扩频通信系统的systemvue仿真

扩频通信系统的systemvue仿真研究【摘 要】由于通信技术的迅猛发展，在无线通信中扩频通信技术的应用越来越广泛。扩频通信技术具有抗干扰能力强等诸多优点，使该技术越来越受到人们的关注。到目前为止，其最主要的两个应用领域是移动通信系统和军事抗干扰通信,而直扩系统和跳频系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。SystemView是一种基于Windows平台，主要用于通信系统与电路的设计、仿真和分析，是一个系统仿真分析的可视化软件工具。本论文主要是以扩频通信系统的理论为基础实现扩频系统SystemView的仿真分析。本论文主要内容是直接序列扩频系统的仿真分析，扩频增益和扩频码序列对系统性能的影响等相关问题，并给出相应仿真结果。【关键字】 扩频通信 SystemView 仿真Spread spectrum communication system of systemvue simulation【Abstract】As an important branch of communication ,spread spectrum communication is also channel of communication system development direction.It has strong anti-jamming capability,good secrecy,realize muti-assess communicatiom easily.Therefore, this technology is getting peoples attention increasingly.So far,two of its main application fields is still mobile communication system and military anti-jamming communication.The direct sequences spread spectrum system and the frequency hopping system in the two respectively application is the most spread spectrum way.SystemView is based on Windows platforms, mainly for the circuit and communication system design,simulation and analysis of EDA software.It is a powerful dynamic system analysis tools.In this paper mainly with the theory of systems for fundamental to realize system simulation by the SystemView. The main content of this paper is the simulation analysis of direct sequence spread spectrum, spread spectrum gain and spread spectrum yards sequence effect the performance of the system and other related problems, and gives corresponding simulation results.【Keywords】Spread spectrum communication SystemView simulation 目 录1 绪论11.1 选题意义11.2 国内外研究动态11.3 SystemView仿真软件简介21.4 论文结构22 扩频通信技术的原理32.1 扩频通信的基本概念32.2 扩频通信的理论基础32.3 扩频通信的原理框图与优点43 直接序列扩频系统53.1 直接序列扩频原理53.2 直接序列扩频的抗干扰指标63.2.1 直接序列扩频系统的处理增益63.2.2 直接序列扩频系统的干扰容限73.3 直接序列扩频系统的仿真73.4 直接扩频系统的主要特点和用途94 扩频系统的伪随机序列104.1 伪随机码的简要介绍104.2 扩频码的特性114.3 伪随机序列的产生124.4 戈尔德（Gold）码135总结与展望15参考文献16致 谢181 绪论现代通信技术空前发展，无限电设备的使用越来越广泛，电磁环境变得异常复杂，电台、接力通信技术受到的干扰越来越严重，对现实通信的迅速、准确、保密和不间断要求提出了严峻的挑战。近年来，经专家的探索实践，最终找到了干扰的克星扩频通信。所谓扩频通信（即扩展频谱通信），是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式。扩频通信系统的出现，被誉为是通信技术的一次重大突破。1.1 选题意义扩频通信技术是当今信息社会最为先进的无线电通信技术之一。由于扩频技术的抗干扰能力强，抗截获，抗多径、多址能力强保密性好及测距精度高等一系列优点，因此越来越受到人们的重视。随着数字信号处理、微电子技术、大规模和超大规模集成电路技术、的快速发展，以及一些新型器件的出现，使得扩频技术在无线局域网，皮网，2G、3G移动通信，卫星全球定位，军用通信，航天通信和深空探测等领域都有广泛的应用。在当今电磁环境越来越恶劣的条件下，将其应用于通信系统中，可提高系统的抗干扰性。将其用于移动通信系统，能实现CDMA移动通信系统，也能减轻甚至消除由于移动信道多径时延扩展所引起的频率选择性衰落对数字移动通信系统性能的影响。扩频通信技术已成为当今无线电通信的主流技术。在现代通信中遇到的一个重要问题就是干扰问题。由于频率资源的有限，不可避免的相互间存在干扰。在恶劣的环境条件下保证通信有效、准确、迅速地进行是科研人员面临的一个难题。而扩频通信技术能有效地改善这一难题。1.2 国内外研究动态扩频技术的历史开始于20世纪50年代中期，主要用于军事通信，直到80年代初，扩频技术才开始被应用于民用通信领域。随着全球定位系统的应用和个人通信业务的发展，无线通信已经成为电信产业最大的部门之一， 扩频技术在未来无线系统中的应用也成为人们关注的重点。目前，由于扩频技术本身具备的优良性能，应用最广泛的主要的移动通信系统和军事抗干扰通信。直接序列扩频系统与跳频系统分别是在这两个领域应用最多的扩频方式；直接序列扩频系统主要是一种民用技术，跳频系统则主要用于军事抗干扰通信以及在卫星通信中用于保密通信。直接序列扩频系统，即DS-CDMA系统，在移动通信系统中的应用则成为扩频技术的主流。北美的以CDMA技术为基础的IS-95都在第二代移动通信系统（2G）的应用中取得了巨大的成功。而在目前的第三代移动通信系统（3G）标准中（除了EDGE18）都采用了某种形式的CDMA。因此CDMA技术成为目前扩频技术中研究最多的对象，其中又以码捕获技术19和多用户检测（MUD）技术20代表了目前扩频技术研究的现状。本论文对码捕获技术和多用户检测技术不作专门的讲述。而对跳频系统的分析，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。1.3 SystemView仿真软件简介SystemView是美国Eagleware-Elanix公司推出的（Eagleware-Elanix被Agilent于2005年收购后改名为SystemVue，但我们依然习惯性称之为SystemView），它是基于Windows平台运行的，主要用于系统仿真分析的软件工具，它用模块(Token)去描述程序，无需编写复杂的程序语言即可完成各种系统的设计与仿真，能快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。利用SystemView可以实现各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。在进行系统设计时，只要从SystemView图标库中调出相关图标，修改参数设置和连接各图标，再作仿真运行操作，最后以眼图、时域波形和功率谱等形式得出系统的仿真分析结果。SystemView的库资源特别丰富：基本库（Main Library）如信号源、加法器、乘法器、接收器和函数运算器等；专业库(Optional Library)如数字信号处理、通讯、射频/模拟、逻辑等；特别适合于现代通信系统的仿真；并可进行各种系统频域和时域分析、谱分析；也可对各种逻辑电路、射频/模拟电路（RLC电路、混合器、运放电路、放大器等）进行理论分析和失真分析。SystemView提供的分析窗口可以检查、分析系统波形。分析窗中带有一个能对仿真生成数据进行块处理操作的接收计算器。SystemView还具有与外部文件的接口如编程语言C/C+或仿真工具Matlab的接口，可直接获得并处理输入/输出数据。总之，SystemView的设计者希望它成为一种强有力的基于个人计算机的动态的通信系统仿真工具，以实现在不具备先进仪器的条件下同样也能完成复杂度通信系统设计与仿真。1.4 论文结构绪论 介绍扩频通信系统国内外研究的现状以及扩频技术的开发意义所在。另外，对SystemView仿真软件的简要介绍。第二章 概述扩频通信的原理及特点。第三章 直接扩频系统的仿真分析。第四章 扩频系统的伪随机序列的简要分析。编写后的总结，对扩频通信系统的认识以及扩频通信的发展方向。参考文献致谢2 扩频通信技术的原理2.1 扩频通信的基本概念扩频通信，即扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication），它的简单定义可表述如下：扩频通信技术是一种在发送端（简称发端）采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息所需的带宽；在接收端（简称收端）采用相同的扩频码进行相关解调来解扩以恢复所传信息数据的信息传输方式。【2】这一定义其实包含了以下三方面含义：1. 信号的频谱被展宽；2. 采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱；3. 在接收端用相关解调（或相干解调）来解扩。扩频通信的基本特点是信息本身的带宽远小于其传输信息所用信号的带宽。2.2 扩频通信的理论基础传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。为了充分利用有限的频率资源，人们尽量使信号的频带宽度无限窄。为了提高频率资源的利用率，通常都是尽量压缩传输带宽。而用宽频带信号来传输窄带信息的好处在于确保通信的安全可靠。扩频通信的理论基础之一是信息论中的香农定理：C=Blog2(1+)C为信道容量（b/s），B为信号带宽（Hz），N为噪声功率，S为信号平均功率当S/N很小时（0.1）得到：B=上式说明：1) 要增加信道容量C，通过增加信号的带宽B或信噪比即可实现，也就是说系统的信息传输速率增加了。2) 当信道容量C为常数时，增加带宽B可以降低系统信噪比要求，同理，增加信号功率也可降低信号的带宽。3) 即使带宽B无限增加，信道容量C不可能无限增加。因此，当系统的信道容限C不变时，即无差错传输的信息速率不变时，如果信噪比很低，则可以用足够宽的带宽来传输信号。也就是说，如果要在差错概率较小的情况下传输数据可以通过增加信号频带宽度，降低信噪比的方式实现，甚至可以通过增加信号带宽，在信号被噪声掩盖的情况下也能进行可靠的通信。上述分析表明，用扩展信号频谱的方式进行通信的优越性在于系统的信噪比方面得到了提高。2.3 扩频通信的原理框图与优点 图2-1扩频通信原理框图由图2-1可见，扩频通信系统与普通数字通信系统相比较，就是多了扩频调制和解扩部分。扩频通信系统的关键问题是在发信机部分如何产生宽带的扩频信号，在收信机部分如何解调扩频信号。根据通信系统产生扩频信号的方式，目前常见的扩频通信系统类型有直接序列（DS）扩频、跳频（FH）、跳时（TH）、线性调频脉冲（Chirp），以及上述几种方式的组合，形成组合或混合类型的扩频技术。在此对扩频系统的分类不作详细介绍。扩频通信技术是一种具有优异抗干扰性能的技术，简单来说主要有以下几项优点:1) 抗干扰能力强，误码率低扩频通信系统由于扩展了信号频谱，产生的扩频增益，提高了抗干扰容限。根据扩频增益不同，甚至在负的信噪比条件下，也可以将信号从噪声的淹没中提取出来。扩频系统的抗干扰性使误码率较低，远高于普通的微波通信的效果，抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点；2) 易于实现码分多址 在扩频通信系统中采用伪随机序列扩频，利用不同伪随机序列分配给不同用户不同码型，系统就能辨别不同用户的信号，这样就使同一频带上许多用户可以同时通话而互不干扰；3) 抗多径干扰性能好 多路径干扰是电波传播过程中因遇到各种非期望反射体(如高山、电离层、建筑物等)引起的散射或反射，这些散射或反射信号在接收端与有用信号相互干涉而产生的干扰。多路径干扰会严重影响通信。扩频通信系统中增加了扩频调制和解扩过程，从多径信号中分离出最强的有用信号，或将多径信号中的相同码序列信号叠加，这样就可有效消除无线通信中因多径干扰造成的信号衰落现象，使扩频通信系统具有良好的抗多径衰落特性；4) 保密性好扩频码决定扩频信号的频谱结构和信息信息隐蔽性及安全程度。由于伪随机码周期比较长且具有随机特性，通过它调制后的数字信息类似于随机噪声，将其用于保密通信系统中，敌方就不易发现和识辨信号。鱼刺同时，不同用户使用不同的码使窃听者无法窃听到通信，所以说扩频系统具有高保密性；5) 抗衰落由于使用了扩频的方式，信号的频带变得很宽，即使遇到衰落也只影响到频率信号的一小部分，相对于整个信号频谱而言影响就不显大；6) 数模兼容扩频系统既可以传输数字信号，也可传输模拟信号；另外，扩频设备一般采用积木式结构，组网方式灵活，方便统一规划，分期实施，利于扩容，有效地保护前期投资。扩频通信绝大部分是数字电路，设备高度集成，安装简便，易于维护，也十分小巧可靠，便于安装，便于扩展，平均无故障率时间也很长。3 直接序列扩频系统3.1 直接序列扩频原理直接序列调制就是直接用伪随机码序列去调制载波，原理图如图3-1所示。调制器PN码产生器功率放大器模2和加法器混频器数据载波发生器发射机中放解调器数据输出时钟调制器PN码产生器同步本振时钟接收机图3-1 直接序列扩频系统原理图在发射机端，要传送的信息转换成二进制数据后与伪随机码进行模2和运算后形成扩频序列，用该扩频序列去调制载波发射。通常要用平衡调制器来提高发射机的工作效率，同时也对系统的保密性有利。在接收机端，收到的射频信号变频为中频后用与发端同步的伪序列码进行解扩，然后信息解调回复成原始数据信息。3.2 直接序列扩频的抗干扰指标3.2.1 直接序列扩频系统的处理增益扩频通信系统的抗干扰能力的提高是由于在发端信号的频谱被展宽，在收端解扩恢复成原来所传信号，从而产生了信噪比上的好处，即输出的信噪比相对于输入的信噪比大有改善。通常在衡量扩频通信系统抗干扰能力的优劣时，我们常常会引入“处理增益Gp”的概念来描述，其定义为接收机解扩器的输出信噪功率比与接收机的输入信噪功率比之比，即 (3-1)处理增益说明信号经过扩频系统处理后，信号增强的同时抑制干扰信号的能力的大小。处理增益Gp越大系统的抗干扰能力就越强。直接序列扩频通信系统中，若信息码的码速率为Rb，扩频码的码元速率为Rc，系统的扩频处理增益Gp为 (3-2)为和信息码的码速率相区别，通常称扩频码的码速率为码片速率或“切普”(Chip)速率，扩频码的码元称为码片。在直接序列扩频通信系统中，码片速率是信息码速率的整数倍，通常取 (3-3)或 (3-4)式中：R扩频码的码速率，bit/s；Rb信息码的码速率，bit/s；Tc扩频码的码元宽度或码片宽度，s；Tb信息码的码元宽度，s；N扩频码的长度或周期。在这种情况下，直接序列扩频通信系统的处理增益Gp为 (3-5)3.2.2 直接序列扩频系统的干扰容限直接序列扩扩频系统处理增益决定系统抗干扰能力的强弱。扩频处理增益表明使用扩频技术的系统性能的优越性。上文讨论了系统处理增益给系统带来的好处，但并不是说干扰信号功率与有用信号的功率之比等于系统的处理增益时，相关解扩后一定能实现通信功能。因此这里需要引入“干扰容限”的概念，用它来表示扩频系统在干扰环境中的工作能力。干扰容限不仅考虑了系统输出信噪比的要求，同时考虑了系统内部信噪比损耗。因此干扰容限定义为 (3-6)式中：MJ为系统的干扰容限；Gp为系统的处理增益；Ls为系统的内部损耗；为相关解扩器输出(即基带滤波器或中频滤波器输出)信噪比。分析说明，干扰容限反映了扩频系统接收机可能抵抗的极限干扰强度，如果干扰对扩频系统产生了影响，则表明干扰容限已经低于干扰技机的干扰功率。由此可见，干扰容限能更加准确地反映系统的抗干扰能力，而处理增益却做不到这点。3.3 直接序列扩频系统的仿真为了说明扩频通信在抗扰性的优越性，在此以直接序列扩频系统为例来进行仿真，图3-2是仿真原理图，设计比较简化，未使用的常规直序扩频原理来建模。数据信号源用1KHz的低频率随机序列（图符0）通过一个1KHz的低通滤波器（图符3）来形成。扩频码用的是10KHz的PN码（图符2），则理论上扩频增益为10。扩频调制通过乘法器直接用PN码调制数据信号，合成后的扩频信号再直接用100 KHz的载波（图符12）调制发射。在此加入一个干扰信号源（图符15）以观察系统的抗干扰能力，使用的干扰信号源是90KHz-120KHz的扫频脉冲信号源。 图3-2 简化的直接序列扩频系统仿真原理图在接收端，原PN码直接与通过载波解调的信号相乘后解扩，由于发端和收端使用相同的PN码，因此可认为收发两端是完全同步的。图3-3是经滤波器处理后（图符3）的输入信号波形，图3-4是解扩后输出信号波形图。图3-5是未加干扰信号前地已调信号频谱图。图3-6是加入干扰信号后的已调信号频谱图。图3-6可看出在100KHz附近有较强的干扰存在，而解扩后的信号与输入的原信号波形基本一致，并未受影响。但如果不断加干扰，当达到系统的干扰门限时，则不能准确地恢复原始波形。图3-3经预处理后的输入信号波形图3-4经过整型后的输出信号波形图3-5未加干扰前的已调信号频谱图1.2. 图3-6 加入干扰后的已调信号频谱图3.4 直接扩频系统的主要特点和用途直接扩频系统的主要特点前面2.3节中提到的有关扩频通信的优点相似，有以下几个方面：1) 具有较强的抗干扰能力。扩频系统将干扰功率扩展到很宽的频带上，提高了系统的信干比，从而提高了其抗干扰的能力。2) 具有很强的隐蔽性和抗侦察、抗窃听、抗测向的能力。信号淹没在噪声之中，不易被敌方截获、侦察、测向和窃听。3) 可实现码分多址。扩频系统也是一种码分多址通信系统，多址通信使频带利用率得到提高。4) 抗衰落。扩频后的信号频谱很宽，一小部分衰落对整个信号的影响不大。5) 有较强的抗多径干扰的能力，多径信号通过相关处理后可消除多径干扰，也可利用这些多径干扰的能量，提高系统的信噪比，改善系统的性能。6) 可进行高分辨率的测向、定位。直扩系统的主要用途：在军事通信中可用于通信抗干扰、测量、导航、电子对抗等方面。在民用领域，广泛应于于移动通信、卫星通信。4 扩频系统的伪随机序列4.1 伪随机码的简要介绍为了加强对扩频技术的理解，在此简要介绍伪随机码的相关知识。伪随机码（Pseudo Random Code）又称为伪噪声码（Pseudo Noise Code），简称PN码，是一种具有类似白噪声性质的码，具有白噪声的部分特点。由于白噪声不能重复再现和产生，所以在实践中，只能用伪随机码信号作为扩展频谱系统的扩频码，这是由于伪随机序列易于产生和处理。值得说明的是扩频通信的性能是由伪随机码的特性决定的。香农指出，在有噪声干扰的情况下，在信道上实现有效通信的信号最好具有白噪声信号特性。因为高斯白噪声信号的自相关性是非常理想的，其功率谱密度函数为 - f (4-1)对应的自相关函数为 (4-2)其中：t为时延，定义为 (4-3)由于白噪声的自相关函数有函数的特点，说明它具有尖锐的自相关特性。由于目前对白噪声信号的产生、加工和复制还存在很多技术难题，所以只有选择用易于产生又便于加工和控制的伪噪声码序列。伪噪声序列的理论在本论文不作专门讲述，这里仅简略引用其统计特性，借以说明扩频通信系统的实质。有关扩频码的自相关性和互相关性的研究在扩频系统中是非常重要的。通常伪噪声序列是一周期序列。假设某种伪噪声序列的周期(长度)为N，且码元都是二元域上的元素。一个周期（或称长度）为N，码元为的伪噪声二元序列的归一化自相关函是一周期为N的周期函数，可以表示为 (4-4)其中为伪噪声二元序列一个周期内的表示式 (4-5)式中，1，2，3，N。当伪噪声序列周期(长度)N取足够长或N时，式(4-5)可简化为 (4-6)比较式(4-2)和式(4-6)，看出它们比较接近，当序列周期足够长时，式(4-2)就逼近式(4-6)。式(4-5)是自相关函数归一化的形式，乘周期N后就是一般表达式，在一般表达式中。上述讲解说明，伪噪声序列具有白噪声相似的统计特性，进一步说明该类序列近似于信道要求的最佳信号形式。因此在扩频通信系统中用伪噪声码来扩展信息信号频谱的方法，相对于常规通信系统好处多多。4.2 扩频码的特性扩频码就是伪噪声序列。比如m序列。在扩频系统中，通过扩频码来实现信号的频谱扩展，所以说扩频码的性能会对扩频系统的性能产生影响。作为扩频码应具备的特点有：1) 容易产生；2) 具备随机性；3) 扩频码的周期应尽量长，使干扰者即使通过扩频码的一小段也难以重建整个码序列；4) 扩频码应具有良好的自/互相关特性，以有利于多用户使用以及接收时的截获和跟踪。按理，用纯随机序列去扩展信号频谱，同时在接收端与发送端的扩频码应同步才是最理想的。因此，在实践时，我们只能用伪随机序列来作为扩频码。伪随机系列具有类似于随机序列的性质，有如下三点：1) 平衡特性：伪随机序列中1和0的个数接近相等；2) 游程特性：我们把伪随机序列中连续出现1或0的子序列称为游程。连续的1或0的个数称为游程长度。伪随机序列中长度为1的游程约占游程总数的1/2，长度为2的游程约占游程总数的1/22,长度为3的游程约占游程总数的1/23,3) 相关特性：伪随机序列的自相关函数应与白噪声自相关函数的性质类似。伪随机序列的性质与随机序列的性质类似，用于工程中它的结果或形式是可以预先确定的，并且可以重复地产生和复制，很适合用来作为扩频码。扩频码中常用的是m序列，它是典型的线性码，m序列在扩频码中占据特别重要的地位，由于m序列的产生比较简便，所以它很容易被破译。4.3 伪随机序列的产生伪随机序列可由线性移位寄存器电路产生。该电路由模2加法器、移位脉冲产生器和r级串联的双态器件组成。图4-1所示为用4级移位寄存器构成的PN序列发生器。规定移位寄存器的状态时各级从右至左的循序排列而成的序列，这样的状态叫正状态或简称状态【10】。移位寄存器输出的是由“1”和“0”构成的序列。初始状态时0001时，那么an-4=0，an-3=0，an-2=0，an-1=1。从发生器的组成可以看出它的反馈逻辑是an=an-3an-4，如果初始状态为0001，经过一个时钟节拍后，各级状态自左向右移到下一级，末级输出一位数，同时模2加法器输出值加到移位寄存器第一级，形成移位寄存器的新状态，下一个时钟节拍到来又继续上述过程。末级输出序列就是伪随机序列【10】。图4-2是该PN序列发生器的仿真原理图。 X1X2X3X4时钟 图4-1 用4位移位寄存器构成的PN码发生器图4-2 用4为移位寄存器构成的PN码发生器仿真原理图 图4-3 用图4-2电路产生的周期为15的PN码序列波形图从上图可以清晰地说明此例中产生的伪随机序列的周期是15，与理论得出的结果是相同的，a=10011010111100010011。如果改变反馈逻辑的数量和位置可以得到不同