基于Matlab的直扩通信系统仿真

编 号： 审定成绩： 重庆邮电大学毕业设计（论文）设计（论文）题目：基于Matlab的直扩通信系统仿真学 院 名 称 ：通信与信息工程学院学 生 姓 名 ：X X X专 业 ：通信工程班 级 ：XXXXXXX学 号 ：XXXXXXXX指 导 教 师 ：李XX答辩组 负责人 ：填表时间：2012 年 6 月重庆邮电大学教务处制重庆邮电大学本科毕业设计（论文）摘 要人们的生活充满了各类信息的交互需求，从贝尔实验室电话接通的时刻起，有线通信进入人们的视野，而到了现在无线通信方式成了我们当今生活的必需品。出于无线通信环境的复杂性和恶劣性以及对通信质量的要求，通信系统的抗干扰性能的优化提升成了一个热点课题，扩频通信技术也逐渐发展成为众多通信系统中不可或缺的部分。主要有跳频扩频技术和直接序列扩频技术。直接序列扩频的本质就是用高码率的扩频码序列在发送端与信号序列相乘扩展信号频谱，接收端用相同的扩频码序列进行解扩，得到原始信息。本文用Matlab软件中Simulink通信仿真模块进行直扩通信系统的仿真和分析。Simulink仿真模型采用二进制发生器做数字信源，利用PN码产生器产生扩频序列调制信源，经过BPSK调制后发射至高斯白噪声信道进行传输。在接收端，通过乘法器进行解扩调制，再经BPSK解调得到恢复出的信息，与信源信息对比，计算误码率并进行相关分析。仿真中，将设计重点放在了扩频调制和BPSK调制，故系统同步和信道部分做了理想处理，在假设系统已准确同步的情况下进行了仿真。在给定的条件下，对Simulink仿真模型进行了运行测试，得到了预期的仿真结果。【关键词】直接序列扩频 BPSK调制 Simulink 系统仿真 抗干扰ABSTRACTSince the moment of Bell Labs call connected, the wired communications comes into our vision, and however wireless communication has become a necessity nowadays. Requirements for wireless communication complexity of the environment and poor communication quality, anti-jamming performance of the communication system optimization and upgrading has become a hot topic in the spread spectrum communication technology .It has gradually developed into an integral part of many communications systems . The main frequency hopping spread spectrum and direct sequence spread spectrum technology.The nature of the direct-sequence spread-spectrum technology is the spreading code sequence with a high bit rate expanded in the transmitter and the signal sequence multiplying the signal spectrum, the receiver dispread using the same spreading code sequence to get the original information. The DSSS communication system with Matlab analysis software is used to simulink and build simulation communication model. We use the binary generator to generate a digital source, the PN code generator produce the order spread spectrum sequence, multiply them and send the result to the white Gaussian noise channel after BPSK modulation for transmission. Atthereceivingend,messageisdispreadandmodulatedthroughthemultiplier,andthendemodulatedbytheBPSKdemodulation.Comparedwiththesourceofinformation,thebiterrorrateiscalculatedandanalysized. In this Simulation, the design focus on the spread spectrum modulation and BPSK modulation, so the system synchronization and channel part of the ideal treatment, were simulated under the assumption that the system has accurate synchronization. Run the test under the given conditions, the Simulink model and got the simulation results which we want.【Keywords】Direct sequence spread spectrum BPSK modulation Simulink system simulation anti-jamming目 录前 言1第一章 扩频通信概述2第一节 扩频通信的发展和应用2第二节 扩频通信理论基础及分类3一、扩频通信理论基础3二、扩频通信系统分类4第三节 扩频通信基本性能参数4一、处理增益4二、干扰容限5三、干扰门限5四、射频带宽6第四节 扩频通信技术现状6第五节 本章小结7第二章 直接序列扩频通信8第一节 直接序列扩频原理及调制过程8一、直接序列扩频基本原理8二、 直扩系统的调制方式9三、直扩系统的解扩调制10第二节 伪随机编码11一、伪随机编码概述11二、m序列12第三节 直接序列扩频通信主要特点13第四节 直扩系统同步原理15第四节 直扩系统抗干扰能力分析17一、直扩系统抗宽带干扰性能17二、直扩系统抗窄带干扰性能17三、直扩系统抗多径干扰性能18第五节 本章小结18第三章 直扩系统的Matlab仿真20第一节 仿真软件的选择与对比20一、软件的对比选择20二、Simulink介绍21第二节 直扩系统仿真及分析21一、扩频调制仿真21二、载波调制（BPSK）24三、信道部分27四、解扩部分28五、解调部分29六、误码统计31第三节 系统性能分析32一、处理增益32二、系统抗干扰能力分析32第四节 本章小结33结 论34致 谢35参考文献36附 录37一、英文原文：37二、英文翻译：48二、工程设计图纸：56VI重庆邮电大学本科毕业设计（论文）前 言【课题背景】应重庆邮电大学通信工程专业本科毕业设计要求，进行以基于Matlab的直扩通信系统仿真为题的毕业设计及论文的撰写。【课题意义】众所周知，扩频通信是与光纤通信、卫星通信并称为信息时代三大主流通信传输方式。扩频通信是指用于传输信号的信道带宽远远大于信号自身带宽的一种通信方式，它在抗噪声、抗干扰、抗多径衰落、码分多址、信号隐蔽性和保密性等方面具有明显优势。因此在传输环境日益复杂，通信业务需求逐渐增多和复杂化，以及通信质量要求不断提高的今天，扩频通信的研究仍然是一个热点，并在不断深化中。【研究思路与方法】 通过对直接序列扩频通信系统用Matlab软件仿真验证其抗干扰性能和码分多址能力的同时，分析这种调制方式的特点。利用Simulink通信仿真模块中已有的模块组成系统，避免编程这种方式带来的繁杂和容易出错，充分利用已有模块简化设计上的繁杂而得到同等的效果。通过调整一些关键参数观察系统性能的变化，更深入的了解直接序列扩频技术。第一章 扩频通信概述第一节 扩频通信的发展和应用扩频通信技术自20世纪50年代中期美国军方便开始研究，最初的用途是为军事通信提供安全保障，是美军重要的无线保密通信技术，它使得敌人很难探测到信号，即使探测到信号，如果不知道正确的编码，也不可能将噪声信号重新恢复成原始有用信号。很长一段时间内，扩频技术一直为军事通信所独占，该技术在提高信号接收质量、抗干扰、保密性、增加系统容量方面均有较传统无线通信方式突出的优势，故被广泛应用与军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。例如：国外已获得成功的空间探测器“喷气推进实验室”（IPL）测距技术就是一种直接序列调制，TATS-1军用卫星中的扩展频谱多址（SSMA）系统等都使用DS-SS1。直到20世纪80年代初才被应用与民用通信领域，如我们所熟知的欧洲的GSM标准和北美的以CDMA技术为基础的IS-95移动的通信系统就是很好的例子。扩频技术由于其本身具备的优良性能得到广泛应用，目前而言，其最主要的两个应用领域是军事抗干扰通信和民用移动通信，而跳频扩频系统与直接序列扩频系统则分别是这两个领域中应用最多的扩频方式。通常情况下，跳频系统主要在军事通信中对抗敌方故意干扰，在卫星通信中也常用于保密通信。直接序列扩频系统在第二代移动通信系统应用中取得了巨大的成功，扩频技术为共享频谱提供了可能。使用扩频技术能够实现码分多址，即在多用户通信系统中所有用户共享同一频段，但是通过给每个用户分配不同的扩频码实现多址通信。利用扩频码的自相关特性能够实现对给定用户信号的正确接收；将其他用户的信号看作干扰，利用扩频码的互相关特性，能够有效抑制用户之间的干扰。在个人通信业务需求不断多样化和复杂化的环境下，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。第二节 扩频通信理论基础及分类一、扩频通信理论基础原始信息扩频码扩频调制振荡器载波调制本振伪码同步载波同步基带恢复信息解调解扩混频图1.1 扩频通信原理框图扩展频谱通信系统是指带传输信息的频谱用某一特定的扩频函数扩展后成为宽带信号，射频调制后送入信道中传输，再利用同一扩频码（伪码序列）将其解扩，从而获得原始传输信息的通信系统。在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号，再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，展宽后的信号再经射频调制发送出去。接收端收到宽带射频信号，将其变频至中频，然后用本地产生的与发端相同的扩频码序列去进行相关解扩。再经信息解调，恢复成原始信息并输出。由此可见，般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。第一次为信息调制，第二次为扩频调制，第三次为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。 相较于一般通信系统，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。扩展频谱技术的理论基础是香农（CEShannon）信道容量公式： （1.1）香农信道容量公式表明：当高斯信道中传输信号的信噪功率比S/N下降时，可用增加系统传输带宽W的方法来保持信道容量C不变。也即对于任意给定的信号噪声功率比，可以用增大传输带宽来换取较低的信息差错率。利用这一原理，通过用高速率的扩频码来达到扩展带传输数字信息带宽的目的，明显的，扩频通信系统的带宽比常规通信系统大几百倍甚至上千倍，故在相同信噪比条件下，扩频通信系统具有较强的抗噪声干扰的能力。二、扩频通信系统分类1直接序列扩频系统DS-SS用高速率的伪噪声码序列与信息码序列摩尔加后的复合码序列去控制载波的相位而获得直接序列扩频信号。2.跳频扩频系统FH-SS 提到跳频扩频就不得不说具有传奇色彩的美国女影星海蒂拉玛，人称CDMA之母，她是第一个将现代3G数字移动通信技术的核心思想带到这个世界上的人。跳频扩频原理数字信息与二进制伪码序列摩尔加后，去离散地控制射频载波震荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变。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.混合式是指以上各类扩频方式的混合扩频调制方式，如FH/DS、DS/TH、FH/TH等，相互取长补短性能更加优良。第三节 扩频通信基本性能参数一、处理增益扩频通信是主要针对不良通信环境，即信号被淹没在噪声等外部干扰环境下的通信方式。通过扩频码调制，使原来的低信噪比得到较大改善，衡量这一指标的性能参数是扩频通信的基本性能参数处理增益（）。定义如下：在信息处理系统中，接收机解扩器输出信噪功率比与接收机输入信噪功率比之比为该系统的处理增益，表示信噪比的改善程度，也即系统抗干扰能力的强弱。 （1.2）上式中，表示接收端输出信噪功率比，表示接收端输入信噪功率比。我们知道高斯白噪声的功率谱近似于均匀分布，故也常用扩频前后带宽的比值来近似估计系统的扩频处理增益，也即： (1.3)上式中，B代表已扩频信号的射频带宽，代表原始信号带宽（也即基带信号带宽）二、干扰容限香农公式表明可以用带宽换取信噪比，但是并不意味着信噪比可以无限制的低，也即干扰可以无限制的强，故存在一个容限值。系统干扰容限是指保证系统可以正常工作的前提（系统输出信噪比一定）下，接收机能够承受的干扰信号比有用信号高处的分贝数（dB）,用表示： (1.4)上式中，表示抗干扰容限，为系统扩频处理增益，则为信息数据正确解调而要求的最小输出信噪比，为接收机系统内部工作损耗。干扰容限的实际意义在于它反映了扩频系统接收机能在何种强度的干扰环境下正常工作的能力和可以抵抗极限干扰的强度。因此，干扰容限往往比扩频处理增益更能确切反映系统的抗干扰能力。三、干扰门限干扰容限是建立在较为理想的工作环境下的参数指标，而实际中的通信系统往往更为复杂：系统的非线性特性和伪随机码的跟踪误差都会引起信噪比的损失，导致通信质量的下降；且在输入信号信噪比很低时存在门限效应（输入信噪比降低到一个特定的数值后，输出信噪比出现急剧恶化的现象）。定义：系统输出信噪比比大输入信噪比下的输出信噪比下降1dB时的为“门限信噪比”，定义系统实际允许输入的输入干扰电平为“干扰门限”。设系统输入干扰功率为J，用代换（1.4）中的干扰容限，整理可得： （1.5）故在设计扩频接收机时，还应使干扰门限有如下关系： （1.6）实际系统均存在干扰门限，通过合理设计和器械的而优化可以把门限点搬移至系统正常工作区域外，消除影响。四、射频带宽直接序列扩频通信系统中还有一项很关键的参数就是系统的射频带宽，其将直接影响系统性能，系统带宽和传送的信息速率决定了直扩系统的扩频处理增益，也决定了系统的抗干扰能力。在任何情况下，直扩通信系统的射频带宽都几乎严格地是所用扩频码速率的函数。在采用BPSK方式时，系统的射频带宽为扩频码传输速率的2倍。实际系统中，在确定直接序列带宽时，必须考虑功率损失、处理增益、待传信息速率及系统抗干扰能力的要求。第四节 扩频通信技术现状 3G通信强势袭来，扩频通信不可或缺。这其中，以码捕获技术和多用户检测（MUD）技术代表了目前扩频技术研究的现状。同步的实现是直扩系统中一个关键问题。只有实现伪码同步才有可能实现直接序列扩频通信的各种优点。目前对码捕获的研究主要集中在对周期较长的码实现捕获的问题，也即快速捕获问题。以往采用的串行捕获方法简单易实现，但捕获速度不能满足求，而并行捕获方案系统复杂度很高，因此研究目标就是实现码捕获时间性能和系统复杂度中间的折中，利用一些新的搜索算法进一步改进这些系统的性能成为研究的热点。限制CDMA系统容量的是来自其他用户的多址干扰，而多用户检测技术能够利用这些多址干扰来改善接收机的性能，是一种提高系统容量的有效方法。传统的CDMA接收机是由一系列单用户检测器组成，每个检测器都是与特定扩频码对应的相对应的相关器，把来自其他用户的干扰当成加性噪声，因此当用户数量增加时，其性能急剧下降。最优的多用户接收机可以解决这个问题带来的不利影响，与此同时，其复杂度随用户数量成指数增长，故在世纪通信系统中几乎不可能实现。不言而喻，这样寻找在性能和复杂度之间折中的次最优多用户检测器成为研究的热点。由此可见，扩频技术自身的理论和技术都已趋于完善，其再一次实现大发展的机遇存在于与其他新技术的结合之中。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扩展。第五节 本章小结 本章主要介绍了扩频通信概况，主要内容包括了扩频通信的历史背景和发展历程，以及在各个领域的应用；扩频通信的理论基础香农公式的介绍；现有扩频通信的几种基础分类和简单介绍；扩频通信的几项基本性能参数以及当代通信发展方向和扩频通信面临的挑战。从实际运用角度阐述了扩频通信的基本知识概念，为直接序列扩频技术的介绍做一个铺垫。第二章 直接序列扩频通信第一节 直接序列扩频原理及调制过程一、直接序列扩频基本原理直接序列扩频，顾名思义就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在接收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。扩展频谱的特性取决于所采用的扩频码序列的码型和码片速率。为了获得具有近似噪声的频谱，采用伪噪声（PN）序列作为扩频系统的扩频码。为了实现简单，我们这里选择采用易产生和复制的m序列作为PN码调制信息码进行扩频调制。如下图所示：图2.1 直接序列扩频原理框图如上图所示，左边部分为发射端，右边部分为接收端。信源发出数字信号a(t)与高速扩频码c(t)相乘得到频谱展宽信号d(t)，再经过频率为的高频载波调制就得到高频的宽频带信号s(t)，s(t)通过无线传输到达接收端。接收端处通过高频放大器对信号s(t)进行接收个放大，接收端的本振可以产生高频载波，其产生的本振信号的频率为，且有中频。接收端产生的与发送端同步的扩频码与本振信号相乘得到，再与s(t)相乘后经过低通滤波器得到信号，再经过信息解调就可恢复出原始信号。如下图是BPSK调制的直扩信号各阶段波形图。图2.2 直接序列扩频过程各部分波形图这一过程说明了直扩系统的基本原理，以及它是怎样通过对信号进行扩频与解扩处理，从而达到提高输出信噪比的目的。 二、 直扩系统的调制方式扩频通信系统信息的传输，是把信源输出的数字信号调制到伪随机码序列中，含有原始信号信息的伪随机序列经高频载波进行调制后由发射端发出。在直接序列扩频系统中，对高频载波通常采用的调制方式是对载波进行相移键控。用的最多的是二进制相移键控（BPSK），较为复杂的有四相移相键控（QPSK）和最小频移键控（MSK）等，本设计中选用BPSK调制方式。由于直扩基带信号采用双极性NRZ波形，因此实际上直扩基带信号与正弦载波相乘就是PSK调制。载波、数据与PN码三者之间都是相乘关系，相乘次序的变化不影响结果，因此实际发送的设备中可以是先将数据进行PSK调制得到窄带的射频信号，再进行扩频，同样接收设备也可能是先解扩，再进行PSK解调。本设计中采用先扩频调制后载波调制的方式，接收端同理。如图2.3所示。利用二进制PSK的一个二进制信息序列的传输问题。信息的速率是比特区间是。可用信道是，。在调制器中，按照PN码的变化形式，以每秒W次的速度，伪随机地将载波相位移项，将信号的带宽扩展到。这样所得到的以调信号称为直接序列(DS)扩频信号。图2.3 BPSK调制过程各部分波形图三、直扩系统的解扩调制 扩频信号一般分两步解调，首先是对扩频信号解调，一般采用相关检测的方法进行接扩，也可采用匹配滤波器的方法进行解扩。 在直扩系统中，常用信号的相干性来检测淹没在噪声中的有用信号。所谓信号的相干性，就是指信号的某个特定标记(如振幅、频率、相位等)在时间坐标上有规定的时间关系，我们把具有这种性质的信号称为相干信号。由于相干信号具有这样的特性，就可以对相干信号与噪声(或干扰)的混合波形进行某种时域的运算，然后再根据某种法则进行判断，从而把原来的相干信号与噪声(或干扰)加以分离。如图所示，设信号为s(t),噪声为n(t),则信号与噪声的混合波形为r(t)。r(t)=s(t)+n(t) （2.1）滤波器低通滤波器S(t)n(t)Sr(t)图2.4 相干检测原理框图相干检测的基础是互相关运算。主要就是用一个与s(t)有密切相干关系的本地参考信号与r(t)相乘后的积分。如下图（相干检测原理图）所示，本地参考信号与信号s(t)频率相同，相位相干。其中，相乘器可以用鉴相器来实现，低通滤波器起到积分的作用。相干检测中还有一个很重要的部分就是本地参考信号。本地参考信号由锁相环路产生。如下图（相干参考信号产生原理图）所示：图2.5 锁相环路原理框图用一个与输入信号频率相近的振荡器，把它的相位与输入信号相位作比较（可以用鉴相器实现），将获得的误差电压称为误差信号，误差信号经过滤波平滑后在作用于振荡器，以此不断纠正它的相位与输入信号相位的误差。循环往复，这个受输入电压控制的振荡器的输出相位就逐渐逼近于输入信号的相位，达到“同频、同相”的结果，它们之间的近似程度取决于跟踪误差。第二节 伪随机编码 一、伪随机编码概述 随机噪声是影响传统通信系统通信质量和限制信道容量的重要因素，它使模拟信号产生失真发生畸变，使数字信号出现误码。传统通信系统都想法设法消除系统中的随机噪声，减小其对通信质量的影响。直到20世纪60年代，提出了伪随机噪声理论。利用伪随机噪声的类似随机噪声的统计特性，实现信息频谱的扩展和信息隐藏，在高可靠保密通信中日渐得到应用，并从开始的军事运用发展到后来的民用化。香农编码定理指出：只要信息速率小于信道容量C，则总可以找到某种编码方法，可以再码周期相当长的条件下，能够几乎无差错地从受到高斯噪声干扰的信号中复制出原始信息。我们知道高斯白噪声是一种随机的模拟信号，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，具有极其优良的自相关特性，但是至今却都无法重复产生和处理它，因此只能用具有类似于带限白噪声统计特性的伪随机码来无限逼近它，并作为扩频系统的扩频码。二元伪随机序列中只有“0”和“1”两种元素，因此无法从信号的幅度分布上逼近白噪声，主要从码元分布、相关特性等方面逼近随机白噪声。对于伪随机码，我们用如下定义：凡自相关函数具有如下形式的码，称为伪随机码，又称为狭义伪随机码。 （2.2） 由此可见，扩频系统中所用的伪随机码都需具备以下基本性能：（1） 具有尖锐的自相关特性，且互相关函数应接近于0。（2） 有足够长的码周期和复杂度，以确保抗截获和抗干扰的要求。（3） 满足要求的序列数足够多，以实现码分多址的要求。（4） 序列易于产生和复制及处理。二、m序列 m序列也称最长线性反馈移位寄存器序列,可由线性反馈移位寄存器产生。n级二进制线性反馈移位寄存器排除输出为0的状态外，产生的周期为的最大可能长度序列。二元m序列是一种伪随机序列，具有优良的自相关函数，属于狭义伪噪声序列。由于m序列容易产生、规律性强、性能优良等特性，被广泛应用于DS系统中用于扩展基带信号。图2.6 n级线性反馈移位寄存器工作原理图n阶移位寄存器的反馈函数是： （2.3） 显然，的取值决定了反馈形式和输出序列结构，可用方程表示如下： （2.4）该方程成为特征多项式。其中x本身取值并无实际意义，项的有无仅仅表明取1或是0。例如特征多项式为，它表明的系数都等于1，其余为0。扩频通信中对扩频序列常有如下基本要求：尖锐的自相关特性；尽可能小的互相关值；足够多的序列数；较好的均衡性；工程上简单易实现。通常采用为随机序列作为扩频序列，常用的有m序列和Gold序列。本设计中我们采用m序列作为扩频序列。m序列是一种伪随机序列，它满足如下三个特性：（1）平衡特性：每一周期p= 内，0出现次，1要比0多出现一次。（2）游程特性：每一周期内，共有个元素游程，其中0的游程和1的游程数目各占一半。并且，对于n2,当时，长为k的游程占游程总数的1/，其中0的游程和1的游程各占一半。长为n-1的游程只有一个，为0的游程；长为n的游程也只有一个为1的游程。（3）移位相加特性：m序列同其移位序列的模2和仍旧是m序列的另一移位序列，即：。第三节 直接序列扩频通信主要特点一、抗干扰性强，误码率低扩频通信系统在无线信道中传输时所占用的带宽相对较宽，而在接收端又采用了相关检测的办法来解扩，使得有用的基带信号恢复成窄带信号，而把非所需的干扰信号扩展成宽带信号，并通过窄带滤波技术滤除干扰提取有用的信号。这样，对于多种干扰信号，由于在接收端的非相关特性，解扩后窄带信号中只有很微弱的成份，得到很高的信噪比，因此抗干扰性强。扩频通信的抗干扰原理如图2.7。从图中可以看出，对于脉冲干扰，由于在信号的接收过程中，它是一个被一次“模二相加”过程，可以看成是一个被扩频过程，其带宽将被扩展，而有用信号却是一个被二次模二相加过程，是一个解扩过程，其信号被恢复(压缩)后，保证高于干扰。由于扩频系统这一优良性能，其误码率很低，正常条件下可达，最差条件下也可达，抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点。图2.7 扩频系统抗干扰频谱示意图二、易于同频使用，提高了无线频谱利用率用户只能使用申请获得的频率，依靠频道划分来防止信道之间发生干扰。由于扩频通信采用了相关接收这一高技术，信号发送功率极低，且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率，也可以与现今各种窄带通信共享同一频率资源。三、抗多径干扰在无线通信中，抗多径干扰问题一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性，在接收端可以用淹没中提取出来，在目前商用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作于负信噪相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。四、可以实现码分多址 扩频通信提高了抗干扰性能，但付出了占用频带宽的代价。如果让许多用户共用这一宽频带，则可大为提高频带的利用率。由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。这样一来，在一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。五、隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率很小，信号湮没在噪声里，一般不容易被发现，而想进一步检测信号的参数(如伪随机编码序列)就更加困难，因此说其隐蔽性好。再者，由于扩频信号具有很低的功率谱密度，它对目前使用的各种窄带通信系统的干扰很小。六、实际应用中的优点扩频通信是数字通信，特别适合数字话音和数据同时传输，扩频通信自身具有加密功能，保密性强，便于开展各种通信业务。扩频通信容易采用码分多址、语音压缩等多项新技术，更加适用于计算机网络以及数字化的话音、图像信息传输。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。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。七、直扩通信系统的不足直扩系统除了一般通信系统所要求的同步（如载波同步）以外，还必须完成伪随机码的同步，以便接受机用此同步后的伪随机码去对接受信号进行相关解扩。直扩系统随着伪随机码字的加长，要求的同步精度也就高，因而同步时间就长。第四节 直扩系统同步原理任何数字通信系统都是离散信号的传输，要求收发两端信号在频率上相同和相位上一致，才能正确地解调出信息。扩频通信系统也不例外。一个相干扩频数字通信系统，接收端与发送端必须实现信息码元同步、PN码码元和序列同步和射频载频同步。只有实现了这些同步，直扩系统才能正常的工作。可以说没有同步就没有扩频通信系统。同步系统是扩频通信的关键技术。信息码元时钟可以和PN码元时钟联系起来，有固定的关系，一个实现了同步，另一个自然也就同步了。对于载频同步来说，主要是针对相干解调的相位同步而言。常见的载频提取和跟踪的方法都可采用，例如用跟踪锁相环来实现载频同步。因此，这里我们只需讨论PN码码元和序列的同步。 一般说来，在发射机和接收机中采用精确的频率源，可以去掉大部分频率和相位的不确定性。但引起不确定性的因素有以下一些：（1）收发信机的距离引起传播的延迟产生的相位差；（2）收发信机相对不稳定性引起的频差；（3）收发信机相对运动引起的多普勒频移； （4）以及多径传播也会影响中心频率的改变。因此，只靠提高频率源的稳定度是不够的，需要采取进一步提高同步速率和精度的方法。 同步系统的作用就是要实现本地产生的PN码与接收到的信号中的PN码同步，即频率上相同，相位上一致。同步过程一般说来包含两个阶段： （1）接收机在一开始并不知道对方是否发送了信号，因此，需要有一个搜捕过程，即在一定的频率和时间范围内搜索和捕获用信号。这一阶段也称为起始同步或粗同步，也就是要把对方发来的信号与本地信号在相位之差纳入同步保持范围内，即在PN码一个时片内。 （2）一旦完成这一阶段后，则进入跟踪过程，即继续保持同步，不因外界影响而失去同步。也就是说，无论由于何种因素两端的频率和相位发生偏移，同步系统能加以调整，使收发信号仍然保持同步。如果由于某种原因引起失步，则重新开始新的一轮搜捕和跟踪过程。因此，整个同步过程是包含搜捕和跟踪两个阶段闭环的自动控制和调整过程。输入图2.8 同步系统搜捕和跟踪原理图输出处处处 出出出出出宽带滤波器码跟踪器PN码发生器压控钟源搜捕器件解调器上图为同步系统搜捕和跟踪原理图，图中接收到的信号经宽带滤波器后，在乘法器中与本地PN码进行相关运算。此时搜捕器件，调整压控钟源，调整PN码发生器产生的本地脉序列伪重复频率和相位，以搜捕有用信号。一旦捕获到有用信号后，则起动跟踪器件，由其调整压控钟源，使本地PN码发生器与外来信号保持同步第四节 直扩系统抗干扰能力分析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。直扩系统对窄带干扰、宽带干扰等，都具有抗干扰能力，其抗干扰能力大小的就是前面提出的扩频处理增益，越大，抗干扰能力就越强。下面就来分析直扩系统抗宽带干扰和抗窄带干扰的原理。一、直扩系统抗宽带干扰性能这里的宽带干扰是泛指的与扩频信号不相关的干扰，在CDMA通信网中，其它用户的信号就是一种宽带干扰。相关处理前，信号频谱很宽，经相关处理后，有用信息被解扩，其功率谱集中于信息带宽内，而宽带干扰通过相关器，其功率谱密度基本不变。由于解扩后必然连接窄带滤波器，保证信号能顺利通过，对信号频带之外的各种干扰起到很大的抑制作用，从而提高了输出的信噪比。解扩后的有用信号信息带宽BA有用信号干扰电平白限热噪声电平功率频谱干扰信号 图2.9 直扩系统抗宽带干扰的示意图（a）接收机输入的信号及干扰的功率谱 （b）相关器输出的信号及干扰的功率谱二、直扩系统抗窄带干扰性能对单频或窄带干扰，直扩系统有很强的抗干扰能力。图2.10（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。但是要注意，如果窄带干扰信号强度很强，超过了系统干扰容限，系统的性能会急剧恶化，无法正常工作恢复出原始信息。实际系统中往往会加入窄带干扰抑制部分。A A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 （a）未解扩 的功率谱谱（b）解扩后的功率谱图2.10 直扩系统抗窄带干扰示意图三、直扩系统抗多径干扰性能多径信道就是发射机和接收机之间电波传播的路径不止一条。例如由于大气层的反射和折射，以及由于建筑物等对电波的反射都是形成多径信道的原因。不同的传播路径使电波在幅度上衰减不同，到达时间的延迟也不同。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。这就是利用PN码的自相关特性，只要延迟超过半个PN码时片，其相关值就很小，可作为噪声来对待。另外，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。第五节 本章小结 本章主要对扩频技术中的直接序列扩频方式进行了较为详尽的介绍，对整个扩频调制过程的每一步骤对信号的处理和波形变化的阐述；并对扩频码和本设计中所用到的m序列进行了单独介绍。在后几节中主要介绍了直接序列扩频方式的主要特点、同步原理以及抗干扰能力分析。第三章 直扩系统的Matlab仿真第一节 仿真软件的选择与对比一、软件的对比选择计算机仿真可以把复杂系统的运行过程放在计算机建立的模型中进行运行，已经成为继理论分析和实物实验之后，研究理论和测试技术方案各项指标的强有力手段。在研究一项技术方案或是产品各项指标时，它具有的周期短、成本低、结果相似度高的优势使其具有很多实践意义，发展迅猛。仿真软件从最初的机器代码、较高级的编程语言、面向问题描述的仿真语言，发展到模块化概念，并进而发展到面向对象编程、图形模块化编程等，界面更加友好，建模简单迅速；功能更加强大，可运用于各种领域不同需求的仿真；集成度高，减轻了仿真人员编程的负担。到目前为止，已经有许多各具特色的仿真语言和软件。其中美国Mathworks软件公司的动态仿真集成软件Simulink与该公司著名的软件Matlab集成在一起，已经成为当今最具影响力的控制系统应用软件。鉴于Matlab强大的科学计算能力、电路仿真能力、和系统仿真功能，本设计中采用Matlab进行仿真。各软件功能特点对比如下：表3.1 软件功能特点对比科学计算能力软件名主要功能特点Matlab数值分析、矩阵运算、信号处理及图形显示；Mathematica符号演算、数值计算及图形显示；Maple解决微积分、解析几何、线性代数、概率统计等计算问题；电路仿真能力软件名主要功能特点Matlab支持C代码、数据处理精度高、数据格式兼容性好；PSpice适合对电力电子电路中开关暂态过程的描述仿真、模拟实际电路的波形较为准确；Saber混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准、可以兼容模拟，数字，控制量的混合仿真；系统仿真能力软件名主要功能特点Matlab集数值计算、图形管理、程序开发为一体，具有很强的功能扩展能力；CASSAP主要应用于数字信号处理和网络通信领域，可以再概念、体系结构、算法三个层次上实现仿真；SPW可进行算法开发，滤波器设计，C代码生成，硬/软件结构联合设计以及硬件综合，并且提供了HDS接口和Matlab接口；二、Simulink介绍Simulink这种交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境始出现于Mathworks公司2001年发布的Matlab6.0版本。Simulink这一名字很直观地表明了此软件的两个显著功能：Simu（仿真）与link（连接）。用户可以利用鼠标在工作窗口中“画”出自己所需的系统模型并利用Simulink提供的功能对系统进行仿真和分析，避免了代码的繁琐和易出错，减少了用户的编程压力。Simulink让用户把精力从编程转向模型的构造，为用户省去许多重复代码的编写工作。Simulink提供了两种开发模块的方法：一是利用现有的模块搭建子系统，实现多层次模块；二是编写S函数（系统函数）开发模块。多层次模块是Simulink层次化设计的理念，建立多层次模块可以直接利用已有的模块，将重点放在利用它们趋势线新的功能，而不必关心这些模块底层的具体算法实现。而S函数扩展了Simulink的功能，通过编程的方式完善模块不如代码算法自由的不足，它可以用Matlab、Ada、C或者Fortran语言编写，有很友好的语言支持。第二节 直扩系统仿真及分析一、扩频调制仿真（1）仿真简介如图3.1所示为扩频调制部分，本设计采用伯努利二进制发生器模块生成由0和1 组成的二进制序列作为信号源，并用PN码产生器模块产生m序列作为扩频码。两者均需通过极性转换器转换为-1和1组成的序列。然后通过乘法器模块进行两个序列相乘也即完成扩频调制，得到高速率的调制后序列。图3.1 直接序列扩频Simulink模型图通过外接的示波器可以观察到扩频调制过程中序列波形的变化。各模块介绍及参数设置如下：表3.2 扩频调制模块介绍及参数设置模块名称功能仿真参数设置备注Bernoulli Binary Generator伯努利二进制发生器产生由0和1组成的序列采样时间=0.001PN Sequence GeneratorPN码产生器产生扩频码反馈系数=100011101初始状态=00000001采样时间=1/2.55e5初始状态不能为全0Unipolar to Bipolar Converter极性转换器将0,1码转换为双极性码-1,1M进制参数=2输出数据类型doubleProduct乘法器数据相乘无Scope示波器显示数据波形无Zero-Order Hold零阶保持器将输入的连续信号离散输出采样时间=1/1e54部分情况可设-1Spectrum Scope频谱示波器显示数据频谱无说明：二进制发生器中采样时间设为0.001，也即数码率为1kb/s，原始基带信号带宽1kHz。本设计中采用8位m序列作为扩频码，我们知道8阶m码发生器一个周期有255bit，所以此处码速率设定为255kb/s，换算成采样时间就是1/2.55e5。（2）仿真结果展示分析 观察示波器“Spread spectrum modulation compare”结果。如图3.2，第一行为待调制信息序列，第二行为扩频码8阶m序列，可看出m序列具有周期性，并且用255个码片调制一位信息码，这与参数设置所应得出结果相符。第三行为扩频调制后序列，此序列将送入BPSK调制模块进行载波调制。图3.2 扩频调制结果图观察频谱示波器结果。如图3.3和图3.4分别为扩频调制前的基带信号的频谱和扩频后的信号频谱，可看出原本信号带宽近似1kHz,经扩频调制后约为225kHz，这与参数设置所应得出结果相符，信号被成功扩展。图3.3 基带信号频谱图图3.4扩频调制后频谱图二、载波调制（BPSK）（1）仿真简介图3.5 载波调制Simulink模型图为了构图整洁，对BPSK调制部分采用了子模块的方式。如图3.5所示左右两端分别为输入信号（经扩频调制后的信号）和输出信号（经扩频调制载波调制将被送入信道中的信号）。输入的信号与一个中心频率为510kHz的正弦载波相乘，完成载波调制，输出信号送入信道。具体参数见下表（未写出模块参数设置同上）：表3.3 载波调制模块介绍及参数设置模块名称功能仿真参数设置备注Sine wave正弦波发生器产生正弦载波幅度=1V中心频率=510kHz采样时间= 1/10.2e6Zero-Order Hold零阶保持器将输入的连续信号离散输出采样时间=1/5.1e6三个设置均相同（2）仿真结果展示分析观察示波器“