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1、直接序列扩频通信系统仿真设计摘要：综合利用前期相关课程及移动通信课程所学的各种知识，设计扩频通信系统，利用Matlab/Simulink对直接序列扩频系统进行了仿真，并对仿真结果做了详细的讲解分析。先对直接序列扩频系统原理进行介绍，然后基于Simulink 的发射机和接收机的仿真，同时对直接序列扩频系统的抗干扰能力与直接序列扩频系统的同步方法进行了相关仿真，最后在该系统中加入特定的干扰，进行测试，研究整个系统的抗干扰性能。关键词：通信系统；直接序列扩频；调制解调保密通信目录目录II第1章 绪 论11.1背景11.2 实验目的及总体介绍21.3 本次设计任务与要求2第2章 直接序列扩频通信原理3
2、2.1扩频通信概念及分类32.1.1扩频通信概念32.1.2扩频通信分类32.2直接序列扩频定义52.3直接序列扩频的基本原理52.4 直扩系统的性能分析72.4.1 直扩系统的抗干扰性72.4.2 直扩系统的抗多径干扰性能8第3章 扩频码序列93.1 码序列的相关性93.2 m序列10第4章 基于Simulink的仿真114.1MATALB及SIMULINK的介绍114.1.1 MATLAB简介114.1.2 SIMULINK简介114.2发射机部分的Simulink的仿真124.3接收机部分的Simulink仿真15第5章 直接序列扩频通信系统的抗干扰性能分析18第6章 CDMA系统仿真设
3、计22结 论26参考文献27致 谢28II成都学院（成都大学）课程设计报告第1章 绪 论 1.1背景扩展频谱(SS，Spread Spectrum)通信简称为扩频通信。扩频通信的定义可简单表述如下：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。随着信息技术的发展，通信技术变得越来越复杂，技术更新的周期也越来越短。对于大部分学者，特别是我们学生来说，在学习通信技术时，若对每一个系统都要实体研究是不现实的。此时通信系统仿真对我们来说可以说是必不可少的。通过建立相应的通信系统的模型，对其进行仿
4、真，可以使我们把琐碎的知识联系在一起，形成一个个通信系统的概念，可以让我们对各个知识点的原理有更加深刻的理解和掌握。 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，从而提高了系统的抗干扰能力。因此，可以用系统输出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。Matlab是由mathworks公司于1984年推出的一种面向科学与工程的设计的计算机软件，它将不同的领域的计算用函数的形式提供给给用户；用户
5、在使用时，只需要用这些函数并赋予实际参数就能解决实际问题，它涉及数值分析、自动控制、数字信号处理、图像处理、小波分析及神经元网络等十几个领域的计算和图形显示，而且随着新出版的推出，涉及的领域更多，功能强大。 Simulink工作环境经过几年的发展，已经成为学术和工业界用来建模和仿真的主流工具包。在Simulink环境中，它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型图就如同用手在纸上画模型一样自如、方便，故用户只需进行简单的点击和拖动就能完成建模，并可直接进行系统的仿真，快速的得到仿真结果。模型分析工具包括线性化和整理工具，MATLAB的所有工具及Simulink本身的应用工具箱都
6、包含这些工具。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脱离MATLAB而独立工作。 1.2 实验目的及总体介绍首先设计直接序列扩频通信系统的发射机和接收机。发射机的设计采用m序列来扩展二进制数据流，将其扩频为宽频信号，并采用QPSK调制方式将信号调制后发送出去。信号经过AWGN信道传输到接收端。接收机采用相干解调原理解调信号，采用的解扩码序列与发射机扩频码序列完全相同，信号经解扩调制后，带宽恢复原始宽度。在Simulink平台上分别对系统的发射机和接收机进行仿真测试，研究信号在整个扩频调制、解扩调
7、制过程中的变化情况。最后在该系统中加入特定的干扰，进行仿真测试，研究整个系统的抗干扰性能。 1.3 本次设计任务与要求1、 说明直接序列扩频原理及PN序列的生成和作用，画出直接序列扩频原理图；2、 熟悉SIMULINK中各通信模块，根据原理图完成扩频通信仿真系统模块设计，分为发射机、接收机部分；3、 设计误码率分析模块部分，完成前后扩频解扩频谱波形比较及收发误码率分析；4、 对设计完成的系统加入干扰源，完成对系统抗干扰性能的分析。5、 按课程设计格式要求完成设计报告。第2章 直接序列扩频通信原理 2.1扩频通信概念及分类2.1.1扩频通信概念扩频通信是扩展频谱通信的简称。它是指用来传输信息的射
8、频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式。2.1.2扩频通信分类扩频通信的一般原理如图 2-1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扩频码序列去解扩，最后经信息解调，恢复成原始信息输出。 图 2-1 扩频通信原理框图 1 直序列(DS)扩频 所谓直接序列(DS，Direct Sequency)扩
9、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。直接序列扩频的原理如图 2-2 所示。 图 2-2 直接序列扩展频谱示意图 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。 简单的频移键控如2FSK，只有两个频率， 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控制，不
10、断跳变。图 2-3(a)为跳频的原理示意图。 图 2-3 跳频(FS)系统 (a) 原理示意图； (b) 频率跳变图案3 跳时（TH）与跳频相似，跳时(TH，Time Hopping)是指使发射信号在时间轴上跳变。我们先把时间轴分成许多时片。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选择的多时片的时移键控。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 2-4是跳时系统的原理图。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。 图 2-4 跳时系统 (a) 组成框
11、图； (b) 跳时图例4 脉冲调频发信端发出射频脉冲信号，在每一脉冲周期中频率按某种方式变化。在收信端用色散滤波器解调信号，使进入滤波器的宽脉冲前后经过不同时延而同时到达输出端，这样就把每个脉冲5信号压缩为瞬时功率高、但脉宽窄得多的脉冲，因而提高了信扰比。这种调制主要用于雷达，但在通信中也有应用。6混合扩频几种不同的扩频方式混合应用，例如：直扩和跳频的结合（DS/FH），跳频和跳时的结合（FH/TH），以及直扩、跳频与跳时的结合（DS/FH/TH）等。2.2直接序列扩频定义直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum）工作方式，简称直扩方式（DS方式）。就是用高速率的
12、扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。直接序列扩频方式是直接用伪噪声序列对载波进行调制，要传送的数据信息需要经过信道编码后，与伪噪声序列进行模2和生成复合码去调制载波。2.3直接序列扩频的基本原理直接序列扩频（direct sequence spread spectrum）直接用具有高码片（chip）速率的扩频码序列去扩展数字信号的频谱。简称直扩（DS）。在接收端，用相同的扩频码序列将频谱展宽的扩频信号还原成原始信号。图2-5 直接序列扩频通信系统的原理框图图2-5是直接序列扩频通信系统的原理框图。欲传输的数字信号与码片速率很高
13、的扩频码进行调制，其输出为频谱带宽被扩展的信号，这个过程称为扩频。扩展频谱信号再变换为射频信号发射出去。在接收端，射频信号经过变频后输出中频信号，通常是N个发射信号和干扰及噪声的混合信号。它与发端相同的本地扩频码进行扩频解调（解扩），使宽带信号变为窄带信号。再经信息解调器恢复成原始数字信号。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。扩频和解扩的频谱变化过程如图2-6所示。图2-6 扩频和解扩的频谱变化采用码片速率很高的PN码序列进行扩频调制，扩频信号的带宽可达1100MHz。通过扩频解扩处理能够提高抗干扰能力
14、。扩展频谱信号在接收端做相关解扩处理，有用信号被解扩为窄带谱信号；宽带无用信号与本地伪码不相关，因此不能解扩，仍为宽带谱；窄带干扰信号则被本地伪码扩展成为宽带谱。用一个窄带滤波器排除带外的干扰，这样窄带内的信噪比就大大提高了。 2.4 直扩系统的性能分析 2.4.1 直扩系统的抗干扰性 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，其抗干扰能力大小就是前面提供的扩频处理增益Gp，Gp 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。 图2-7 为直扩系统抗宽带干扰的示意图。 这里的带宽干扰是泛指的与扩频信号
15、不相关的，在CDMA 通信网中，其他用户的信号就是一种带宽干扰。相关处理前，信号频谱是很宽的，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，而带宽干扰通过相关器，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，从而提高了输出额信噪比。 图2-7 直扩系统抗带宽干扰的示意图 对单频或窄带干扰，直扩系统有很强的抗干扰能力。图4- 4（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
