基于Matlab的直序列和跳频扩频通信系统仿真

1基于Matlab的直序列和跳频扩频通信系统仿真一、实验目的根据通信理论知识熟练的运用MATLAB进行直序列扩频和跳频扩频的仿真研究。二、实验内容1.Matlab/simulink通信系统仿真。2.用matlab实现直序列扩频和跳频扩频。三、实验平台硬件平台：笔记本电脑软件平台：windowsXP操作系统、MatlabR2014a四、扩频通信（一）理论基础通信技术和通信理论的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题开展的。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。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。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，决定于通信系统的抗干扰性。在模拟通信系统中，传输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，传输可靠性是用差错率来衡量的。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。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，即表示为一个时间的函数)(tf。信号的时域表示式)(tf可以用傅立叶变换得到其频域表示式)(F。频域和时域的关系由式(1-1)确定：deFtfdtetfFtjftjf2π2)(21)()()((1-1)函数)(tf的傅立叶变换存在的充分条件是)(tf满足狄里赫莱(Dirichlet)条件，或在区间(-∞，+∞)绝对可积，即dttf)(必须为有限值。2扩展频谱通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息码无关）扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，再利用相应的手段将其压缩，从而获取传输信息的通信系统。也就是说在传输同样信息时所需要的射频带宽，远远超过被传输信息所必需的最小的带宽。扩频后射频信号的带宽至少是信息带宽的几十倍、几百倍甚至几万倍。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。由上述可知，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。扩频通信系统最大的特点是其具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的能力。这里我们先定性地说明一下扩频通信系统具有抗干扰能力的理论依据。扩频通信的理论基础是香农公式，即信道的理论容量公式为：)1(log2NSWC(1-2)式（1-2）中，C为信道容量，单位为bps；W微信道带宽；)(/dBNS为信噪比。扩频通信将信道上带宽扩展许多倍以换取信噪比上的好处，增强了系统的抗干扰能力。假设C是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，对(1-2)式进行变换)1(ln44.1NSWC(1-3)对于干扰环境中的典型情况，当1NS时，对式(1-3)用幂级数展开，并略去高次项得NSWC44.1或SNCW7.0(1-4)由式(1-4)可看出，对于任意给定的噪声信号功率比NS，只要增加用于传输信息的带宽W，理论上就可以增加在信道中无误差地传输的信息率C。或者说在信道中当传输系统的信号噪声功率比NS下降时，可以用增加系统传输带宽W的办法来保持信道容量C不变。对于任意给定的信号噪声功率比NS，可以用增大系统的传输带宽来获得较低的信息差错率。扩频通信系统正是利用这一原理，用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目的。扩频通信系统的带宽比常规通信体制大几百倍乃至几万倍，所以在相同信噪比的条件下，具有较强的抗干扰的能力。香农公式指出，在高斯噪声的干扰下，在限平均功率的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。这是因为高斯白噪声信号具有理想的自相关特性，其功率谱为3fNfS-2)(0，(1-5)它的自相关函数为：)(2/)()(0π2τδNdfefSτRfτj(1-6)其中：)(为时延，当0时)(趋于无穷，当0时0)(。白噪声的自相关函数具有)(函数的特点，说明它具有尖锐的自相关特性。但是对于白噪声信号的产生、加工和复制，迄今为止仍存在着许多技术问题和困难。然而人们已经找到一些易于产生又便于加工和控制的伪噪声码序列，它们的统计特性逼近于高斯白噪声的统计特性。假设某种伪噪声序列的周期为N，且码元都是二元域1,1上的元素。一个周期为N，码元为ic的伪噪声二元序列ic的归一化自相关函数为)(mod01)(mod011)(1NτNNτccNτRNiiic(1-7)式中0，1，2，3，…当伪噪声序列周期N取足够长或N→∞时，式(1-7)可简化为)(mod001)(mod01)(NτNNττRc(1-8)比较式(1-6)和式(1-8)，看出它们比较接近，当序列周期(长度)足够长时，式(1-8)就逼近式(1-6)。伪噪声序列具有和白噪声类似的统计特性，也就是它逼近于高斯信道要求的最佳信号形式。用伪噪声码扩展待传输基带信号频谱的扩频通信系统，优于常规通信体制。（二）实现方法扩频通信与一般的通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接收端增加了扩频解调的过程，扩频通信按其工作方式不同主要分为直接序列扩频系统、跳频扩频系统、跳时扩频系统、线性调频系统和混合调频系统。直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum，DS-SS）跳频扩频（FrequencyHoppingSpreadSpectrum，FH-SS）跳时扩频（TimeHoppingSpreadSpectrum，TH-SS）直接序列扩频系统采用高码速率的直接序列（DirectSequence，DS），伪随机码在发端进行扩频，在收端用相同的码序列去进行解扩，然后将展宽的扩频信号还原成原始信息。所谓跳频是指发送信号的载波按照某一随机跳变图样在跳变，跳频信号具有时变、伪随机的载频。跳频扩频系统在很多方面类似于将带宽为多个用户划分为多个信道的FDMA系统。在某个时间点上，某一用户的跳频信号只占用单个频率信道。跳频扩频系统和FDMA系统的区别在于：跳频信号在很短的周期间隔内改变载频。跳频系统又分为快4跳频和慢跳频两种。如果信号跳频的速率等于或接近于符号速率，则该系统称为快跳频系统；如果信号跳频的速率低于符号速率，则称为慢跳频系统。跳时是使发射信号在时间轴上跳变。先把时间轴分成许多时片，在一帧内的哪个时片发射信号由扩频码序列进行控制。由于用了很窄的时片去发送信号，所以信号的频谱被展宽了，达到了扩频的效果。图1为扩频通信系统的模型框图。图4-2为理想扩展频谱系统波形。信源信源编码信道编码载波调制扩频解扩载波解调信道译码信源译码信息输出信道干扰和噪声图1扩频通信系统模型图2理想扩频系统波形早在50年代，哈尔凯维奇已从理论上证明：要克服多径衰落干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式应该是具有白噪声统计特性的信号形式。采用伪噪声码的扩频函数逼近白噪声的统计特性，因而扩频通信系统又具有抗多径干扰的能力。现在我们以直接序列扩频通信系统为例，来研究扩频通信系统的基本原理。它的原理框图如图1所示。信源产生的信息流na通过编码器输出二进制码流)(td。二进制码流中所含的两个符号的先验概率相同，均为2/1，且两个符号相互独立，其波形图如图2(a)所示，二进制数字信号)(td与一个高速率的二进制伪噪声码Tb(a)d(t)+1-1Tb(e)d’(t)+1-1s(t)=d(t)c(t)cos[2f0t+(t)](d)s(t)P2P2(b)c(t)+1-1Tc(c)d(t)c(t)+1-15)(tc的波形（如图2(b)所示，伪噪声码为m序列）相乘，得到如图2(c)所示的复合信号)()(tctd，这就扩展了传输信息的带宽。一般伪噪声码的速率是Mb/s的量级，有的甚至达到几百Mb/s。而待传输的信息流na经编码器编码后的码速率较低。扩频后的复合信号)()(tctd对载波进行调制(直接序列扩频一般采用PSK调制)，然后通过发射机和天线送入信道中传输。发射机输出的扩频信号用)(ts表示，如图2(d)所示。扩频信号)(ts的带宽取决于伪噪声码)(tc的码速率。在PSK调制的情况下，射频信号的带宽等于伪噪声码速率的2倍，而几乎与数字信息流的码速率无关。以上处理过程就达到了扩展数字信息流频谱的目的。图3扩频接收机中频滤波器输出频谱在接收端用一个和发射端同步的伪噪声码)ˆ(drTtc所调制的本地振荡信号ˆ)ˆ(π2cosIF0tfffd，与接收到的)(ts进行相关处理。相关处理是将两个信号相乘，然后求其数学期望(均值)，或求两个信号瞬时值相乘的积分。当两个信号完全相同时(或相关性很好)，得到最大的相关峰值，经数据检测器恢复发射端的信号)(td。若信道中存在着干扰，这些干扰包括窄带干扰、人为瞄准式干扰、单频干扰、多径干扰和码分多址干扰，它们和有用信号)(1ts同时进入接收机，如图3(a)所示。图3中，cR为伪噪声码速率，0f为射频频率，IFf为中频频率，bB为被基带数字信息)(td调制的已调波信号的带宽。由于窄带噪声和多径干扰与本地扩频信号不相关，所以在进行相关处理时被削弱，实际上干扰信号和本地扩频信号相关处理后，其频带被扩展，也就是干扰信号的能量被扩展到整个传输频带之内，降低了干扰信号的电平(单位频率内的能量)，如图3(b)所示。由于相关器后的中频滤波器通频带很窄，所以中频滤波器只输出被基带信号)(td调制的中频信号和落在滤波器通频带内的那部分干扰和噪声，而绝大部分的干扰和噪声能量被中频滤波器滤除，这样就大大地改善了系统的输出信噪比。Rcf0fffBbfIFfIFBb多径信号窄带干扰白噪声白噪声有用信号有用信号多径信号多径信号窄带干扰有用信号白噪声窄带干扰(a)接收机输入(b)混频器输出(c)中频滤波器输出62.1．直序列扩频通信系统直序列扩频系统的发射机和接收机框图如图4所示。扩频通信有两个重要参数：处理增益和干扰容限。扩频调制数据调制信道二进制信息扩频码发生器载波发生器数据解调载波发生器解扩解扩码发生器恢复信息图4直序列扩频的发射机和接收机2.1.1扩频增益为衡量扩频系统抗干扰能力的优劣，接收机相关器输出信噪比和接收机相关器的输入信噪比之比定义为扩频增益，即：iiNSNSG//00（2-1）式中，iS和0S分别为接收机相关器的输入/输出信号功率；iN和0N分别为相关器的输入/输出端干扰功率。假设系统中有K个通信用户，分别用不同的扩频码来调制信息数据。假设理想功率控制(各个用户到达接收端的功率相同)的情况,设P是接收的每一个用户的信号功率，系统的扩频带宽为W，噪声功率谱密度为0N，则接收端接收到的有用信号功率为P，接收到的其他干扰用户的干扰功率为PK)1(,该通信用户的输入信噪比为：WNPKPNWPKWPNSii00)1(/)1(//(2-2)经接收机扩频解调后，该通信用户的信号被全部接收但信号带宽已变换到基带内（变为窄带信号），设基带信号的信息速率为bR，此时有用信号的功率谱为bRP/，其他用户或者干扰噪声信号与用户信号的地址码不相关，不能得到解调，因此，它们的功率谱密度保持不变，输出信噪比为：bbRWWNPKPNWPKRPNS0000)1(/)1(//（2-3）所以，很容易得到