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1、*实践教学*兰州理工大学计算机与通信学院2010年秋季学期移动通信课程设计题 目： 基于MATLAB的扩频通信 m伪随机序列产生 专业班级： 通信工程07级（1）班 姓 名： 周 超 学 号： 07250115 指导教师： 贾科军 成 绩： 目录摘要3前言4第一章基本原理511扩频调制512直接序列扩频（DS）原理813伪随机（PN）序列9第二章 m序列发生器的系统分析1221 m序列的产生1222 m序列的反馈系数1523 m序列发生器结构1624 m序列的基本性质1725 m序列的相关性17第三章 详细设计1931 十阶m序列的设计框图1932工作流程图20第四章仿真测试及结论2241 十
2、阶m序列的仿真结果及分析2242该设计的序列相关性仿真结果及分析27参考文献28总结29摘要所谓扩频通信，是扩展频谱通信技术的简称。它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。伪随机序列是具有某种随机特性的确定的序列。它们是由移位寄存器产生确定序列，然而它们却具有某种随机序列的随机持性。因为同样具有随机特性，无法从一个已经产生的序列的特性中判断是真随机序列，只能根据序列的产生办法来判断。本设计运用MATLAB实现产生扩频通信中的m序列，并分析了相关性能。关键词：扩频通信；随机序列；m序列前言随着社会，经济的发展，移动通信得到
3、了越来越广泛的应用，在我国，移动通信发展的起步晚，但发展极其迅速。移动通信的发展日新月异，从1978年第一代模拟蜂窝网电话系统的诞生至今，不过10多年，第二代全数字蜂窝网电话系统就已问世，第三代的个人通信系统的方案和实验均已开始。在这种情况下，相应的扩频编码技术也随之诞生了。扩展频谱通信（SS，Spread Spectrum）简称为扩频通信。扩频通信的定义可简单的表述如下：扩频通信技术是一种信息传输方式，在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必需的带宽，在收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复所传信息数据。扩频通信系统由于在发端扩展了信号频谱，在收端解扩后恢复了所传信息，这一
4、处理过程带来了信噪比上的好处，即接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比大有改善，从机而提高了系统的抗干扰能力。因此，可以用系统输出的信噪比与输入信噪比二者之比来表征扩频系统的抗干扰能力。理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰能力大体上都与扩频信号带宽B与信息带宽Bm之比成正比。工程上常以分贝（dB）表示，即GP=10lgB/Bm；Gp称作扩频系统的处理增益，它表示了扩频系统信噪比改善程度。因此，Gp是扩频系统一个重要的性能指标。m序列是伪随机序列的一种情况。他可以在很多领域中都有重要应用。 由 n级移位寄存器所能产生的周期最长的序列。这种序列必须由非线性移位寄存器产生,并且周期为2n（n为移位寄存器
5、的级数）。二进制的M序列是一种重要的伪随机序列，有优良的自相关性，有时称为伪噪声（PN）序列。“伪的意思是说这种码是周期性的序列，易于产生和复制，但其随机性接近于噪声或随机序列。M序列在扩展频谱及码分多址技术中有着广泛的应用，并且在m序列基础上还能构成其它的码序列，因此无论从m序列直接应用还是从掌握伪随机序列基本理论而言，必需熟悉m序列的产生及其主要特性。第一章 基本原理11扩频调制Shannon编码定理指出: 只要信息速率Ra小于信道容量C, 则总可以找到某种编码方法, 使在码字相当长的条件下, 能够几乎无差错地从遭受到高斯白噪声干扰的信号中复制出原发送信息。这里有两个条件： 一是RaC;
6、二是编码字足够长。 Shannon在证明编码定理的时候, 提出了用具有白噪声统计特性的信号来编码。 白噪声是一种随机过程, 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, 它有极其优良的相关特性。 111扩频通信系统类型扩频通信的一般原理如图1-1所示。在发端输入的信息经信息调制形成数字信号，然后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。展宽以后的信号再对载频进行调制（如PSK或QPSK，OQPSK等），通过射频功率放大送到天线上发射出去。在收端，从接收天线上收到的宽带射频信号，经过输入电路，高频放大器后送入变频器，下变频至中频，然后由本地产生的与发端完全相同的
7、扩频码序列去解扩，最后经信息解调，恢复成原始信息输出。1）直接扩频序列（DS）扩频所谓直接序列（DS，Direct Sequency）扩频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。例如我们用窄脉冲序列对某一载波进行二相相移键控信号，它相当于载波抑制的调幅双边带信号。输入载波信号频率为fc,窄脉冲序列的频谱函数为G（f）,它具有很宽的频带。平衡调制器的输出则为两倍脉冲频谱宽度，而fc被抑制的双边带扩频信号，其频谱函数为G（f+fc）。以后我们将说明，在接收端应用相同的平衡调制器作为解扩器，可将频谱为 G（f+
8、fc）的扩频信号，用相同的码序列进行再调制，将其恢复成原始的载波信号fc,关于直接序列扩频系统的组成和工作原理及抗干扰性能等问题，我们将在下面作较为详细的介绍。 2）跳频（FH）另外一种扩展信号频谱的方式称为跳频（FH，Frequency Hopping）。所谓跳频，比较确切的意思是：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，因此称为跳频，分别代表传号和空号。而跳频系统则有几个，几十个甚至上千个频率，由所传信息与扩频码的组合去进行选择调控，不断跳变。图1-2为跳频的原理示意图。发端信息码序列与扩频码序列组合以后按照不同的码字去控制频率
9、合成器。其输出频率根据码字的改变而改变，形成了频率的跳变，故称跳频。从图1-2中可以看出，在频域上输出频谱在一宽频带内所选择的某些频率随机地跳变。在收端，为了欠解调跳频信号，需要有与发端完全相同的本地扩频码发生器去控制本地频率合成器，使其输出的跳频信号能在混频器中与接收信号差频出固定的中频信号，然后经中频带通滤波器及信息解调器输出恢复的信息。从上述作用原理可以看出，跳频系统也占用了比信息带宽在宽得多的频带。射频发生 器扩频码发生器具射频调制 器频率合成 器信息调制 器 变频器中频带通信息解调 器频率合成 器扩频码发生 器图1-1 跳频（FS）系统原理示意图3）跳时（TH）与跳频相似，跳时（TH
10、，Time Hopping）是指使发射信号在时间轴上跳变，我们先把时间分成许多时片。在一帧内哪个时片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定码序列进行多时片的时移键控。由于采用了窄很多的时片去发送信号，相对来说，信号的频谱也就展宽了。图1-3是跳时系统系统的原理图。在发端，输入的数据先存储起来，由扩频码发生器产生的扩频扩频码序列去控制通断开关，经二相或四相调制后再经射频调制后发射。在收端，由射频接收机输出的中频信号经本地产生的与发端相同的扩频码序列控制通断开关，再经二相或四相解调器，送到数据存储器经再定时后输出数据。只要收发两端在时间上严格同步进行，就能正确地恢复原始数据。
11、跳时也可以看成是一种时分系统，所不同的地方在于它不是在一帧中固定分配一定位置的时片，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的时片。跳时系统的处理增益等于一帧中所分的进片数。由于简单的跳时抗干扰性不强，故很少单独使用。跳时通常都有与其它方式结合使用。步时通常都与其它方式结合使用，组成各种混合方式。二相或四相调制通断开 关存储器扩频码发生器存储器再定时通断开关二相或四相解调扩频码发生器图1-2 跳时系统原理框图4）各种混合方式 在上述几种基本扩频方式的基础上，可以将其组合起来，构成各种混合方式，例如DS/FH，DS/TH，DS/FH/TH等。一般来说，采用混合方式看起来在技术上要复杂一些，实现起
12、来也要困难一些。但是，不同方式结合起来的优点是有时能得到只用其中一种方式得不到的特性。例如DS/FH系统，就是一种中心频率在某一频带内跳变的直接序列扩频系统。其信号的频谱如图2-50所示。由图可见，一个DS扩频信号在一个更宽的频带范围内进行跳变。DS/FH系统的处理增益为DS和FH处理增益之和。因此有时采用DS/FH反而比单独采用DS或FH可获得频谱扩展和更大的处理增益。甚至有时相对不说，其技术复杂性比单独用DS扩大频来扩展频谱或用FH在更宽的范围内实现频率的跳变还要容易些。对于DS/TH方式，它相当于DS扩频方式中加上时间复用。采用这种方式可以容纳更多的用户。在实现上，并不增加太多技术上的复
13、杂性。对于DS/FH/TH，它把三种扩频方式组合在一起，在技术上肯定是很复杂的。但是对于一个有多种功能要求的系统，DS，FH，TH可分别实现各自独特的功能。因此，对于需要同时解觉诸如抗干扰，多址组网，定时定位，抗多径和远近问题时，就不得不采用多种扩频方式。fFHDS图1-3 DS/FH混合扩频示意图12直接序列扩频（DS）原理由于CDMA移动通信采用直接序扩频系统（可简称直扩系统），因此有必要进一步说明直扩通信系统的组成，工作原理及其主要特点。前面已经说过，所谓直接序列扩频（DS），就是直接用具有高速率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还
14、原成原始信息。在发送端输入信息码元m(t)，它是二进制数据，有0，1两个码元，其码元宽度为Tb。加入扩频调制器，扩频码为一个伪随机码（PN码），记作p(t)。伪码的码元宽度为Tp 且取Tb=16Tp。通常在DS系统中，伪码的速率Rp远远大于信码速率Rm，即RpRm,也就是说，伪码的宽度Tp远远小于信码的宽度，即TpTb,这样才能展宽频谱。模2加法器运算规则可用下式表示：C(t)m(t)p(t) (1-1) 当M（T）与P（T）符号相同时，C（T）为0；而当M（T）与P（T）符号不同时，则为1。其扩频处理增益也可用下式表示： Gp=10lg(Tb/Tp) (1-2)在Tb一定的情况下，伪码速率越高，亦即伪码宽度（码片宽度）Tb越窄，则扩频处理增益越大。经过扩频，还要进行载频调制，以便信号在信道上有效地传输，采用二相相移键控方式（BPSK）。通常载波频率较高，或者说载频周期Tc较小，它远小于伪码的周期Tp,即满足TcTp。下面分析接收端的工作原理。假设发射的信号经过信道传输，不出现差错，经过接收机前端电路（包括输入电路，高频放大器等），输出仍为s1(t)。这里不考虑信道衰减等问题，因为对PSK调制信号而言
