基于matlab的直接序列扩频通信系统仿真

基于MATLAB的直接序列扩频通信系统仿真杨晶超(中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原，030051)基于扩频处理器的通信系统的实现基于Verilog的直序扩频通信系统设计摘要：本文首先介绍了直接序列扩频系统的模型，然后概要阐述了常用的伪随机码以及扩频技术的优点，最后利用MATLAB对直扩系统进行了仿真。关键词：直接序列扩频；伪随机码；仿真中图分类号：TN914.42文献标识码：ASimulationofDirectSequenceSpreadSpectrumCommunicationSystemBasedonMATLABYANGJing-chao(NationalKeyLaboratoryofElectronicTestingTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan,030051,China)Abstract:Thisarticlefirstintroducedthemodelofdirectsequencespreadspectrumsystem,thensummarizedthepseudorandomcodeincommonuseandtheadvantageofspreadspectrumtechnology,finallymadeasimulationofdirectsequencespreadspectrumcommunicationsystembasedonMATLAB.Keywords:DSSS;pseudorandomcode;simulation1引言扩频通信即扩展频谱通信，它与光纤通信、卫星通信一同被誉为信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信技术自50年代中期美国军方开始研究，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、报警等系统中。本文根据扩频通信的原理，利用MATALB对扩频通信中最常用的直扩通信系统进行了仿真。2直接序列扩频系统直接序列扩频系统又称为直接序列调制系统或伪噪声系统(PN系统)，简称为直扩系统，是目前应用较为广泛的一种扩展频谱系统。人们对直扩系统的研究最早，如美军的国防卫星通信系统(AN-VSC-28)、全球定位系统(GPS)、航天飞机通信用的跟踪和数据中继卫星系统(TDRSS)等都是直扩技术应用的实例。2.1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，使落入信号通频带内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。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(TcTa)。将信息码与伪随机码进行相乘或模二加，产生一速率（什么速率）与伪随机码速率相同的扩频序列，这时信息带宽已经被展宽(如图2b)，然后用扩频序列去调制载波，则信号频谱被搬移到射频上(如图2c)。（任何信号（当然要满足一定的数学条件，但是说多了又不好懂了，所以先不提），都可以通过傅立叶变换而分解成一个直流分量（也就是一个常数）和若干个（一般是无穷多个）正弦信号的和。每个正弦分量都有自己的频率和幅值，这样，以频率值作横轴，以幅值作纵轴，把上述若干个正弦信号的幅值画在其所对应的频率上，就做出了信号的幅频分布图，也就是所谓频谱图）在接收端，接收到的信号经混频后，用与发射同步的伪随机码对中频信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息的频带，然后再进行解调，恢复出所传送的信息a(t)。对信道中的干扰，这些干扰包括：窄带干扰、多径干扰、多址干扰等。由于这些干扰与伪随机码不相关，接收机的相关解扩对它们相当于一次扩频，将干扰和噪声的频谱展宽，降低了功率谱密度，经滤波后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得到提高，从而提高了系统的抗干扰能力。图2给出了直扩系统的频谱图。[1]图1直扩系统组成框图图2直扩系统频谱图2.2扩频通信常用的伪随机码常用的伪随机码主要有m序列、GOLD序列、WALSH码和OVSF码，其中最常见的是m序列。GOLD码是m序列的复合码，是由2个码长相等，码时钟速率相同的序列优选对模2加构成，每改变2个序列相对位移就可得到一个新的GOLD序列。GOLD序列具有良好的自、互相关特性，且地址数远远大于m序列地址数，结构简单，易于实现，在工程上得到较为广泛的应用。WALSH函数是一种非正弦的完备正交函数系，具有理想的互相关特性，两两之间的互相关函数为0，亦即它们是正交的，因而在码分多址通信中，WALSH函数可以作为地址码使用，在IS-95中，正向传输信道就使用了64阶WALSH函数。OVSF码是一种正交可变扩频因子码，保证在不同时隙上的不同扩频因子的扩频码正交，而在每个时隙上可使用的码的数目不固定，与每个物理信道的数据速率和扩频因子有关，OVSF码在TD-SCDMA系统中得到了广泛使用。[2]2.3扩频通信技术的优点扩频通信之所以得到重视和发展，并成为近代通信主要研究和发展的方向，是因为它具有其它通信系统不能与之相比的独特性能。1)抗同频干扰性能好。接收机采用相关运算只接收PN码相同的扩频信号，对所有载波频率相同的信号或干扰具有很强的抑制能力。2)良好的抗衰落性能。一般信道中的衰落是有频率选择性的，不会对宽频带的扩频信号接收产生太大的影响。3)抗多径干扰能力强。由于扩频系统中采用的PN码具有很好的自相关性，互相关性很弱，不同的路径传输来的信号能容易地被分离开，并在时间和相位上重新对齐，形成几路信号功率的叠加，从而改善了接收系统的性能，增加了系统的可靠性。[3]3程序仿真及结果信息码的频率设为50kHz，采样频率设为40MHz。假设信源信息码的总长度为20，则每个信息码内含40MHz/50kHz＝800个采样点。通过sign函数，把20个(0，1)区间内的随机数变成20个只用“1”与“－1”表示的信息码，而后再通过一个循环，对每一个信息码采样800次，共生成16000个采样点，每个点之间的间隔为0.025μs。伪随机码频率设为5MHz，信息码频率为50kHz，所以每个信息码内包含5MHz/50kHz＝100个伪码。通过调用一个产生m序列的子函数mgen.m，与一个长度为20×100的循环，就得到了伪随机序列PN码。sign(x)：符号函数(Signumfunction)。当x0时，sign(x)=-1；当x=0时，sign(x)=0;当x0时，sign(x)=1。程序如下：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fori=1:20s((1+(i-1)*800):i*800)=x(i);%每个信息码元内含fs/f=800个采样点end%产生伪随机码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fori=1:2000w_code((1+(i-1)*8):i*8)=x_code(i);%每个伪码码元内含8个采样点end%扩频k_code=s.*w_code;%k_code为扩频码%调制fs=20e6;f0=30e6;fori=1:2000AI=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%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);fori=1:2000signal_h((1+(i-1)*8):i*8)=signal((1+(i-1)*8):i*8).*cI;end%解扩jk_code=signal_h.*w_code;%低通滤波wn=5/10000000;%截止频率wn=fn/(fs/2),这里的fn为信息码(扩频码)的带宽5Mb=fir1(16,wn);H=freqz(b,1,16000);signal_d=filter(b,1,jk_code);----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------%mgen.mfunction[out]=mgen(g,state,N)gen=dec2bin(g)-48;M=length(gen);curState=dec2bin(state,M-1)-48;fork=1:Nout(k)=curState(M-1);a=rem(sum(gen(2:end).*curState),2);curState=[acurState(1:M-2)];end----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------PN码波形如图3所示，扩频码如图4所示，输入与输出对比如图5所示。图3PN码图4扩频码图5输入与输出对比从图形整体看，解扩出来的信息码与信源信息码基本相同。4结束语扩频通信以其较强的抗干扰、抗衰落、抗多径性能而成为第三代通信的核心技术，本文阐述了直接序列扩频通信的理论基础和实现方法，并利用MATLAB建立了直扩通信系统的仿真模型。随着社会通信事业的迅猛发展，扩展频谱技术的应用大有潜力可以挖掘，尤其在民用中的地位也将越来越显著。参考文献[1]邵保华.软件无线电在扩频通信发射中的应用研究[D].哈尔滨工程大学，2004年.[2]张蕾，郑实勤.基于MATLAB的直接序列扩频通信系统性能仿真分析研究[J].电气传动自动化，2007年第3期.[3]查光明，熊贤祚.扩频通信[M].西安电子科技大学出版社，1990年.作者简介：杨晶超(1985-)，男，汉族，河北唐山人，硕士研究生，研究方向：无线电与通信。联系地址：山西省太原市中北大学1059信箱邮编：030051E-mail：[e-mail]