基于simulink的扩频通信系统仿真研究(第4稿)

摘要本文介绍了扩频通信的理论基础和实现方法，简要介绍了计算机仿真的相关知识，并通过MATLAB提供的Simulink仿真平台对直接扩频通信系统进行了仿真。获得了预期的仿真结果。同时，利用仿真模型研究了直扩通信系统的扩频增益、干扰容限、误码率与信道信噪比的关系，为其抗干扰的实际应用奠定了基础。结果表明，该系统能够有效抑制高斯白噪声信号的干扰，并通过提高信噪比进一步降低误码率。关键词：扩频通信；信号干扰比；错误率；抗干扰摘要文摘：介绍了扩频的基本理论和实现方法，介绍了计算机仿真的知识。本文利用Matlab可视化工具Simulink建立了直接序列扩频通信系统的仿真模型，详细介绍了仿真模型的各个模块的设计。在给定的仿真条件下，运行并检测仿真模块，结果符合预期效果。同时，通过仿真模块研究了DSSS通信系统扩频增益与干扰容限、误码率、信道信噪比之间的关系，为其抗干扰的实际应用奠定了基础。关键词：传播光谱传播；信号干扰比；误码率；抗干扰。内容导言1扩频通信系统2.1扩频通信系统介绍22.2直接序列扩频通信系统32.2.1直接序列扩频通信系统简介42.2.2 m序列号：5数字调制技术3基于Simulink 10的扩频通信系统仿真3.1计算机模拟导论103.2 Simulink 11简介3.3模型建立和主要模块设计123.3.1 m序列反馈移位寄存器模拟模型123.3.2直接扩频通信系统的仿真模型133.4模拟结果14结论16参考文献17谢谢你18基于simulink的扩频通信系统仿真介绍无线通信起源于19世纪末。经过一个多世纪的发展，它已经成为现代社会的一种重要的生活方式。到目前为止，作为一种无线通信模式，移动通信已经经历了两代升级，发展到第三代。第一代是模拟通信系统，包括北美的AMPS(IS-19)系统、英国的TACS系统和北欧的NMT系统，主要使用FDMA技术。目前，第二代通信系统已经从模拟系统转变为数字系统，包括北美的D-AMPS(IS-54)系统、Q-码分多址(IS-95)系统、日本的JDC系统和欧洲的全球移动通信系统1，主要使用时分多址和码分多址技术。我国在欧洲采用全球移动通信系统蜂窝系统，全球移动通信系统提供的服务仅限于语音、传真和低速率(远低于64kbps)数据服务。随着人们对通信服务的要求越来越高，对通信安全的要求也越来越高。扩频通信系统逐渐成为研究的焦点。扩频通信系统具有很强的抗干扰能力，其多址接入能力、安全性、抗多径等功能也备受关注。它在美国空军通信卫星系统和联合战术信息发布系统中的应用充分展示了其抗干扰能力。本文利用Matlab可视化工具Simulink对直接序列通信系统进行了仿真，研究了扩频增益、干扰容限、误码率和信道信噪比之间的关系，为直接序列扩频无线电在干扰环境中的应用提供了依据。第一章是绪论，简要介绍了本文的基本组成和主要工作。第二章介绍直接序列码分多址系统的理论基础和基本原理。第三章介绍了Matlab及其可视化工具Simulink，建立了直接扩频通信系统仿真模型，并分析了直接扩频通信系统的抗干扰性能扩频通信被称为扩频通信，它与光纤通信和卫星通信一起被称为信息时代的三种高科技通信传输方式。作为一种信息传输方法，扩频通信技术传输信号的带宽比传输信息所需的最小带宽大得多。频带的扩展是由独立的编码序列完成的，该编码序列是通过编码和调制实现的，与传输的信息数据无关。在接收端，相同的代码用于相关的同步接收、解扩和恢复发送的信息数据。扩频通信的基本特征是发射信号占用的带宽远远大于原始信息本身实际需要的最小(有效)带宽，其比值称为处理增益：(2.1)众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，例如声音需要1.7-3.1千赫，电视图像需要几兆赫。为了充分利用有限的频率资源，增加信道数量，人们广泛选择不同的调制方式，采用宽带信道(同轴电缆、微波和光纤等)。)，并采取压缩频带等措施，努力使传输介质中传输的信号占用尽可能窄的带宽。因为在今天的电话和广播系统中，无论采用调幅、调频还是脉码调制，其值一般在十倍以上的范围内，统称为“窄带通信”。扩频通信的价值高达数百或数千，因此被称为“宽带通信”。扩频通信不是试图分配不相交的频带或时间资源，而是将所有资源分配给同时接收服务的用户以供共同使用，其中每个用户发射的功率被控制在信噪比，以保持满足最低性能要求。每个用户都采用有噪声的宽带信号，并且可以在任意长的时间内占据整个给定的频带。这样，影响所有用户的背景噪声来自每个用户，但是被控制到最低可能水平12。尽管容量受到这种噪声的限制，但由于时间和频带资源不受限制，最终容量比传统容量大得多。扩频通信的可行性来源于信息论和抗干扰理论的基本公式。信息论中香农的信息容量公式是4:(2.2)其中：信道容量(以传输速率衡量)、信号带宽、信号功率和白噪声功率。等式(2.2)表明，在给定的传输速率下，带宽和信噪比可以互换。也就是说，通过增加带宽，可以以较低的信噪比传输信息。扩频被用来降低对信噪比的要求，这也是扩频通信的一个重要特点，从而为扩频通信的应用奠定了理论基础。简而言之，我们使用100倍甚至1000倍以上的信息带宽来传输信息，以提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下确保可靠和安全的通信。这是扩频通信的基本思想和理论基础。由于扩频通信可以极大地扩展信号的频谱，它具有以下优点：n是易于重复使用的频率，从而提高了无线频谱的利用率；n具有较强的抗干扰能力和较低的误码率。n具有良好的隐蔽性，对各种窄带通信系统干扰小；可以实现码分多址；抗多径干扰；n能精确地计时和测量距离。适用于数字语音和数据传输以及各种通信服务；易于安装、维护等。2.2直接序列扩频通信系统在扩频通信系统中，频谱的扩展是通过数字化实现的。在一个二进制码位周期内，替换一组新的多位长码型，新码型的码率远高于原码，傅立叶分析表明新码型的带宽远高于原码，从而扩展了信号的带宽。这些新代码也被称为伪随机(PN)码。代码位越长，系统性能越高。一般来说，商用扩频系统的伪码长度不应小于12位，一般为32位，军用系统可达1000位。目前，常见的码有三种：最长线性伪随机序列(M序列)、GOLD序列和WALSH函数正交码。在选择上述序列中的任何一个(例如m序列)之后，其中可用的码(即正交码)被成对组合并分成多个组，每个组分别代表不同的用户，并且组中的两个码模式分别代表原始信息“1”和“0”。系统对原始信息进行编码和传输，接收机利用相关处理器对接收信号与本地码型的相关性进行相关运算，并对基带信号(即原始信息)进行解扩，从而区分不同用户的不同信息。根据不同的扩频方式，扩频通信系统可以分为直接序列扩频、跳频、跳时、线性调频以及上述方法的组合。直接序列扩频是应用最广泛的扩频通信方法之一。以直接序列扩频为例，介绍了扩频通信的基本原理。2.2.1直接序列扩频通信系统介绍所谓直接序列扩频(DS-Direct Scquency)是指信号的扩频在始发端用高码率的扩频码序列直接解扩，信号的扩频在接收端用相同的扩频码序列直接解调以恢复原始信息。图1是直接扩展系统的框图。将信源输出的信号加到由伪随机码发生器产生的伪随机码(PN码)上，以产生与伪随机码速率相同的扩频序列，然后用扩频序列调制载波。在接收端，接收的扩频信号经过高放大和混频，然后中频扩频调制信号经过与始发端同步的伪随机序列的相关解扩，然后解调以恢复发送的信息。从图1可以看出，一般的无线扩频通信系统需要立方调制。第一种调制是信息调制，第二种调制是扩频调制，第三种调制是射频调制。接收端具有相应的射频解调、扩频解调和信息解调。图1直接序列扩频通信的原理直接序列扩频的扩频和解扩过程如图2所示。从图2可以看出：在开始时，信息码被较高码率的伪码调制后，频谱被扩展。在接收端，在扩频信号被相同的伪码解调后，信息码被恢复。信息码调制、扩频传输、解调和恢复的过程类似于用伪码进行二次“模加”的过程。待传输信息的频谱扩展后，能量在更宽的频带上均匀分布，功率谱密度降低；扩频信号解扩后，宽带信号恢复为窄带信息，功率谱密度增加。与信息信号相比，脉冲干扰只经过模式叠加的调制过程，频谱得到扩展，功率谱密度降低，从而从噪声干扰中提取有用信息。图2信息数据的频谱扩展和解扩展至于干扰和噪声，由于它与伪随机码不相关，在相关解扩器的作用下，它相当于一个扩频，它的频谱m序列是最长的线性移位寄存器，也是最重要的伪随机序列之一。该序列易于生成，并具有出色的自相关特性。m序列是通过向移位寄存器添加反馈而形成的，其结构如图3所示。在图中，n-1 (i=1，2，3，r)是移位寄存器中每个寄存器的状态。Ci(i=1，2，3，r)是第I位寄存器的反馈系数。当i=0时，没有反馈，反馈线路断开。当ci=1时，有反馈并连接反馈线路。在这种结构中，c0=cr=1，c0不能为0，c0为0，这不能构成周期序列，因为c0=0意味着没有反馈，并且是静态移位寄存器。Cr也不能为0，即第R位寄存器必须参与反馈，否则，R级的反馈移位寄存器将减少到r-1级或更低。不同的反馈逻辑，即ci(i=1，2，3，r-1)取不同的值并将产生不同的移位寄存器序列。图3反馈移位寄存器结构记忆移位器的结构由特征方程表示：如果n次多项式满足以下条件：，都是关于(2)可分的，(3)、除了无尽的、它被称为本原多项式。由本原多项式生成的序列必须是M序列。m序列的递推公式如下：定义序列的自相关函数为根据M序列的性质，移位相加后仍然是M序列，所以0的个数比1的个数少1。因此，当m序列的自相关函数连续表示对自相关函数进行傅里叶变换，得到M序列的功率谱密度：可以看出，M序列的噪声功率谱密度近似为白噪声功率谱密度。M序列具有以下特征：1.平衡特性。在m序列的完整周期N=2m-1中，0的个数和1的个数总是相差1。2.游程特征。m次序列运行的总数为(N 1)/2。长度为n的游程数等于游程总数的1/n。3.相关特征。M序列的自相关函数是一个周期二元函数。可以证明，对于长度为n的m序列也有结果；当总和取离散值时，下图4是N=7的自相关函数曲线：上半部分是给定m序列的直方图，下半部分是m序列的自相关函数曲线。从图4可以看出，当横坐标是7的整数倍时，例如0、7、14等。自相关函数取最大值1；所有其他值都是-1/7，因此验证了M序列的三个属性。图4反馈移位寄存器结构数字调制技术