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1、1沈阳化工大学科亚学院毕业论文文献综述扩频通信系统的仿真与性能研究文献综述姓名：陈军 班级：1001 指导教师：张琳琳摘要扩展频谱通信技术最早起源和应用于军事通信，随着 IS-95 标准的颁布，扩频通信技术逐渐广泛地应用在移动通信和室内无线通信等各种商业应用系统，为用户提供可靠通信。它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信具有如下特点：易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率。 抗干扰性强，误码率低。隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小。 多个用户在同一信道内传输信号，即多址通信 1 。适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务。本文重点研究了扩频通信
2、中的直接序列扩频系统。文章首先介绍了扩频系统的发展和理论基础，以扩频通信系统理论为基础，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统进行了仿真分析，详细地讲述了各模块的设计。利用建立的仿真系统，研究了扩频增益与输出端信噪比的关系。结果表明，在相同误码率下，增大扩频增益，可以提高系统输出端的信噪比，从而提高通信系统的抗干扰能力。关键词：扩频通信； 信噪比； MATLAB 仿真； SIMULINK 模块正文：1.课题背景与意义扩频通信是在通信中的抗干扰条件下产生的。在军事应用中，敌对的双方为了降低对方的通信效能而人为的释放的强干扰。为了解决
3、这种干扰就不断的发展通信。故，产生了扩频通信。扩频通信发送功率极低(1650mW)，采用了相关接收这一高技术，且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率,也可与现今各种窄道通信共享同一频率资源。它易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率。扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，而收端又采用相关检测的办法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。这样，对于各种干扰信号，因其在收端的非相关2性，解扩后窄带信号中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干扰性强。近年来，随着超大规模集成电路技术、微处理器技术的飞速发展
4、，以及一些新型元器件的应用，扩频通信在技术上已经迈上了一个新的台阶，不仅在军事通信中占有重要的地位，而且正迅速地渗透到个人通信和计算机通信等民用领域，成为新世纪最有潜力的通信技术之一。因此研究扩频通信具有深远的意义。2.扩频通信的性能扩频通信的可行性是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。信息论中关于信息容量的仙农( Shannon)公式为:C=Blog2(1+SN)其中:C为信道容量(即极限传输速率),B 为信号频带宽度,S为信号功率,N为噪声功率。Shannon公式说明,在给定的传输速率不变的条件下,频带宽度和信噪比P可以互换 ,即可以通过增加频带宽度,在信噪比较低的情况下传输信息。
5、扩展频谱以换取信噪比要求的降低,正是扩频通信的重要特点,并由此为扩频通信的应用奠定了基础。扩频通信的一个重要参数是扩频增益,反映了系统抗干扰能力的强弱,是对信噪比改善程度的度量,定义为接收机相关器输出信噪比和输入信噪比之比,即 其中:Rs为扩频码的传输速率,Rd为信息数据的传输速率 ,Bs为扩频码的带宽,Bd为信息数据的带宽。按照扩展频谱的方式不同,现有的扩频通信系统可分为直接序列(DS)扩频、跳频(FH)、跳时(TH)、线性调频 (chirp)以及上述几种方式的组合。扩频通信常用的扩频码 主要有PN序列、 GOLD序列、WALSH码和OVSF 码。 PN码 即伪噪声序列也称之为伪随机序列,是
6、用确定性方法产生的序列,但它却近似具有随机产生序列所希望的某些关键随机特性。其中最常见的伪随机序列是m序列。而扩频通信调制方式一般采用频率调制(FM) 或相位调制(PM)的方式来进行数据调制,在码分多址通信中,其调制多采用BPSK、 DPSK、QPSK、MPSK等方式。在码分多址通信中最常用BPSK (二相移相键控)。3.MATLAB/SIMULINK 简介MATLAB 是 矩 阵 实 验 室 （ Matrix Laboratory)的 简 称 ， 是 由 美 国 MATHWORKS公 司 于 1982 年 开 发 的 功 能 强 大 的 科 学 及 工 程 计 算 软 件 ， 他 集 数 值
7、 计 算 、 符 号 运 算 、3可 视 化 建 模 、 仿 真 和 图 形 处 理 等 多 种 功 能 于 一 体 ， 构 造 了 一 个 方 便 的 、 界 面 友 好 的 用户 环 境 。 它 具 有 强 大 的 数 据 计 算 处 理 和 图 形 绘 制 功 能 ， 是 国 际 上 最 为 流 行 的 软 件 品 牌之 一 。目 前 ， 随 着 MATLAB 版 本 不 断 更 新 ， 它 的 许 多 功 能 都 得 到 了 进 一 步 的 改 善 ， 包括 工 具 箱 （ Toolbox） 的 各 模 块 发 展 。 如 在 数 值 处 理 方 面 ， 增 加 了 许 多 新 函 数
8、 ， 更 新了 部 分 函 数 的 功 能 和 算 法 ； 在 外 部 接 口 方 面 ， 增 加 了 Java 接 口 ， 并 为 二 者 的 数 据 交换 提 供 了 相 应 的 数 据 库 ； 对 部 分 工 具 箱 的 功 能 进 行 了 改 进 和 加 强 ， 增 加 了 虚 拟 现 实 工具 箱 ， 采 用 标 准 的 虚 拟 现 实 建 模 语 言 技 术 ， 实 现 三 维 动 态 功 能 。SIMULINK 14是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个集成环境,广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。SIMU
9、LINK 一般可以附在 MATLAB 上同时安装，也有独立版本来单独使用。但大多数用户都是附在 MATLAB 上，以便能更好地发挥 MATLAB 在科学计算上的优势，进一步扩展 SIMULINK 的使用领域和功能。它包括一个复杂的由接受器、信号源、线性和非线性组件以及连接件组成的模块库,用户也可以根据需要定制或者创建自己的模块。SIMULINK 的主要特点在于使用户可以通过简单的鼠标操作和拷贝等命令建立起直观的系统框图模型,用户可以很随意地改变模型中的参数, 并可以马上看到改变参数后的结果,从而达到方便、快捷地建模和仿真的目的。近几年来，在学术界和工业领域，SIMULINK 已经成为动态系统建
10、模和仿真领域中应用最为广泛的软件之一。SIMULINK 可以很方便地创建和维护一个完整地模块，评估不同地算法和结构，并验证系统的性能。由于 SIMULINK 是采用模块组合方式来建模，从而可以使得用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机仿真模型，特别是对复杂的不确定非线性系统，更为方便。4.扩频通信基本原理扩频通信的一般工作原理如图 1 所示：4图 1 扩频通信的工作原理在 发 射 端 输 入 的 信 息 先 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
11、后 的 信 号 再 调 制 到 射 频 端 发 送 出 去 。在 接 收 端 收 到 的 宽 带 射 频 信 号 ， 变 频 至 中 频 ， 然 后 由 本 地 产 生 的 与 发 端 相 同 的 扩频 码 序 列 去 相 关 解 扩 。 再 经 信 息 解 调 、 恢 复 成 原 始 信 息 输 出 。由 此 可 见 ， 一 般 的 扩 频 通 信 系 统 都 要 进 行 三 次 调 制 和 相 应 的 解 调 。 一 次 调 制 为 信息 调 制 ， 二 次 调 制 为 扩 频 调 制 ， 三 次 调 制 为 射 频 调 制 ， 以 及 相 应 的 信 息 解 调 、 解 扩 和射 频 解
12、 调 。5.BPSK二进制移相键控(BPSK) 调制是载波相位按基带脉冲变化的一种数字调制方式。BPSK的信号形式一般表示为 e0(t)=nang(t-nTs)cosXct(6)这里,g(t )是脉宽为 Ts的单个矩形脉冲,而an的统计特性为 an= +1, 概率为P -1,概率为(1-P)绝对移相BPSK存在相位模糊,因此实际应用中多采用相对移相2DPSK的调制方式。这只要在信号源后加一个码变换,且在解调端的抽样判决器后加一个码 反变换器。BPSK信号产生的方法有调相法和相位选择法两大类。在具体实现时,我们取每码元两个载波,每载波抽样16个点,即每码元抽样32个点。因此,用调相法实现时,我们
13、可以方便地用数字乘法器实现,具体方法见图2： 5图2 调相法6.直接序列扩频系统 16 原理调 制 器 简 化 方 框 图 ： 先 将 两 路 编 码 序 列 模 2 相 加 ， 然 后 再 去 进 行 反 相 键 控 。 见图 3：图 3 调 制 器 简 化 方 框 示 意 图上 述 过 程 图(a)信 码 ； (b)伪 码 序 列 ； (c)发 送 序 列 ； (d)发 送 载 波 相 位 ； (e)混 频 用 本 振 相 位 ；(f)中 频 相 位 ； (g)解 调 信 号 ； (h)干 扰 信 号 相 位 ； (i)混 频 后 干 扰 信 号 相 位 。6图 4 扩频信号的传输图解 信
14、 号 和 干 扰 信 号 在 频 域 中 的 变 化 ， 见 图 5：(a) 在接收机输入端 (b) 在接收机中放输出端图 5 信号和干扰信号在频域中的变化 频谱用 一 组 伪 码 代 表 信 息 码 元 去 调 制 载 波 。 最 常 用 的 是 2PSK。 这 种 信 号 的 典 型 功率 谱 密 度 曲 线 见 图 6：7图 6 2PSK 功 率 谱 密 度 曲 线 示 意 图 图中所示主瓣带宽（零点至零点）是伪码时钟速率 Rc 的两倍。每个旁瓣的带宽等于 Rc。 主要性能指标(1)处 理 增 益 G 也 称 扩 频 增 益 (Spreading Gain)它 定 义 为 频 谱 扩 展
15、 前 的 信 息 带 宽 W 与 频 带 扩 展 后 的 信 号 带 宽 F 之 比 ： G W F 在 扩 频 通 信 系 统 中 。 接 收 机 作 扩 频 解 调 后 ， 只 提 取 伪 随 机 编 码 相 关 处 理 后 的 带 宽 为 F 的 信 息 ， 而 排 除 掉 宽 频 带 W 中 的 外 部 干 扰 、 噪 音 和 其 地 用 户 的 通 信 影 响 。 因 此 ，处 理 增 益 G 反 映 了 扩 频 通 信 系 统 信 噪 比 改 善 的 程 度 。(2)抗 干 扰 容 限是 指 扩 频 通 信 系 统 能 在 多 大 干 扰 环 境 下 正 常 工 作 的 能 力 ，
16、 定 义 为 ： Mj=G (S/N)out+Ls 其 中 ：Mj 为 抗 干 扰 容 限 ；G 为 处 理 增 益 ； S N)out 为 信 息 数 据 被 正 确 解 调 而 要 求 的 最 小 输 出 信 噪 比 ；Ls 为接收系统的工作损耗；例如，一个扩频系统的处理增益为 35dB。要求误码率小于 l05 的信息数据解调的最小的输出信噪比(S/N)out10dB，系统损耗 Ls3dB，则:干扰容限 Mj35(10+3)22dB。这说明，该系统能在干扰输入功率电平比扩频信号功率电平高 22dB 的范围内正常工作，也就是该系统能够在接收输入信噪比大于或等于22dB 的环境下正常工作。 8总结从 2013 年十月份开始，我便投入到了搜集并总结资料的旅途中，我的课题是扩频通
