畢業(yè)論文----擴頻通信技術實現(xiàn)方法的研究和設計

1、<p>　　擴頻通信技術實現(xiàn)方法的研究和設計</p><p>　　——DS直接序列擴頻</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　引言 3</p><p>　　1擴頻通信系統(tǒng)

2、 6</p><p>　　1.1擴展頻譜通信的定義 6</p><p>　　1.2擴頻通信的理論基礎 6</p><p>　　1.3擴頻通信的主要性能指標 8</p>&

3、lt;p>　　1.4擴頻通信的主要特點 10</p><p>　　1.5頻譜擴展的實現(xiàn)和直接序列擴頻 13</p><p>　　1.6擴頻系統(tǒng)需要滿足以下幾個條件 17</p><p>　　1.7擴頻通信特征

4、 17</p><p>　　2直序擴頻通信系統(tǒng) 18</p><p>　　2.1直序擴頻通信系統(tǒng)框圖 18</p><p>　　2.2直接序列擴頻信號的產(chǎn)生原理

5、 18</p><p>　　2.3直接序列擴頻原理 20</p><p>　　2.4直接序列擴頻信號的實現(xiàn)方法 21</p><p>　　3用編程來實現(xiàn)直序擴頻通信系統(tǒng)

6、 23</p><p>　　3.1直接序列擴頻系統(tǒng)與PSK調制 23</p><p>　　3.2信號解調 24</p><p>　　3.3差錯概率 26</p><p>　　4實驗

7、 28</p><p>　　4.1 Monte Carlo仿真 28</p><p>　　4.2 SIMULINK仿真 30</

8、p><p>　　結論 36</p><p>　　致謝 37</p><p>　　參考文獻 38</p><p>　　附錄1直擴程序M-文件

9、 40</p><p>　　附錄2直擴-SIMULINK動態(tài)仿真?？驁D43</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　擴頻通信技術(簡稱擴頻通信)是一種新興的高科技通信技術，具有大容量、抗干擾、低截獲功率等特點以及可實現(xiàn)碼分多址(CDMA)等優(yōu)點，在軍事和民用通信系統(tǒng)中都得到了廣泛的應用，并成為下一代移

10、動通信的技術基礎。在擴頻通信系統(tǒng)中，直序擴頻的應用最為廣泛。首先介紹擴頻通信的基本原理及組成，重點論述了直序擴頻通信在通信系統(tǒng)中的使用。</p><p>　　MATLAB因具有強大的數(shù)學計算、算法推導、建模仿真和圖形繪制等功能而廣泛應用于各領域，本文利用MATLAB的M語言進行編程、仿真，從而對CDMA無線通信系統(tǒng)的性能進行了分析。</p><p>　　在此基礎上，通過實例介紹了建立系統(tǒng)仿

11、真模型的方法。利用MATLAB軟件對CDMA無線通信系統(tǒng)的性能進行了分析?？梢娎肕ATLAB/SIMULINK進行系統(tǒng)仿真簡單、方便、形象、具體，是系統(tǒng)仿真較好軟件之一。</p><p><b>　　關鍵詞： </b></p><p>　　直序擴頻通信系統(tǒng)； PN序列產(chǎn)生器；誤碼率； 仿真；MATLAB； 干擾</p><p><b&g

12、t;　　Abstract</b></p><p>　　Spread spectrum communication is a sort of new high-tech communication technique, it has a number of internal advantages, such as large capacity, interference immunity, low pr

13、obability of intercept, code division multiple access(CDMA)etc ,which make it get broad applications in civilian as well as military environments ,and become the technical groundwork of next generation mobile communicati

14、ons, Direct sequencing spread-spectrum was widely used. This paper introduces fundamental and constitutes</p><p>　　MATLAB has been using in a variety of fields as its powerful and universal functions on math

15、ematics calculation, algorithm interference , modeling and simulation, graphic structure, etc, we are making use of MATLAB’s M language to design program and to make simulation on error rate performance and then to analy

16、ze the performance on CDMA wireless communication system .</p><p>　　On this basis, the method to build system simulation model is introduced with a simple example. Meanwhile a spreading-spectrum communicatio

17、n system is built to simulate it and prove its validity. Obviously, to simulate with MATLAB/SIMULINK is simple, convenient, visualized, special, which is one of the best simulation software.</p><p>　　Key wor

18、ds: </p><p>　　Direct sequence spread spectrum(DSSS); PN generator; Code error rate; SIMULINK; MATLAB; interference</p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　人類社會進入到了信息社會，通信現(xiàn)代化是人

19、類社會進入信息時代的重要標志。怎樣在惡劣的環(huán)境條件下保證通信有效地、準確地、迅速地進行，是當今通信工作者所面臨的一大課題。擴展頻譜通信是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的一種新興的通信方式，其較強的抗干擾、抗衰落和抗多徑性能以及頻譜利用率高、多址通信等諸多優(yōu)點越來越多的為人們所認識，并被廣泛的應用于軍事通信和民用通信的各個領域，從而推動了通信事業(yè)的迅速發(fā)展。</p><p>　　擴頻通信，即(Spread Spectrum Com

20、munication)擴展頻譜通信，它與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽為進入信息時代的三大高技術通信傳輸方式。</p><p>　　擴頻通信是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機編碼(擴頻序列：Spread Sequence)調制，實現(xiàn)頻譜擴展后再傳輸；接收端則采用相同的編碼進行解調及相關處理，恢復原始信息數(shù)據(jù)?！?lt;/p><p>　　這種通信方式與常規(guī)的窄道通信方式是有區(qū)別的： </p>

21、<p>　　首先，信息在頻譜擴展后形成寬帶傳輸；其次，相關處理后恢復成窄帶信息數(shù)據(jù)。</p><p>　　在擴展頻譜系統(tǒng)中，偽隨機序列起著很重要的作用。在直擴系統(tǒng)中，用偽隨機序列將傳輸信息擴展，在接收時又用它將信號壓縮，并使干擾信號功率擴散，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力；偽隨機序列性能的好壞直接關系到整個系統(tǒng)性能的好壞，是一個至關重要的問題。</p><p>　　擴頻信號的接收一般

22、分為兩步進行，即解擴與解調，這是關系到系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關鍵。解擴是在偽隨機碼同步的情況下，通過對接收信號的相關處理從而獲得處理增益，提高解跳器輸入端的信噪比，使系統(tǒng)的誤碼性能得以改善。</p><p>　　解擴與解調的順序一般是不能顛倒的，通常是先進行解擴后再進行解調，這是因為在未解擴之前的信噪比是很低的，一般的解調方法很難實現(xiàn)?！?lt;/p><p>　　正是由于這些技術的應用，使擴頻通信有如

23、下的優(yōu)點： </p><p>　?、倬哂休^強的抗干擾能力。這種能力的大小與處理增益成正比。</p><p>　?、诰哂泻軓姷碾[蔽性和抗竊聽的能力。擴頻信號的譜密度很低，可使信號淹沒在噪聲之中。</p><p>　?、劬哂羞x址能力，可實現(xiàn)碼分多址。擴頻系統(tǒng)本來就是一種碼分多址通信系統(tǒng)。</p><p>　　④抗衰落，特別是抗頻率選擇性好。直序信

24、號的頻譜很寬，一小部分衰落對整個信號的影響不大。</p><p>　?、菘苟鄰礁蓴_。利用偽隨機碼的相關特性，只要多徑時延超過偽隨機碼的一個切譜，通過相關處理后可消除這種干擾影響。</p><p>　?、薷呔葴y量等。利用直擴系統(tǒng)偽隨機碼的相關特性，可完成精度很高的測距和定位。</p><p>　　正是由于擴頻通信技術具有上述優(yōu)點，自50年代中期美國軍方便開始研究，一

25、直為軍事通信所獨占，廣泛應用于軍事通信、電子對抗以及導航、測量等各個領域。直到80年代初才被應用于民用通信領域。為了滿足日益增長的民用通信容量的需求和有效地利用頻譜資源，各國都紛紛提出在數(shù)字峰窩移動通信、衛(wèi)星移動通信和未來的個人通信中采用擴頻技術，擴頻技術于蜂窩電話、無繩電話、微波通信、無線數(shù)據(jù)通信、遙測、監(jiān)控、報警等系統(tǒng)中。</p><p><b>　　1 擴頻通信系統(tǒng)</b></

26、p><p>　　1.1 擴展頻譜通信的定義</p><p>　　所謂擴展頻譜通信，可簡單表述如下：“擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關；在接收端則用同樣的碼進行相關同步接收、解擴及恢復所傳信息數(shù)據(jù)”。</p><p>　　這一定義包含了

27、以下三方面的意思： </p><p>　　⑴信號的頻譜被展寬了。</p><p>　?、撇捎脭U頻碼序列調制的方式來展寬信號頻譜。</p><p>　?、窃诮邮斩擞孟嚓P解調來解擴。</p><p>　　1.2 擴頻通信的理論基礎</p><p>　　長期以來，人們總是想法使信號所占領譜盡量的窄，以充分利用十分寶貴的頻譜資

28、源。為什么要用這樣寬頻帶的信號來傳送信息呢？簡單的回答就是主要為了通信的安全可靠。 </p><p>　　擴頻通信的基本特點，是傳輸信號所占用的頻帶寬度(W)遠大于原始信息本身實際所需的最小(有效)帶寬(F)，其比值稱為處理增益Gp。 </p><p>　　眾所周知，任何信息的有效傳輸都需要一定的頻率寬度，如話音為1.7 —3.1kHz，電視圖像則寬到數(shù)兆赫。為了充分利用有限的頻率資源，增

29、加通路數(shù)目，人們廣泛選擇不同調制方式，采用寬頻信道(同軸電纜、微波和光纖等)，和壓縮頻帶等措施，同時力求使傳輸?shù)拿浇橹袀鬏數(shù)男盘栒加帽M量窄的帶寬。因現(xiàn)今使用的電話、廣播系統(tǒng)中，無論是采用調幅、調頻或脈沖編碼調制制式，Gp值一般都在十多倍范圍內，統(tǒng)稱為“窄帶通信”。而擴頻通信的Gp值，高達數(shù)百、上千，稱為“寬帶通信”。</p><p>　　擴頻通信的可行性，是從信息論和抗干擾理論的基本公式中引伸而來的。 </

30、p><p>　　信息論中關于信息容量的香農(Shannon)公式為： </p><p><b>　　(1-1)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　C --- 信道容量(用傳輸速率度量) </p><p>　　W --- 信號頻帶寬度 <

31、/p><p>　　P --- 信號功率 </p><p>　　N --- 白噪聲功率 </p><p>　　式(1-1)說明，在給定的傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比P／N是可以互換的。即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比P／N(S／N)情況下，傳輸信息。</p><p>　　擴展頻譜換取信噪比要求的降低，正是擴頻通信的重要特點，

32、并由此為擴頻通信的應用奠定了基礎。</p><p>　　總之，我們用信息帶寬的100倍，甚至1000倍以上的寬帶信號來傳輸信息，就是為了提高通信的抗干擾能力，即在強干擾條件下保證可靠安全地通信。這就是擴展頻譜通信的基本思想和理論依據(jù)。</p><p>　　1.3 擴頻通信的主要性能指標</p><p>　　處理增益和抗干擾容限是擴頻通信系統(tǒng)的兩個重要性能指標。 &l

33、t;/p><p>　?、盘幚碓鲆鍳也稱擴頻增益(Spreading Gain) </p><p>　　它定義為頻譜擴展前的信息帶寬F與頻帶擴展后的信號帶寬W之比： </p><p><b>　　(1-2)</b></p><p>　　在擴頻通信系統(tǒng)中，接收機作擴頻解調后，只提取偽隨機編碼相關處理后的帶寬為F 的信息，而排除掉

34、寬頻帶W中的外部干擾、噪音和其地用戶的通信影響。因此，處理增益G反映了擴頻通信系統(tǒng)信噪比改善的程度。</p><p><b>　?、瓶垢蓴_容限</b></p><p>　　是指擴頻通信系統(tǒng)能在多大干擾環(huán)境下正常工作的能力，定義為： </p><p><b>　　(1-3)</b></p><p>&

35、lt;b>　　其中：</b></p><p><b>　　--- 抗干擾容限</b></p><p><b>　　--- 處理增益 </b></p><p>　　--- 信息數(shù)據(jù)被正確解調而要求的最小輸出信噪比 </p><p>　　--- 接收系統(tǒng)的工作損耗</p>

36、<p>　　由此可見，抗干擾容限與擴頻處理增益成正比，擴頻處理增益提高后，抗干擾容限大大提高，甚至信號在一定的噪聲湮沒下也能正常通信。通常的擴頻設備總是將用戶信息(待傳輸信息)的帶寬擴展到數(shù)十倍、上百倍甚至千倍，以盡可能地提高處理增益。</p><p>　　1.4 擴頻通信的主要特點</p><p>　　⑴抗干擾性強，誤碼率低</p><p>　　擴頻通

37、信在空間傳輸時所占有的帶寬相對較寬，而收端又采用相關檢測的辦法來解擴，使有用寬帶信息信號恢復成窄帶信號，而把非所需信號擴展成寬帶信號，然后通過窄帶濾波技術提取有用的信號。這祥，對于各種干擾信號，因其在收端的非相關性，解擴后窄帶信號中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干擾性強。擴頻通信的抗干擾如圖1。</p><p>　　圖1 擴頻系統(tǒng)抗干擾頻譜示意圖</p><p>　　從圖1可以看出，

38、對于脈沖干擾， 由于在信號的接收過程中，它是一個被一次“模二相加”過程，可以看成是一個被擴頻過程，其帶寬將被擴展，而有用信號卻是一個被二次"模二相加"過程，是一個解擴過程，其信號被恢復(壓縮)后，保證高于干擾。由于擴頻系統(tǒng)這一優(yōu)良性能，其誤碼率很低，正常條件下可達，最差條件下也可達，抗干擾性能強是擴頻通信的最突出的優(yōu)點。</p><p>　?、埔子谕l使用，提高了無線頻譜利用率</p&g

39、t;<p>　　用戶只能使用申請獲得的頻率，依靠頻道劃分來防止信道之間發(fā)生干擾。由于擴頻通信采用了相關接收這一高技術，信號發(fā)送功率極低，且可工作在信道噪聲和熱噪聲背景中，易于在同一地區(qū)重復使用同一頻率，也可以與現(xiàn)今各種窄帶通信共享同一頻率資源。</p><p><b>　?、强苟鄰礁蓴_</b></p><p>　　在無線通信中，抗多徑干擾問題一直是難以解

40、決的問題，利用擴頻編碼之間的相關特性，在接收端可以用淹沒中提取出來，在目前商用的通信系統(tǒng)中，擴頻通信是唯一能夠工作于負信噪相關技術從多徑信號中提取分離出最強的有用信號，也可把多個路徑來的同一碼序列的波形相加使之得到加強，從而達到有效的抗多徑干擾。</p><p>　?、瓤梢詫崿F(xiàn)碼分多址 </p><p>　　擴頻通信提高了抗干擾性能，但付出了占用頻帶寬的代價。如果讓許多用戶共用這一寬頻帶

41、，則可大為提高頻帶的利用率。由于在擴頻通信中存在擴頻碼序列的擴頻調制，充分利用各種不同碼型的擴頻碼序列之間優(yōu)良的自相關特性和互相關特性，在接收端利用相關檢測技術進行解擴，則在分配給不同用戶碼型的情況下可以區(qū)分不同用戶的信號，提取出有用信號。這樣一來，在一寬頻帶上許多對用戶可以同時通話而互不干擾。</p><p>　?、呻[蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小</p><p>　　由于擴頻信號

42、在相對較寬的頻帶上被擴展了，單位頻帶內的功率很小，信號湮沒在噪聲里，一般不容易被發(fā)現(xiàn)，而想進一步檢測信號的參數(shù)(如偽隨機編碼序列)就更加困難，因此說其隱蔽性好。</p><p>　　再者，由于擴頻信號具有很低的功率譜密度，它對目前使用的各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小。</p><p>　?、蕯U頻通信是數(shù)字通信，特別適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)同時傳輸，擴頻通信自身具有加密功能，保密性強，便于開展各種通信

43、業(yè)務。擴頻通信容易采用碼分多址、語音壓縮等多項新技術，更加適用于計算機網(wǎng)絡以及數(shù)字化的話音、圖像信息傳輸。</p><p>　?、藬U頻通信絕大部分是數(shù)字電路，設備高度集成，安裝簡便，易于維護，也十分小巧可靠，便于安裝，便于擴展，平均無故障率時間也很長。</p><p>　?、虜U頻設備一般采用積木式結構，組網(wǎng)方式靈活，方便統(tǒng)一規(guī)劃，分期實施，利于擴容。</p><p>

44、;　　1.5 頻譜擴展的實現(xiàn)和直接序列擴頻</p><p>　　頻譜的擴展是用數(shù)字化方式實現(xiàn)的。在一個二進制碼位的時段內用一組新的多位長的碼型予以置換，新碼型的碼速率遠遠高出原碼的碼速率，由傅立葉分析可知新碼型的帶寬遠遠高出原碼的帶寬，從而將信號的帶寬進行了擴展。這些新的碼型也叫偽隨機(PN)碼，碼位越長系統(tǒng)性能越高。通常，商用擴頻系統(tǒng)PN碼碼長應不低于12位，一般取32位，軍用系統(tǒng)可達千位。</p>

45、<p>　　目前常見的碼型有以下三種：</p><p>　?、臡序列，即最長線性偽隨機系列；</p><p><b>　　⑵GOLD序列；</b></p><p>　?、荳ALSH函數(shù)正交碼。</p><p>　　當選取上述任意一個序列后，如M序列，將其中可用的編碼，即正交碼，兩兩組合，并劃分為若干組，各組

46、分別代表不同用戶，組內兩個碼型分別表示原始信息"1"和"0"。系統(tǒng)對原始信息進行編碼、傳送，接收端利用相關處理器對接收信號與本地碼型相關進行相關運算，解出基帶信號(即原始信息)實現(xiàn)解擴，從而區(qū)分出不同用戶的不同信息。微波無線擴頻通信的原理見圖2。</p><p><b>　　圖2 擴頻通信原理</b></p><p>　　由圖2

47、可見，一般的無線擴頻通信系統(tǒng)都要進行三次調制。一次調制為信息調制，二次調制為擴頻調制，三次調制為射頻調制。接收端有相應的射頻解調，擴頻解調和信息解調。根據(jù)擴展頻譜的方式不同，擴頻通信系統(tǒng)可分為：直接序列擴頻(DS)、跳頻(FH)、跳時(TH)、線性調頻以及以上幾種方法的組合。</p><p>　　圖3 信息的頻譜擴展過程（1源信號，2PN碼，3擴展后的信號）</p><p>　　直接序列擴

48、頻(DS-Direct Scquency)，就是用高碼率的擴頻碼序列在發(fā)端直接去擴展信號的頻譜，在收端直接使用相同的擴頻碼序列對擴展的信號頻譜進行解調，還原出原始的信息。直接序列擴頻的頻譜擴展和解擴過程見圖3和圖4所示。</p><p>　　圖4 擴頻信號的解擴過程（1待傳信號，2PN碼，3解調后的擴頻信號）</p><p>　　從圖3、4上可以看出：在發(fā)端，信息碼經(jīng)碼率較高的PN碼調制以

49、后，頻譜被擴展了。在收端，擴頻信號經(jīng)同樣的PN碼解調以后，信息碼被恢復；信息碼經(jīng)調制、擴頻傳輸、解調然后恢復的過程，類似與PN碼進行了二次“模二相加”的過程。</p><p>　　在圖3、4中還可以用能量面積圖示概念看出：待傳信息的頻譜被擴展了以后，能量被均勻地分布在較寬的頻帶上，功率譜密度下降；擴頻信號解擴以后，寬帶信號恢復成窄帶信息，功率譜密度上升；相對與信息信號，脈沖干擾只經(jīng)過了一次被模二相加的調制過程，頻

50、譜被擴展，功率譜密度下降，從而使有用信息在噪聲干擾中被提取出來。</p><p>　　1.6擴頻系統(tǒng)需要滿足以下幾個條件 </p><p>　?、判盘栒加玫膸掃h遠超出發(fā)送信息所需的最小帶寬。</p><p>　　⑵擴頻是由擴頻信號(spreading singnal)實現(xiàn)的，擴頻信號通常稱為編碼信號(code signal)，與數(shù)據(jù)無關。</p>

51、<p>　?、墙邮斩私鈹U(恢復原始信號)是將接收機的擴頻信號與擴頻信號的同步副本通過相關完成。</p><p>　　標準的調制方式，如頻率調制，脈沖編碼調制也擴展了原始信號的頻譜，但它們并不滿足上述條件，因此不能稱為擴頻系統(tǒng)。</p><p>　　1.7 擴頻通信特征</p><p>　?、攀且环N數(shù)字傳輸方式。</p><p>　　

52、⑵帶寬的展寬是利用與被傳信息無關的函數(shù)(擴頻函數(shù))對被傳信息進行調制實現(xiàn)的。</p><p>　?、窃诮邮斩耸褂孟嗤臄U頻函數(shù)對擴頻信號進行相關解調，還原出被傳信息。</p><p>　　2 直序擴頻通信系統(tǒng)</p><p>　　2.1 直序擴頻通信系統(tǒng)框圖</p><p>　　直接序列(DS)擴頻是一種直接用具有高碼元速率的PN碼序列在發(fā)

53、送端擴展基帶信號的頻譜，在接收端用相同的PN碼序列進行解擴,把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。圖5為直接擴頻系統(tǒng)的組成與原理框圖。</p><p>　　圖5 直擴系統(tǒng)組成原理框圖</p><p>　　2.2 直接序列擴頻信號的產(chǎn)生原理</p><p>　　直接序列擴頻系統(tǒng)是目前廣泛應用的一種擴展頻譜系統(tǒng)。美國的國際衛(wèi)星通信系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)都是直接序列擴頻系統(tǒng)的應用

54、實例。</p><p>　　直接序列擴頻系統(tǒng)采用直接序列擴頻信號體制。下面就從偽隨機碼序列(m序列和GOLD碼序列)的產(chǎn)生原理、調制信號的產(chǎn)生原理幾方面來說明直接序列擴頻信號的產(chǎn)生原理。</p><p>　?、舖碼序列的產(chǎn)生原理</p><p>　　偽隨機碼序列是一種具有類似白噪聲統(tǒng)計特性的編碼信號，通常作為擴頻系統(tǒng)的擴展碼。M碼序列是移位寄存器序列。M碼序列可以由

55、移位寄存器加反饋產(chǎn)生，如圖6所示。</p><p>　　圖6 n級反饋移位寄存器的結構</p><p>　　Cn是每個移位寄存器的初值，可以是1或0，An是第n級移位寄存器的反饋系數(shù)，An=0時表示無反饋，反饋線斷開：An=1時表示有反饋，反饋線相連。這種結構的A0和An必須有反饋，否則n級最長線性反饋移位寄存器將簡化為n-1級最長線性反饋移位寄存器。采用不同的反饋邏輯，即An的不同取值將

56、產(chǎn)生不同的移位寄存序列。</p><p>　　N級最長線性反饋移位寄存器的周期為2n-1，n為移位寄存器的級數(shù)。</p><p>　?、艷OLD碼序列的產(chǎn)生原理</p><p>　　由于m碼序列具有的移位寄存序列不能滿足擴頻系統(tǒng)碼分多址的要求，因此實際采用的地址由2個長度和速率相同的m碼序列優(yōu)選對模2相加得到GOLD碼序列。GOLD碼序列產(chǎn)生的移位寄存序列為2n+1

57、個。GOLD碼序列可以通過2個m碼序列優(yōu)選對串聯(lián)產(chǎn)生，如圖7所示。</p><p>　　圖7 有2個n=6的m碼序列優(yōu)選對串聯(lián)產(chǎn)生的GOLD碼序列</p><p>　　由2個n=6的m碼序列優(yōu)選對串聯(lián)組成1個n=12的移位寄存器序列(GOLD碼序列)不是最長線性移位寄存器序列。根據(jù)Cn和Dn(n+1…6)的不同取值產(chǎn)生的GOLD碼序列總共為26+1=65條。</p><

58、p>　　2.3 直接序列擴頻原理</p><p>　　直接序列擴頻的實質是用一組編碼序列調制載波，其調制過程可以簡化表示為：信碼和擴展碼序列模2相加進行擴頻調制，產(chǎn)生擴頻調制信號；擴頻調制信號對載波反相鍵控進行載波調制，產(chǎn)生直接序列擴頻信號，如圖8所示，任意波形發(fā)生器的實現(xiàn)方法。</p><p>　　圖8直接序列擴頻信號的產(chǎn)生原理</p><p>　　理想的任

59、意波形發(fā)生器既是一種信號源，又是一種調制源。</p><p>　　2.4 直接序列擴頻信號的實現(xiàn)方法</p><p>　　直接序列擴頻信號的調制分為擴頻調制和載波調制兩部分。</p><p>　　擴頻調制為信息碼和擴展碼模2相加，這里為了簡單，采用m序列作為擴展碼調制信息碼，信息碼用全0代替進行擴頻調制。當信息碼為全0時，擴頻調制信號即原來的m碼序列。擴展碼的設計碼

60、速率為4MHz，擴頻調制產(chǎn)生的擴頻調制信號即m碼序列存為ds.wfm。要注意的是，實際擴頻調制時，由于信息碼和擴展碼速率不同，需要對信息碼波形進行水平擴展，擴展的倍數(shù)約等于擴展碼速率與信息碼速率的比值。</p><p>　　載波調制為擴頻調制信號與載波相乘，要注意的是擴頻調制信號對載波進行反相鍵控時，要求擴頻調制信號必須為1、-1兩種狀態(tài)，另外，由于擴頻調制信號的碼速率和載波頻率不同，載波調制時需要對擴頻調制信號

61、進行水平擴展(expand)，擴展的倍數(shù)約等于載波頻率與擴頻調制信號速率的比值。</p><p>　　應用發(fā)現(xiàn)，任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的直接序列擴頻信號存在兩點不足，一是輸出頻率是中頻，不能進行射頻調制；二是擴頻信號的副瓣沒有抑制，儀器內置的數(shù)字濾波器頻率上限為50MHz，因此不能直接利用儀器內置的數(shù)字濾波器對載波為50MHz以上的直接序列擴頻信號濾波。因此任意波形發(fā)生器在實際應用中，往往需要和其他測試儀器配合完成射

62、頻調制過程，另外需要單獨使用帶通濾波器進行濾波。</p><p>　　3 直序擴頻信號傳輸過程</p><p>　　3.1 直接序列擴頻系統(tǒng)與PSK調制</p><p>　　由于直擴基帶信號采用雙極性NRZ波形，因此實際上直擴基帶信號與正弦載波相乘就是PSK調制。載波、數(shù)據(jù)與PN碼三者之間都是相乘關系，相乘次序的變化不影響結果，因此實際發(fā)送的設備中可以是先將數(shù)據(jù)進

63、行PSK調制得到窄帶的射頻信號，再進行擴頻，同樣接收設備也可能是先解擴，再進行PSK解調。如圖9所示。</p><p>　　圖9 PSK調制與解調</p><p>　　利用二進制PSK的一個二進制信息序列的傳輸問題。信息的速率是比特區(qū)間是。可用信道是，。在調制器中，按照PN碼的變化形式，以每秒W次的速度，偽隨機地將載波相位移項，將信號的帶寬擴展到。這樣所得到的以調信號稱為直接序列(DS)擴

64、頻信號。</p><p>　　3.2 擴頻信號解調</p><p>　　信號解調按圖10完成。接收信號首先乘以在接收機的PN碼序列發(fā)生器產(chǎn)生的波形的復本，它是與接收信號中的PN碼同號的。這一運算稱為(頻譜)解擴，因為在接收端乘以的效果就是將在發(fā)送端的擴頻運算解開。據(jù)此有</p><p><b>　?。?-1）</b></p>&l

65、t;p>　　上式中因有對全部，。所得信號占有帶寬為(近似)，它就是載有信息信號的帶寬。因此，對解擴信號而言，這個解調器就是常規(guī)互相關器或匹配濾波器。因為該解調器具有和解擴信號相同的帶寬，所以在解調器上使信號受到污損的僅是那些位于接收信號的信息帶寬以內的加性噪聲。</p><p>　　圖10 DS擴頻信號的解調</p><p>　　3.2.1窄帶干擾對解擴的影響</p>

66、<p><b>　　設想接收信號是</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中代表干擾。在接收端的解擴處理產(chǎn)生</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　將干擾與相乘的效果就是將的帶寬擴頻到。</p

67、><p>　　舉一個例子，考慮一個如下式的正弦干擾信號 </p><p><b>　　（3-4）</b></p><p>　　式中是為于傳輸信號帶寬內的某一頻率。它與相乘就會產(chǎn)生一個功率譜密度的帶寬干擾，這里是該干擾的平均功率。因為所期望的信號是用帶寬為的匹配濾波器(或相關器)解調，所以在解調器輸出端干擾的總功率是</p><

68、;p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　因此，在干擾信號中的功率就降低了等于帶寬擴展因子的倍數(shù)。這個因子稱為擴頻系統(tǒng)的處理增益。干擾功率的降低是在有干擾的信道上采用擴頻信號傳輸數(shù)字信息的根本原因。</p><p>　　總之，在發(fā)送端用PN碼序列將在有信息的信號擴頻到某個較寬的帶寬上，然后在信道上進行傳輸。當這個接收信號乘以一個同步了的PN碼信號

69、的復本時，所期望的信號被解擴回到窄帶帶寬上來，而任何干擾信號都被擴頻到一個較寬的寬帶內。在干擾功率上的凈效果就是降低倍，這就是擴頻系統(tǒng)的處理增益。</p><p>　　假定這個PN碼序列已知是僅對這個目標中的接收機而言的。任何不具有該PN碼序列知識的其他接收機不可能解出這個信號。這樣，利用一個PN碼序列就提供了某種程度的保密性(或安全性)，而這個用常規(guī)的調制是不能達到的。為這一安全性和抗干擾性能獲益所付出的主要代

70、價是在信道帶寬利用上的降低和在通信系統(tǒng)復雜性上的增加。</p><p><b>　　3.3差錯概率</b></p><p>　　在AWGN信道中，采用二進制PSK的DS擴頻系統(tǒng)的差錯概率與一般的(未擴頻)二進制PSK的差錯概率相同的，即</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>

71、;　　另外，如果干擾是如上面公式給出的正弦型的，其功率為，那么差錯概率(近似)為</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　于是干擾功率降低了擴頻信號帶寬倍的因子。</p><p>　　在這種情況下，可以不管AWGN(假設可以忽略)，即。如果考慮信道中的AWGN，則差錯概率可表示為</p><p&g

72、t;<b>　　（3-8）</b></p><p><b>　　4 實驗</b></p><p>　　4.1 Monte Carlo仿真</p><p>　　通過Monte Carlo仿真說明DS擴頻信號在抑制正弦干擾方面的有效性。待仿真的系統(tǒng)方框圖如圖11所示。</p><p>　　圖11用于M

73、onte Carlo仿真的DS擴頻通信系統(tǒng)模型</p><p>　　用一均勻數(shù)發(fā)生器(RNG)產(chǎn)生某個二進制信息符號的序列。每個信息比特重復次，相應于每個信息比特的PN碼片數(shù)。所得到的序列(其中包含每個比特的個重復數(shù))乘以由另一個均勻RNG產(chǎn)生的PN序列。然后將方差為的白高斯噪聲和形式為的正弦干擾加到這個乘積序列上，其中正弦的幅度選為。解調器完成與PN序列的互相關，并在構成每信息比特的個信號樣本上求和(積分)。相

74、加器的輸出饋給檢測器，它將這個信號與閾值零作比較，并判決傳輸?shù)谋忍厥?1還是-1。差錯計數(shù)器計出由檢測器產(chǎn)生的差錯器。對于=20,在三種不同的正弦干擾幅值下所得Monte Carlo仿真結果如圖12所示。圖中還示出當除掉這個正弦干擾時所測得的誤碼率。在這些仿真過程中，加性噪聲的方差保持不變，而在每次仿真過程中，所期望的信號電平都加權到以實現(xiàn)所需SNR。(M文件源程序見附錄1)。</p><p><b>

75、　　輸出結果： </b></p><p>　　圖12 擴頻系統(tǒng)在抑制干擾方面的有效性</p><p>　　4.2 SIMULINK仿真</p><p>　　附錄2是先調制后擴頻的擴頻通信系統(tǒng)框圖。Random-Integer Generator(隨機整數(shù)發(fā)生器)產(chǎn)生的二進制隨機信號，采樣周期為0.01。信號饋入載頻為3000Hz的M-PSK Modula

76、tor Passband(通帶M-PSK調制器)調制，調制后的單列雙極性的實信號被周期為31的m序列(通過Relay(繼電器)轉換為雙極性二進制序列)直接相乘進行擴頻。擴頻后的雙極性二進制的信號進入AWGN(加性高斯白噪聲)Es/N(信噪比)為-20dB的傳輸環(huán)境后進入接收部分。信號首先進行解擴，然后進入M-PSK Demodulator Passband(通帶M-PSK解調器)進行解調，解調后的信號直接進入誤碼表。</p>

77、<p><b>　?、判旁?lt;/b></p><p>　　信源由隨機整數(shù)產(chǎn)生器(Random Integer Generator)生成，隨機整數(shù)產(chǎn)生器用來產(chǎn)生一個在0和M-1之間均勻分布的隨機整數(shù)序列。</p><p>　　隨機整數(shù)產(chǎn)生器主要有以下幾個參數(shù)：</p><p>　　M-ary number(輸出范圍)設定隨機整數(shù)的取值

78、范圍。當該參數(shù)設置為M時，隨機整數(shù)的取值范圍等于[0，M-1]。</p><p>　　Initial seed(隨機種子)隨機整數(shù)產(chǎn)生器的隨機數(shù)種子。當使用相同的隨機數(shù)種子時，隨機整數(shù)產(chǎn)生器都會產(chǎn)生相同的整數(shù)序列，不同的隨機數(shù)種子通常產(chǎn)生不同的序列。當隨機數(shù)種子的維數(shù)大于1時，隨機整數(shù)產(chǎn)生器的輸出信號維數(shù)也大于1。</p><p>　　Sample time(抽樣時間)輸出序列每個整數(shù)的持

79、續(xù)時間。</p><p>　　Frame-base outputs(幀格式輸出)指定隨機整數(shù)產(chǎn)生器以幀格式產(chǎn)生輸出序列。如果選擇了該選項，就不能再選擇參數(shù)Interpret vector parameter as 1-D。</p><p>　　Sample per frame(每幀抽樣數(shù))當選擇了該選項，隨機數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生了一維的輸出序列，這時候不能選擇Frame -based output

80、s選項，否則輸出的序列是一個二維向量。</p><p>　　表1 Random-Integer Generator（隨機整數(shù)發(fā)生器）的主要參數(shù)</p><p><b>　?、茢U頻模塊</b></p><p>　　擴頻模塊包括偽隨機碼生成(由PN產(chǎn)生器模塊完成)和相關運算兩部分。其中相關運算實質上為信息流與隨機序列模二加或相乘的過程。</p

81、><p>　　模型中采用的擴頻碼為m序列，碼長31，碼率為1/31。M序列是最長線性移位寄存器序列，是偽隨機序列中最重要的一種。這種序列容易產(chǎn)生，有優(yōu)良的自相關特性。待發(fā)送的信息比特的長度為1秒，擴頻碼的每個切普長度為1/31秒。在時間軸上一個比特正好對應于一條偽隨機序列，這樣將兩者直接模2相加。</p><p>　　表2 PN Sequence Generator（偽隨機序列產(chǎn)生器）的主要參

82、數(shù)</p><p><b>　　⑶繼電器模塊</b></p><p>　　系統(tǒng)中使用(relay)繼電器的作用是將單極性二進制碼轉變?yōu)殡p極性二進制碼。使用雙極性二進制碼元用相成的方式同樣可以完成擴頻與解擴的運算，還可以克服單極性二進制碼元用異或的方法產(chǎn)生的不足。</p><p>　　表3 Relay（繼電器）的主要參數(shù)</p>&

83、lt;p><b>　?、日{制和解調</b></p><p>　　由于發(fā)送端送來的信號具有較低的頻譜能量，一般不適宜在信道中直接進行傳輸。因此，在通信系統(tǒng)的發(fā)送端通常有調制過程，而在接收端需要解調過程。調制和解調過程的作用在于通過某種方式將信號頻譜由一個頻率搬移到另一個頻率的位置上。</p><p>　　本模型采用M元移相鍵控調制(M-PSK)，主要參數(shù)如表4所示

84、。</p><p>　　表4 M-PSK Modulator Passband（通帶M-PSK調制器）的主要參數(shù)</p><p>　　M元移相鍵控調制是一種多進制的數(shù)字調制，利用載波的不同相位表示信息。MPSK調制中，M越大，調制效率也越高，但相鄰星座點之間的夾角越小(16PSK時為360°/16=22.5°)，已調相信號的抗相位噪聲能力越低。M-PSK基帶調制器對輸入

85、信號實施M相相移鍵控調制，產(chǎn)生復數(shù)形式的基帶調制信號。M-PSK基帶調制器的輸入信號既可以是界于0到M之間的整數(shù)，也可以是長度為K的二進制向量，。</p><p>　　M-PSK通帶解調器對M相相移鍵控調制信號進行解調。</p><p>　　M-PSK Demodulator Passband(通帶M-PSK解調器)的主要參數(shù)與調制器的(表4)相同。</p><p>

86、;<b>　　⑸信道</b></p><p>　　加性高斯白噪聲信道(AWGN)的作用是在信號中加入白噪聲。加性高斯白噪聲信道模塊有一個輸入端口和一個輸出端口，輸入信號可以是實信號，也可以是復信號。擴頻后的雙極性二進制信號進入AWGN信噪比為-20的傳輸環(huán)境。</p><p>　　表5 AWGN Channel（加性高斯白噪聲信道）的主要參數(shù)</p>&

87、lt;p><b>　?、式鈹U</b></p><p>　　解擴過程與擴頻過程完全相同即將送入的信號用偽隨機碼進行第二次解擴處理。要求使用的偽隨機碼與發(fā)送端的偽隨機碼不僅碼字相同，而且相位相同。否則會使有用信號相互抵消。</p><p><b>　?、苏`碼率計算</b></p><p>　　發(fā)送信號與接收機恢復出的信號

88、同時送入誤碼儀模塊(Error Rate Calculation)進行比較，求出誤碼率，并顯示發(fā)送信號與接收信號的值(SINULINK仿真模型見附錄2)。</p><p>　　表6 Error Rate Calculation（誤碼率計算）的主要參數(shù)</p><p>　　此系統(tǒng)在沒有差錯控制的情況下，通過Es/N為-20dB的傳輸環(huán)境可以達到誤碼率為0.75%的量級。</p>

89、<p><b>　　結 論</b></p><p>　　通過以上分析實驗，利用MATLAB的M文件的編程及Simulink仿真，可以知道擴頻通信系統(tǒng)的過程和工作原理，以及它的主要特點，尤其是它在抑制干擾方面的有效性。了解擴頻碼的產(chǎn)生原理。擴頻技術應用的兩個方面。因此，從編程和模框圖實驗可知：</p><p>　?、欧治鰯U頻和解擴，PSK調制和解調，PN編

90、碼和解碼在抑制噪聲方面的作用。</p><p>　?、仆ㄟ^Monte Carlo仿真，說明DS擴頻信號在抑制干擾方面的有效性。</p><p>　?、抢肧imulink動態(tài)仿真，說明信號傳輸過程中的誤碼率。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　通過這次的畢業(yè)設計，聯(lián)系起了大學這四年期間回的

91、挫折與收獲，謹向所有在論文寫作期間幫助和關心我的人們致以誠摯的謝意。</p><p>　　首先，我要感謝我的導師***教授，在大學的四年期間，王教授指導我掌握了科學的研究思路、方法和技巧。*教授廣博的知識，嚴緊的治學態(tài)度，勤奮的工作作風將是我永遠的學習榜樣。同時我也要感謝信息學院為我的設計提供的一個很好的實驗環(huán)境，為我設計的完成提供了一個很好的平臺服務?；仡櫾趯嶒炇抑卸冗^的三個月的時光，雖然時間并不長，但實驗室的

92、老師和同學們的熱心幫助還是使我受益匪淺，使我在本科的學習階段，即掌握了許多實際的知識，又培養(yǎng)了嚴謹?shù)淖黠L。借此機會我也要感謝通信工程專業(yè)所有的老師和同學們。特別是周淵年同學給了我極大的幫助。</p><p>　　最后，我衷心地感謝我的父母多年來對我的大力支持、培養(yǎng)和教育，使我的學業(yè)能夠順利地完成，我不會忘記他們對我做的一切。</p><p><b>　　參考文獻</b>

93、;</p><p>　　[1]王復榮，擴頻抗干擾通信技術及其軍事應用[J].通信技術與發(fā)展.1991：1-2</p><p>　　[2] 趙新，直序擴頻技術[M].陜西：西北電訊工程學院出版社.1986：15-18</p><p>　　[3] 朱近康，擴展頻譜通信及其應用[M].合肥：中國科學技術大學出版社.1993：322-367</p><p

94、>　　[4] 王秉均等，擴頻通信[M].天津：天津大學出版社.1993:86-88</p><p>　　[5] R.c.狄克遜，王守仁等譯，擴展頻譜系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社.1982：67-78</p><p>　　[6] 樊昌信，通信原理[M].北京：國防工業(yè)出版社.2003：143-147</p><p>　　[7] 陳懷森等主編，MATLAB及在

95、電子信息課程中的應用[M].北京：電子工業(yè)出版社.2002.1：452-457</p><p>　　[8] 肖國鎮(zhèn)，梁傳甲，王育民，偽隨機序列及其應用[M].北京：國防工業(yè)出版社.1985：42-50</p><p>　　[9] 曾興雯，劉乃安等著，擴展頻譜通信及其多址技術[M].西安電子科技大學出版社.2004.5：36-69</p><p>　　[10] 普羅克

96、斯著，劉樹棠譯，現(xiàn)代通信系統(tǒng)—使用MATLAB[M]. 西安：西安交通大學出版社.2001：262-278</p><p>　　[11] 張森，張正亮等編著，MATLAB仿真技術與實例應用教程[M]. 北京：機械工業(yè)出版社.2004：324-345</p><p>　　[12] 蘇金明，MATLAB應用與提高系列[M].北京：電子工業(yè)出版社.2004：333-342</p>

97、<p>　　[13] 但森，相干通信技術[M].北京：國防工業(yè)出版社.1977：137-140</p><p>　　[14] [美]Masoud Salehi 著，劉樹棠譯，現(xiàn)代通信系統(tǒng)[M].北京，電子工業(yè)出版社.2005.4：311-322</p><p>　　[15] 徐明遠，邵玉斌著，MATLAB仿真在通信與電子工程中的應用[M].西安電子科技大學出版社.2004：309

98、-329</p><p>　　附錄1 直擴程序M-文件</p><p>　　該仿真程序的MATLAB腳本給出如下：</p><p><b>　　⑴M-文件</b></p><p><b>　　echo on</b></p><p>　　%ds_t.m 擴頻通信系統(tǒng)在抑制干擾方

99、面的仿真繪圖</p><p>　　%PN碼采用長度Lc為30的gold碼</p><p>　　%仿真序列長度10^5，運行時間約1小時</p><p>　　A1=3;A2=7;A3=13;A4=17;A5=0;</p><p>　　%A1 A2 A3 A4 A5正弦干擾幅度</p><p><b>　　w0=

100、1;</b></p><p>　　%w0 正弦干擾角頻率</p><p>　　SNRindB=0:2:30;</p><p>　　for i=1:length(SNRindB)</p><p>　　[smld_err_prb1(i)]=ds_ty(SNRindB(i),A1,w0);</p><p>　　[

101、smld_err_prb2(i)]=ds_ty(SNRindB(i),A2,w0);</p><p>　　[smld_err_prb3(i)]=ds_ty(SNRindB(i),A3,w0);</p><p>　　[smld_err_prb4(i)]=ds_ty(SNRindB(i),A4,w0);</p><p>　　[smld_err_prb5(i)]=ds_t

102、y(SNRindB(i),A5,w0);</p><p><b>　　end;</b></p><p><b>　　%繪圖函數(shù)</b></p><p>　　semilogy(SNRindB,smld_err_prb1,'go-');</p><p>　　title('擴頻通信

103、系統(tǒng)在抑制干擾方面的分析仿真')</p><p>　　axis([0,30,10^(-5),1])</p><p><b>　　hold on</b></p><p>　　semilogy(SNRindB,smld_err_prb2,'ko-');</p><p>　　semilogy(SNRin

104、dB,smld_err_prb3,'ro-');</p><p>　　semilogy(SNRindB,smld_err_prb4,'mo-');</p><p>　　semilogy(SNRindB,smld_err_prb5,'bo-');</p><p><b>　　%繪圖函數(shù)</b><

105、;/p><p>　　SNRindB2=0:0.1:30;</p><p>　　theo_err_prb=zeros(1,length(SNRindB2));</p><p>　　for i=1:length(SNRindB2)</p><p>　　SNR=exp(SNRindB2(i)*log(10)/10);</p><p

106、>　　theo_err_prb(i)=funct(sqrt(2*SNR));</p><p>　　%funct y=(1/2)*erfc(x/sqrt(2)); 理論誤碼率公式</p><p><b>　　end</b></p><p>　　semilogy(SNRindB2,theo_err_prb,'b:'); %繪圖

107、函數(shù)</p><p>　　%ds_t.m 擴頻通信系統(tǒng)在抑制干擾方面的分析圖</p><p><b>　　⑵M-文件</b></p><p>　　function [p]=ds_ty(snr_in_dB,A,w)</p><p>　　%ds_ty.m 擴頻通信系統(tǒng)在抑制干擾方面的仿真</p><p&g

108、t;　　%snr_in_dB 信噪比</p><p><b>　　%p 誤碼率</b></p><p><b>　　%A 正弦干擾幅度</b></p><p>　　%w 正弦干擾角頻率</p><p>　　%PN碼采用長度Lc為30的gold碼</p><p>　　snr=1

109、0^(snr_in_dB/10);</p><p><b>　　sgma=1;</b></p><p>　　Eb=2*sgma^2*snr;</p><p>　　N=10^4; %仿真序列長度10^4，運行時間約3分鐘</p><p><b>　　p=0;</b></p><p&

110、gt;　　gold=[0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0];</p><p>　　Lc=length(gold); %Lc=30;</p><p>　　pn_seq=2*gold-1;</p><p>　　E_chip=Eb/Lc;</p><p><

111、;b>　　temp=0;</b></p><p><b>　　data=0;</b></p><p>　　repeated_data=zeros(1,Lc);</p><p>　　trans_sig=zeros(1,Lc);</p><p>　　noise=zeros(1,Lc);</p>

112、<p><b>　　n=1:Lc;</b></p><p>　　interference=zeros(1,Lc);</p><p>　　rec_sig=zeros(1,Lc);</p><p>　　temp=zeros(1,Lc);</p><p>　　decision_variable=0;</p&g

113、t;<p>　　decision=0;</p><p>　　num_of_err=0;</p><p><b>　　time=0;</b></p><p><b>　　for i=1:N</b></p><p>　　temp=rand;</p><p>　　if

114、 (temp<0.5)</p><p><b>　　data=-1;</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　data=1;</b></p><p><b>　　end</b></p><

115、p>　　for j=1:Lc</p><p>　　repeated_data(j)=data;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　trans_sig=sqrt(E_chip)*repeated_data.*pn_seq;</p><p>　　noise=sgma*randn(1,Lc)