直接序列扩频通信系统的设计_学士学位毕业论文设计

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1、中北大学分校学士学位论文 I 【摘要摘要】直接序列扩频通信系统（DS-CDMA）因其抗干扰性强、 隐蔽性好、易 于实现码分多址（CDMA）、抗多径干扰、直扩通信速率高等众多优点，而被广 泛应用于许多领域中。针对频通信广泛的应用，本文用 MATLAB 工具箱中的 SIMULINK 通信仿真模块和 MATLAB 函数对直接序列扩频通信系统进行了分析和 仿真，使其更加形象和具体。 【关键词关键词】：直接序列扩频通信系统 码分多址 MATLAB 仿真 SINMULINK 模块仿真 中北大学分校学士学位论文 II 【ABSTRACT】Direct sequence spread spectrum com

2、munication system because of its advantage such as strong anti-disturbance,hidden, being easy to realize CDMA ,anti-multi-path interference,DS communications rate higher strengths and so ,so it is widely used in many fields. With the wide use of the direct sequence spread spectrum communication tech

3、nique , this text use communication simulated module of SIMULINK in the toolbox of MATLAB and MATLAB functions to make an analysis and emulation to DS-CDMA system and make the system more image and particular. 【KEY WORDS】： DS-CDMA CDMA MATLAB SINMULINK 中北大学分校学士学位论文 III 目目 录录 【摘要】 .I 【ABSTRACT】 II 1.

4、引言 .1 1.1 直序扩频系统的应用背景 1 1.2 直序扩频系统的特点 2 1.3 直扩系统的发展 3 2CDMA 数字蜂窝移动通信的介绍4 2.1 CDMA 简介 .4 2.1.1 CDMA 技术背景4 2.1.2 几种常见的 CDMA 技术 .4 2.1.3 CDMA 的特点4 2.2 CDMA 通信技术的基本原理.5 2.2.1 CDMA 通信技术的基础5 中北大学分校学士学位论文 IV 2.2.2 CDMA 通信技术的基本原理6 2.3 CDMA 的应用前景 .6 3. 扩频码序列 7 3.1 码序列的相关性 7 3.2 M序列.9 3.3 GoId 码序列 11 4直接序列扩频通

5、信技术 .14 4.1 直接序列扩频的概念及理论基础 .14 4.1.1 直接序列扩频的概念 .14 4.1.2 扩频通信的理论基础 .14 4.1.3 扩频增益和抗干扰容限15 4.2 直接序列扩频的基本原理 .15 4.3 直扩系统的性能.18 4.3.1 直扩系统的抗干扰性 .18 4.3.2 直扩信号的抗截获性 .19 4.3.3 直扩码分多址通信系统 .19 4.3.4 直扩系统的抗多径干扰性能 .20 4.3.5 直扩测距定时系统 .20 中北大学分校学士学位论文 V 4.4 扩频序列通信系统的同步原理 .20 5. 直接序列扩频通信系统的 MATLAB 仿真 22 5.1 MAT

6、LAB 的基本操作22 5.2 Simulink 仿真技术 .23 5.2.1 Simulink 窗口环境.23 5.2.2 功能模块的连接及设置 .24 5.2.3 Simulink 对通信系统的仿真.27 5.3 MATLAB 源程序设计32 【参考文献】 40 【致 谢】 41 【附录】 42 英文文献.42 中文文献.46 中北大学分校学士学位论文 1 1.1. 引言引言 11 直序扩频系统的应用背景: 直接序列扩频(DSSS Direct Sequence Spread Spectrum)技术是当今人们所 熟知的扩频技术之一。这种技术是将要发送的信息用伪随机码（PN 码）扩展 到一个

7、很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机码对接收 到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信息。 它是二战期间开发的，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。这种技术使敌人很难探测到信号。即便探测到信号， 如果不知道正确的编码，也不可能将噪声信号重新汇编成原始的信号。有关扩 频通信技术的观点是在 1941 年由好莱坞女演员 Hedy Lamarr 和钢琴家 George Antheil 提出的。基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路，他们申请了美国专 利#2.292.387。不幸的是，当时该技术并没有引起美国军方的重视，直到十九 世纪八十年代才引起关注，将

8、它用于敌对环境中的无线通信系统。 直序扩频解决了短距离数据收发信机、如：卫星定位系统(GPS)、3G 移动 通信系统、WLAN (IEEE802.11a, IEEE802.11b, IEE802.11g)和蓝牙技术等应用 的关键问题。扩频技术也为提高无线电频率的利用率(无线电频谱是有限的因此 也是一种昂贵的资源)提供帮助。 直序扩频通信系统的工作原理如图1-1所示。 在发端输入的数字信号信息，先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，扩频码序列一般采用 PN 码。展宽后的信号再调 制到射频发送出去。调制多采用 BPSK、DPSK、MPSK 等调制方式。 在接收端收到的信

9、号进行解调（一般采用相干解调）。然后由本地产生的 与发端相同的扩频码序列去相关解扩。恢复成原输入的信息输出。 中北大学分校学士学位论文 2 信息 信息 扩 频射频调制 射频发生器伪 码 扩频解调 本地伪码 解调 本地射频 发生器 图 1-1 扩频通信工作原理 由此可见，般的扩频通信系统都要进行两次调制和相应的解调。一次调 制为扩频调制，二次调制为射频调制，以及相应的解扩和射频解调。 与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。 12 直序扩频系统的特点: 1.直序扩频通信系统的优点： 1）抗干扰性强 抗干扰是扩频通信主要特性之一，比如信号扩频宽度为 100 倍，窄带干扰 基本上不起

10、作用，而宽带干扰的强度降低了 100 倍，如要保持原干扰强度，则 需加大 100 倍总功率，这实质上是难以实现的。因信号接收需要扩频编码进行 相关解扩处理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰，在不知道信号的扩 频码的情况下，由于不同扩频编码之间的不同的相关性，干扰也不起作用。正 因为扩频技术抗干扰性强，美国军方在海湾战争等处广泛采用扩频技术的无线 网桥来连接分布在不同区域的计算机网络。 2）隐蔽性好 因为信号在很宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率很小，即信号功率谱 密度很低，信号淹没在白噪声之中，别人难以发现信号的存在，加之不知扩频 编码，很难拾取有用信号，而极低的功率谱密度，也很少对于其他

11、电讯设备构 成干扰。 3）易于实现码分多址（CDMA） 直扩通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，是否浪费了频段？ 其实正相反，扩频通信提高了频带的利用率。正是由于直扩通信要用扩频编码 进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码作相关解扩才能得到， 这就给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型的扩频编码之间的 相关特性，分配给不同用户不同的扩频编码，就可以区别不同的用户的信号， 中北大学分校学士学位论文 3 众多用户，只要配对使用自己的扩频编码，就可以互不干扰地同时使用同一频 率通信，从而实现了频率复用，使拥挤的频谱得到充分利用。发送者可用不同 的扩频编码，分别向不同的接收

12、者发送数据； 同样，接收者用不同的扩频编 码，就可以收到不同的发送者送来的数据，实现了多址通信，提高了频谱利用 率。另外，扩频码分多址还易于解决随时增加新用户的问题。 4）抗多径干扰 无线通信中抗多径（发射的信号经多条不同路径传播）干扰一直是难以解 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。 5）直扩通信速率高 直扩通信速率可达 2M，8M，11M，无须申请频率资源，建网简单，网络性 能好。 6）有很强的保密性能。 对于直扩系统而言，射频带宽很宽，谱密度很低

13、，甚至淹没在噪音中，就 很难检查到信号的存在。由于直扩信号的频谱密度很低，直扩系统对其它系统 的影响就很小。 2.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。 1.3 直扩系统的发展 由于它的抗噪声的特性，直接序列扩频技术非常适合商业应用。在容许无 线设备公开使用的电磁环境里，它对其他传统微波设备造成最小的干扰，同时 对附近其他设备有更高的抗扰性。上世纪 80 年代末，晶体电子技术的先进程 度已经足以提供商用的、成本效益

14、好的直接序列扩频系统。现在直扩技术被广 泛应用于包括计算机无线网等许多领域。扩频技术在发展的初始阶段，就已经 实现了理论和技术上的重大突破，在此后的发展过程中主要是硬件的改善和性 能的提高。 随着移动通信的迅猛发展，目前 3G 系统由研制开发逐步进入商用并且向第 四代无线多媒体通信飞速发展。根据 ITU 的标准，世界各大电信公司联盟均提 出了自己的第三代移动通信系统方案，虽然第三代移动通信系统的标准差异很 大，但采用码分多址技术已经达成共识。直扩码分多址，由于具备通信容量大、 能充分利用话音的统计特性、平滑的越区切换、通信容量的软特性等优点被作 为未来移动通信中最具竞争力、最有前景的无线多址接

15、入技术。无线扩频通信 作为另一种有效的补充通信手段,已在金融系统得到了越来越广泛的应用。 发展到现在，扩频技术理论和技术都已趋于完善，主要应从系统的角度考 虑总体性能，且与其它新技术结合应用。因此，应用的驱动一直是扩频技术发 中北大学分校学士学位论文 4 展的强大动力，未来的无线通信系统，如移动通信、无线局域网、全球个人通 信等，扩频技术必将发挥重要作用。 随着科技的发展，扩频技术必将获得更加广阔的应用空间。 2 2CDMACDMA 数字蜂窝移动通信的介绍数字蜂窝移动通信的介绍 21 CDMA 简介 2.1.1CDMA 技术背景 CDMA 的英文全称为（Code Division Multip

16、le Access），中文意思是码分 多址。它是基于 IS-95 标准（双模宽带扩谱蜂窝系统的移动台基站兼容标准） 的数字移动电话系统。CDMA 是根据现代移动通信网所要求的大容量、高质量、 综合业务、软切换、国际漫游等要求而设计的一种移动通讯技术。它是 20 世 纪 60 年代由美国高通公司（QUALCOMM）开发的移动通信技术，最早用于 军事领域。与使用时分多路的 GSM 技术不同，CDMA 并不给每一个通话者分 配一个确定的频率，而是让每一个通信都使用全部的频率，使大量用户能够共 享同一个无线频率。 CDMA 系统是以扩频调制技术和码分 多址接入技术为基础的数字蜂窝移动通信 系统。它为每个用户分配各自特定的地址 码，利用公共信道来传输信息。它的地址 码通过相互间的正交性进行区别。也就是 说，每个用户有自己的地址码，地址码彼 此之间是互相独立、互相不影响的。由于 f Ci 码 t 图 2-1 CDMA 的示意图 中北大学分校学士学位论文 5 有不同的地址码来区分用户，所以对频率、 时间和空间没有特定的限制，在这些方面 通信是可以重叠的。C