直接序列扩频通信系统仿真

直接序列扩频通信系统仿真

学校：沈阳理工大学

专业：电子信息工程

姓名：冯立业 = =。

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沈阳理工大学通信系统课程设计报告

摘 要

一、实验的背景及内容

1、直接扩频通信的背景

扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，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。

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[1]。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，将它用于敌对环境中的无线通信系统。解决了短距离数据收发信机、如：卫星定位系统(GPS)、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。

扩频通信技术自50年代中期美国军方便开始研究，一直为军事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。直到80年代初才被应用于民用通信领域。为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术现已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等等的系统中。

2、实验的内容及意义

本次实验主要研究了直接序列扩频系统，建立了直接序列扩频系统的matlab仿真模型，在信道中存在高斯白噪声和干扰的情况下，对系统的在不同扩频增益下的误码率性能进行了仿真及分析。

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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，以及一些新型元器件的应用，扩频通信在技术上已迈上了一个新的台阶，不仅在军事通中占有重要地位，而且正迅速地渗透到了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很深远的意义。本人通过此次实验，进行深入地研究学习扩频通信技术及对它进行仿真应用，将所学的知识进行归纳与总结，从而巩固通信专业基础知识，为以后的个人学习和工作打下基础。

3、关键词：

MATLAB

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目 录

1 课程设计目的…………………………………………………………1

2 课程设计要求…………………………………………………………1

3 相关知识………………………………………………………………1

4 课程设计分析…………………………………………………………3

5 仿真…………………………………………………………………8

6结果分析……………………………………………………………10

7 参考文献……………………………………………………………11

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直接序列扩频通信系统仿真

1.课程设计目的

（1）加深对调制与解调原理及过程的理解，能将调制与解调原理应用到FDMA通信系统中。

（2）加深对滤波器滤波特性的理解。

（3）掌握FDMA通信系统的原理，并利用Matlab进行实现。

2.课程设计要求

（1）掌握课程设计的相关知识、概念清晰。 （2）程序设计合理、能够正确运行。

3.相关知识

3.1扩频通信

[1]

所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：“扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”。 扩频通信的基本特点，是传输信号所占用的频带宽度（W）远大于原始信息本身实际所需的最小带宽（B），其比值称为处理增益（Gp）。总之，我们用扩展频谱的宽带信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。

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

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息。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

（1）

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)。

3.2 直接序列扩频

直接序列扩频就是直接用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。而在接收端, 用相同的扩频码序列去进行解扩, 将展宽的扩频信号还原成原始的信息。直扩通信系统原理如图1 所示。

在发送端输入的信息先经信息调制形成调频或调相数字信号, 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, 再将展宽后的

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宽带信号调制到射频发送出去。在接收端, 接收机接收到宽带射频信号后, 首先将其变频至中频, 然后通过同步电路捕捉发送来的扩频码的准确相位, 由此产生与发送来的伪随机码相位完全一致的接收用的伪随机码, 作为扩频解调用的本地扩频码序列, 最后经信息解调, 恢复成原始信息输出。由此可见, 直扩通信系统要进行三次调制和相应的解调, 分别为信息调制、扩频调制和射频调制, 以及相应的信息解调、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。

4 .课程设计分析

4.1直接扩频matlab仿真组成框图

直接序列扩频的matlab仿真组成框图如图3-1所示。

信码 模2运算 高斯信道 模2运算 判决电路 信码 m序列

干扰 m序列

图2 直接扩频仿真组成框图

由图3-1可以看出，在发送端，信码为m(t)，其码元宽度为Tp，伪随机码为p(t),其码元宽度为Tb，进行模2运算后，得到g(t)=m(t)p(t)，码元宽度称为扩频出来增益，表示为式(3-1)。

式(3-1)

由于有Tp<G10lgTbTp

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信道，被叠加了高斯白噪声，同时还受到了干扰信号的影响，最终得到的信号c(t)包括“有用信号+高斯白噪声+干扰”。g'(t)接收端收到此信号后，经过解扩电路，得到g'(t)c(t)p(t)c(t)p(t)p(t)c(t)，对进行码元判决，即可得到原始的输入信号。

4.2直接扩频matlab仿真系统

图3所示是扩频通信系统仿真原理图

4.2.1图中的Scope（示波器），参数如下。

参数名称

4

参数值 沈阳理工大学通信系统课程设计报告

Number of axes(踪数) Time range(时间范围) Sanple time(采样时间)

5 60 0.25

4.2.2系统中使用的Realy（继电器），其作用是将单极性二进制码转变为

双极性二进制码。参数如下。 参数名称 Switch on point（大于等于时，开关打开） Switch off point（小于等于时，开关关闭） Output when on（开关打开时的输出值） Output when off（开关关闭时的输出值） Sample time（采样时间） 参数值 0.9 0.1 1 -1 -1

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4.2.3系统中使用的Discrete Time Integrator（离散时间积分器），其

作用实在m序列的周期时间范围内（15）将输入信号积分。参数如下。 参数名称 Integrator method（积分方法） External reset（外部复位） Initial condition source(初始条件源) Initial condition（初始条件） Sample time（采样时间） 0 1 参数值 Forward Euler（前向欧拉法） Either（上下沿） Internal（内部）

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4.2.4系统中使用的Pulse Generator（脉冲产生器），其作用是为积分器

提供门控信号，参数如下。 参数名称 Pulse type（脉冲类型） Amplitude（幅度） Period（secs）（周期，秒） Pulse width（%of period）（脉宽

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参数值 Time based 1 30 50 沈阳理工大学通信系统课程设计报告

展周期的%） Phase（相位延迟） 0

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5 .仿真

5.1扩频后频率图。

5.2示波器显示的5个波形

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6结果分析

（1）全“-1”的结果表示输出的m序列与自己异或运算后得到全“0”序列，经过双极性变换后得全“-1”序列。

（2）全“1”的结果表示输出的m序列异或运算后得到全“1”的序列，经过双极性变换后仍得全“1”序列。

（3）图中的方波表示输出的m序列与延迟3个码元并且取反以后的m序列异或运算后得到的序列，它仍然是码元速率与m序列相同的二进制序列。

（4）图中的波形表示波形3序列积分后的结果（积分区间长尾15个码元，即m序列的周期）。因为“1”和“-1”频繁地、赶驴相等的出现，所以积分结果在“0”附近徘徊。

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（5）图中的锯齿波表示输出的m序列与延迟15个码元的m序列异或运算后得到全“0”序列，经过双极性变换后得全“-1”序列。全“-1”序列在积分15个码元周期后得到-15。

归纳起来说：

当使用一个周期等于基带信号码元宽度的m序列，对基带信号进行直接扩频时，得到的是随机带信号变化的m序列。比如基带信号为0时，得到一个周期的m序列；基带信号为1是，得到一个周期的取反的m序列。

7 参考文献

MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用（第二版） 徐明远 邵玉斌 编著

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