关键词 直接序列 扩频通信 仿真设计 Abstract With the rapid development of the microprocessor technology and large scale integrated circuit technology and the application of some new components spread spectrum communication technology has stepped on a a new level not only plays an important role in the military in personal communication and computer communication has also been widely used become one of the most potential communication technology today Therefore it is very important to study the spread spectrum communication The direct sequence spread spectrum communication system has been widely used in the system because of its strong anti interference ability good concealment anti multipath interference high direct spread communication rate and has been used to realize code division multiple access Direct sequence spread spectrum is mainly to send information by PN pseudo random code is extended to a wide band at the receiver and transmitter is extended with the same PN code of received spread spectrum signals are processed to recover the transmitted information This experiment will be in depth study and learn direct sequence spread spectrum communication system and the simulation analysis was carried out to learn the knowledge of the induction and the summary in order to strengthen the communication on the basis of professional knowledge can also review of the MATLAB tools for learning to use to lay the foundation for future learning and work Keywords direct sequence spread spectrum communication simulation design 目 录 1 直接扩频通信简介 1 1 1 直接扩频通信的理论基础 1 1 2 直接序列扩频的基本原理 1 2 直接序列扩频系统 matlab 仿真 3 2 1 MATLAB 的介绍 3 2 2 直接序列扩频通信系统 MATLAB 仿真过程 3 2 3 直接序列扩频通信系统 MATLAB 仿真波形 4 3 直接序列扩频通信系统的抗干扰性 9 3 1 直扩系统抗干扰性的原理 9 3 2 调试分析 9 4 心得和体会 11 参考文献 12 附 录 13 1 1 直接扩频通信简介 1 1 直接扩频通信的理论基础 扩频通信是将等待传送的信息被伪随机编码调制 实现频谱扩展后再传输 接收 端采用相同的编码进行解调 恢复原始信息数据 扩频通信的可行性是从香农公式引申而来 其内容如下公式所示 1 1 2log 1 S N CW 其中 C 为系统信道容量 bit s W 为系统信道带宽 N 为噪声功率 S 为信号功率 由 上式可得 加大带宽 W 或提高信噪比 S N 可以提高信道容量 C 也就是说当信道容量 C 一定时 信道带宽 W 和信噪比 S N 是可互换的 增加带宽可以降低对信噪比的要求 使有用信号的功率接近甚至消失在噪声功率之下 扩频通信就是通过增加带宽来换取较低的信噪比 这就是扩频通信的基本思想和 理论依据 当信噪比不能提高时 可以通过增大带宽 提高信道容量 扩频通信的方 式有很多种 例如直接序列扩频 跳频扩频 跳时扩频等 这次实验将对直接序列扩 频进行分析和仿真 1 2 直接序列扩频的基本原理 直接序列扩频的原理是 直接用具有高速率的扩频码序列在发送端去扩展信号的 频谱 而接收端 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 如图 1 1 图 1 1 直扩通信系统的组成框图 信息 信码 m t BPSK 调制 载波PN 码 扩频解调 本地 PN 码 BPSK 解调 本地载波 2 000 000 3 c tm tp t 0 0 0 0 0 0 4 载波 000 00 0 0 1 11 1 1 1 0101 1 信码 m t 2 伪码 p t 5 PSK 已调波 1 s t 7 相位 2 st 6 相位 1 s t 9 解调输出 8 中频调相 图 1 2 直扩通信系统的主要相位或波形 在发送端输入信息 m t 二进制数据 图中为 0 1 两个码元 其码元宽度为 加入扩频解调器 模 2 加法器 扩频码是一个 PN 码 伪随机码 记作 b T p t 伪码的波形如图 1 2 中的第 2 个波形 其码元宽度为 且取 p T 16 模 2 加法器的运算规则可用下式表示 b T p T 1 c tm tp t 2 当 m t 与 p t 符号相同时 c t 为 0 而当 m t 与 p t 不同时 则 为 1 c t 的波形如图 1 2 所示中的第 3 个波形 由图可见 当信码 m t 为 0 3 时 c t 与 p t 相同 而当信码 m t 为 1 时 则 c t 为 p t 取反既是 显然 包含信码的 c t 其码元宽度已变成了 即已进行了频谱扩展 p T 经过分析可知 通过扩频调制信号 c t 可看作只取1 的二进制波形 然后对 载频进行调制 通过发射机中推动级 功放和输出电路加至天线发射出去 1 st 图 1 2 中的第 5 个图为已调波 的波形 这里 当 c t 为一码时 已 1 st 调波与载波取反相 而当 c t 为 0 码时 取同相 已调波与载波的相位关系如图 1 2 中的第 6 个图所示 发射信号经过信道传输 经过接收机的输入电路 高频放大器等 输出信号仍为 相关器完成相干解调和解扩 接收端的 PN 码与发端的 PN 码相同 接收端本 1 st 地调相情况与发端相似 这里的调制信号是 p t 即调相器输出信号的相位仅 2 st 取决于 p t 当 p t 1 时 的相位为 当 p t 0 时 的相位为 2 st 2 st 0 信号的相位如图 1 2 中 7 所示 2 st 相关器在这里可等效为对输入相关器的 进行模 2 相加 同号模 2 相 1 st 2 st 加为 0 异号模 2 相加为 因此相关器的输出的中频相位如图 1 2 中的 8 所示 经检波后输出原始信息 4 2 直接序列扩频系统 matlab 仿真 2 1 MATLAB 的介绍 MATLAB 是 matrix系统各用户功率相同 仅考虑白噪 声干扰引起的误码 忽略信号传输 调制解调过程中的误码 3 2 调试分析 使用 MATLAB 编写程序研究正弦干扰信号振幅与误码率的关系 加入噪声和干扰 后 取 LC 20 用 3 个不同的正弦信号干扰 其振幅分别为 0 3 7 假定在误码率 运算中的加性噪声是固定的 进行多次运算 而且在每次运算中 信号能量取值都满 足所需的信噪比要求 输出波形如图 3 1 所示 图 3 1 不同振幅和信噪比对误码率的影响 10 总结仿真实验归纳如下 1 系统误码率与信道里的信噪比大小有关 2 正弦干扰信号的振幅越大 误码率越大 从系统仿真的结果看来 直序扩频技术拥有良好的抗干扰能力 11 4 心得和体会 这次实验做的确实不易 通过总结以前学习的知识和查阅相关资料艰难的完成了 本次实验 这其中请教了不少同学 因为格式和内容的问题重做了好几次 在这其中 也学会了论文的基本格式 交给老师检查之后 发现最开始做的内容只是验证了直接 序列扩频通信系统的公式 导致需要修改大部分的内容 在做抗干扰性分析的时候 本想在本身仿真的程序中加入噪声 因为自身掌握的知识有限 或者说 学艺不精 在尝试多次加噪声失败后重新编写了程序进行分析 通过这次实验 我深刻体会到自己对通信原理课程的掌握度以及对 MATLAB 软件的 熟练度不够 很多问题都是临时发现并解决的 还有就是做实验之前 对实验的大致 流程在脑内一定要清晰 否则做起实验来乱七八糟 完全没有思路 编程的时候也要 一个模块一个模块来 写好一个模块就要调试一个模块 切记不可全部写完了再调试 12 参考文献 1 张蕾 郑实勤 基于 MATLAB 的直接序列扩频通信系统性能仿真分析研究 J 电气 传 动自动化 2007 年 2 樊昌信 曹丽娜 通信原理 第 7 版 国防工业出版社 12 3 曹志刚 钱亚生 现代通信原理 北京 清华大学出版社 1992 4 刘 敏 魏 玲 MATLAB 通信仿真与应用 北京 国防工业出版社 2001 5 王立宁 等 MATLAB 与通信仿真 北京 人民邮电出版社 2000 13 附 录 源程序 直扩系统 MATLAB 仿真 function dscdmamodem user snr in dbs 建立模型 用户信息 snr in dbs 为信噪比 设置初始参数 user 0 1 0 1 1 0 1 close all 定义步长变量 length user length user 改变用户数据中的 0 为 1 for i 1 length user if user i 0 user i 1 end end 用户传输前设置 fc 3 载频 eb 2 每个字符的能量 tb 1 每个信息比特所占的时间 用户输入的数据信息 t 0 01 0 01 tb length user basebandsig for i 1 length user for j 0 01 0 01 tb if user i 1 basebandsig basebandsig 1 14 else basebandsig basebandsig 1 end end end figure plot basebandsig axis 0 100 length user 1 5 1 5 title 用户输入的信息 用户的 BPSK 调制过程 bpskmod for i 1 length user for j 0 01 0 01 tb bpskmod bpskmod sqrt 2 eb user i cos 2 pi fc j end end length bpskmod 用户 BPSK 调制后的波形图输出 figure plot bpskmod axis 0 100 length user 3 3 title 用户经 BPSK 调制之后的波形 扩频 PN 码发生器 seed 1 1 1 1 设 PN 码初始值为 1000 spreadspectrum pn for i 1 length user for j 1 10 PN 码和数据比特码的比率设为 10 1 15 pn pn seed 4 if seed 4 seed 3 temp 1 else temp 1 end seed 4 seed 3 seed 3 seed 2 seed 2 seed 1 seed 1 temp end spreadspectrum spreadspectrum user i pn end 扩频过程 pnupsampled len pn length pn for i 1 len pn for j 0 1 0 1 tb if pn i 1 pnupsampled pnupsampled 1 else pnupsampled pnupsampled 1 end end end length pnupsampled length pnupsampled sigtx bpskmod pnupsampled 扩频码波形输出 figure plot pnupsampled axis 0 100 length user 2 2 title PN 码波形图 16 扩频后的波形图输出 figure plot sigtx axis 0 100 length user 3 3 title 用 PN 码扩频后的波形图 composite signal sigtx 高斯白噪声信道传输 snr in dbs 20 设信噪比为 20 composite signal awgn composite signal snr in dbs 从信道中解扩出用户的信息 rx composite signal pnupsampled figure plot rx title 用户解扩后的波形 BPSK 解调过程 demodcar for i 1 length user for j 0 01 0 01 tb demodcar demodcar sqrt 2 eb cos 2 pi fc j end end bpskdemod rx demodcar figure plot bpskdemod title 用户经 BPSK 解调之后的波形 len dmod length bpskdemod sum zeros 1 len dmod 100 for i 1 len dmod 100 for j i 1 100 1 i 100 17 sum i sum i bpskdemod j end end 检波过程 rxbits for i 1 length user if sum i 0 rxbits rxbits 1 else rxbits rxbits 0 end end length rxbits length rxbits t 0 01 0 01 tb length rxbits savbandsig for i 1 length rxbits for j 0 01 0 01 tb if user i 1 savbandsig savbandsig 1 else savbandsig savbandsig 1 end end end figure plot savbandsig axis 0 100 length user 2 2 title 用户经检波之后的波形 18 直扩系统抗干扰性 gngauss function gsrv1 gsrv2 gngauss m sgma if nargin 0 m 0 sgma 1 elseif nargin 1 sgma m m 0 end u rand 一个统一的随机变量在 0 1 z sgma sqrt 2 log 1 1 u 瑞利分布随机变量 u rand 另一个统一的随机变量在 0 1 gsrv1 m z cos 2 pi u gsrv2 m z sin 2 pi u 直扩系统抗干扰性 ss Pe94 function p ss Pe94 snr in dB lc A w0 snr 10 snr in d