直接序列扩频通信系统仿真设计

课程设计报告I移动通信课程设计报告题目直接序列扩频系统的SIMULINK仿真学院电子信息工程学院专业通信工程（本）学生姓名学号年级指导教师职称二〇一二年六月直接序列扩频通信系统仿真设计摘要：利用Matlab/Simulink对直接序列扩频系统进行了仿真，并对仿真结果做了详细的讲解分析。课程设计报告II先对直接序列扩频系统原理进行介绍，然后基于Simulink的发射机和接收机的仿真，同时对直接序列扩频系统的抗干扰能力与直接序列扩频系统的同步方法进行了相关仿真，最后在该系统中加入特定的干扰，进行测试，研究整个系统的抗干扰性能。关键词：通信系统；直接序列扩频；调制解调保密通信目录第一章绪论.........................................................................1课程设计报告III1.1课题背景及意义...............................................................11.2Simulink的简介..............................................................1第二章直接序列扩频通信原理.........................................................32.1扩频通信概念及分类...........................................................32.2直接序列扩频定义.............................................................32.3直接序列扩频的基本原理.......................................................32.4直扩系统的性能分析..........................................................52.4.1直扩系统的抗干扰性...................................................52.4.2直扩系统的抗多径干扰性能.............................................6第三章基于Simulink的发射机的仿真..................................................73.1直接序列扩频通信系统发射机的设计.............................................73.2基于Simulink的发射机的仿真..................................................83.3基于Simulink的接收机仿真设计...............................................12第四章直接序列扩频通信系统的抗干扰性能分析........................................17第五章CDMA系统仿真设计............................................................21第4章实验心得.....................................................................27参考书目...........................................................................28课程设计报告1第一章绪论1.1课题背景及意义扩展频谱通信是建立在ClaudeE．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。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。1.2Simulink的简介Simulink工作环境经过几年的发展，已经成为学术和工业界用来建模和仿真的主流工具包。在Simulink环境中，它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型图就如同用手在纸上画模型一样自如、方便，故用户只需进行简单的点击和拖动就能完成建模，并可直接进行系统的仿真，快速的得到仿真结果。它的主要特点在于：建模方便、快捷；（2）易于进行模型分析；（3）优越的仿真性能。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。Simulink模块库（或函数库）包含有Sinks（输出方式）、Sources（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connection（连接与接口）和Extra（其他环节）等具有不同功能或函数运算的Simulink库模块（或库函数），而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户还可以根据需要定制和创建自己的模块。用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于课程设计报告2运行仿真的批处理非常有用。采用Scope模块和其他的显示模块，可以在仿真进行的同时就可立即观看到仿真结果，若改变模块的参数并再次运行即可观察到相应的结果，这适用于因果关系的问题研究。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。模型分析工具包括线性化和整理工具，MATLAB的所有工具及Simulink本身的应用工具箱都包含这些工具。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脱离MATLAB而独立工作。课程设计报告3第二章直接序列扩频通信原理2.1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由伪码控制，由于时片宽度远小于信号持续时间从而实现信号频谱的扩展。4脉冲调频发信端发出射频脉冲信号，在每一脉冲周期中频率按某种方式变化。在收信端用色散滤波器解调信号，使进入滤波器的宽脉冲前后经过不同时延而同时到达输出端，这样就把每个脉冲5信号压缩为瞬时功率高、但脉宽窄得多的脉冲，因而提高了信扰比。这种调制主要用于雷达，但在通信中也有应用。6混合扩频几种不同的扩频方式混合应用，例如：直扩和跳频的结合（DS/FH），跳频和跳时的结合（FH/TH），以及直扩、跳频与跳时的结合（DS/FH/TH）等。2.2直接序列扩频定义直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum）工作方式，简称直扩方式（DS方式）。就是用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。直接序列扩频方式是直接用伪噪声序列对载波进行调制，要传送的数据信息需要经过信道编码后，与伪噪声序列进行模2和生成复合码去调制载波。2.3直接序列扩频的基本原理课程设计报告4直接序列扩频（directsequencespreadspectrum）直接用具有高码片（chip）速率的扩频码序列去扩展数字信号的频谱。简称直扩（DS）。在接收端，用相同的扩频码序列将频谱展宽的扩频信号还原成原始信号。图1-1直接序列扩频通信系统的原理框图图1-1是直接序列扩频通信系统的原理框图。欲传输的数字信号与码片速率很高的扩频码进行调制，其输出为频谱带宽被扩展的信号，这个过程称为扩频。扩展频谱信号再变换为射频信号发射出去。在接收端，射频信号经过变频后输出中频信号，通常是N个发射信号和干扰及噪声的混合信号。它与发端相同的本地扩频码进行扩频解调（解扩），使宽带信号变为窄带信号。再经信息解调器恢复成原始数字信号。扩展频谱的特性取决于所采用的扩频码序列的码型和码片速率。为了获得具有近似噪声的频谱，采用伪噪声（PN）序列作为扩频系统的扩频码。扩频和解扩的频谱变化过程如图1-2所示。课程设计报告5图1-2扩频和解扩的频谱变化采用码片速率很高的PN码序列进行扩频调制，扩频信号的带宽可达1~100MHz。通过扩频解扩处理能够提高抗干扰能力。扩展频谱信号在接收端做相关解扩处理，有用信号被解扩为窄带谱信号；宽带无用信号与本地伪码不相关，因此不能解扩，仍为宽带谱；窄带干扰信号则被本地伪码扩展成为宽带谱。用一个窄带滤波器排除带外的干扰，这样窄带内的信噪比就大大提高了。2.4直扩系统的性能分析2.4.1直扩系统的抗干扰性直扩系统最早应用是在军事通信中作为很强抗干扰性的通信手段。直扩系统对窄带干扰、宽带干扰等，都具有抗干扰能力，其抗干扰能力大小就是前面提供的扩频处理增益Gp，Gp越大，抗干扰能力就越强。下面就来分析直扩系统抗宽带干扰和抗窄带干扰的原理。图4-3为直扩系统抗宽带干扰的示意图。这里的带宽干扰是泛指的与扩频信号不相关的，在CDMA通信网中，其他用户的信号就是一种带宽干扰。相关处理前，信号频谱是很宽的，经相关处理后，有用信息被解扩，其功率谱集中于信息带宽内，而带宽干扰通过相关器，其功率谱密度基本不变。由于解扩后必然连接窄带滤波器保证信号能顺利通过，对信号频带之外的各种干扰起到很大的抑制作用，从而提高了输出额信噪比。图4-3直扩系统抗带宽干扰的示意图对单频或窄带干扰，直扩系统有很强的抗干扰能力。图4-4（a）为解扩前的功率谱，窄带干扰功率很大，由于干扰与本地扩频码（PN码）是不相关的。对干扰来说，相关器起到扩展频谱的目的，功率谱密度就大大下降，其中对信号有害的干扰分量只有落入信息带宽部分，从而抑制了大部分干扰。由于有用信号能顺利通过窄带滤波器，因此提高了输出的信噪比。课程设计报告6图4-4直扩系统抗窄带干扰示意图2.4.2直扩系统的抗多径干扰性能多径信道就是发射机和接收机之间电波传播的路径不止一条。例如由于大气层的反射和折射，以及由于建筑物等对电波的反射都是形成多径信道的原因。不同的传播路径使电波在幅度上衰减不同，到达时间额延迟