5.1 直扩系统的组成与原理
5.1.1 组成与原理
前面已经说过：所谓直接序列（DS ）扩频，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。 图5-1为直扩系统的组成与 原理框图。
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图5- 1
在图5- 1（a ）中，假定发送的是一个频带限于fin 以内的窄带信息。将 此信息在信息调制器中先对某一副载额 fo 进行调制（例如进行调幅或窄带 调频），得到一中心频率为fo 而带宽为2fin 的信号，即通常的窄带信号。 一般的窄带通信系统直接将此信号在发射机中对射频进行调制后由天线辐 射出去。
但在扩展频谱通信中还需要增加一个扩展频谱的处理过程。常用的一 种扩展频谱的方法就是用一高码率fc 的随机码序列对窄带信号进行二相相
fc 7，,- Th :
移键控调制见图5－1(b) 中发端波形。二相相移键控相当于载波抑制的调幅双边带信号。选择fc >> fo > fin。这样得到了带宽为2fc的载波抑制的宽带信号。这一扩展了频谱的信号再送到发射机中去对射频f T进行调制
后由天线辐射出去。
信号在射频信道传输过程中必然受到各种外来信号的干扰。因此，在收端，进入接收机的除有用信号外还存在干扰信号。假定干扰为功率较强的窄带信号，宽带有用信号与干扰信号同时经变频至中心频率为中频f I 输出。不言而喻，对这一中频宽带信号必须进行解扩处理才能进行信息解调。解扩实际上就是扩频的反变换，通常也是用与发端相同的调制器，并用与发端完全相同的伪随机码序列对收到的宽带信号再一次进行二相相移键控。
从图5－1(b) 中收端波形可以看出，再一次的相移键控正好把扩频信号恢复成相移键控前的原始信号。从频谱上看则表现为宽带信号被解扩压缩还原成窄带信号。这一窄带信号经中频窄带滤波器后至信息解调器再恢复成原始信息。但是对于进入接收机的变窄带干扰信号，在收端调制器中同样也受到伪随机码的双相相移键控调制，它反而使窄带干扰变成宽度干扰信号。由于干扰信号频谱的扩展，经过中频窄带通滤波作用，只允许通带内的干扰通过，使干扰功率大为减少。由此可见，接收机输入端的信号与噪声经过解扩处理，使信号功率集中起来通过滤波器，同时使干扰功率扩散后被滤波器大量滤除，结果便大大提高了输出端的信号噪声功率比。
这一过程说明了直扩系统的基本原理和它是怎样通过对信号进行扩频与解扩处理从而获得提高输出信噪比的好处的。它体现了直扩系统的抗干扰能力。
综上所述，直扩系统的特点是：
频谱的扩展是直接由高码率的扩频码序列进行调制而得到的
扩频码序列多采用伪随机码，也称为伪噪声(PN) 码序列。
扩频调制方式多米用BPSK或QPSK等幅调制。扩频和解扩的调制解调器
多采用平衡调制器，制作简单又能抑制载被。
模拟信息调制多米用频率调制(FM)，而数字信息调制多米用脉冲编码调
制(PCM)或增量调制(M)。
接收端多米用产生本地伪随机码序列对接收信号进行相关解扩，或米用
匹配滤波器来解扩信号。
扩频和解扩的伪随机码序列应有严格的同步，码的搜捕和跟踪多米用匹
配滤波器或利用伪随机码的优良的相关特性在延迟锁定环中实现。
一般需要用窄带通滤波器来排除干扰，以实现其抗干扰能力的提高。
5.1.2直扩信号的波形与频谱
任何周期性的时间波形都可以看成是许多不同幅度、频率和相位的正弦波之和。这些不同的频率成分，在频谱上占有一定的频带宽度。单一频率的正弦波，在频谱上只有一条谱线，而周期性的矩形脉冲序列，则有许多谱线。任何周期性的时间波形，可以用富氏级数展开的数学方法求出它的频谱分布图。
现在以矩形脉冲序列为例来说明其间的关系。图5－2(a) 中为一周期性矩形脉冲序列f(t) 的波形及其频谱函数An(f) 。
图5-2 (a), (b), (c)
图中E为脉冲的幅度，o为脉冲的宽度，To为脉冲的重复周期。设To =5o,从图中可以看出f(t)的An(f)分布为一系列离散谱线，由基频fo 及其咼次谐波组成。随着谐波频率的升咼、幅度逐渐衰减。对于棱角分明的波形，在理论上包含有无限多的频谱成分。不难证明，时间有限的波形，在频谱无限的；相反，频谱有限的信号，在时间上也是无限的。
但一般来说，信号的能量主要集中在频谱的主瓣内，即频率从0 开始到频谱经过第一个0 点的频率为止的宽度内，称为信号的频带宽度，以Bf 表示。从数学分析可
知，信号谱线间隔决定于脉冲序列的重复周期，即fo =1/To。而信号频带宽度取决于脉冲的宽度，即Bo= 1/ 0。
在图5－2(b) 中，
如果脉冲重复周期增加一倍，基频降低一半，谱线间隔也减少一半，谱线密
度增加一倍，此时Bfo 不变。
如果脉冲重复周期不变，而脉冲宽度减少一半1= 0/2，则从图
5－2(c)
可以看出，谱线间隔不变，但信号的频带宽度Bf1 增加一倍。此外，从图中还可以看出，无论是脉冲重复周期的增加，还是脉冲宽度的减少，频谱函数的幅度都降低了。
从上面的讨论中可以得出两个重要的结论：
一是为了扩展信号的频谱，可以采用窄的脉冲序列去进行调制某一载波，得到一个很宽的双边带的直扩信号。采用的脉冲越窄，扩展的频谱越宽。
如果脉冲的重复周期为脉冲宽度的2 倍，即T= 2 ，则脉冲宽度变窄对应于码重复频率的提高，即采用高码率的脉冲序列。
直扩系统正是应有了这一原理，直接用重复频率很高的窄脉冲序列来展宽信号的频谱。
二是如果信号的总能量不变，则频谱的展宽，使各频谱成分的幅度下降，换句话说，信号的功率谱密度降低。这就是为什么可以用扩频信号进行隐蔽通信，及扩频信号具有低的被截获概率的原故。
5.2 扩频码序列
521 码序列的相关性
在扩展频谱通信中需要用高码率的窄脉冲序列。这是指扩频码序列的波形而言。并
未涉及码的结构和如何产生等问题。
那么究竟选用什么样的码序列作为扩频码序列呢？它应该具备哪些基本性能呢？现在实际上用得最多的是伪随机码，或称为伪噪声(PN)码。
这类码序列最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。因为噪声具有完全
的随机性，也可以说具有近似于噪声的性能。但是，真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生的。我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，故称为伪随机码或PN码。
为什么要选用随机信号或噪声性能的信号来传输信息呢？许多理论研究表明，在信息传输中各种信号之间的差别性能越大越好。这样任意两个信号不容易混淆，也就是说，相互之间不易发生干扰，不会发生误判。理想的传输信息的信号形式应是类似噪声的随机信号，因为取任何时间上不同的两段噪声来比较都不会完全相似。用它们代表两种信号，其差别性就最大。
在数学上是用自相关函数来表示信号与它自身相移以后的相似性的。随机信号的自相关函数的定义为下列积分：
严当1
式中f(t)为信号的时间函数，为时间延迟。
上式的物理概念是f(t)与其相对延迟的的f( t - )来比较:
如二者不完全重叠，即0,则乘积的积分a()为0；
如二者完全重叠，即二0；则相乘积分后a(0)为一常数
因此，a( )的大小可用来表征f(t) 与自身延迟后的f( t －)的相关性，故称为自相关函数。
现在来看看随机噪声的自相关性。图5－3(a) 为任一随机噪声的时间波形及其延迟一段后的波形。图5-3(b)为其自相关函数。当二0时，两个波形完
全相同、重叠，积分平均为一常数。如果稍微延迟一，对于完全的随机噪声，相乘以后正负抵消，积分为0。因而在以为横座标的图上a( )应为在原点的一段垂直线。在其他时，其值为0。这是一种理想的二值自相关特性。利用这种特性，就很容易地判断接收到的信号与本地产生的相同信号复制品之间的波形和相位是否完全一致。相位完全对准时有输出，没有对准时输出为0。遗憾的是这种理想的情况在现实中是不能实现的。因为我们不能产生两个完全相同的随机信号。我们所能做到的是产生一种具有类似自相关特性的周期性信号。
PN码就是一种具有近似随机噪声这种理想二值自相关特性的码序列。例如二元码序列1110100为码长为7位的PN码。如果用+ 1,- 1脉冲分别表示“ I ” 和“0”，贝恠图5-3(c)中示出其波形和它相对延迟个时片的波形。这样我
们很容易求出这两个脉冲序列波形的自相关函数，如图5-3(d)中。自相关峰值
在=0时出现，自相关函数在0/2范围内呈三角形。°为脉冲宽度。而其它
延迟时，自相关函数值为-1/7,即码位长的倒数取负值。
当码长取得很大时，它就越近似于图5-3(b)中所示的理想的随机噪声的自相关特性。自然这种码序列就被称为伪随机码或伪噪声码。由于这种码序列具有周期性，又容易产生，它就是下面即将介绍的m序列，成为直扩系统中常用的扩频码序列。
扩频码序列除自相关性外，与其他同类码序列的相似性和相关性也很重要。例如有许多用户共用一个信道，要区分不同用户的信号，就得靠相互之间的区别或不相似性来区分。换句话说，就是要选用互相关性小的信号来表示不同的用户。两个不同信号波形f(t)与g(t)之间的相似性用互相关函数来表示：
如果两个信号都是完全随机的，在任意延迟时间都不相同，则上式为0。如果有一定的相似性，则不完全为0。两个信号的互相关函数为0,则称之为是正交的。通常希望两个信号的互相关值越小越好，则它们越容易被区分，且相互之间的干扰也小。
5.2.1 m序列
m序列是最长线性移位寄存器序列的简称。由于m序列容易产生、规律性强、有许多优良的性能，在扩频通信中最早获得广泛的应用。
顾名思义，m序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。在二进制移位寄存器发生器中，若n为级数，则所能产生的最大长度的码序列为2n- 1位。
现在来看看如何由多级移位寄存器经线性反馈产生周期性的m序列。图5- 4(a)为一最简单的三级移位寄存器构成的m序列发生器。
图中DI 、D2、D3为三级移位寄存器，为模二加法器。移位寄存器的作用为 在时钟脉冲驱动下，能将所暂存的“ 1”或“0”逐级向右移。模二加法器的作用 为图中(b)所示的运算，即0十0 = 0, 0十1 = 1,1十0= I , I 十1= 0。图(a) 中D2、D3输出的模二和反馈为DI 的输入。在图(c)中示出，在时钟脉冲驱动下， 三级移位寄存器的暂存数据按列改变。D3的变化即输出序列。如移位寄存器各 级的初始状态为111时，输出序列为1110010b 在输出周期为23 — 1 = 7的码序 列后，D1、D2 D3又回到111状态。在时钟脉冲的驱动下，输出序列作周期性 的重复。因7位为所能产生的最长的码序列，1110010则为m 序列。
这一简单的例子说明：m 序列的最大长度决定于移位寄存器的级数，而码的 结构决定于反馈抽头的位置和数量。不同的抽头组合可以产生不同长度和不同结 构的码序列。有的抽头组合并不能产生最长周期的序列。 对于何种抽头能产生何 种长度和结构的码序列，已经进行了大量的研究工作。现在已经得到 3 --- 100
级m 序列发生器的连接图和所产生的 m 序列的结构。
例如4级移位寄存器产生的15位的m 序列之一为111101*********同理 我不难得到
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图5— 4
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31、63、127、255、511、1023…位的m序列。
一个码序列的随机性由以下三点来表征：
一个周期内“ I”和“ 0”的位数仅相差1位。
一个周期内长度为I的游程（连续为“0”或连续为“ I ”）占1/2,长度为2
的游程占I /4,长度3的游程占I /&只有一个包含n个“I ” 的游程，也只有
一个包含（n —1）个“0”的游程。“I”和“ 0”的游程数相等。
一个周期长的序列与其循环移位序列远位比较，相同码的位数与不相同码的位
数相差I位。
M序列的一些基本性质：
?在m序列中一个周期内“1”的数目比“0”的数目多I位。例如上述7位
码中有4个“1”和3个“0”。在15位码中有8个“I ”和7个“0”。
?在表5- 1中列出长为15位的游程分布。
一般说来，m序列中长为R(1 R n —2)的游程数占游程总数的I /2k *m序列的自相关函数由下式计算：
RM=生二？山一W的位数円十
D D—V的位数
■ 1令p =A + D = 2 n—1
则:
它正是图5 —3(d)中所示的二值自相关函数。
*m序列和其移位后的序列逐位模二相加，所得的序列还是m序列，只是相
移不同而已。
例如1110100与向右移三位后的序列1001110逐位模二相加后的序列为0111010,相当于原序列向右移一位后的序列，仍是m序列。
*m序列发生器中移位寄存器的各种状态，除全0状态外，其他状态只在m
序列中出现一次。
女口7位m序列中顺序出现的状态为111，110，101，010，100, 00I和011, 然后再回到初始状态111
?m序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产生m序列。理论分析指出, 产生的m 序列数由下式决定：
设n =
(2n—1) / n
其中由（X）为欧拉数（即包括1在内的小于X并与它互质的正整数的个数）。
例如5级移位寄存器产生的31位m序列只有6个
现在让我们来讨论一下m序列的相关特性。前面已经提到过m
523 Gold 码序列
m序列虽然性能优良，但同样长度的m序列个数不多，且序列之间的互相关值并不都好。R - Gold提出了一种基于m序列的码序列,称为Gold码序列。这种序列有较优良的自相关和互相关特性，构造简单，产生的序列数多，因而获得了
广泛的应用。
如有两个m序列，它们的互相关函数的绝对值有界，且满足以下条件：
心血=严二+小为诲数1,
b咛1 + 1』为儡麺沐是的倍数）我们称这一对m序列为优选对。它们的互相关函数如图5-5（实线），由小于某一极大值的旁瓣构成。如果把两个m序列发生器产生的优选对序列模二相加，则产生一个新的码序列，即Gold序列。图5-6（a）中示出Gold码发生器的的原理结构图。
图5-5
图5-6(b)中为两个5级m序列优选对构成的Gold码发生器。这两个m序列虽
Gold序列具有三值自相关特性，类似图5-5中的自相关与互相关特性。其旁辩的极大值满足上式表示的优选对的条件。
两个m序列优选对不同移位相加产生的新序列都是Gold序列。因为总共有2n—1个不同的相对位移，加上原来的两个m序列本身，所以，两个m级移位寄存器可以产生2n + 1个Gold序列。
因此，Gold序列的序列数比m序列数多得多。
同类Gold序列互相关特性满足优选对条件，其旁瓣的最大值不超过上式的计算值。
在表2—2中列出m序列和Gold序列互相关函数旁瓣的最大值。
从上表中明显的看出Gold序列的互相关峰值和主瓣与旁瓣之比都比m序列小得多。这一特性在实现码分多址时非常有用。
5.3 直扩信号的发送与接收
在图5—l中所示出的直扩系统发送接收系统的原理方框中，在发端输入信息要经过信息调制“扩频和射频调制”，在收端接收到的信号要经过变频、解扩和信息解调。与一般模拟或数字通信系统比较，信息识别与解调、射频的上变频和下变频，情况基本相同。
直扩通信系统的主要特点在于直扩信号的产生，即扩频调制和直扩信号的接收，即相关解扩。
5.3.1 扩频调制
通过对扩频信号波形与频谱关系的分析和对PN码序列性能的了解，来说明获得扩频信号的调制方法就比较容易了。一般说来，都是用高码率的PN码脉冲序列去进行调制扩展信号的频谱的。
通常采用的调制方式为BPSK输入信号与PN码在平衡调制器调制而输出展宽的扩频信号；图5-2 中已经表示出直扩扩频调制的原理图。图中平衡调制器的输出信号的中心频率位置决定于输入的载波频率，在这里是载频抑制的。而两个边带则为展宽的频谱，它决定于调制PN码脉冲的宽度。PN码码率越高，或脉冲宽度越窄，扩展的频谱越宽。
那么这一扩频调制的原理是如何具体实现的呢?
图5-7(a) 中为一常见的二极管平衡调制器。它的作用原理是：左端上面输入为正弦载波信号，下面输入的是PN码脉冲信号。4个二极管起作开关的作用。当脉冲信号为正D2 D3导通，此时输出变压器中载波信号电流是向上的。脉冲输入信号变负时，DI，D4导通，此时输出变压器中载波电流是向下的。换句话说，随着脉冲信号极性的不同，输出载波信号的相位改变180 。因此，平衡调制器起到了二相相移键控(BPSK)调制器的作用。输出正弦波相位改变的情况如图5－7(b) 中所示。
平衡调制器的一个重要特性是输出的调制信号是载波抑制的。这对于扩频通信是很重要的。无载波发射，既可节省功率，又可使扩频信号更加隐蔽，不易被发觉。平衡调制器对两个输入信号来说相当于乘法器。如果载波信号用Acos c t 表示，脉冲信号用
m(t) 表示，则输出信号为二者乘积：
A[m(t)]cos c t
如果m(t) 取值为土I ，则输出信号根据三角公式可分解为相位相差180 的两个分量之和如图5－7(c) 所示，它相当于只有两个边频而无载波。但在直扩系统中，调制脉冲不是周期性的规则脉冲，而是PN码脉冲序列。
图5-7
在图5-2中已示出周期性的脉冲序列的频谱，而是呈［(sinx/x) 2型的分布因此，实际PN码调制载波获得的功率谱边呈［(sinx/x) 2型分布，如图5-8(a) 所示，它好像是分布为［(sinx)/x］2的噪声一样。图中这一波型是比较理想的平
衡调制器的波型。实际的平衡调制器，有时不能做到真正平衡。因此，可能出现载波不能完全抑制，或调制的PN脉冲信号有泄漏，以及钟脉冲信号泄漏到输出
端的情况。图5-8(b)，(c)，(d)分别示出这三种情况的输出波形。当然，它们都是我们所不希望的和应尽量想法避免的。
O-------- 範蕊惓人
丹输入
除了BPSK调制获得扩频信号外，还可以采用QPSI及MSK调制来进行扩频调制。532 相关解扩
前面说了直扩系统在发端用PN码进行调制以扩展信号频谱。那么在收端又如何解扩呢？也就是如何从频谱已经扩展的信号中把要传的基带有用信息解调出来呢？
一般采用相关检测或匹配滤波的方法来解扩。
所谓相关检测，一个简单的譬喻就是用像片去对照找人。如果想在一群人中去寻找某个不相识的人，最简单有效的方法就是手里有一张某人的照片，然后用照片一个一个的对比，这样下去，自然能够找到某人。同理，当你想检测出所需要的有用信号，有效的方法是在本地产生一个相同的信号，然后用它与接收到的信号对比，求其相似性。换句话说，就是用本地产生的相同的信号与接收到的信号进行相关运算，其中相关函数最大的就最可能是所要的有用信号。
图5-2中已表示出基本的解扩过程。也就是在收端产生与发端完全相同的PN码，对收到的扩频信号，在平衡调制器中再一次进行二相相移键控调制。在图5- 1(b)中可以看出发端相移键控调制后的信号在收端又被恢复成原来的载波信号。当然一个必要的条件是本地的PN码信号的相位必须和收到的相移后的信号在相移点对准，才能正确地将相移后的信号再翻转过来。由此可见，收发两端信号的同步十分重要。下面我们将进一步较详细地加以讨论。
另外从图5-2(b)中的频谱图上也可以看出，平衡调制器把收到的展宽的信号解扩成信息调制的载波。最后经带通滤波器输出。以上所述就是所谓的相关解扩过程。通常为了处理方便，大多在中频进行。也就是接收到的扩频信号，先在变频器中先变换到中频，再进入到平衡调制器中解扩。其后接中频带通滤波器输出。有时为了避免强干扰信号从平衡调制器的输入端绕过它而泄漏到输出端去，可以来用外差相关解扩，如图5-9
所示。
h.
图5- 9
本地产生的PN码先与本地振荡器产生的与接收信号差一个中频信号的本地振荡信号在下面一个平衡调制器进行调制，产生本地参考信号。它是一个展宽了的信号。然后，此本地参考信号与接收的信号在上面一个平衡调制器调制成中频输出信号。这时平衡调制器实际上起的是混频器的作用。由于它的输入信号与输
出信号不同，也就不会发生强干扰信号直接绕过去的泄漏了。并且后面还有一个
中频带通滤波器，可以起到滤除干扰的作用。
相关解扩过程对扩频通信至关重要。正是这一解扩过程大大提高了系统的抗扰能力。
图5- 10(a)示出一直扩接收机的简化框图。输入信号除直扩信号外，还有
连续载波干扰和宽带信号干扰。图5- 10(b)中示出三种信好的处理过程。由于
解扩相关器对连续载波起作扩频的作用，把它变换成展宽的直扩信号。同理，对 输入的不是相同PN 码调制的宽带信号也进一步展宽 2倍。这两种信号经窄带滤 波器后，只剩下一小部分干扰信号能量。 与解扩出的信息调制载波相比较， 输出 的信噪比大大提高了。由此可见，频带展得越宽，功率谱密度越低，经窄带滤波 后残余的干扰信号能量就更小了。 这里也可以看出，在接收端，窄带滤波器对提 高抗干扰性起作很关键的作用，因而在实际应用中，对其性能指标的要求也就很 严格。
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ＭＡＴＬＡＢ仿真直接序列扩频通信 1.摘要 直接序列扩频通信系统（DS-CDMA）因其抗干扰性强、隐蔽性好、易于实现码分多址（CDMA）、抗多径干扰、直扩通信速率高等众多优点，而被广泛应用于许多领域中。针对频通信广泛的应用，本文用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系统进行了分析和仿真，使其更加形象和具体。 关键字：扩频通信m序列gold正交序列matlab仿真 2.引言 直接序列扩频(DSSS— Direct Sequence Spread Spectrum)技术是当今人们所熟知的扩频技术之一。这种技术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。 它是二战期间开发的，最初的用途是为军事通信提供安全保障, 是美军重要的无线保密通信技术。这种技术使敌人很难探测到信号。即便探测到信号，如果不知道正确的编码，也不可能将噪声信号重新汇编成原始的信号。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。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。 直序扩频解决了短距离数据收发信机、如：卫星定位系统(GPS)、3G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。 3.直接序列扩频DS-SS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。
直接序列扩频通信系统仿真
直接序列扩频通信系统仿真 一、实验的背景及内容 1、直接扩频通信背景 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。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，对系统误码率性能进行了仿真及分析。 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，不仅在军事通信中占有重要地位，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。
扩频通信技术实现方法的研究和设计 ——DS直接序列扩频 专业：通信工程 班级：2002级1班 姓名：佟岩
引言 3 1扩频通信系统 6 1.1扩展频谱通信的定义 6 1.2扩频通信的理论基础 6 1.3扩频通信的主要性能指标8 1.4扩频通信的主要特点10 1.5频谱扩展的实现和直接序列扩频13 1.6扩频系统需要满足以下几个条件1 7 1.7扩频通信特征17 2直序扩频通信系统 18 2.1直序扩频通信系统框图18 2.2直接序列扩频信号的产生原理18 2.3直接序列扩频原理20 2.4直接序列扩频信号的实现方法21 3用编程来实现直序扩频通信系统23 3.1直接序列扩频系统与PSK调制23 3.2信号解调 24 3.3差错概率 26 4实验28 4.1 Monte Carlo仿真28 4.2 SIMULINK仿真30 结论 36 致谢 37 参考文献 38 附录1直扩程序M-文件40 附录2直扩-SIMULINK动态仿真模框图43
扩频通信技术(简称扩频通信)是一种新兴的高科技通信技术，具有大容量、抗干扰、低截获功率等特点以及可实现码分多址(CDMA)等优点，在军事和民用通信系统中都得到了广泛的应用，并成为下一代移动通信的技术基础。在扩频通信系统中，直序扩频的应用最为广泛。首先介绍扩频通信的基本原理及组成，重点论述了直序扩频通信在通信系统中的使用。 MATLAB因具有强大的数学计算、算法推导、建模仿真和图形绘制等功能而广泛应用于各领域，本文利用MATLAB的M语言进行编程、仿真，从而对CDMA无线通信系统的性能进行了分析。 在此基础上，通过实例介绍了建立系统仿真模型的方法。利用MATLAB 软件对CDMA无线通信系统的性能进行了分析。可见利用MATLAB/SIMULINK进行系统仿真简单、方便、形象、具体，是系统仿真较好软件之一。 关键词： 直序扩频通信系统；PN序列产生器；误码率；仿真；MATLAB；干扰
基于MATLAB的直接序列扩频通信系统仿真 1.实验原理：直接序列扩频（DSSS）是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调 制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解扩，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN码（伪噪声码）进行摸二加。例如说在发射端将"1"用11000100110，而将"0"用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是11000100110就恢复成"1"是00110010110就恢复成"0"，这就是解扩。这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10DB以上，从而有效地提高了整机倍噪比。 1.1 直扩系统模型 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，在接收端用与发送端相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信号。对干扰信号而言，与伪随机码不相关，在接收端被扩展，使落入信号通频带的干扰信号功率大大降低，从而提高了相关的输出信噪比，达到了抗干扰的目的。直扩系统一般采用频率调制或相位调制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，本实验中采取BPSK方式。 直扩系统的组成如图1所示，与信源输出的信号a(t)是码元持续时间为Ta的信息流，伪随机码产生器产生伪随机码c(t)，每个伪随机码的码元宽度为Tc (Tc< 直接序列扩频通信系统抗干扰性能分析 直接序列扩频通信系统抗干扰性能分析 在现代战争中，通信对抗扮演着越来越重要的角色。随 着计算机技术、微电子技术等大量高新技术的应用，军事通信获得了长足的发展，尤其是跳频、扩频等一些新的通信手段应用之后，使得通信频谱越来越宽，通信的反侦察、抗干扰能力越来越强，迫使各国加紧对通信对抗技术以及装备的研制。直接序列扩频通信由于其优良的多址接入、低截获概率、抗干扰和强保密等特性，使得它在军事通信、卫星通信和民用领域得到了广泛应用。在电子对抗中，对扩频通信的有效干扰成为制胜关键。 第一章研究背景介绍 1.1直扩通信研究背景 现代战争首先是电子战，在电子战中失去优势的一方，将导致通信中断，指挥失灵等，从而丧失战争主导权。两次海湾战争，前南斯拉夫战争以及阿富汗战争都是很好的佐证。因此，通信对抗作为C4ISR系统的核心，越来越受到各国的重视。通信对抗属于电子对抗，它包括通信侦察、通信干扰等主要对抗措施。通信对抗的目的在于：侦收和截获敌方信息，测量有关技战术参数；采用各种干扰方式阻止敌方正常通信并抑制敌方对我方的干扰，保证我方通信系统有效工作。 扩频通信作为新型的通信方式，具有优良的抗干扰、抗衰落和抗多径性能及频谱利用率高、多址通信等诸多优点，并被广泛地应用于军事通信领域，极大地提高了通信系统的抗截获和抗干扰能力。因此，扩频通信系统成为干扰方的首要作战目标，同时，扩频通信的抗干扰、抗截获、抗侦破特性给干扰方带来了巨大的困难。为取得现代电子战的胜利，针对扩频通信系统研究高效的干扰方式，如何有效的干扰成为取得现代电子战胜利的重要一环，对战时通信对抗具有重要意义。 1.2直扩通信的军事应用情况 1）直扩通信技术在舰艇卫星通信系统上应用广泛。国外舰艇卫星通信系统和国内舰艇卫星通信系统均采用码分多址通信方式，使用C波段。这样网络组织与撤收灵活，通信质量高，频道使用少。从目前使用看，这种方式充分发挥了直接序列扩频通信的特点，是扩频通信应用成功的范例。另外，美军使用的联合战术信息分发系统也使用直接扩频技术，主要用于在战术作战环境中进行抗干扰、发布保密数字信息，具有容纳用户数多和交互数据量大的特点，能快速保密地交换指挥控制信息和敌方战术设备的状态参数。 2）直扩通信技术在军用战术移动通信电台、数据分发系统中发挥重要作用。1996年美军演示了SICOM公司研制 直接序列扩频通信系统的误码率仿真 直接序列扩频通信系统的误码率仿真 1．引言 扩展频谱通信系统是将基带信号的频谱扩展至很宽的频带上，然后再进行 传输的一种通信系统,即将待传送的信息数据用伪随机编码调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。 扩频通信的基础理论根据信息论中的shannon 公式 ） （N S B C /1log 2+= 式中，C 是系统的信道容量，B 是系统信道带宽,N 是噪声功率,S 为信号的功率,S/N 即为信噪比。 Shannon 公式表明了一个系统信道无误差的传输信息的能力与存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的系统信道带宽之间的关系。该公式说明了两个极为重要的概念：一是在一定的信道容量条件下，可以用减少发送信号功率、增加带宽的方法来达到信道容量的要求；另一个是可以采用减少带宽而增加信号功率的方法来达到信道容量的要求。这也就说明了信道容量可以通过带宽与信噪比的互换来保持不变。在实际的工程应用中，改变信号的功率并不容易，相比较而言，扩展信号的带宽更容易操作，所以，要提高信道容量，采用增加信号的带宽比提高信号功率的方法要有效的多。 由于扩频通信系统可以在信号功率远低于噪声功率的环境中工作，因此扩 频通信系统具有抗干扰能力强，保密性强等优点，在现在通信领域内的应用越 来越广泛。 2．系统概述 本次仿真实验是以MATLAB 为仿真平台，信号是8位双极性二进制信号,由 1和-1组成。随后对产生的双极性信号进行时域抽样，得到基带信号s ，是一组1024位的信息码。伪随机序列由mgen 函数产生，共有1024个码元。对已得到的基带信号进行扩频调制，直接把基带信号S 与产生的伪随机序列相乘，得到扩频信号。然后对已作扩频处理的信号作BPSK 载波调制，得到发射信号。发射信号通过存在高斯白噪声的信道，到达接到端，接收端首先对信号进 直接序列扩频系统的Matlab/Simulink仿真 摘要：本文利用Matlab/Simulink对直接序列扩频系统进行了仿真，对其原理进 行了相关的说明。读者可以通过对本文的阅读对直接序列扩频的相关原理有一定的了解。 关键字：扩频通信直接序列扩频 一、仿真的意义 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。 二、直接序列扩频的原理 扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)是将待传送的信息数据用伪随机编码(扩频序列：Spread Sequence)调制，实现频谱扩展后再传输而接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。扩频通信具有抗干扰能力强、抗噪声、保密性强、功率谱密度低，具有隐蔽性和较低的截获概率、可多址复用和任意选址、高精度测量等优点。 根据扩展频谱方式的不同，可以将扩频通信系统分为直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)工作方式，简称直扩(DS)方式；跳变频率(Frequency Hopping)工作方式，简称跳频(FH)方式；跳变时间(Time Hopping)工作方式，简称跳时(TH)方式；宽带线性调频(Chirp Modulation)工作方式，简称Chirp方式和各种混合方式。 直接序列(DS-Direct Scquency)扩频，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。直接序列扩频是扩频通信系统最基本的工作方式。 假设信源序列对应的双极性波形为a(t)，其电平取值为±1 ，码元速率为Rabps，码元宽度为Ta=1/Ra/秒。扩频所使用的伪随机序列c(t)也是电平取值为±1 的双极性波形，伪随机序列（PN序列）的码元也称为码片（chip），码片速率设为Rcchip/s，对应的码片宽度就是Tc=1/Rc/秒。对于双极性波形而言，扩频过程等价于数据流a(t)与伪随机序列c(t)相乘的过程，扩频输出序列设为d(t)，也是取值为±1 的双极性波形，其速率等于码片速率。扩频序列经过调制后得到调制输出信号s(t)送入信道。对于BPSK调制，发送的信号就相当于是数据流与伪随机序列相乘后再乘于一个高频的余弦信号。在接收端，接收到的信号中有包含了有用信号s(t)及各种干扰J(t)和噪声n(t)。由于接收端采用相关解扩，即将s(t)J(t)n(t)和本地PN序列c(t)相乘，只有有用信号的频谱能够被还原为窄带信号，其他的噪声和干扰的频谱只会被展宽，当信号通过窄带滤波器后只有一小部分被展宽了的频谱会混进有用信号中，由此大大增强了其抗干扰的能力。 三、仿真的系统与结果 此处是对直接序列扩频通信系统的仿真。假设该系统以BPSK方式调制，数 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）开题报告 题目：直接序列扩频通信系统的设计与仿真实现 系（部）应用电子与通信技术 专业通信工程 学生薛光宇 学号24 班号0992222 指导教师周凯 开题报告日期2012.10,22 哈工大华德学院 说明 一、开题报告应包括下列主要内容： 1．通过学生对文献论述和方案论证，判断是否已充分理解毕业设计（论文）的内容和要求 2．进度计划是否切实可行； 3．是否具备毕业设计所要求的基础条件。 4．预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施； 5．主要参考文献。 二、如学生首次开题报告未通过，需在一周内再进行一次。 三、开题报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在系（部）保存，以备检查。指导教师评语： 指导教师签字：检查日期： 一、课题题目和课题研究现状 课题题目：直接序列扩频通信系统的设计与仿真实现。 研究现状：目前扩频技术中研究最多的对象是CDMA技术，其中又以码捕获技术和多用户检测（MUD）技术代表了目前扩频技术研究的现状。 1．码捕获 同步的实现是直扩系统中一个关键问题。只有在接收机将本地产生的伪码和接收信号中调制信息的伪码实现同步以后，才有可能实现直序扩频通信的各种优点。同步过程分为两步来实现:首先是捕获阶段，实现对接收信号中伪码的粗跟踪；然后是跟踪阶段，实现对伪码的精确跟踪。目前的研究主要集中在码捕获过程。 2, 多用户检测 CDMA系统容量受到来自其他用户的多址干扰的限制，多用户检测能够利用这些多址干扰来改善接收机的性能，因此是一种提高系统容量的有效方法。传统的CDMA 接收机是由一系列单用户检测器组成，每个检测器都是与特定扩频码对应的相关器，它并没有考虑多址干扰的结构，而是把来自其它用户的干扰当成加性噪声，因此当用户数量增加时，其性能急剧下降。通过对所有用户的联合译码可以极大地改善CDMA系统的性能。但是最优的多用户接收机，其复杂度随用户数量成指数增长，因此在实际通信系统中几乎不可能实现。这样寻找在性能和复杂度之间折中的次最优多用户检测器成为研究的热点 二、目的及意义 通过对该课题的研究，了解科研学术论文的撰写流程，并且将自己所学的理论知识运用到论文中，全面多角度的分析该领域的发展现状，同时提高自己的思维能力，对搜集的数据进行恰当处理和准确分析，对大学本科四年学习成果进行有效的检验，并且进一步提高自学能力和自主进行科学研究的水平。 三、课题的基本内容 所谓直接序列扩频（DS），就是直接用具有高速率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。而接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信息。 摘要 由于直接序列扩频技术所具有的优点，它在无线电通讯中得到了广泛的应用。本文主要介绍了直接扩频技术的原理，m序列的产生以及m序列发生器的结构和反馈系数，直接扩频信号的相关接收机的组成及解扩方式、直扩信号的相关处理。以及直扩信号的同步。在上述理论基础上，用Intersil公司生产的一系列芯片对直接扩频系统进行了实现，其中主要介绍了HFA3824型专用扩频电路的主要性能和用法以及在扩频通信中的应用与实现。还对HFA3524、HFA3724进行了一定的介绍，简要说明了其内部结构和外围电路以及在扩频通信中的应用。 关键字扩频通信，无线电通信，实现，应用 ABSTRACT Because of its merits .The direct sequence spread spectrum (DS SS) technology is applying widely in wireless communication. The principle of the direct sequence spread (DS SS) technology, the generation of m-sequence, the structure of m-sequence generator and the feedback coefficients of it, the de-spread mode of the correlation receiver of the direct spread spectrum single and the correlation process and the synchronization of the direct spread spectrum single are described. Family chip that is produced by Intersil Company is used to realize the direct spread spectrum system on the basis of the above-mentioned theories. The performances and the methods of applications of the Intersil’s application-specific spread spectrum circuit (HFA3824A), and its applications and realization in spread spectrum communications are mainly described. The interior structure and the peripheral circuit of HFA3524 and HFA3724, and its applications in spread spectrum communications are briefly described as well. KEY WORDS spread spectrum communications，wireless communication，realization，applications 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 基于Simulink直接序列扩频通信系统 设计 Direct Sequence Spread Spectrum Communication Systems Design Based on Simulink 摘要 直接序列扩频通信系统(DSSS)因其抗干扰性强、隐蔽性好、易于实现码分多址(CDMA)、抗多径干扰、直扩通信速率高等众多优点，而被广泛应用于许多领域中。 本文设计了一种基于Simulink的直接序列扩频通信系统。首先对直接序列扩频通信系统从应用背景、特点、意义和发展几个方面进行了研究，然后从直接序列扩频通信系统的基本理论、基本原理、性能和扩频通信系统的同步原理等方面阐述了直接序列扩频通信系统，并对直接扩频通信系统进行了仿真研究和理论分析，达到了预期的效果。本文从理论上分析了直接序列扩频通信系统的抗干扰性能。 本系统包括信号生成部分、发送部分、接收部分、调制和解调、加扩与解扩五个部分。并以BPSK系统为例，给出了误码率理论分析结果，达到了预期的效果。本文研究的直接序列扩频通信系统，为以后的频谱通信系统打下了基础。 关键词：直接序列扩频通信系统MATLAB仿真Simulink模块仿真 Abstract Direct sequence spread spectrum communication system (DSSS) because of its strong anti-interference, easy to conceal and easy to realize code division multiple access (CDMA), fight multipath interference, straight expansion communication rate higher numerous advantages, is widely used in many fields. This paper introduces a design of Simulink based on the direct sequence spread spectrum communication system. First to direct sequence spread spectrum communication system from application background, features, significance and the development of a research, and then from the direct sequence spread spectrum communication system, the basic theory of basic principle, performance and spread spectrum communication system of synchronous principle, this paper describes direct sequence spread spectrum communication system, and the directly spread spectrum communication system simulation and theory analysis, achieve the expected effect. The paper theoretically analyzes the direct sequence spread spectrum communication system of anti-jamming performance. This system includes signal generation part, sending part, receiving part, modulation and demodulation, add expansion and solution expansion of five parts. And with BPSK system as an example, the theoretical analysis results are ber, achieve the expected effect. This paper studies the direct sequence spread spectrum communication system, for the following spectrum communication system laid a foundation. Keywords: Direct sequence spread spectrum communication system Simulink MATLAB Simulation 直接序列扩频通信系统仿真 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)，它和光纤通信、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)和蓝牙技术等使用的关键问题。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，广泛使用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。直到80年代初才被使用于民用通信领域。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，扩频技术现已广泛使用于蜂窝电话、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。 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使用，扩频通信在技术上已迈上了一个新的台阶，不仅在军事通信中占有重要地位，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使用，将所学的知识进行归纳和总结，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。 扩频通信实验 实验名称：基于m序列的直接序列扩频 专业班级：通信111501班 学生姓名：穆琦沈傲立孙琳王瑞学熊晓倩 学号：201115040111 13 16 20 27 指导教师：郑秀萍 时间：2014.10.29 1 需求分析 在通信发射端将载波信号展宽到较宽的频段上;在接收端,用同样的扩频码序列进行解扩和解调,把展宽的信号还原成原始信息.通过扩展频谱的相关处理,大大降低了频谱的平均能量密度,可在负信噪比条件下工作,获得了高处理增益,从而降低了被截获和检测的概率,避免了干扰影响.通过仿真模型结果分析抗噪声性能结果。 2 概要设计 扩频通信系统分为直接序列扩频系统、跳频扩频系统、跳时扩频系统和混合式扩频系统。直接序列扩频系统，又称“平均”系统或伪噪声系统，就是采用高码率的扩频码序列PN 码(伪随机码),在发送端与编码数据信号进行模2 加,产生一扩频序列,这一码序列由于码元很窄,占用了很宽的频带,达到扩频的目的,然后用扩频序列去调制载波并予以传输。在接收端接收到的扩频信号经高频放大混频之后,用与发端相同且同步的伪随机码对扩频信号进行相关解扩,由于收发端伪随机码的相关系数为1,故可以完全恢复所传的信息,而干扰和噪声由于与接收机伪 随机码不相关,在相关解调时大大降低进入信号通频带内的干扰。它是目前应用较广泛的一种扩展频谱系统。在国外已获得成功的空间探测器“喷气推进实验室（JPL）测距技术”就是一种直接序列调制，TATS-1 军用卫星中的扩展频谱多址(SSMA)系统等都使用DSSS。 直接序列扩频系统的接收一般采用相关接收，并分成两步，即解扩和解调。在接收端，接收信号经过数控振荡器放大混频后，用与发射端相同且同步的由M 序列发生器产生的伪随机码对中频信号进行相关解扩，把扩频信号恢复成窄带信号，然后再由基带滤波器进行解调，最后恢复出原始信息序列。扩频与解扩过程中,利用PN序列生成器模块( PN Sequence Generator ) ,产生6级、传输速率500b/s的PN伪随机序列来达到扩频和多址接入效果,这里扩频增益为50倍.扩频的运算是信息流与PN码相乘或模二加的过程.解扩的过程与扩频过程完全相同,即将接收的信号用PN码进行第二次扩频处理.要求使用的PN码与发送端扩频用PN码不仅码字相同,而且相位相同.否则会使有用信号自身相互抵消.解扩处理将信号压缩到信号频带内,由宽带信号恢复为窄带信号.同时将干扰信号扩展,降低干扰信号的谱密度,使之进入到信息频带内的功率下降,从而使系统获得处理增益,提高系统的抗干扰能力.调制与解调使用二相相移键控PSK方式. 为了方便分析, 我们可对系统作如下假设: 系统各用户同步;系统各用户功率相同;仅考虑系统MAI和白噪声干扰引起的误码, 忽略信号传输、调制解调过程中的误码。 3 开发工具和编程语言 开发工具： 直接序列扩频通系统仿真 一、课程设计目的 学习扩频通信系统的原理，理解扩频通信系统性能能指标的意义，学会分析扩频通信系统性能能指标的方法。学会根据给定的系统参数和性能，设计扩频通信系统的方法。 二、课程设计基本要求 1、学会MATLAB的使用和MATLAB的程序设计方法； 2、掌握扩频通信系统的原理； 3、理解扩频通信系统性能指标的意义； 4、能够用Monte Carlo仿真估计直接序列扩频通信系统的性能。 三、课程设计内容 1、讨扩频通信系统的原理，分析直接序列扩频通信系统的性能； 2、讨论根据给定的系统参数和性能，设计扩频通信系统的方法； 3、通过Monte Carlo仿真，说明直接序列扩频通信系统在抑制正弦干扰方面的有效性。仿真系统的方框图如图： 四、理论基础 4.1扩频通信的背景 扩展频谱通信是建立在Claude E．Shannon的信息论基础之上的一种新型的通信体制。由于扩频通信体制具有抗干扰能力强、截获率低、码分多址、信号隐蔽、测距和易于组网等一系列优点，自从问世之后便引起了世界各国的极大关注，并率先应用在军事通信中。随着近年来大规模、超大规模集成电路和微处理器技的广泛应用，以及一些新型器件的应用，扩频技术的应用形成了新的高潮。事实上，扩频通信已成为电子对抗环境下提高通信设备抗干扰能力的最有效的手段，并在近十几年来爆发的几场现代化战争中发挥了巨大的威力。随着CDMA扩频通信技术在民用通信中的深入应用和不断渗透，以及在卫星通信、深空通信、武器制导、GPS全球定位系统和跳频通信等民用和国防民事通信的强烈需求下，扩谱通信的地位越来越重要了。 4.2直接序列扩频通信原理理论基础 直接序列扩频（DSSS）是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解扩，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN码（伪噪声码）进行摸二加。例如说在发射端将"1"用11000100110，而将"0"用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是11000100110就恢复成"1"是00110010110就恢复成"0"，这就是解扩。这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10DB以上，从而有效地提高了整机倍噪比。 直接序列扩频通信系统仿真程序 杨晶超s2******* >> code_length=20; %信息码元个数 >> N=1:code_length; >> rand('seed',0); >> x=sign(rand(1,code_length)-0.5); %信息码 >> for i=1:20 s((1+(i-1)*800):i*800)=x(i); %每个信息码元内含fs/f=800个采样点end 生成的信息码的波形图如图1所示。 图1 信源信息码 >> %产生伪随机码，调用的mgen函数见附录 >> length=100*20; %伪码频率5MHz,每个信息码内含5MHz/50kHz=100个伪码>> x_code=sign(mgen(19,8,length)-0.5); %把0,1序列码变换为-1,1调制码 >> for i=1:2000 w_code((1+(i-1)*8):i*8)=x_code(i); %每个伪码码元内含8个采样点 end 生成的PN码波形如图2所示。 >> %扩频 >> k_code=s.*w_code; %k_code为扩频码扩频码如图3所示。 图2 PN码 图3 扩频码>> %调制 >> fs=20e6; >> f0=30e6; >> for i=1:2000 AI=2; dt=fs/f0; n=0:dt/7:dt; %一个载波周期内采样八个点 cI=AI*cos(2*pi*f0*n/fs); signal((1+(i-1)*8):i*8)=k_code((1+(i-1)*8):i*8).*cI; end PSK调制后的波形如图4所示。 图4 PSK调制后的波形 >> %解调 >> AI=1; >> dt=fs/f0; >> n=0:dt/7:dt; %一个载波周期内采样八个点>> cI=AI*cos(2*pi*f0*n/fs); >> for i=1:2000 signal_h((1+(i-1)*8):i*8)=signal((1+(i-1)*8):i*8).*cI; end 解调后的波形如图5所示。 扩频通信的理论基础 1.1扩频通信的基本概念 通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。 通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。 通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。由于信息在传输过程中受到干扰，收到的信息与发出的信息并不完全相同。可靠性就是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度。因此，可靠性决定于系统抵抗干扰的性能，也就是说，通信系统的可靠性决定于通信系统的抗干扰性能。在模拟通信系统中，传输的可靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。在数字通信系统中，传输的可靠性是用信息传输的差错率来描述的。 扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了应用。近年来，扩展频谱通信技术的理论和应用发展非常迅速，在民用通信系统中也得到了广泛的应用。 扩频通信是扩展频谱通信的简称。我们知道，频谱是电信号的频域描述。承载各种信息（如语音、图象、数据等）的信号一般都是以时域来表示的，即信息信号可表示为一个时间的函数)(t f 。信号的时域表示式)(t f 可以用傅立叶变换得到其频域表示式)(f F 。频域和时域的关系由式(1-1)确定： ?∞ ∞--=t e t f f F ft j d )()(π2 ?∞ ∞-=f e f F t f ft j d )()(π2 (1-1) 函数)(t f 的傅立叶变换存在的充分条件是)(t f 满足狄里赫莱(Dirichlet)条件，或在区间(-∞，+∞)内绝对可积，即t t f d )(?∞ ∞-必须为有限值。 扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息信号)(t f 无关）扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而到达传输信息目的的通信系统。也就是说在传输同样信息信号时所需要的射频带宽，远远超过被传输信息信号所必需的最小的带宽。扩展频谱后射频信号的带宽至少是信息信号带宽的几百倍、几千倍甚至几万倍。信息已不再是决定射频信号带宽的一个重要因素，射频信号的带宽主要由扩频函数来决定。 由此可见，扩频通信系统有以下两个特点： (1) 传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽； (2) 传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常是伪随机（伪噪声）编码信号。 以上两个特点有时也称为判断扩频通信系统的准则。 成绩评定表 课程设计任务书 摘要 直接序列扩频(DSSS—Direct Sequence Spread Spectrum)技术是当今人们所熟知的扩频技术之一。这种技术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。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。直接序列扩频通信系统（DS-CDMA）因其抗干扰性强、隐蔽性好、易于实现码分多址（CDMA）、抗多径干扰、直扩通信速率高等众多优点，而被广泛应用于许多领域中。针对直接序列扩频通信广泛的应用，本文用Matlab仿真程序画出调制信号、载波、已调信号、相干解调之后信号的波形以及功率频谱密度，分析所设计系统性能，理解其原理。用 Matlab-Simulink仿真建立基于相干解调的直接序列扩频通信系统仿真模型，详细叙述模块参数的设置。先对直接序列扩频系统原理进行介绍，然后基于Simulink 的仿真，并对仿真结果做了详细的讲解分析，使其更加形象和具体。 关键词:直接序列扩频码分多址 MATLAB仿真 SINMULINK模块仿真 I 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 (7) 6结果分析 (12) 7 参考文献 (15) II 直接序列扩频通信系统的仿真 1.课程设计目的 （1）培养独立开展科研的能力和编程能力。 （2）掌握用MATLAB实现信号的PM调制。 （3）掌握MATLAB软件的使用。 2.课程设计要求 （1）掌握MATLAB使用方法，利用软件绘制图像。 （2）程序设计合理、能够正确运行。 3.相关知识 3.1扩频通信概念及分类 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频带宽远大于信息本身带宽的 一种通信方式。 主要有以下几类： 1直接序列扩频 简称直扩（DS）。所传送的信息符号经伪随机序列（或称伪噪声码）编码后对载波进行调制。伪随机序列的速率远大于要传送信息的速率，因而调制后的信号频谱宽度将远大于所传送信息的频谱宽度。 2载波频率跳变扩频 简称跳频（FH）。载荷信息的载波信号频率受伪随机序列的控制，快速地在给定的频段中跳变，此跳变的频带宽度远大于所传送信息的频谱宽度。 3跳时（TH） 将时间轴分成周期性的时帧，每帧内分成许多时片。在一帧内哪个时片发送信号 1 直接序列扩频通信系统仿真程序 杨晶超 S2******* >> code_le ngth=20; >> N=1:code_le ngth; >> ran d('seed',0); >> x=sig n(ran d(1,code_le ngth)- 0.5); >> for i=1:20 s((1+(i-1)*800):i*800)=x(i); end %信息码元个数 %信息码 %每个信息码元内含fs/f=800个采样点 >> %产生伪随机码，调用的 mgen 函数见附录 >> length=100*20; %伪码频率5MHz,每个信息码内含 5MHz/50kHz=100个伪码 >> x_code=sign(mgen(19,8,length)-0.5); %把 0,1 序列码变换为-1,1 调制码 >> for i=1:2000 w_code((1+(i-1)*8):i*8)=x_code(i); %每个伪码码元内含 8个采样点 end 生成的PN 码波形如图2所示。 >> %扩频 >> k_code=s.*w_code; 扩频码如图3所示。 1.5 所示。 □= C JXJC 1EUJ J 生成的信息码的波形图如图 1 1X00 “血 图1信源信息码 %k_code 为扩频码 PH J4 图3扩频码 >> %调制 >> fs=20e6; >> f0=30e6; >> for i=1:2000 AI=2; dt=fs/fO; n=0:dt/7:dt; % 一个载波周期内采样八个点 cl=AI*cos(2*pi*fO* n/fs); sig nal((1+(i-1)*8):i*8)=k_code((1+(i-1)*8):i*8).*cl; end □.6 d.2 a az ^.6 -0.0 ■I直接序列扩频通信系统抗干扰性能分析复习课程
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