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1、 摘要摘要 通信系统一般是由信源 信道和信宿组成 信号在信道中传输时受到衰减 时延和各种失真的影响 同时受到噪声的干扰 因此为了有效 可靠地传输信息 必须研究如何提高通系统的抗干扰能力 本文研究了两种提高通信系统抗干扰性 能的基本方法 扩频通信与信道编码在实际通信系统中的应用 并根据实际信道 情况制定了直接序列扩频与 LDPC 编码的方案 最后利用 Matlab 对方案进行了仿 真设计 在 Simulink 仿真环境中制定了模块 建立了一个完整的系统仿真平台 将几种方法综合考虑进去 结果表明 制定的方案可以有效的提高系统在实际噪 声环境中的抗干扰性能 关键词关键词 扩频通信 m 序列 LDPC
2、 编码 Matlab Simulink 仿真 AbstractAbstract Communications systems are carried out by source channel and information sink Signal suffers the effects of attenuation time delay and distortion when transport in the channel at the same time it is interfered by the noise Therefore in order to effectively and
3、 reliably transmit information we must study ways to improve anti interference ability of the system In this paper we learn two basic methods to improve the anti interference ability of communication system spread spectrum communications and channel coding about their indicators in the actual commun
4、ication system then we develop direct sequence spread spectrum and LDPC coding which is based on the situation of actual channel Finally we use Matlab to design and simulate the whole program and develop some modules to build a complete system simulation platform in the Simulink environment which in
5、clude all of our methods The results showed that our program can effectively improve the anti interference performance of system in the actual environment of noise KeywordsKeywords spread spectrum communications m sequence LDPC coding Matlab Simulink simulation 目录 第一章第一章 引言引言 1 1 1 1 背景 1 1 2 已往的研究
6、3 1 3 最新的研究成果 4 1 4 本文的主要内容 6 第二章第二章 扩展频谱通信技术扩展频谱通信技术 7 7 2 1 扩频通信的基本概念 7 2 2 扩频调制 7 2 2 1 扩频通信系统的类型 7 2 2 2 直接序列扩频原理 9 2 3 伪随机 PN 序列 10 2 3 1 码序列的相关性 10 2 3 2m 序列 11 2 4扩频通信系统中的相关仿真 12 2 4 1 m 序列的相关仿真 12 2 4 2 直接序列扩频系统的 simulink 仿真 15 第三章第三章 LDPCLDPC 码的编码与译码码的编码与译码 2222 3 1 LDPC 码的编码原理 22 3 1 1 LDP
7、C 码的定义和 Tanner 图表示 22 3 1 2 校验矩阵结构及其生成方法 23 3 2 LDPC 码的译码算法 25 3 2 1 BP 译码算法 25 3 2 2 概率域 BP 译码算法 27 3 2 3 对数域 BP 译码算法 28 第四章第四章 AWGNAWGN 信道环境下系统方案的信道环境下系统方案的 MATLAB SIMULINKMATLAB SIMULINK 仿真系统的建立仿真系统的建立 3030 4 1 仿真系统的建立 30 4 2 信源模块 31 4 3 增益模块 31 4 4 LDPC 编码译码模块设计及参数设置 32 4 5 AWGN 信道环境下系统的仿真结果及分析
8、35 第五章第五章 特定信道环境下系统方案性能的仿真特定信道环境下系统方案性能的仿真 3737 5 1 信道环境介绍 37 5 2 引入实际噪声 38 5 3 特定信道下的系统模型 39 5 4 特定信道下的系统仿真结果 39 第六章第六章 总结总结 4141 6 1 全文总结 41 6 2 进一步工作展望 41 参考参考文文献献 4242 致谢致谢 4444 附录附录 本文中的主要程序本文中的主要程序 4545 第一章第一章 引言引言 1 11 1 背景背景 通信系统一般是由信源 信道和信宿组成 通信的根本任务是有效 可靠地 传输信息 信道是通信系统必不可少的组成部分 信号在信道中传输时受到
9、衰减 时延和各种失真的影响 同时受到噪声的干扰 因此必须研究如何提高通系统的 抗干扰能力 一般而言 提高抗干扰能力往往是以降低信息的传输率为代价的 相反 提高信息传输率又会使抗干扰能力减弱 这是一个矛盾的两个方面 理论 上指出 我们可以使这一矛盾的两个方面达到辩证的统一 使通信既有效 又可 靠 这一方法就是编码 对于高斯信道 通信系统设计的主要目的是为了有效 利用通信资源 即有效利用发射功率和信道带宽 这要求发射机发送的已调信号 在功率消耗和频带占有方面尽可能地节省 同时接收端的解调器和检测器则要求 设计得使误码率尽可能低 但是 现实世界中许多信道并不是加性白高斯噪声 AWGN 信道 例如 通
10、信系统可能受到频率落入通信带宽内的正弦连续波干扰 另外干扰也可能采用脉冲式的宽带干扰等 这些干扰不能用AWGN来建立模型 无 线传输中的多径干扰 CDMA系统中的多址干扰等等也都不满足AGWN信道模型 为了有效克服上述干扰的影响 必须采取相应的措施 首先需要采用扩展频 谱通信技术对信号进行扩频 解扩 这种技术所要求的信号设计准则不是尽可能 的节省带宽 而是采用远大于传输数据信息所需要最小带宽的传输频带来传送信 号 扩展频谱通信具有以下2个特征 1 发射信号所占的带宽远大于信息比特 率 并且与信息比特率无关 2 在发送端信号频带的展宽是通过采用扩谱序 列信号来实现的 这个扩谱序列信号与所传输的数
11、据信息无关 在接收端利用与 发送端相同的扩谱序列信号来恢复数据 为了使扩展频谱技术达到理想的性能 要求扩谱序列信号具有类似白噪声的性质 但不可能在通信系统中采用真正的白 噪声信号作为扩谱序列信号 而是采用各种伪随机 PN 序列 这些PN序列是完 全确定的 因此在接收端能完全复制出来 但它们具有和白噪声相同的统计性质 其中 最长线性反馈移位寄存器序列 简称m序列 就是扩频通信中最常用的伪 随机序列之一 它既保持了噪声信号的优点 又避免了噪声信号在实现方面的缺 点 具有很好的相关性并且容易产生 规律性强 因此在扩频通信中得到了广泛 的应用 现代数字通信有两个基本的理论基础 即信息论和纠错编码理论
12、它们几乎 是同时在二次世界大战结束后不久诞生的 前者首先由Shannon以他的不朽名著 通信的数字理论 为标志建立起来的 而后者则以Hamming的经典著作 纠错 和检错编码 为代表 Shannon的信息论主要讨论信息的度量 以及对于信息表 示和信息传输的基本限制 而Hamming的纠错编码理论则用于实现相应的内容 纠错编码通常也称为信道编码 在通信中 信源编码 信道编码和数据转换 编码常常是同时使用的 信源编码要解决的问题是如何在不失真或允许一定程度 的失真条件下 用尽可能少的符号来表示信息 即 如何减少信源符号的相关性 以提高信源的传输率 达到压缩信源数码率的目的 对于音频通信系统 信源编
13、 码就是语音编码 主要完成模 数转换及数字压缩功能 此外 在有干扰的情况 下 如何增加信号传输的抗干扰能力 同时使信息传输率最大 则是信道编码问 题 信道编码的本质是增加通信的可靠性 或者说是增加整个系统的抗干扰性 信道编码的目的主要有两点 1 要求码列的频谱特性适应通道的频谱特性 使 传输过程中的能量损失最小 以提高信号能量与噪声能量的比例 减小发生差 锚的可能性 2 增加纠错能力 即使出现差锚 也能得到纠正 数据转换编 码的编码器则把经过纠错编码的数据转换成满足物理信道对数据的游程长度或功 率谱密度限制的波形形式 早期的一些基本纠错编码算法如分组 线性分组 循环码 卷积码等基本上 都是硬判
14、决译码 即解调器共给译码器作为译码用的每个码元只取0 1 两个值 随着技术的进步和人们对通信的要求日益提高 这些相对比较简单的算法已经不 能满足实际的需要 另一方面 集成电路技术的快速发展和近30年来芯片单位成 本的降低与运算能力的指数式提升 为采用复杂的信号处理算法提供了有力的支 持 使得一些运算量巨大的先进算法在实际种被普遍采用 低密度奇偶校验码 low density parity check codes 简称LDPC码 就是其 中一种 早在20世纪60年代 它就被证明是一种可以逼近香农极限的优秀编码 在由于技术限制的原因被遗忘了几十年之后 近年来 LDPC码被重新发现并受到 了广泛的关
15、注 其出色的纠错性能以及可以并行解码的特点 特别是其简单实用 性 使其成为下一代通信纠错编码的首选 1 21 2 已往的研究已往的研究 扩展频谱技术的起源与发展与军事应用有密切关系 从20世纪20年代起人们 就已经开始研究许多具有扩谱技术特征的电子设备 比如20世纪20年代的累代 30年代的FM无线电高度表 第二次世界大战中的脉冲雷达 线性调频脉冲压缩雷 达和脉冲调频雷达等 匹配滤波器理论也在二战期间被提出 这个理论告诉我们 在白高斯噪声下最佳信号检测的性能仅仅取决于信号的能量与噪声功率谱密度 1948年Shannon提出 通信的数学理论 之处只有当发送信号类似于高斯噪声 发送信号的频谱扩展到
16、整个下图带宽 而且在这个带宽上信号和干扰的功率谱之 和尽可能地均匀才能达到罪大的信道传输速率 1949年美国联邦电信实验室 ITT 构建了采用类噪声信号传输以及采用相 关检测的通信系统 该下图在新泽西和加利福尼亚之间的通信链路上陈宫运行 同时MIT的博士生Basore在几位学者的引导下从理论和实验上研究了类噪声调制 提出了NOMACS系统 noise modulation and correlation detection system 后来MIT的研究人员又把NOMACS系统进行改进 主要用于抗干扰和信号的低截获 性 以及降低对同频道其他系统的干扰 后来也把直接序列扩谱技术应用于测距 全球定位系统 GPS 就是采用了直接序列扩谱技术 1948年克劳德 香农发表了他著名的划时代论文 通信的一个数学理论 在 文章里香农证明了对于每一个特定信道 所能可靠传输的数据量有一个最大值 称之为信道容量 用比特每秒度量 他证明只要按照正确的方式编码就可以几乎 无误码地达到信道容量 信道容量便成为衡量通信系统的 标杆 在很多情形 下信道容量可以用以下公式表达 1 2 log P N CW 其中 c 是
