直接序列扩频通信的设计与仿真

摘要本次课程设计利用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。首先对直接序列扩频系统原理进行介绍，然后基于Simulink做了扩频仿真模型；AWGN信道模型；BPSK的调制与解调的仿真模型，还有它们的仿真波形和频谱分析，以及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；频谱分析目录前言................................................................................................................................11.设计原理....................................................................................................................21.1扩频通信概念及分类......................................................................................21.2直接序列扩频的基本原理..............................................................................22.详细设计步骤............................................................................................................52.1扩频模块的概述..............................................................................................52.2扩频仿真模型的设计......................................................................................52.3AWGN信道的设计.........................................................................................62.4BPSK的调制解调的设计................................................................................63.扩频码序列.................................................................................................................83.1码序列的相关性..............................................................................................83.2m序列...........................................................................................................113.3Gold码序列...................................................................................................144.仿真结果及其分析...................................................................................................174.1扩频仿真模型结果及分析............................................................................174.2AWGN信道仿真结果及分析.......................................................................174.3BPSK调制解调仿真结果及分析..................................................................18总结..............................................................................................................................20参考文献......................................................................................................................211前言直接序列扩频(DSSS—DirectSequenceSpreadSpectrum)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HedyLamarr和钢琴家GeorgeAntheil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。在发端输入的数字信号信息，先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，扩频码序列一般采用PN码。展宽后的信号再调制到射频发送出去。调制多采用BPSK、DPSK、MPSK等调制方式。在接收端收到的信号进行解调（一般采用相干解调）。然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。恢复成原输入的信息输出。21.设计原理1.1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。1.2直接序列扩频的基本原理直接序列扩频（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。3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。过程如图1.2所示。图1.2扩频和解扩的频谱变化4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。52.详细设计步骤2.1扩频模块的概述扩频模块包括伪随机码生成和相关运算两个部分。不同的伪随机码表示着不同的扩频方式。常用的伪随机码有m序列（最大长度移位寄存器序列）、Gold码序列等。在直序扩频序列通信系统中，每一用户都分配到一固定的PN序列，用户之间的PN序列都是互为正交的，以使得每一用户不受到其他用户的干扰。扩频的过程可以简而言之为在发送端用PN码序列将载有信息的信号扩频到某个较宽的带宽上，然后在信道上进行传输。解扩过程与扩频过程完全相同，也是将输入解扩模块的信号用伪随机码进行扩频处理。同时，要求接收端解扩频用的伪随机码与发送端扩频用的伪随机码不仅码字相同，而且相位相同；否则，将会导致期望用户的信号自身相互抵消。解扩处理将扩频后的信号压缩到信息频带内，有宽带信号恢复为窄带信号；同时，解扩处理的结果也扩展了干扰信号，降低了干扰信号的功率谱密度，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，提高了系统的抗干扰能力，图2.1是用户信息被扩展的框图。图2.1扩频框图2.2扩频仿真模型的设计图2.2是扩频的仿真模型，图中一个随机序列与PN码序列异或相乘得一个新的序列，使随机序列的频谱被扩展。用户信息扩频后的信息PN码序列6图2.2扩频仿真模型的设计2.3AWGN信道的设计在数字通信系统中，编码器的输出是某一数字序列，而译码器输入同样也是一数字序列，它们在一般情况下是相同的数字序列。因此，从编码器输出端到译码器输入端的所有转换器及传输媒质可用一个完成数字序列变换的方框加以概括，这个方框就称为编码信道。AWGN信道，是指信号在信道中传输时加入了高斯白噪声，如图2.3的仿真波形中第一个图形为输入信息，第二个波形为加入高斯白噪声后的波形。图2.3AWGN信道设计2.4BPSK的调制解调的设计BPSK是二进制相移键控，在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生BPSK信号。通常用已调信号载波的0°和180°分别表示二进制数字基带信号的1和0。理想的BPSK调制可使载波相位瞬时变化180°。BPSK信号的调制原理图如图2.4所示。7BPSK信号的解调通常都是采用相干解调，解调器原理图如图5-14所示，在相干解调过程中需要用到与接收到的BPSK信号同频同相的相干波。图2.5是BPSK调制与解调框图。图2.6BPSK信道设计BPSKet开关电路S（t）cosct180°移相图2.4BPSK调制原理图cosct相乘器输出BPSKet图2