扩频通信系统的建模仿真与频谱分析

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1、目录第一章 绪论11.1 扩频通信系统简介11.2 扩频通信发展综述11.2.1 扩频技术的历史11.2.2 扩频技术的现状21.2.3 扩频技术的未来展望21.3 课题研究意义和研究内容2第二章 扩频通信系统32.1 扩频通信技术基本原理32.2 目前常用的扩频通信系统32.2.1 直接序列扩频系统原理32.2.2 跳频扩频系统原理52.2.3 直扩/跳频扩频系统原理6第三章 扩频通信系统的仿真实现83.1 MATLAB软件的相关知识83.1.1 MATLAB简介83.1.2 Simulink简介93.2 扩频通信系统的仿真模型93.2.1 基于Simulink的直接序列扩频通信系统的仿真9

2、3.2.2 基于Simulink的跳频扩频通信系统的仿真103.3 扩频通信系统的仿真结果及分析113.3.1 直接序列扩频系统113.3.2 跳频扩频系统15第四章 扩频通信系统的特点和用途184.1 直扩系统的特点和用途184.2 跳频系统的特点和用途194.3 混合扩频系统的特点和用途19结论20主要参考文献21致谢22第一章 绪论1.1扩频通信系统简介扩频通信系统具备3个主要特征：载波是一种不可预测的，或称之为伪随机的宽带 信号；载波的带宽比调制数据的带宽要宽得多；接收过程是通过将本地产生的宽带载 波信号的复制信号与接收到的宽带信号相关来实现的。频谱扩展的方式主要有以下几种:直序扩频(

3、DS-SS)使用高速伪随机码对要传输的低 速数据进行扩频调制；跳频系统则利用伪随机码控制载波频率在一个更宽的频带内变化； 跳时则是数据的传输时隙是伪随机的；线性调频系统中的频率扩展则是一个线性变化的过 程。几种方式组合的混合系统也经常得到应用衡量扩频系统最重要的一个指标就是扩频增益，又称为处理增益。正是因为扩频系统 本身具有的特征使其性能具有一系列的优势：低截获概率；抗干扰能力强；咼精度 测距；多址接入；保密性强。也正是这些特性使其获得了广泛的应用。1.2扩频通信发展综述1.2.1扩频技术的历史扩频通信系统是在50 年代中期产生的，其最初的应用包括军事抗干扰通信、导航系 统、抗多径实验系统以及

4、其它方面。真正实用的扩频通信系统是在50 年代中期发展起来 的。麻省理工学院林肯实验室开发的扩频通信系统F9C-A/Rake系统被公认为第一个成功 的扩频通信系统，在该系统的研制过程中，首次提出了瑞克(RAKE)接收的概念并成功应用， 该系统也是第一个真正实用的宽带通信系统。一直到80 年代初期，扩频通信的概念都只 是在军事通信系统中得到应用，这种状况到了80 年代中期才得到改变。美国联邦通信委 员会(FCC)于1985年5月发布了一份关于将扩频技术应用到民用通信的报告。从此，扩 频通信技术获得了更加广阔的应用空间。扩频技术最初在无绳电话中获得成功应用，因为当时已经没有可用的频段供无绳电话 使

5、用，而扩频通信技术允许与其它通信系统共用频段，所以扩频技术在无绳电话的通信系 统中获得了其在民用通信系统中应用的第一次成功经历。而真正使扩频通信技术成为当今 通信领域研究热点的原因是码分多址(CDMA)的应用。90年代初，在第一代模拟蜂窝通 信系统的基础上，出现了PCS研究的热潮。随着PCS以及蜂窝移动通信的发展，CDMA技 术已经成为不可或缺的关键技术。扩频通信技术也在民用通信中找到更为广阔的应用空间, 而关于CDMA技术的研究热潮也一直延续到现在。1.2.2扩频技术的现状扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，到目前为止，其最主 要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统,而

6、跳频系统与直扩系统 则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而言，跳频系统主要在军事通 信中对抗故意干扰，在卫星通信中也用于保密通信，而直扩系统则主要是一种民 用技术。对跳频系统的分析，现在仍集中在其对抗各种干扰的性能方面，如对抗部分 边带干扰以及多频干扰等。而直扩系统，即DS-CDMA系统，在移动通信系统中的 应用则成为扩频技术的主流。欧洲的GSM标准和北美的以CDMA技术为基础的 IS-95都在第二代移动通信系统（2G）的应用中取得了巨大的成功。而在目前 所有提议的第三代移动通信系统（3G）标准中都采用了某种形式的CDMA。因此CDMA 技术成为目前扩频技术中研究最多的对象。1.2.3

7、扩频技术的未来展望从扩频技术的历史可以看出，每一次技术上的大发展都是由巨大的需求驱动 的。军事通信抗干扰的驱动以及个人通信业务的驱动使得扩频技术的抗干扰性能 和码分多址能力得到最大限度的挖掘。展望未来，第四代移动通信系统（4G）的 驱动无疑会使扩频技术传输高速数据的能力得到更大的拓展。3G 设计的目标主要是支持多媒体业务的高速数据传输，因此其研究主要集 中在新标准和新硬件的开发。而对于3G以后的发展，不同的研究者有不同的观 点。但是从用户的观点看，4G应该具备以下的主要特征：最大的灵活性，应 该能够满足在任何时间和地点，通过任何设备都可以实现通信；降低成本，4G 在实现比3G的传输速率高12个

8、数量级的同时，还应该使成本降为3G时的1/10 或1/100 ；个性化和综合化的业务，不仅仅是保证每个人都能通过一个终 端进行通信，而要在人周围的家庭、办公室以及热点地区建立一个通用的信息环 境，使每个人都可以根据需要以各种方式获得信息。1.3课题研究意义和研究内容本课题的研究意义主要在于：在扩频通信系统发展的越来越快，也被人们越 来越认可的情况下，我们来研究基于MATLAB的扩频通信系统的建模仿真与频谱分 析是十分必要的。采用扩频通信系统，有抑制抗干扰能力强，信号的功率谱密度 低，信号便于隐蔽和隐藏，可实现随意选址能力的码分多址的通信，可进行高分 辨率的测距的优势。本文先介绍扩频系统的发展状

9、况，得到扩频技术在现代通信 系统中应用是很广泛的，在目前正高速发展的3G通信中得到应有，并且会受到 未来4G技术的青睐。用MATLAB/Simulink对直接序列扩频系统和跳频扩频系统 进行仿真，通过建模仿真和频谱分析达到进一步了解扩频通信系统的目的，具有 一定的实用价值。本论文主要研究扩频通信系统的分类及各类的建模仿真与频谱分析，其研究 内容主要有：1、进行扩频通信系统的简要介绍和两种具体的扩频通信系统的工作原理的介 绍。2、介绍MATLAB及Simulink模块的特点，然后对直接序列扩频系统和跳频扩频 系统进行了仿真和结果分析。3、简要介绍几种扩频通信系统的特点和用途。第二章 扩频通信系统

10、2.1扩频通信技术基本原理扩频通信系统的理论基础是仙农定理:C 二 WLog 2（1+ S / N）（公式1）式中：C信道容量，W传输带宽，S / N信号功率/噪声功率。在信息速率一定时，可以用不同的信号带宽和响应的信噪比来实现传输，即信号 带宽越宽则传信噪比可以越低，甚至在信号被噪声淹没的情况下也可以实现可靠 通信。因此，将信号的频谱扩展，则可以实现低信噪比传输，并且可以保证信号 传输有较好的抗干扰性和较高的保密性。2.2目前常用的扩频通信系统主要有直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）系统，跳频扩频（FH-SS）系统，跳时扩频（TH-SS）系统，直扩

11、/调频系统等方式.2.2.1直接序列扩频系统原理直接序列扩频系统是将要发送的信息用伪随机码（PN码）扩展到一个很宽 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。直扩系统的原理框图如图2-1所示：(b)接收端图 2-1 直扩系统组成框图图2-1为直扩系统的组成原理框图。在发送端，由信源输出的信号a(t)是码 元持续时间Ta的信息流，伪随机码产生器产生的伪随机码为c(t)，每一伪随机 码元宽度为Tc，将信码a(t)与伪随机码c(t)进行模二加，产生一速率与伪随机速 率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样就得到已扩频调制的射 频

12、信号。在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频后，用与发端同步的伪随机 序列对中频的扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息序列a(t)的 频带，即为中频调制信号；然后再进行解扩，恢复出所传输的信息a(t)，从而完 成信息的传输。直扩系统的主要性能指标:直扩系统的两个重要的抗干扰指标是处理增益和 干扰容限。(1) 处理增益：在扩频系统中，传输信号在扩频和解扩的扩频过程中，扩频 系统的抗干扰性能得到提高，这种扩频处理得到的好处，就称之为扩频系统的处 理增益。其定义为接收机处理器输出与输入信噪比的比值， 即输出信噪比与输 入信噪比的比值，即Gp =输入信噪比/输出信噪比=(So/No)/(S

13、i/Ni)(公式1)一般用分贝表示，为Gp 二 10Log(So/No)/(Si/Ni) (公式2)对于直扩系统，解扩器的输出信号功率不变，但对于干扰信号而言，由于解 扩过程相当于干扰信号的扩展过程，干扰功率被分散到很宽的频带上，进入解调 器输入端的干扰功率相对解扩器输入端下降很大，即干扰功率在解扩前后发生了 变化。因此，对于直扩系统而言，器处理增益就是干扰功率减小的倍数。(2) 干扰容限：所谓干扰容限，是指在保证系统正常工作地条件下，接收机 能够承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数，用 Mj 表示，有Mj = Gp - Ls + (So / No)dB(公式3)式中，Ls为系统内部损耗；(S

14、o/No)为系统工作时要求的最小输出信噪比，即 相关器的输出信噪比或解调器的输入信噪比；Gp为系统的处理增益。干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能抵抗的极限干扰强度，即只有当干 扰机的干扰功率超过干扰容限后，才能对扩频系统形成干扰。因而，干扰容限往 往比处理增益能更确切地反映系统的抗干扰能力。2.2.2 跳频扩频系统原理跳频也是一种扩频方式，跳频系统的载频受一伪随机码的控制，不断地、随 机地跳变，可看成载频按照一定规律变化的多频频移键控(MFSK)。与直扩系统 相比较，跳频系统中的伪随机序列并不直接传输，而是用来选择信道。跳频系统 从20 世纪60 年代后期开始，发展便非常迅速。跳频系统的原理

15、框图如图2-2所 示：(a)发送端(b)接收端图 2-2 跳频系统组成框图图2-2所示，在发送端，用信源产生的信息流a (t)去调制频率合成器产生的 载频，得到射频信号。频率合成器产生的载频伪随机码的控制，按一定规律跳变。 跳频系统的解跳多采用非相干解调，因而调制方式多用FSK、ASK等可进行非相 干解调的调制方式。在接收端，接收到得信号与干扰经高放滤波后送至混频器。 接收机的本振信号也是一频率跳变信号，发端的本振和收端的本振的跳变规律是 相同的，两个合成器产生的频率相对应，但对应的频率有一频率差为f正好为 接收机的中频。只要收发双方的伪随机码同步，就可使收发双方的跳频源频 率合成器产生的跳变频率同步，经混频器后，就可得到一不变的中频信号，然后 对此中频信号进行解调，就可恢复出发送的信息。而对于干扰信号而言，由于不 知道跳频频率的变化规律，与本地的频率合成器产生的频率不相关，因此，不 进入混频器后面的中频通道，不能对跳频系统形成干扰，这样就达到了抗干扰的 目的。在这里，混频器实际上担当了解跳器的角色，只要收发双方同步，就可将 频率跳变信号转换成为一固定频率(中频)的中频信号。2.2.3 直扩/跳频扩频系统原理跳频和直扩系统都具有很强的抗干扰能力，是用得最多的两种扩频技术。将 两种有机的结合起来，可以