直接扩频通信系统的设计与研究—毕业论文.doc

直接扩频通信系统的设计与研究 第一章 绪 论21.1 扩频通信系统发展概述21.2 仿真软件MATLAB概述32.1 扩频通信的理论基础32.2扩频通信系统的分类52.2.1 直接序列扩展频谱系统52.2.2 跳频扩频通信系统62.2.3频率跳变-直接序列混合系统7第3章 直接序列扩频通信系统分析83.1 直接序列扩频通信系统模型83.2 直接序列扩频通信系统抗干扰性能分析9第4章 直接序列扩频通信系统性能分析仿真104.1 抗正弦干扰仿真及结果分析104.1.1 建立抗正弦干扰仿真模型104.2 抗窄带干扰仿真及结果分析114.2.1 建立抗窄带干扰仿真模型114.2.2 仿真结果及其分析12 人类社会进入到了信息社会，通信现代化是人类社会进入信息时代的重要标志。扩频通信技术是现代通信系统中的一种新兴的通信方式，其较强的抗干扰、抗衰落和抗多径性能以及频谱利用率高、多址通信等诸多优点越来越为人们所认识，并被广泛地应用于军事通信和民用通信的各个领域，从而推动了通信事业的发展。文中主要阐述了扩频通信技术的理论依据和基本概念，结合扩频通信技术的分类和原理简单介绍了直接序列扩展频谱、跳频扩频通信系统、频率跳变-直接序列混合系统。并以伪随机码序列作为扩频函数的直接序列扩展频谱通信系统的模型为例，重点讨论其抗干扰能力，并在此理论基础上建立起直接序列扩频通信系统抗正弦干扰、抗窄带干扰的仿真模型。最后，简单概述了扩频通信的发展趋势，及它的两个主要应用。关键词：扩频通信, 直接序列扩频通信, 抗干扰, 仿真 第一章 绪 论1.1 扩频通信系统发展概述扩频通信(spread spectrum communication)是近几年内迅速发展起来的一种通信技术。在早期研究这种技术的主要目的是为提高军事通信的保密和抗干扰的性能，因此这种技术的开发和应用一直是处于保密状态。美国在20世纪50 年代中期，就开始了对扩频通信的研究，当时主要侧重在空间探测、卫星侦察和军用通信等方面。以后，随着民用通信的频带拥挤日益严重，又由于近代微电子技术、信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的快速发展，与扩频通信有关的器件的成本大大地降低，从而进一步推动了扩频通信在民用领域的发展金额应用，而且也使扩频通信的理论和技术也得到了进一步的发展。目前在军事上，它已经广泛应用于各种战略和战术通信的系统中，成为电子战中反干扰的一种重要的手段。扩频技术在军事应用上的最成功的范例可以以美国和俄国的全球卫星定位系统(GPS和GLONASS)以及美军的联合战术分布系统(JTIDS)为代表；GPS和GLONASS在民用上也都得到了广泛的应用，这些系统的技术基础就是扩频技术。扩频的码分多址技术应用于蜂窝移动通信中时，大大降低了噪声和衰落的影响，同时还避免了复杂的频率分配和时隙划分等技术上的困难，并可以省去保护频带或时隙，极大地提高了蜂窝通信系统中小区的频率复用度，使信号频谱利用率得到提高。1990年1月，国际无线电咨询委员会(CCIR,现为ITUR)在研究未来民用陆地移动通信系统的计划报告中已明确地建议采用扩频通信技术。美国已制定出了基于CDMA蜂窝技术的IS-95标准，Samsung、Motorola等公司也已相继推出了各自的CDMA移动通信商用实验网已开通运行，并取得了良好的效果。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。面对全世界范围内对移动通信日益增加的要求，CDMA将是无线通信中最主要的多址介入手段。在本世纪，扩频技术将得到更加广泛的应用。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。1.2 仿真软件MATLAB概述MATLAB原意为“矩阵实验室MATrixLABoratory”，它是目前控制界国际上最流行的软件，它除了传统的交互式编程之外，还提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据和图象处理、Windows编程等便利工具。MATLAB还配备了大量工具箱，特别是还提供了仿真工具软件SIMULINK。MATLAB在80年代一出现，首先是在控制界得到研究人员的瞩目。随着MATLAB软件的不断完善，特别是仿真工具SIMULINK的出现，使MATLAB的应用范围越来越广。随着MATLAB库函数和仿真工具箱的不断扩充，使其在系统仿真与分析、信号处理、图像处理等方面的应用越来越广泛。MATLAB 具有 3 大特点：（1）功能强大，包括数值计算和符号计算，计算结果和编程可视化，数学和文字统一处理，离线和在线皆可计算；（2）面友好，语言自然。MATLAB 以复数矩阵为计算单元，指令表达与标准教科书的数学表达式相近；（3）开放性强。MATLAB 有很好的可扩充性，可以把它当作一种更高级的语言去使用，可容易地编写各种通用或专用应用程序。正是由于 MATLAB 的这些特点，使它获得了对应用学科（特别是边缘学科和交叉学科）的极强适应力，并很快成为应用学科计算机辅助分析设计、仿真、教学乃至科技文字处理不可缺少的基础软件，成为欧美高等院校、科研机构教学与科研必备的基本工具。在 MATLAB 中，Simulink 是一个比较特别的工具箱，它具有两个显著的功能：Simu（仿真）与 Link（链接），是实现动态系统建模、仿真的一个集成环境。具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点，可大大提高系统仿真的效率和可靠性；同时进一步扩展了 MATLAB 的功能，可实现多工作环境间文件互用和数据交换。Simulink 提供了友好的图形用户界面（GUI），模型由模块组成的框图来表示，用户建模通过简单的单击和拖动鼠标的动作就能完成。Simulink 的模块库为用户提供了多种多样的功能模块，其中有连续系统（Continuous）、离散系统（Discrete）、非线性系统（Nonlinear）等几类基本系统构成的模块，以及连接、运算模块。而输入源模块（Sources）和接收模块（Sinks）则为模型仿真提供了信号源和结果输出设备。本文就是利用编制MATLAB仿真m文件进行直接序列扩频通信系统的性能仿真及其分析。 第2章 扩频通信及其分类2.1 扩频通信的理论基础在传统的无线电通信系统中，信号的格式的设计是：在保证通信质量的前提下，为了在系统所能使用的射频频带中能尽可能多地传输信息，所以要求信号的带宽不要过宽，一般信号带宽与信息的带宽是接近的，传统的无线电通信系统就是采用这种窄带信号(Sn)概念的系统，称之为窄带系统。在扩频通信系统中，信号格式的设计思想与窄带概念是信息论的奠基者Claude E.Shannon在20世纪40年代提出的。根据无线传输信道容量的理论公式：式中：C是信道可能传输的最大信息速率，即信道容量；W为信道带宽；N为白噪声的平均功率；P是信号的平均功率。从上式中可以看出：在信噪比很小的条件下，可以用增加带宽的办法来提高系统的抗干扰性能，以保证信道容量不变。换句话讲，在信道容量相同的条件下，宽带系统比窄带系统的抗干扰性能要好，所以当信噪比太小而且不能保证通信质量时，可以采用增加带宽的方法来改善通信质量。由于扩频技术在传输扩频信号时，并不增加发射信号的平均功率，仅是将要传输的信号的频带扩展后，再进行传输的。因此扩频通信系统在信道上传输的信号功率谱密度就很低。这种系统可以在信噪比很小的情况下，甚至在信号已被噪声淹没的情况下，仍可保持可靠的通信。另外，根据柯捷尔尼可夫关于信息差错传输概率的公式为：式中：为差错概率，E为信号能量，N0为噪声功率谱密度。式中：为T为信息持续时间，F为信息带宽因此，可通过提高处理增益GP降低对S/N的要求，在强干扰条件下保证可靠安全的通信。扩频通信的基本特点是传输信息所用的信号带宽远大于信息本身的带宽，也因为如此，扩频通信具有一些其它通信方式无法比拟的优越性：（1）扩频通信最为显著的优越性是其极强的抗干扰性。理论上讲它可以在信噪比为负值，即信号被噪声淹没的情况下，将信号提取出来。对于单频及多频都有比较强的抑制作用，即使采用同类型的信号干扰，也由于扩频码序列之间的不相关性，干扰不起太大作用。（2）扩频通信的另一个优越性是其隐蔽性好。由于扩频信号的频带较宽，所以信号的功率谱密度很低，敌方不容易发现信号的存在，在战争中，扩频信号的被截获率很低，可以进行隐蔽通信。从民用通信方面来说，由于扩频信号的隐蔽性好，它对目前使用的各中窄带通信系统干扰很小。理论和实验证明，在原有的窄带通信的频带内同时进行扩频通信，不需要分配另外的频段，即可实现。（3）扩频通信可以很容易地实现码分多址，提高频带的利用率。由于扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，利用不同码型的扩频码序列之间优越的自相关性和互相关性，对不同的用户分配不同的码型，使多个用户公用一个宽频带，提高了系统的容量。同时还有利于组网、选呼、增加保密性及解决新用户随时入网的问题。除此之外，扩频通信还具有良好的抗多经干扰的能力，使无线通信的性能变得更加可靠。除通信以外，扩频系统还可用于定时、定位及测距，应用在导航、雷达等系统中。2.2扩频通信系统的分类扩频通信系统的关键问题是在发信机部分如何产生宽带的扩频信号，在收信机部分如何解调扩频信号。根据通信系统产生扩频信号的方式，可以分为下列几种。2.2.1 直接序列扩展频谱系统直接序列扩展频谱系统（Direct Sequece Spread Spectrum Communication Systems，DS-SS），通常简称为直接序列系统或直扩系统，是用待传输的信息信号与高速率的伪随机码波形相乘后，去直接控制射频信号的某个参量，来扩展传输信号的带宽。用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。直接序列扩展频谱通信系统的简化方框图参见图2-1。在直接序列扩频通信系统中，通常对载波进行相移键控（Phase Shift Keying，PSK）调制。为了节约发射功率和提高发射机的工作效率，扩频通信系统常采用平衡调制器。抑制载波的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力也有利。在发信机端，待传输的数据信号与伪随机码(扩频码)波形相乘(或与伪随机码序列模2加)，形成的复合码对载波进行调制，然后由天线发射出去。在收信机端，要产生一个和发信机中的伪随机码同步的本地参考伪随机码，对接收信号进行相关处理，这一相关处理过程通常常称为解扩。解扩后的信号送到解调器解调，恢复出传送的信息。 时钟源 乘法器 调制器 发射机 载波 发生器 伪码 发生器 混频器 本地 振荡器 时钟源伪码 发生器 调制器 解调器 中频 滤波器数据数据(a)(b)图2-5 直接序列扩频通信系统简化图(a) 发射系统；(b) 接收系统2.2.2 跳频扩频通信系统跳频扩频通信系统是频率跳变扩展频谱通信系统（Frequecy Hopping Spread Spectrum Communication Systems，FH-SS）的简称，或更简单地称为跳频通信系统，确切地说应叫做“多频、选码和频移键控通信系统”。它是用二进制伪随机码序列去离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变。跳频系统可供随机选取的频率数通常是几千到个离散频率，在如此多的离散频率中，每次输出哪一个是由伪随机码决定的。频率跳变扩展频谱通信系统的简化方框图参见图2-6。 调制器 混频器 解调器 中频 滤波器数据数据 频率 合成器 伪码 发生器 时钟源(a)(b) 混频器 发射机 时钟源伪码 发生器 指令 译码器发中频振荡器 指令 译码器 频率 合成器图2-6 频率跳变扩频通信系统简化方框图(a) 发射系统；(b) 接收系统频率跳变扩频通信系统与常规通信系统相比较，最大的差别在于发射机的载波发生器和接收机中的本地振荡器。在常规通信系统中这二者输出信号的频率是固定不变的，然而在跳频通信系统中这二者输出信号的频率是跳变的。在跳频通信系统中发射机的载波发生器和接收机中的本地振荡器主要由伪随机码发生器和频率合成器两部分组成。快速响应的频率合成器是跳频通信系统的关键部件。跳频通信系统发信机的发射频率，在一个预定的频率集内由伪随机码序列控制频率合成器(伪)随机的由一个跳到另一个。收信机中的频率合成器也按照相同的顺序跳变，产生一个和接收信号频率只差一个中频频率的参考本振信号，经混频后得到一个频率固定的中频信号，这一过程称为对跳频信号的解跳。解跳后的中频信号经放大后送到解调器解调，恢复出传输的信息。在跳频通信系统中，控制频率跳变的指令码(伪随机码)的速率，没有直接序列扩频通信系统中的伪随机码速率高，一般为几十b/s几kb/s。由于跳频系统中输出频率的改变速率就是扩频伪随机码的速率，所以扩频伪随机码的速率也称为跳频速率。根据跳频速率的不同，可以将跳频系统分为频率慢跳变系统和频率快跳变系统两种。2.2.3频率跳变-直接序列混合系统频率跳变-直接序列混合系统可看作是一个载波频率作周期性跳变的直接序列扩频系统，其系统组成方框图见图1-11。乘法器数据混频器(b)解调器中频滤波器数据(a)调制器混频器发射机射频滤波器时钟源直扩码发生器本地振荡器混频器调制器频率合成器时钟源跳频码发生器直扩码发生器发中频振荡器频率合成器跳频码发生器指令译码器指令译码器图1-11频率跳变-直接序列混合扩频系统方框图(a) 发射系统；(b) 接收系统采用这种混合方式能够大大提高扩频系统的性能，并且有通信隐蔽性好、抗干扰能力强、频率跳变系统的载波频率难于捕捉，便于适应于多址通信或离散寻址和多路复用等特点，尤其在要求扩频码速率过高或跳频数目过多时，采用这种混合系统特别有利。 第3章 直接序列扩频通信系统分析3.1 直接序列扩频通信系统模型以伪随机码序列作为扩频函数的直接序列扩展频谱通信为例，来研究其系统模型，图3-1为其基本组成框图，由信号源输出的信号a(t)是码元持续为时间Ta的信息流，伪随机码产生器产生高速伪随机码C(t)，码元宽度为Tc将信息码a(t)与伪随机码C(t)进行相乘或模二加，产生一个速率与伪随机码速率相同的扩频信号，信号的频带得到扩展，再去调制载波，这样就可以得到已扩频的射频信号s(t)。在接收端，接收到的扩频信号经高频放大和混频后(图中已经略去)，用与发端同步的、且完全相同的伪随机码对中频扩频信号进行相关解扩(相乘)，将信号的频带恢复为信息码a(t)的频带，恢复出所传输的信息a(t)，完成信息的传输。对于干扰和噪声，由于与伪随机码不相关，接收机的相关解扩相当于又进行了一次扩频，将干扰信号和噪声的频谱扩展，降低了功率谱密度，这样就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪比提高，从而提高了系统的抗干扰能力。信 源扩频调制PN码振荡器带通滤波器基带滤波器待添加的隐藏文字内容3信息解调器相位调制器本地振荡器PN码产生器同步C(t)带宽 B=2R带宽r(t)接受端发送端图3-1 直接序列扩展频谱通信系统基本组成框图3.2 直接序列扩频通信系统抗干扰性能分析我们从扩频信号的频域来讨论它的抗干扰性，首先讨论下在没有干扰情况下扩频信号的功率密度谱函数。设扩频以后的信号是强度为1的双极性矩形脉冲随机序列，其码元宽度即为伪随机码的宽度T，发1码和发0码的概率p相等，都是1/2, 直接系列扩频信号的功率谱密度：得： 式中：和是0码和1码信号频谱。信号占用带宽为R=1/Tc，当伪随机码速越高，信号带宽越宽。如果用随机码对载波进行调制，得到相位键控信号P(t)，根据调制定理，已调信号的功率谱密度可写成：式中：A是数字信号与载波相乘后的总振幅；为发端载波频率，调制后信号占用频带为2R。可求出随机序列的自相关函数。在图3-1扩频接收机中，PN码发生器发出的伪码为K(t)，相位调制器输出(系数2是为了使输出信息信号完全恢复)。为接收端本振频率。基带滤波器带宽为r(等于信息速率)。如果接收到有用信号： 式中：S为信号功率；C(t)为信息码；m(t)为发送扩频随机码；为发端信号载波频率；为发端信号载波频率相位。很容易看出，当K(t)=m(t)即收发伪码相同时，且达到同步,K(t)m(t)=1。若此时收发载波同步,则：基带滤波器滤除高频分量，则接收信号：信息全部恢复出来，功率等于S。收信号的能量全部恢复出来。如果输入信号是各种干扰信号，则形成干扰。第4章 直接序列扩频通信系统性能分析仿真4.1 抗正弦干扰仿真及结果分析4.1.1 建立抗正弦干扰仿真模型我们在上面的理论基础上建立起直接序列扩频通信系统抗正弦干扰仿真模型如图4-1所示。模型中随机数发生器产生一系列二进制(±1)信息数据,每个信息比特重复Lc次,Lc对应每个信息比特所包含的伪码码片数。包含每一比特Lc次重复的序列与另一个随机数发生器产生的PN序列c(n)相乘，相当对信息进行了扩频调制。由于我们讨论的是在加性白噪声环境下的信道，所以用WGN产生高斯白噪声。然后加入方差为的高斯白噪声和形式为的正弦干扰,其中0<<,且正弦干扰信号的振幅满足条件A<Lc,在解调器进行与PN序列的互相关运算, 并且将组成各信息比特的Lc个样本进行求和(积分运算)。加法器的输出送到判决器,将信号和门限值0进行比较,确定传送的数据为+1还是-1,计数器用来记录判决器的错判数目。仿真结果如图4-2所示，误码率用对数表示。 均匀RNG 重复Lc次检测器PN码比较差错计数器WGN正弦发生器图4-1 直扩系统抗正弦干扰仿真模型4.1.2 仿真结果及其分析图4-2 直扩系统在不同振幅的正弦干扰下的误码率曲线仿真结果给出了由3个不同的正弦干扰振幅干扰下的误码率,同时也绘出无干扰时的误码率。在误码率运算中加性噪声的方差是固定的,总共进行了10000次运算而且在每次运算中,信号能量取值都是所需的信噪比要求。参考附录4，由仿真结果可知,在无干扰的情况下S/N=3dB时，系统就可达到语音质量为3(即PE10-3)的要求,在S/N=4dB时误码率就可达到0；在有干扰的情况下，从仿真曲线上可看出，对于不同的干扰幅度，当S/N达到一定值后，弯曲部分就比较弯，也就是说信噪比只要增加一点误码率就急剧下降。可见DSSS系统对单频正弦干扰有较强的抑制作用。4.2 抗窄带干扰仿真及结果分析4.2.1 建立抗窄带干扰仿真模型直扩系统的抗窄带性能仿真模型和上面模型大体相同，只是干扰信号不同罢了。这里我们用的是窄带高斯随机过程，由于其特性为，包络服从瑞利分布，相位服从均匀分布，股我们可以间接的产生窄带高斯随机过程。由于MATLAB没有直接产生瑞利分布的函数，这里我们借助均匀随机过程到瑞利分布随机过程映射的办法来产生服从瑞利分布的包络，具体过程参考附录34。仿真模型如图4-3所示。仿真的结果同样也是在不同信噪比下其误码率的曲线。同样误码率用对数表示。仿真结果如图4-4所示。 均匀RNG 重复Lc次检测器PN码比较差错计数器WGN窄带信号图4-3 直扩系统的抗窄带性能仿真模型4.2.2 仿真结果及其分析图4-4 直扩系统在窄带干扰下的误码率曲线仿真结果曲线如图4-4所示，同样参考附录4，从图可以看出当S/N=6dB后，系统得语音质量就可达到3。而且从曲线可以看出，S/N=2dB后曲线就比较弯曲，也就是说，当S/N=2dB后，信噪比增加一点就可以很大程度上减小误码率，提高系统的语音质量。且在S/N大约为8dB时误码率大约为0。可见系统对窄带干扰具有较好的抑制作用。