北邮扩频之课设

1、基于MATLAB的扩频通信系统仿真研究 摘要我们本次的课程设计的目的在于研究在扩频通信系统中，信噪比、误码率与扩频增益之间的关系。首先，我们通过查阅有关扩频通信的资料，了解了扩频通信系统的基本原理，了解了扩频通信系统的构成，了解了用扩频码实现信号扩频的过程。在这些理论基础上，运用MATLAB工具建立了扩频通信系统仿真模型，更形象地展示了信号频谱扩展的过程。我们选用时钟信号经过扩频、调制，使信号通过加有加性高斯白噪声的信道，然后将信号解调、解扩出来，恢复出原信号。在仿真过程中，我们设定了3组不同扩频增益下，分别计算出每组扩频增益情况下信噪比与误码率的变化关系。信噪比取在-10到10之间变化，分别

2、绘制出扩频增益为10,30,50的3条不同的信噪比误码率曲线，通过图形可以形象地观察到3种参数之间的关系：相同的扩频增益下，误码率随着信噪比的减小而减小；在相同误码率下，扩频增益越大，输出端信噪比越大。目 录1 绪论.3 1.1 扩频通信技术的发展31.2 扩频通信技术的特点32 扩频通信基本原理 .4 2.1 扩频通信的理论基础.42.2 扩频通信系统的分类及功能52.3 扩频通信的主要参数分析63 基于Matlab的扩频通信系统仿真 .7 3.1 m序列7 3.2 扩频通信系统框图73.3 扩频通信系统的仿真及结果分析.74 附录.11 4.1 主程序.11 4.2 m序列程序.131.绪

3、论1.1 扩频通信的发展扩频技术(Spread Spectrum, SS)的历史可以追溯到20世纪50年代中期，但是直到80年代初，扩频技术仍然主要应用在军事通信和保密通信中。随着个人通信业务的发展以及全球定位系统的应用，到现在为止，使用扩频技术的用户已经超过一亿。使用扩频技术能够实现码分多址，为共享频谱提供了可能，即在多用户通信系统中所有用户共享同一频段，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。此外由于扩频用户具有类似白噪声的宽带特性，它对其它共享频段的传

4、统用户的干扰也达到最小。由于采用CDMA技术能够实现与传统用户共享频谱，因此它也就成为PCS（个人通信业务）首选的多址方案。无线通信已经成为电信产业最大的部门之一，经过十年多的稳步发展，俨然是21世纪中最有发展潜力的领域。扩频技术在未来无线系统中的应用也再次成为人们关注的重点。本次课程母的主要是为我们介绍扩频通信系统的基本原理、信号频谱的扩展过程，以及运用Matlab对扩频通信系统仿真进而对扩频通信的了解建立一个全面的体系。1.2扩频通信技术的特点抗干扰性强，误码率低 扩频通信系统由于在发送端扩展信号频谱，在接收端解扩还原信息，产生了扩频增益，从而大大地提高了抗干扰容限。根据扩频增益不同，甚至

5、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，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比条件下的通信方式。各种形式人为的干扰(如电子对抗中)或其他窄带或宽带(扩频)系统的干扰，只要波形、时间和码元稍有差异，解扩后仍然保持其宽带性，而有用信号将被压缩。可以说，抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点。易于同频使用，提高了无线频谱利用率无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波都已得到开发利用，仍然满足不了社会的需求。为此，世界各地都设计了频谱管理机构， 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（1W，一般为

6、1-100mw），且可工作在信道噪声和热噪声背景中，也可以与现今各种窄带通信共享同一频率资源。 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。 此外，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

7、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。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。2.扩频通信基本原理2.1 扩频通信的理论基础所谓的扩频通信其实就是通信技术中的一种信息传输方式。其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。扩频通信的基本理论基础是Shannon(香农)于1948年发表的信息论中有关信道的理论容量公式， 式中：C信道容量，单位是b/s；W信

8、道带宽，单位是Hz； S/N-为信噪比，单位是dB由上式可以得出，对于给定的信息传输速率，可以用不同带宽和信噪比的组合来传输，即可以通过增加信号带宽，实现在比较低的信噪比下传送信息。使得有用信号的功率接近噪声的功率甚至淹没在噪声之下，从而具有很好的隐蔽性。扩频通信系统正是利用这一原理，来达到提高系统抗干扰能力的目的。扩频通信系统的带宽比常规通信系统的带宽大几百倍乃至几万倍，所以在相同信息传输速率和相同信号功率的条件下，具有较强的抗干扰的能力。2.2 扩频通信系统的分类及功能扩频通信系统按扩频方式的不同，大致可以分为以下四种类型：（1） 直接序列扩频（DS）;（2） 跳频扩频（FH）;（3） 跳

9、时扩频（TH）;（4） 混合方式（以上三种方式的不同组合）。直接序列扩展频谱系统（Direct Sequece Spread Spectrum Communication Systems，DS-SS），通常简称为直接序列系统或直扩系统，是用待传输的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，来扩展传输信号的带宽。用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。在直接序列扩频通信系统中，通常对载波进行相移键控（Phase Shift Keying，PSK）调制。为了节约发射功率和提高发射机的工作效率，扩频通信系统常采用平衡调制器。抑制载波的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力也有利

10、。跳频扩频通信系统跳频扩频通信系统是频率跳变扩展频谱通信系统（Frequecy Hopping Spread Spectrum Communication Systems，FH-SS）的简称，或更简单地称为跳频通信系统，确切地说应叫做“多频、选码和频移键控通信系统”。它是用二进制伪随机码序列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随机码的变化而跳变。跳频系统可供随机选取的频率数通常是几千到 个离散频率，在如此多的离散频率中，每次输出哪一个是由伪随机码决定的。频率跳变扩频通信系统与常规通信系统相比较，最大的差别在于发射机的载波发生器和接收机中的本地振荡器。在常规通信系统中这二者

11、输出信号的频率是固定不变的，然而在跳频通信系统中这二者输出信号的频率是跳变的。跳时扩频通信系统时间跳变也是一种扩展频谱技术，跳时扩频通信系统（Time Hopping Spread Spectrum Communication Systems，TH-SS）是时间跳变扩展频谱通信系统的简称，主要用于时分多址(TDMA)通信中。与跳频系统相似，跳时是使发射信号在时间轴上离散地跳变。我们先把时间轴分成许多时隙，这些时隙在跳时扩频通信中通常称为时片，若干时片组成一跳时时间帧。在一帧内哪个时隙发射信号由扩频码序列去进行控制。因此，可以把跳时理解为：用一伪随机码序列进行选择的多时隙的时移键控。由于采用了窄

12、得很多的时隙去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。2.2 扩频通信的主要参数分析扩频增益是扩频通信的一个重要参数, 反映了系统抗干扰能力的强弱, 是对信噪比改善程度的度量, 定义为接收机相关器输出信噪比和输入信噪比之比, 即 （1）其中: Rs 为扩频码的传输速率, Rd 为信息数据的传输速率, Bs 为扩频码的带宽, Bd 为信息数据的带宽。干扰容限：为了描述扩频系统在干扰环境下的工作性能，引入干扰容限的概念，干扰容限的定义为 Mj=G-Ls+(So/No)式中，So/No为输出信噪比；Ls为系统损耗；G为扩频增益。干扰容限可以解释为当干扰功率超过信号功率Mj（dB）时，系统就不能正常

13、工作。3.基于Matlab的扩频通信系统仿真 3.1 m序列m序列是最长线性移位寄存器序列的简称。由于m序列容易产生、规律性强、有许多优良的性能，在扩频通信中最早获得广泛的应用。 顾名思义，m序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。在二进制移位寄存器发生器中，若n为级数，则所能产生的最大长度的码序列为2n1位。3.2 扩频通信系统方框图：解调数据载波发生器解扩码发生器扩频调制数据扩频码发生器载波发生器AWGN信道解扩信源恢复信息根据选题的设计要求，我们首先在发送端将信源信号用m序列的扩频码进行扩频、调制。然后再将已调用户信号输入带有AWNG加性高斯白噪声的信道中。在

14、接收端，将从信道送出的信号进行解调。最后，输出还原后的信号，将还原后的信号和原始信号进行比较，用误码计数器统计误码个数，得出误码率。通过分析对比所得到的数据，得出最后的结论。3.3扩频通信系统的仿真及结果分析仿真的程序代码见附录。仿真结果：M序列： 选取10000个用户数据信号进行仿真，利用误码数计算器计算出误码率，比较三组不同用户扩频增益（G）的数据可以看出： G=50的时候，误码率减小的速度最快，G=10的时候变化比较慢。误码率随着信噪比的增大而逐渐减小，而且用户扩频增益（G）越大，误码率随着信噪比减小的速度越快。根据数据画出用户扩频增益、信噪比与误码率的关系图，更形象的观察到了3组数据的

15、变化情况。3条曲线分别是扩频增益（G）为10（绿）、30（蓝）、50（红）情况下，误码率随着信噪比（在-1010dB之间）变化的波形图。由图可以看出：随着X轴信噪比的逐渐增大，3种不同扩频增益下的误码率都逐渐减小，说明相同的扩频增益下，误码率随着信噪比的减小而减小。信噪比一定的情况下，扩频增益G=50的时候误码率最小，G=10时误码率最大。说明增大扩频增益可以减小误码率，提高输出信噪比，提高扩频通信系统传输的抗干扰能力和可靠性。4. 附录4.1 主程序代码clear allclcts=clock;%* 程序开始 * num=10000; %* m序列 *a0=1;a1=1;a2=0;a3=0;

16、a4=1;a5=0;mseq=makem(a0,a1,a2,a3,a4,a5); %makem函数fprintf(m序列一个周期为n) mseq %* 扩频 *yonghu=randsrc(1,num,1 3);%yonghu=randn(1,num)0; for j=1:3 kuoma=kuom(yonghu,j); %kuom函数quma=quchangm(kuoma,mseq); %quchangm函数spread=kuoma.*quma; %spread=fuhao(spread);h=length(spread);t=; %生成噪声SIN的随机系数t=randsrc(1,h,1 3)

17、; %* 高斯白噪声 *fprintf(用户的扩频增益tt信噪比tt用户数据总数tt误码数tt误码率n);%输出格式for SNR_db=-10:1:10 SNR = 10.(SNR_db/10); % db 转换成 倍数Eb = sum(spread).2)/num/(10*(2*j-1); No = Eb / SNR; mout= awgnadd(spread,No); % 高斯白噪声 %* 干扰*for i=1:h mout(i)=mout(i)+t(i)*sin(i);end%* 解扩 *despreaddata=;despreaddata= despread( mout,quma,j

18、); % despread函数%* 误码个数*pe1=0;p1=0;for i=1:num if xor(yonghu(i),despreaddata(i)=1 pe1=pe1+1; endendBER1=pe1/num; x(j,SNR_db+11)=BER1;fprintf(%d tt%d tt%d tt%d tt%en,10*(2*j-1),SNR_db,num,pe1,BER1); endfprintf(+n);end%* 显示 *figuresemilogy(-10:10,x(1,:),g-*);hold onsemilogy(-10:10,x(2,:),b-*);hold onsemilogy(-10:10,x(3,:),r-*);title(用户误码率)xlabel(信噪比/dB)ylabel(误码率)axis(-10,10,0,0.5) grid on disp(代码总执行时间为 num2str(etime(clock,ts) 秒);fprintf(nn);4.2 m序列程序.：function m=makem( a0, a1, a2, a3, a4, a5 )c=1 0 0 0 0