直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)Simulink的仿真設(shè)計(jì)課的程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、xx學(xué)院（xx大學(xué)）課程設(shè)計(jì)報(bào)告直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)simulink的仿真設(shè)計(jì)摘要：本次設(shè)計(jì)的是直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，主要利用了matlab/simulink對(duì)直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并詳細(xì)的分析了仿真結(jié)果。首先介紹直接序列擴(kuò)頻的系統(tǒng)原理，然后基于simulink的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)仿真，設(shè)計(jì)誤碼率分析模塊部分，再對(duì)前后擴(kuò)頻解擴(kuò)頻譜波形比較及收發(fā)誤碼率進(jìn)行分析，最后對(duì)設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)加入干擾源，完成對(duì)系統(tǒng)抗干擾性能的分析。關(guān)鍵詞：直接序列擴(kuò)頻；擴(kuò)頻通信；matlab/simulink目錄第一章 緒論11.1 課題背景及意義11.2 課程設(shè)計(jì)的總體介紹11.3 課程設(shè)計(jì)的基本任務(wù)和要求11.4 si

2、mulink的簡(jiǎn)介2第二章 直接序列擴(kuò)頻原理32.1 擴(kuò)頻通信的定義及原理32.2 直接序列擴(kuò)頻定義及原理32.3 pn序列生成與作用4第三章 基于simulink的發(fā)射機(jī)仿真設(shè)計(jì)63.1 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)63.2 基于simulink的發(fā)射機(jī)的仿真63.3 基于simulink的接收機(jī)仿真設(shè)計(jì)10第四章 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能分析12第五章 結(jié)束語(yǔ)18參考文獻(xiàn)19ii第一章 緒論 1.1 課題背景及意義 擴(kuò)展頻譜通信是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的一種新興的通信方式，其較強(qiáng)的抗干擾、抗衰落和抗多徑性能以及頻譜利用率高、多址通信等諸多優(yōu)點(diǎn)為人們所認(rèn)識(shí)，并被廣泛的應(yīng)用于軍事通信和民用

3、通信的各個(gè)領(lǐng)域，從而推動(dòng)了通信事業(yè)的迅速發(fā)展。 擴(kuò)頻通信，即(spread spectrum communication)擴(kuò)展頻譜通信，它與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時(shí)代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。 擴(kuò)頻通信是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機(jī)編碼(擴(kuò)頻序列：spread sequence)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸；接收端則采用相同的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。隨著近年來(lái)大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微處理器技的廣泛應(yīng)用，以及一些新型器件的應(yīng)用，擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用形成了新的高潮。事實(shí)上，擴(kuò)頻通信已成為電子對(duì)抗環(huán)境下提高通信設(shè)備抗干擾能力的最有效的手段，并在近十幾年來(lái)爆發(fā)的幾場(chǎng)現(xiàn)代化戰(zhàn)

4、爭(zhēng)中發(fā)揮了巨大的威力。隨著cdma擴(kuò)頻通信技術(shù)在民用通信中的深入應(yīng)用和不斷滲透，以及在衛(wèi)星通信、深空通信、武器制導(dǎo)、gps全球定位系統(tǒng)和跳頻通信等民用和國(guó)防民事通信的強(qiáng)烈需求下，擴(kuò)譜通信的地位越來(lái)越重要。1.2 課程設(shè)計(jì)的總體介紹首先設(shè)計(jì)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)采用m序列來(lái)擴(kuò)展二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，將其擴(kuò)頻為寬頻信號(hào)，并采用qpsk調(diào)制方式將信號(hào)調(diào)制后發(fā)送出去。信號(hào)經(jīng)過(guò)awgn信道傳輸?shù)浇邮斩恕＝邮諜C(jī)采用相干解調(diào)原理解調(diào)信號(hào)，采用的解擴(kuò)碼序列與發(fā)射機(jī)擴(kuò)頻碼序列完全相同，信號(hào)經(jīng)解擴(kuò)調(diào)制后，帶寬恢復(fù)原始寬度。在simulink平臺(tái)上分別對(duì)系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)行仿真測(cè)試，研究信號(hào)

5、在整個(gè)擴(kuò)頻調(diào)制、解擴(kuò)調(diào)制過(guò)程中的變化情況。最后在該系統(tǒng)中加入特定的干擾，進(jìn)行仿真測(cè)試，研究整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性能。1.3 課程設(shè)計(jì)的基本任務(wù)和要求 1、說(shuō)明直接序列擴(kuò)頻原理及pn序列的生成和作用，畫(huà)出直接序列擴(kuò)頻原理圖。2、熟悉simulink中各通信模塊，根據(jù)原理圖完成擴(kuò)頻通信仿真系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)，分為發(fā)射機(jī)、接收機(jī)部分。 3、設(shè)計(jì)誤碼率分析模塊部分，完成前后擴(kuò)頻解擴(kuò)頻譜波形比較及收發(fā)誤碼率分析。4、對(duì)設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)加入干擾源，完成對(duì)系統(tǒng)抗干擾性能的分析。5、按課程設(shè)計(jì)格式要求完成設(shè)計(jì)報(bào)告。1.4 simulink的簡(jiǎn)介simulink是matlab最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和

6、綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于simulink。simulink是matlab中的一種可視化仿真工具， 是一種基于matlab的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間

7、或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶(hù)接口(gui) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶(hù)可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。simulink與matlab緊密集成，可以直接訪問(wèn)matlab大量的工具

8、來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。第二章 直接序列擴(kuò)頻原理2.1 擴(kuò)頻通信的定義及原理 擴(kuò)頻通信是擴(kuò)展頻譜通信的簡(jiǎn)稱(chēng)。它是一種信息傳輸方式，在發(fā)端采用擴(kuò)頻碼調(diào)制，使信號(hào)所占的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的帶寬，在收端采用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)以恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。它的原理如圖2-1所示：圖2-1 擴(kuò)頻通信原理框圖2.2 直接序列擴(kuò)頻定義及原理 直接序列擴(kuò)頻（direct sequence spread spectrum）工作方式，簡(jiǎn)稱(chēng)直擴(kuò)方式（ds方式）。就是用高速率的擴(kuò)頻序列在發(fā)射端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行

9、解擴(kuò)，把展開(kāi)的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原來(lái)的信號(hào)。圖2-2 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的原理框圖 圖2-2是直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的原理框圖。欲傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)與碼片速率很高的擴(kuò)頻碼進(jìn)行調(diào)制，其輸出為頻譜帶寬被擴(kuò)展的信號(hào)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為擴(kuò)頻。擴(kuò)展頻譜信號(hào)再變換為射頻信號(hào)發(fā)射出去。在接收端，射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)變頻后輸出中頻信號(hào)，通常是n個(gè)發(fā)射信號(hào)和干擾及噪聲的混合信號(hào)。它與發(fā)端相同的本地?cái)U(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻解調(diào)（解擴(kuò)），使寬帶信號(hào)變?yōu)檎瓗盘?hào)。再經(jīng)信息解調(diào)器恢復(fù)成原始數(shù)字信號(hào)。擴(kuò)展頻譜的特性取決于所采用的擴(kuò)頻碼序列的碼型和碼片速率。為了獲得具有近似噪聲的頻譜，采用偽噪聲（pn）序列作為擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼。擴(kuò)頻和解擴(kuò)的頻譜變化過(guò)程如

10、圖2-2所示：圖2-3 擴(kuò)頻和解擴(kuò)的頻譜變化采用碼片速率很高的pn碼序列進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，通過(guò)擴(kuò)頻解擴(kuò)處理能夠提高抗干擾能力。擴(kuò)展頻譜信號(hào)在接收端做相關(guān)解擴(kuò)處理，有用信號(hào)被解擴(kuò)為窄帶譜信號(hào)；寬帶無(wú)用信號(hào)與本地偽碼不相關(guān)，因此不能解擴(kuò)，仍為寬帶譜；窄帶干擾信號(hào)則被本地偽碼擴(kuò)展成為寬帶譜。2.3 pn序列生成與作用pn序列（pseudo-noise sequence）偽噪聲序列，這類(lèi)序列具有類(lèi)似隨機(jī)噪聲的一些統(tǒng)計(jì)特性，但和真正的隨機(jī)信號(hào)不同，它可以重復(fù)產(chǎn)生和處理，故稱(chēng)作偽隨機(jī)噪聲序列。pn序列有多種，其中最基本常用的一種是最長(zhǎng)線形反饋移位寄存器序列，也稱(chēng)作m序列，通常由反饋移位寄存器產(chǎn)生，pn序列一般

11、用于擴(kuò)展信號(hào)頻譜。偽隨機(jī)序列系列具有良好的隨機(jī)性和接近于白噪聲的相關(guān)函數(shù)，并且有預(yù)先的可確定性和可重復(fù)性。這些特性使得偽隨機(jī)序列得到了廣泛的應(yīng)用。 m序列是有n級(jí)線性移位寄存器產(chǎn)生的周期為2n-1的碼序列，是最大長(zhǎng)度線性回饋移位寄存器序列的簡(jiǎn)稱(chēng)。碼分多址系統(tǒng)主要采用兩種長(zhǎng)度的m序列：一種是周期為215-1-的m序列，又稱(chēng)短pn碼。另一種是周期為242-1的m序列，又稱(chēng)長(zhǎng)pn序列 m序列主要功能為：擴(kuò)展調(diào)制信號(hào)的帶寬到更大的傳輸帶寬，即擴(kuò)展頻譜，提高系統(tǒng)抗干擾能力；區(qū)分通過(guò)多址接入方式使用同一傳輸頻帶的不同用戶(hù)的信號(hào)，在移動(dòng)通信cdma系統(tǒng)中作為用戶(hù)地址碼和基站地址碼；除此外還可以作為擾碼，平衡

12、通信中”0”和”1”的數(shù)目。圖2-4 最長(zhǎng)線性移位寄存序列的產(chǎn)生第三章 基于simulink的發(fā)射機(jī)仿真設(shè)計(jì) 3.1 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì) 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。其中設(shè)數(shù)據(jù)序列a(t)對(duì)應(yīng)的其電平取值為1，碼元速率為ra bps，碼元寬度為ta=1/ra s。擴(kuò)頻所使用的偽隨機(jī)序c(t)也是電平取值為1的雙極性波形，偽隨機(jī)序列的碼元也稱(chēng)之為碼片（chip），碼片率設(shè)為rc chip/s，對(duì)應(yīng)的碼片寬度就是tc=1/rc s。碼片速率通常是數(shù)據(jù)速率的整數(shù)倍。對(duì)于雙極性的波形而言，擴(kuò)頻過(guò)程等價(jià)于數(shù)據(jù)流a(t)與偽隨機(jī)序列c(t)相乘的過(guò)程，擴(kuò)頻輸出序列設(shè)為

13、d(t）,也是取值為1的雙極性波形，其速率等于碼片速率。擴(kuò)頻序列經(jīng)過(guò)調(diào)制后得到調(diào)制輸出信號(hào)s(t)送入信道。圖3-1 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)圖本次設(shè)計(jì)采用qpsk（四相相移鍵控）將信號(hào)調(diào)制發(fā)送出去，這樣能能大大提高通信系統(tǒng)的可靠性傳輸效率。由于qpsk調(diào)制器內(nèi)部有兩條通道，i通道和q通道兩條正交的通道，兩條通道的輸入信號(hào)可以是相同的，也可以不同。本次設(shè)計(jì)中兩通道都將用于調(diào)制同一數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)a(t)，經(jīng)過(guò)qpsk調(diào)制后，輸出信號(hào)有s(t)。3.2 基于simulink的發(fā)射機(jī)的仿真 建立一個(gè)傳輸速率為ra=100bps，擴(kuò)頻碼片速率為r=2000 chip/s，rc/ra=20，采用m

14、序列作為擴(kuò)頻序列，以qpsk為調(diào)制方式的仿真模型，進(jìn)行發(fā)射系統(tǒng)的仿真，觀察其擴(kuò)頻前后的輸出波形及頻譜。發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)仿真模型如圖3-2所示:圖3-2 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)仿真模型參數(shù)設(shè)置：random integer generator：數(shù)據(jù)輸入源，用于產(chǎn)生數(shù)據(jù)流，采樣時(shí)間0.01s。pn sequence generator：偽碼產(chǎn)生器，用于產(chǎn)生偽隨機(jī)擴(kuò)頻序列，其采樣時(shí)間為0.0005s。rate transition：升速處理器，用于做升速處理，使擴(kuò)頻模塊上的數(shù)據(jù)采樣速率相同。輸出速率為2000chip/s。unipolar to bipolar converter：?jiǎn)坞p極轉(zhuǎn)換器，用于完成數(shù)據(jù)和擴(kuò)頻的

15、單雙極變換。product：乘法器，用于完成輸入信號(hào)與擴(kuò)頻碼的模2加。其輸出就是擴(kuò)頻輸出，其碼速率等于采樣速率，即每個(gè)采樣點(diǎn)代表一個(gè)碼片。bipolar to unipolar converter：雙單極轉(zhuǎn)換器：完成擴(kuò)頻輸出由雙極性到單極性轉(zhuǎn)換。qpsk調(diào)制器：用于將擴(kuò)頻信號(hào)調(diào)制到中頻。調(diào)制輸出信號(hào)是復(fù)信號(hào)，采樣率為2000次/s。 仿真結(jié)果：圖3-3 發(fā)射機(jī)各點(diǎn)波形圖時(shí)域分析：第一條波形是擴(kuò)頻后的波形，第二條波形是原始信號(hào)波形,第三條波形是pn序列波形。從波形經(jīng)分析得到：當(dāng)數(shù)據(jù)流為+1時(shí)，擴(kuò)頻輸出是對(duì)應(yīng)的pn序列的原序列，當(dāng)數(shù)據(jù)為-1時(shí)，擴(kuò)頻輸出就是pn序列的反相結(jié)果，且輸出信號(hào)碼元速率增加

16、，碼元寬度變窄。圖3-4 原數(shù)據(jù)信號(hào)的頻譜圖3-5 擴(kuò)頻信號(hào)的頻譜圖3-6 已調(diào)制的頻譜頻域分析：圖3-4為原數(shù)據(jù)信號(hào)頻譜，可見(jiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬約為100hz，功率峰值約為20db。當(dāng)它和2000hz的擴(kuò)頻序列相乘以后，信號(hào)的頻譜會(huì)和擴(kuò)頻碼頻譜做卷積運(yùn)算，輸出波形如圖3-5所示。從圖3-5中可以看出信號(hào)經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻后的信號(hào)頻譜帶寬約為2000hz，是原來(lái)頻譜寬度的20db倍,從功率峰值方面看，圖3-4中輸入信號(hào)的功率峰值為20db，經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻之后輸出的寬頻信號(hào)功率譜降到約為5db處。所以從頻域方面看，信號(hào)帶寬增加、功率下降。 3.3 基于simulink的接收機(jī)仿真設(shè)計(jì) 此次設(shè)計(jì)用awgn（加性高斯白

17、噪聲）來(lái)傳輸調(diào)制后的信號(hào)到接收機(jī)，數(shù)據(jù)源采用的是發(fā)射機(jī)發(fā)送出來(lái)的qpsk已調(diào)制出來(lái)的信號(hào)，解擴(kuò)碼序列采用的還是pn序列。接收機(jī)的系統(tǒng)仿真模型如圖3-7所示：圖3-7 接收機(jī)的系統(tǒng)仿真模型 圖中的subsystem是用發(fā)射機(jī)建立的子系統(tǒng)，使得接收機(jī)仿真模型簡(jiǎn)便。具體操作過(guò)程是將發(fā)射機(jī)輸入與輸出選中點(diǎn)擊右鍵單擊creat subsyetem. 仿真結(jié)果：圖3-8 接收機(jī)中各點(diǎn)波形 時(shí)域分析：第一條波形是接收機(jī)中解擴(kuò)后的波形，第二條是解調(diào)后的波形。解擴(kuò)輸出信號(hào)等于輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，接收機(jī)能夠?qū)⒑性肼暤幕旌闲盘?hào)解擴(kuò)出有效的數(shù)據(jù)信號(hào)。圖3-9 解調(diào)后的頻譜圖3-10 解擴(kuò)后的頻譜 對(duì)比圖3-9和圖3-10

18、的頻譜圖形可以看出，該接收機(jī)將寬帶的解調(diào)輸出信號(hào)解擴(kuò)后，輸出的是窄帶信號(hào)，輸出的信號(hào)頻譜為100hz，功率峰值將近20db，與發(fā)射機(jī)采用的輸入信號(hào)一樣。由此，此次搭建的接收機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)解擴(kuò)調(diào)制的。第四章 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能分析 這章主要研究在整個(gè)擴(kuò)頻調(diào)制、信道傳輸、解擴(kuò)調(diào)制過(guò)程中的變化，以及人為在擴(kuò)頻系統(tǒng)中加入特定的干擾后，來(lái)進(jìn)行仿真測(cè)試，根據(jù)仿真結(jié)果來(lái)研究整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性能。為了更好的研究該系統(tǒng)的抗干擾性能，我們將把信噪比降低為10db，同時(shí)外加干擾成分，這里用的是正弦波信號(hào)，來(lái)研究該系統(tǒng)對(duì)不同干擾和噪聲所反映出來(lái)的的抗干擾能力?；趕imulink的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的

19、仿真模型如圖4-1所示：圖4-1 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型參數(shù)設(shè)置：sine wave：?jiǎn)晤l信號(hào)干擾源，用于產(chǎn)生單頻干擾信號(hào)，其采樣率為20000，其碼速為2000 chip/serror rate calculation：誤碼檢測(cè)模塊：用于測(cè)量解擴(kuò)輸出信號(hào)的誤碼率。+(and)：加法模塊：用于將干擾信號(hào)加入信道輸出的混合信號(hào)中。awgn channel：模塊中的snr設(shè)置為10db。 仿真結(jié)果：圖4-2 系統(tǒng)輸入與輸出仿真波形 時(shí)域分析：對(duì)比兩個(gè)波形可以看出解擴(kuò)輸出信號(hào)等于原始輸入信號(hào)。圖4-3 系統(tǒng)加入干擾前后波形時(shí)域分析：雖然干擾后波形中有一些頻率較低的部分，這部分是噪聲和干擾，但是兩條波形幾乎還是一樣，由此說(shuō)明有噪聲和干擾的情況下，該系統(tǒng)是能夠解擴(kuò)出輸入原始數(shù)據(jù)信號(hào)的。圖4-4 原數(shù)據(jù)波形 圖4-5 調(diào)制后波形圖4-6 已解調(diào)信號(hào)加入干擾后的頻譜 圖4-7 加入干擾后的解擴(kuò)頻譜 頻域分析：由圖4-5和圖4-6的對(duì)比可以噪聲成分對(duì)波形有一定的影響。圖4-4與圖4-7的頻譜變化說(shuō)明了加入了信道噪聲和人為干擾之后，該系統(tǒng)仍舊能夠的解擴(kuò)出原始信號(hào)，這充分說(shuō)明直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具有良好的隱蔽性和抗干擾性。 總的來(lái)說(shuō)，解擴(kuò)輸出信號(hào)頻譜寬度、時(shí)域的波形、功率峰值