畢業(yè)設(shè)計（論文）擴頻通信中M序列的產(chǎn)生及其應(yīng)用

1、摘 要擴頻通信是指用來傳輸信息的射頻帶寬遠(yuǎn)大于信息本身帶寬的一種通信方式。在擴頻通信中常用m序列來實現(xiàn)頻譜的擴展。本設(shè)計運用matlab中的simulink模塊產(chǎn)生擴頻通信中的m序列的實現(xiàn)，并分析了相關(guān)性能。然后用建模實現(xiàn)直接擴頻系統(tǒng)的仿真。關(guān)鍵詞：擴頻通信；隨機序列；相關(guān)性；仿真abstractspread spectrum communication is the rf bandwidth used to transmit information, the bandwidth is much larger than the information itself as a means of

2、communication. m-sequence used in spread spectrum communication to achieve universal frequency extension. this design use matlab simulink module to implement m-sequence spread spectrum communication, and analyze the relevant performance. then simulate the direct spread spectrum system.key words: spr

3、ead spectrum communication;random sequence;correlation; simulation目 錄摘 要iabstractii第1章 前 言11.1 pn偽碼系列與擴頻系統(tǒng)11.2 設(shè)計背景和意義11.3 設(shè)計任務(wù)2第2章 擴頻通信系統(tǒng)32.1擴頻通信基礎(chǔ)原理32.2擴頻通信系統(tǒng)特點32.3擴頻通信系統(tǒng)分類42.3.1直接序列擴頻42.3.2 跳頻擴頻52.3.3 跳時擴頻6第3章 m序列產(chǎn)生及仿真73.1 m序列73.1.1 m序列的產(chǎn)生原理73.1.2 m序列的性質(zhì)123.1.3 m序列的相關(guān)性133.2 matlab及simulink簡介143.2

4、.1 matlab介紹143.2.2 simulink143.3 m序列仿真及分析173.3.1m序列模型173.3.2仿真結(jié)果193.3.3 m序列相關(guān)性分析20第4章 直序擴頻通信系統(tǒng)仿真214.1 建立ds擴頻通信模型214.1.1系統(tǒng)模型分析214.1.2 建立ds模型234.2調(diào)試仿真264.2.1 六階m序列擴頻系統(tǒng)仿真264.2.1 十一階m序列擴頻系統(tǒng)仿真274.2.3 結(jié)果分析28第5章 m序列的應(yīng)用295.1 m序列應(yīng)用與發(fā)展295.2 結(jié)束語29致 謝31參考文獻(xiàn)32附 錄33mmdl33dsa.mdl34zxg.m35bydhs.m35第1章 前 言1.1 pn偽碼系列

5、與擴頻系統(tǒng)pn偽隨機碼也稱為偽噪聲，本論文中m序列就屬于pn碼的一種，在擴頻通信中的擴頻與解擴部分采用相應(yīng)的pn碼制，不同的pn碼對系統(tǒng)的影響也不同，簡單的說來周期較短的偽碼擴頻以后所占頻譜較窄，但是其抗干擾能力也相對較弱，如果需要獲得很好的系統(tǒng)性能，在偽碼周期選擇上既要保證信號頻譜不太寬也要考慮到期抗干擾能力。偽碼序列可以人為產(chǎn)生與復(fù)制，具有類似白噪聲的性質(zhì)，相關(guān)函數(shù)具有尖銳的特性，功率譜占據(jù)很寬的頻帶，易于從其他信號或干擾中分離出來，具有優(yōu)良的抗干擾特性在本文中選用n=7的m序列來研究其產(chǎn)生和擴頻通信系統(tǒng)中的性能。擴展頻譜通信系統(tǒng)簡稱擴頻通信，它是在 20世紀(jì) 50年代中期產(chǎn)生的，真正實用

6、是在 20世紀(jì) 50年代中期發(fā)展起來的。其設(shè)計思想是將待傳輸?shù)男畔⑿盘栍锰囟ǖ臄U頻碼擴展頻譜后成為寬帶信號進(jìn)行傳輸；接收時再采用相應(yīng)的技術(shù)手段將頻譜壓縮，恢復(fù)原來待傳信息信號的帶寬，從而實現(xiàn)通信。擴頻技術(shù)運用很廣泛，其優(yōu)良的抗干擾能力得到很多國家的青睞，在軍工方面和商界信息保密與安全方面有著不可取代的地位1。1.2 設(shè)計背景和意義擴展頻譜通信是一種不同于常規(guī)通信系統(tǒng)的新調(diào)制理論和技術(shù)。擴頻通信具有兩個特點：傳輸信號的帶寬遠(yuǎn)大于原始信息信號的帶寬；傳輸信號的帶寬主要有擴頻碼決定，此擴頻碼通常是偽隨機碼。偽隨機碼(pseudo randomcode)簡稱pn碼，其特點是：具有尖銳的自相關(guān)函數(shù)；互相

7、關(guān)函數(shù)值應(yīng)足夠小；有足夠長的碼周期，以確?？箓善婆c抗干擾的要求；碼的數(shù)量足夠多，以實現(xiàn)碼分多址的要求；平衡性好， 以滿足抗干擾的要求；工程上易于產(chǎn)生、加工、復(fù)制與控制。擴頻通信的優(yōu)勢主要來自于偽隨機碼具有白噪聲的統(tǒng)計特性。而隨著擴頻速率的不斷提高，擴頻碼的長度急劇增加，利用計算機設(shè)計并驗證擴頻碼的各項指標(biāo)能大大提高效率。通過對偽隨機碼中常用的m序列的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了分析，給出了基于matlab平臺的m序列生成算法及代碼偽隨機序列分析. 軟件平臺選擇matlab，malab是美國math works公司推出的一種以矩陣為基本編程單位的高效數(shù)值計算語言。matlab在編程效率、可讀性、可移植性與可

8、擴充性上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他高級編程語言，是公認(rèn)的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件。1.3 設(shè)計任務(wù)通過對m序列產(chǎn)生原理及特性的研究和分析，本次論文運用matlab中的simulink模塊完成m序列及直接序列擴頻系統(tǒng)的仿真。本文第一章介紹擴頻系統(tǒng)的基本理論及實現(xiàn)方法，第二章對m序列的產(chǎn)生和特點做詳細(xì)介紹，第三，四章分別對m序列和擴頻系統(tǒng)進(jìn)行仿真及結(jié)果分析。第2章 擴頻通信系統(tǒng)2.1擴頻通信基礎(chǔ)原理擴頻通信是在信號發(fā)送端 ,首先將信息調(diào)制形成數(shù)字信號 ,該數(shù)字信號經(jīng)擴頻發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻碼序列調(diào)制后 ,信號的頻帶被展寬 ,展寬后的信號再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。在接收端收到的寬帶射頻信號 ,經(jīng)變頻至中頻 ,然后由本地產(chǎn)生

9、的、與發(fā)端相同的擴頻碼序列去相關(guān)解擴 ,再經(jīng)過信息解調(diào) ,恢復(fù)成原始信息輸出。概括起來說 ,一般的擴頻通信系統(tǒng)都要經(jīng)過 3次調(diào)制和相應(yīng)的解調(diào):第一步為信息調(diào)制 ,將信息源形成基帶數(shù)字信號;第二步用擴頻碼對基帶數(shù)字信號進(jìn)行擴頻調(diào)制 ,形成中頻信號;最后 ,對展寬了頻譜的中頻信號進(jìn)行射頻調(diào)制 ,形成高頻信號 ,再由天線發(fā)射出去。收信是發(fā)信的逆過程 ,即 3次相反的解調(diào)過程 。由此可見 ,與常規(guī)的無線通信系統(tǒng)相比 ,擴頻通信增加了擴頻調(diào)制與解擴部分。擴頻通信的基本特征是使用比發(fā)送的信息數(shù)據(jù)速率高許多倍的偽隨機碼把載有信息數(shù)據(jù)的基帶信號的頻譜進(jìn)行擴展，形成寬帶的低功率譜密度的信號來發(fā)射。香農(nóng)(shan

10、non)在信息論的研究中得出了信道容量的公式：c=blog2(1+s/n) （2-1）這個公式指示出：如果信息傳輸速率c不變，則帶寬b和信噪比p/n是可以互換的，就是說增加帶寬就可以在較低的信噪比的情況下以相同的信息率來可靠的傳輸信息，甚至在信號被噪聲淹沒的情況下，只要相應(yīng)的增加信號帶寬，仍然保持可靠的通信，也就是可以用擴頻方法以寬帶傳輸信息來換取信噪比上的好處1。2.2擴頻通信系統(tǒng)特點擴頻信號是不可預(yù)測的偽隨機的寬帶信號,其帶寬遠(yuǎn)大于欲傳輸數(shù)據(jù)(信息)的帶寬,同時,接收機中必須有與寬帶載波同步的副本。由于擴頻信號的上述特性,擴頻系統(tǒng)具有以下特點:（1）抗干擾性強。由于擴頻信號的不可預(yù)測性 ,

11、擴頻系統(tǒng)具有很高的抗干擾能力。因為干擾者難以通過觀察改善其干擾性能 ,而只能采用發(fā)射與被干擾信號不匹配的干擾技術(shù),因此,干擾起不了太大作用;由于擴頻通信系統(tǒng)在傳輸過程中擴展了信號帶寬,所以,即使信噪比很低,甚至是在有用信號功率低于干擾信號功率的情況下,仍能夠高質(zhì)量地、不受干擾地進(jìn)行通信 ,擴展的頻譜越寬 ,其抗干擾性越強。(2)低截獲性擴頻信號的功率相當(dāng)于被均勻地分布在很寬的頻帶上,以至于被傳輸信號的功率密度很低,使偵察接收機難以監(jiān)測到。因此,擴頻通信系統(tǒng)具有低截獲概率性。(3)抗多路徑干擾性能好多路徑干擾是由于在電波傳播過程中,遇到各種非期望反射體(如電離層、高山、建筑物等)引起反射或散射。

12、這些反射或散射信號與直達(dá)路徑信號在接收端相互干涉造成干擾。多路徑干擾在雷達(dá)和通信中都有嚴(yán)重影響。由于在擴頻通信系統(tǒng)中增加了擴頻調(diào)制與解擴過程,這樣可以利用擴頻碼序列間的相關(guān)特性,在接收端解擴時用相關(guān)技術(shù)從多徑信號中分離出最強的有用信號 ,或?qū)⒍鄰叫盘栔械南嗤a序列信號疊加,這樣就可以有效地消除無線通信中多徑干涉造成的信號衰落現(xiàn)象。因而擴頻通信系統(tǒng)具有良好的抗多徑衰落特性。(4)保密性好在一定的發(fā)射功率下,由于擴頻信號分布在很寬的頻帶內(nèi),無線信道中有用信號功率譜密度極低,這樣,信號可以在強噪聲背景下,甚至是在有用信號被噪聲淹沒的情況下進(jìn)行可靠通信,使外界很難截獲傳送的信息 ,想進(jìn)一步檢測出信號的

13、特征參數(shù)就更難了。所以,擴頻系統(tǒng)可實現(xiàn)隱蔽通信;同時,對不同用戶使用不同的碼,其他人無法竊聽他們的通信,因而,擴頻系統(tǒng)具有高的保密性。(5)易于實現(xiàn)碼分多址在通信系統(tǒng)中,可充分利用擴頻調(diào)制中所使用的擴頻碼序列之間良好的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性,在接收端利用相關(guān)檢測技術(shù)進(jìn)行解擴,則在分配給不同用戶、不同碼型的情況下,系統(tǒng)可以區(qū)分不同用戶的信號,這樣在同一頻帶上,許多用戶可以同時通話而互不干擾。2.3擴頻通信系統(tǒng)分類隨著通信技術(shù)的發(fā)展 ,擴頻通信的方式也在不斷更新。按照擴展頻譜的方式不同 ,可以將其歸結(jié)為直接序列擴頻、跳頻擴頻、跳時擴頻、脈沖線性擴頻及混合方式等 ,其中最典型和最常用的是直接序列擴頻

14、和跳頻方式。2.3.1直接序列擴頻該系統(tǒng)中所用的編碼序列通常是偽隨機序列或叫偽噪聲 (pn)碼。要傳送的信息經(jīng)數(shù)字化后變成二元數(shù)字序列 ,它與偽隨機序列模 2相加后成復(fù)合碼去調(diào)制載波。在直接序列系統(tǒng)中通常對載波進(jìn)行相移鍵控調(diào)制。為了節(jié)省發(fā)射功率和提高發(fā)射機工作效率 ,擴頻系統(tǒng)中采用平衡調(diào)制器 ,抑制載波的平衡調(diào)制對提高擴頻信號的抗偵破能力也有利。擴頻信號采用相移鍵控調(diào)制后由天線發(fā)射出去。在接收機中也要有一個與發(fā)射機中的偽隨機碼同步的本地碼，對接收信號進(jìn)行解擴，解擴后的信號送到解調(diào)器取出傳送的信息。時鐘源 乘法器 調(diào)制器 發(fā)射機載波發(fā)生器偽碼發(fā)生器混頻器本地振蕩器時鐘源偽碼 發(fā)生器調(diào)制器解調(diào)器中

15、頻濾波器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)(a) 發(fā)射系統(tǒng)(b) 接收系統(tǒng)圖2-1直接序列擴頻通信系統(tǒng)簡化圖2.3.2 跳頻擴頻跳頻擴頻技術(shù)是通過偽隨機碼的調(diào)制 ,使載波工作的中心頻率不斷跳躍改變 ,而噪聲和干擾信號的中心頻率卻不會改變。這樣只要收、發(fā)信機之間按照固定的數(shù)字算法產(chǎn)生相同的偽隨機碼，就可以達(dá)到同步，排除噪音和其他干擾信號。頻率跳變系統(tǒng)主要由碼產(chǎn)生器和頻率合成器兩部分組成?？焖夙憫?yīng)的頻率合成器是頻率跳變系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。頻率跳變系統(tǒng)的發(fā)射機在一個預(yù)定的頻率集中由碼序列控制頻率合成器，使發(fā)射頻率隨機地由一個跳到另一個。接收機中的頻率合成器也按相同的順序跳變，產(chǎn)生一個與發(fā)射頻率只差一個中頻的本振頻率，經(jīng)混頻后得到

16、一個頻率固定的中頻信號。這一中頻信號經(jīng)放大后送到解調(diào)器取出傳送的信息混頻器解調(diào)器中頻濾波器時鐘源偽碼發(fā)生器指令譯碼器頻率合成器調(diào)制器數(shù)據(jù)頻率合成器偽碼發(fā)生器時鐘源混頻器發(fā)射機發(fā)中頻振蕩器指令譯碼器數(shù)據(jù)(b) 接收系統(tǒng)(a) 發(fā)射系統(tǒng)圖2-2頻率跳變擴頻通信系統(tǒng)簡化方框圖2.3.3 跳時擴頻時是使發(fā)射信號在時間軸上跳變。先把時間軸分成許多時片，在一幀內(nèi)哪個時片發(fā)射信號由擴頻碼序列進(jìn)行控制。可以把跳時理解為:用一定碼序列進(jìn)行選擇的多時片的時移鍵控。由于采用窄得多的時片去發(fā)送信號，信號的頻譜也就展寬了。在發(fā)端，輸入的數(shù)據(jù)先存儲起來，由擴頻碼發(fā)生器的擴頻碼序列去控制通 2斷開關(guān) ,經(jīng)二相或四相解調(diào)器，

17、送到數(shù)據(jù)存儲器。數(shù)據(jù)載波f0調(diào)制器高頻開關(guān)高頻開關(guān)解調(diào)器存儲器數(shù)據(jù)存儲器偽碼發(fā)生器偽碼發(fā)生器(b) 接收系統(tǒng)(a) 發(fā)射系統(tǒng)圖2-3 時間跳變擴頻通信系統(tǒng)簡化方框圖第3章 m序列產(chǎn)生及仿真3.1 m序列3.1.1 m序列的產(chǎn)生原理m序列是最長線性移位寄存器的簡稱。顧名思義，m序列是由多級移位寄存器中，若n為移位寄存器的級數(shù)，n級移位寄存器共有2n個狀態(tài)，除去全0狀態(tài)外還剩下不2n-1種狀態(tài)，因此它能產(chǎn)生的最大長度的碼序列為2n-1位。產(chǎn)生m序列的線性反饋移們寄存器稱作最長線性移位寄存器。產(chǎn)生m序列的移位寄存器的電路結(jié)構(gòu)，其反饋線連接不是隨意的，m序列的周期p也不能取任意值，而必須滿足p=2n-

18、1，式中，n是移位寄存器的級數(shù)。圖1-7示出的是由n級移位寄存器構(gòu)成的碼序列發(fā)生器。寄存器的狀態(tài)決定于時鐘控制下輸入的信息（“0”或“1”），例如第i級移位寄存器狀態(tài)決定于前一時鐘脈沖后的第i-1級移位寄存器的狀態(tài)。圖中c0，c1，cn均為反饋線，其中c0=cn=1，表示反饋連接。因為m序列是由循環(huán)序列發(fā)生器產(chǎn)生的，因此c0和cn肯定為1，即參于反饋。而反饋系數(shù)c1，c2cn-1若為1，參于反饋；若為0，則表示斷開反饋線，即開路，無反饋連線。一個線性反饋移位寄存器能否產(chǎn)生m序列，決定于它的反饋ci(c0,c1,cn的總稱)。表示出了部分m序列的反饋系數(shù)ci)。最長線性移位寄存器序列可以由反饋邏

19、輯的遞推關(guān)。序列多項式一個以二元有限域的元素an(n=0, 1, )為系數(shù)的多項試稱之為序列的生成多項式, 簡稱序列多項式。(3-1)對于一個反饋移位寄存器來說, 反饋邏輯一確定, 產(chǎn)生的序列就確定了。 那么， 序列與反饋邏輯之間滿足什么關(guān)系呢？由圖3-1可以看出, 移位寄存器第一位的下一時刻的狀態(tài)是由此時的r個移位寄存器的狀態(tài)反饋后共同確定的, 即有 (3-2)c0=1輸出cn=1時鐘cn-1c2c1d1d2d3d4圖3-1 n級循環(huán)序列發(fā)生器的模型 由此可見, 序列滿足線性遞歸關(guān)系。把an移到等式的右邊并考慮到c0=1, 則(3 - 16)式可變?yōu)?(3-3)（3） 特征多項式首先考慮一個

20、矩陣a。 對反饋移位寄存器可用一個矩陣來描述它, 即a矩陣, 稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。 a矩陣為rr階矩陣, 其結(jié)構(gòu)為由式(3-3)可以看出, a的第一行元素正是移位寄存器的反饋邏輯。 其中cr1, 除了第一行和第r列以外的子矩陣為一(r-1)(r-1)的單位矩陣。 由此可見, a矩陣與移位寄存器的結(jié)構(gòu)是一一對應(yīng)的。 a矩陣可以將移位寄存器的下一狀態(tài)與現(xiàn)狀態(tài)聯(lián)系起來。 令移位寄存器的現(xiàn)狀態(tài)和下一狀態(tài)分別由矢量an和an+1表示, 分別為則有 an+1=aan (3-4)如圖3-1所示的反饋移位寄存器, 其a矩陣為 (3-5) 即 (3-6)（4） 特征多項式與序列多項式的關(guān)系設(shè)線性移位寄存器序列為

21、an=a0, a1, a2, , an 相應(yīng)的序列多項式為 (3-7)an的線性遞歸反饋函數(shù)為 (3-8)則 (3-9)交換求和次序并進(jìn)行變量代換經(jīng)整理后, 并考慮c0=1, 則有由此可得 (3-10) （5）m序列發(fā)生器下面給出產(chǎn)生m序列的條件: r級移位寄存器產(chǎn)生的碼,周期n2r-1,其特征多項式必然是不可約的， 即不能再因式分解而產(chǎn)生最長序列。因此, 反饋抽頭不能隨便決定, 否則將會產(chǎn)生短碼。 所有的次數(shù)r1的不可約多項式f(x)必然能除盡1xn, 因為an(x)=(1+xn)f(x)。 如果2r-1是一個素數(shù), 則所有r次不可約多項式產(chǎn)生的線性移位寄存器序列,一定是m序列, 產(chǎn)生這個m

22、序列的不可約多項式稱為本原多項式。 除了第r階以外,如果還有偶數(shù)個抽頭的反饋結(jié)構(gòu), 則產(chǎn)生的序列就不是最長線性移位寄存器序列。m序列發(fā)生器的結(jié)構(gòu)一般有兩種形式,簡單型(ssrg)和模件抽頭型(msrg)。 ssrg的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。這種結(jié)構(gòu)的反饋邏輯由特征多項式確定,這種結(jié)構(gòu)的缺點在于反饋支路中的器件時延是疊加的,即等于反饋支路中所有模2加法器時延的總和。因此限制了偽隨機序列的工作速度。提高ssrg工作速率的辦法之一是選用抽頭數(shù)目少的m序列,這樣還可簡化序列產(chǎn)生器的結(jié)構(gòu)。 圖3-2 ssrg結(jié)構(gòu)發(fā)生器原理圖 一個線性反饋移位寄存器能否產(chǎn)生m序列, 決定于它的電路反饋系數(shù)ci, 也就是它的遞

23、歸關(guān)系式。 不同的反饋系數(shù), 產(chǎn)生不同的移位寄存器序列。 表3-1列出了不同級數(shù)的最長線性移位寄存器序列的反饋系數(shù)。 r9時, 由于m序列的條數(shù)很多, 不可能在此一一列出, 故只列出了一部分, 反饋系數(shù)ci是以八進(jìn)制有示的。使用該表時，首先將每位八進(jìn)制數(shù)寫成二進(jìn)制形式。最左邊的1就是c0（c0恒為1），從此向右，依次用二進(jìn)制數(shù)表示c1，c2，cn.有了c1，c2，cn值后，就可構(gòu)成m序列發(fā)生器。例如，表中n=5，反饋系數(shù)ci=（45）8，將它們化成二進(jìn)制數(shù)為100101，即相應(yīng)的反饋系數(shù)依次為c0=1，c1=0，c2=0，c3=1，c4=0，c5=1。表3-1 部分m序列反饋系統(tǒng)數(shù)表級數(shù)n周期

24、p反饋系數(shù)（八進(jìn)制）37134152353145，67，75，663103，147，1557127203，211，217，235，277，313，325，345，3678255435，453，537，543，545，551，703，74795111021，1055，1131，1157，1167，11751010232011，2033，2157，2443，2745，34711120474005，4445，5023，5263，6211，736312409610123，11417，12515，13505，14127，1505313819120033，23261，24633，30741，32535，3

25、7505141638342103，51761，55753，60153，71147，674011532797100003，110013，120265，133663，1423051665535210013，233303，307572，311405，34743317131071400011，411335，444257，527427，646775表中的m序列的反饋系數(shù)只列出了一部分。 通過這些反饋系數(shù), 還可以求出對應(yīng)的鏡像序列的反饋抽頭和特征多項式。 所謂的鏡像序列是與原序列相反的序列。 如r3的序列為1110100, 鏡像序列為0010111。 可以通過下式, 由原序列的特征多項式f(x)求鏡像序

26、列的特征多項式f(r)(x)， 即（3-11）3.1.2 m序列的性質(zhì)（1）均衡性在m序列的一個周期內(nèi), “1”和“0”的數(shù)目基本相等。 準(zhǔn)確地說, “1”的個數(shù)比“0”的個數(shù)多一個。（2）游程分布把一個序列中取值相同的那些相繼元素合稱一個游程。 在一個游程中, 元素的個數(shù)稱為游程長度。 （3）移位相加性一個序列an與其經(jīng)m次遲延移位產(chǎn)生的另一不同序列an+m模2加, 得到的仍然是an的某次遲延移位序列an+k, 即 an+an+m=an+k (3-13)（4）周期性m序列的周期為n2r-1, r為反饋移位寄存器的級數(shù)。 （5）偽隨機性如果對一正態(tài)分布白噪聲取樣, 若取樣值為正, 記為“”。

27、若取樣值為負(fù), 記為“”,則將每次取樣所得極性排成序列, 可以寫成 +-+-+-+-+-+-這是一個隨機序列, 具有如下基本性質(zhì)：(1) 序列中“”和“”的出現(xiàn)概率相等。(2) 序列中長度為1的游程約占12, 長度為2的游程約占14, 長度為3的游程約占1/8。(3) 由于白噪聲的功率譜為常數(shù), 自相關(guān)函數(shù)為一沖激函數(shù)()。 3.1.3 m序列的相關(guān)性信號的自相關(guān)函數(shù)和功率譜之間形成一傅里葉變換對, 即 （3-14） 由于m序列的自相關(guān)函數(shù)是周期性的, 則對應(yīng)的頻譜是離散的。 自相關(guān)函數(shù)的波形是三角波, 對應(yīng)的離散譜的包絡(luò)為sa2(x)。 由此可得m序列的功率譜g()為 (3-15)圖3-5給

28、出g()的頻譜圖, tc為偽碼chip的持續(xù)時間。 圖3-3 m序列的頻譜圖由此可得: (1) m序列的功率譜為離散譜, 譜線間隔1=2/(ntc); (2) 功率譜的包絡(luò)為sa2(tc/2n), 每個分量的功率與周期n成反比; (3) 直流分量與n2成反比, n越大, 直流分量越小, 載漏越小; (4) 帶寬由碼元寬度tc決定, tc越小, 即碼元速率越高, 帶寬越寬; (5) 第一個零點出現(xiàn)在2tc; (6) 增加m序列的長度n, 減小碼元寬度tc, 將使譜線加密, 譜密度降低, 更接近于理想噪聲特性。3.2 matlab及simulink簡介3.2.1 matlab介紹matlab是矩陣

29、實驗室（matrix laboratory）的簡稱，是美國mathworks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括matlab和simulink兩大部分。matlab的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用matlab來解算問題要比用c，fortran等語言完成相同的事情簡捷得多，并且matlab也吸收了像maple等軟件的優(yōu)點,使matlab成為一個強大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對c，fortran，c+ ，java的支持。可以直接調(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲絤atl

30、ab函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的matlab愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。3.2.2 simulinksimulink是matlab最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(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)、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時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。 2simulink是matlab中的一

31、種可視化仿真工具， 是一種基于matlab的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，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)字信號處理的建模和仿真中。simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(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)建動態(tài)系統(tǒng)模型，simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(gui) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 simulink®是用于動態(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)

32、計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測試。. 構(gòu)架在simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴展了simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計、執(zhí)行、驗證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。simulink與matlab® 緊密集成，可以直接訪問matlab大量的工具來進(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)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。基于matlab/simulink所建立的擴頻通信系統(tǒng)的仿真模型,能夠反映擴頻通信系統(tǒng)的動態(tài)工作過程,可進(jìn)行波形觀察、 頻譜

33、分析和性能分析等, 同時能根據(jù)研究和設(shè)計的需要擴展仿真模型, 實現(xiàn)以擴頻通信為基礎(chǔ)的現(xiàn)代通信的模擬仿真, 為系統(tǒng)的研究和設(shè)計提供強有力的平臺。是否否否否否否是是是是是是仿真準(zhǔn)備設(shè)置目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃編程建立仿真模型驗證確認(rèn)仿真參數(shù)設(shè)置運行數(shù)據(jù)分析，調(diào)試生成仿真圖形結(jié)果是否滿意完成圖3-4 simulink仿真過程利用matlab系統(tǒng)設(shè)計m序列流程如圖3-1所示，概括地說仿真是一個“建模-實驗-分析”的過程，即仿真不單純是對模型的實驗，還包括從建模到實驗再到分析的全過程。因此進(jìn)行本次完整的matlab仿真有以下步驟：(1) 仿真準(zhǔn)備每項研究都應(yīng)從說明問題開始，對仿真的對象進(jìn)行分析，提出問題。(2) 設(shè)

34、置目標(biāo)及完整的項目歸化目標(biāo)表示仿真要回答的問題、系統(tǒng)方案的說明。項目規(guī)劃包括程序框架，模型結(jié)構(gòu)以及每階段工作所需時間。(3) 編程或建模編寫matlab語言或者建立sumilink模型。(4) 驗證檢驗程序或模塊是否存在錯誤，并加以修正。(5) 確認(rèn)確認(rèn)指確定模型是否精確地代表實際系統(tǒng)。它不是一成，而是比較模型和實際系統(tǒng)特性的差異，不斷對模型進(jìn)行校正的迭代過程。(6) 設(shè)置仿真參數(shù)(7) 運行、分析和調(diào)試?yán)美碚摱ㄐ苑治?、?jīng)驗定性分忻或系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)定量分析來檢驗?zāi)Ｐ偷恼_性，利用靈敏度分析等手段來檢驗?zāi)Ｐ偷姆€(wěn)定性。(8) 生成仿真圖，實現(xiàn)并完成3.3 m序列仿真及分析3.3.1m序列模型(1)

35、用matlab求出6階m序列本原多項式（見附錄）圖3-5 本原多項式由上圖看出6階m序列反饋系數(shù)，選取1100111為本論文的反饋系數(shù)設(shè)置初始值a1-a6=000001,打開模型創(chuàng)建窗口m.mdl文件(附錄m.mdl)找到相應(yīng)的模塊，在模型窗口中布局連線(4)設(shè)置參數(shù)，調(diào)試圖3-6參數(shù)設(shè)置3.3.2仿真結(jié)果(1)scope輸出波形圖3-7 m序列時域波形(2)simout模塊數(shù)據(jù)rot90(simout) columns 1 through 17 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 columns 18 through 34 1 0 1 0 0 1 1 0 1

36、0 0 0 0 1 0 0 0 columns 35 through 51 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 columns 52 through 68 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 columns 69 through 85 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 columns 86 through 102 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 columns 103 through 119 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 c

37、olumns 120 through 127 0 0 1 1 1 0 3.3.3 m序列相關(guān)性分析圖3-8 5階m序列相關(guān)性由圖可以看出，在周期63，時自相關(guān)值為1，在其他位置為0，說明m序列具有很好的自相關(guān)性第4章 直序擴頻通信系統(tǒng)仿真4.1 建立ds擴頻通信模型4.1.1系統(tǒng)模型分析andom-integer generator(隨機整數(shù)發(fā)生器)產(chǎn)生的二進(jìn)制隨機信號，采樣周期為0.001。信號饋入載頻為1000hz的bpsk調(diào)制，調(diào)制后的單列雙極性的實信號被周期為63的m序列雙極性二進(jìn)制序列直接相乘進(jìn)行擴頻。擴頻后的雙極性二進(jìn)制的信號進(jìn)入awgn(加性高斯白噪聲)es/n(信噪比)為10d

38、b的傳輸環(huán)境后進(jìn)入接收部分。信號首先進(jìn)行解調(diào)與解擴，解調(diào)后的信號直接進(jìn)入誤碼表。信源信源由隨機整數(shù)產(chǎn)生器(random integer generator)生成，隨機整數(shù)產(chǎn)生器用來產(chǎn)生一個在0和m-1之間均勻分布的隨機整數(shù)序列。擴頻模塊擴頻模塊包括偽隨機碼生成(由pn產(chǎn)生器模塊完成)和相關(guān)運算兩部分。其中相關(guān)運算實質(zhì)上為信息流與隨機序列模二加或相乘的過程。繼電器模塊系統(tǒng)中使用(relay)繼電器的作用是將單極性二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)變?yōu)殡p極性二進(jìn)制碼。使用雙極性二進(jìn)制碼元用相成的方式同樣可以完成擴頻與解擴的運算，還可以克服單極性二進(jìn)制碼元用異或的方法產(chǎn)生的不足。調(diào)制和解調(diào)本次設(shè)計中采用bpsk調(diào)制及解調(diào)，

39、設(shè)置偏移參數(shù)設(shè)為0(phaseoffset=0)，每符號采樣數(shù)定義為1(samples per symbol=1)。信道加性高斯白噪聲信道(awgn)的作用是在信號中加入白噪聲。加性高斯白噪聲信道模塊有一個輸入端口和一個輸出端口，輸入信號可以是實信號，也可以是復(fù)信號。擴頻后的雙極性二進(jìn)制信號進(jìn)入awgn信噪比為10db的傳輸環(huán)境。解擴解擴過程與擴頻過程完全相同即將送入的信號用偽隨機碼進(jìn)行第二次解擴處理。要求使用的偽隨機碼與發(fā)送端的偽隨機碼不僅碼字相同，而且相位相同。否則會使有用信號相互抵消。誤碼率計算發(fā)送信號與接收機恢復(fù)出的信號同時送入誤碼儀模塊(error rate calculation)

40、進(jìn)行比較，求出誤碼率，并顯示發(fā)送信號與接收信號的值4.1.2 建立ds模型(1) 建立系統(tǒng)模型根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)仿真模型分析和認(rèn)識，新建模型文件dsa.mdl，選取相應(yīng)模塊進(jìn)行布局連線仿真系統(tǒng)。（附dsa.mdl）(2)模塊參數(shù)設(shè)置信源設(shè)置隨機信號產(chǎn)生0 1，選取m-值2，隨機種子37，設(shè)置采樣周期為0.001（圖4-1）圖4-1 隨機信號源設(shè)置擴頻模塊參數(shù)為初始值000001，反饋系數(shù)為1000011圖4-2pn參數(shù)設(shè)置調(diào)制與解調(diào)參數(shù)相似 圖4-3 調(diào)制參數(shù)信道選取加性高斯白噪聲信道(awgn)，設(shè)置信噪比為10db環(huán)境圖（4-4）圖4-4 信道參數(shù)圖4-5 誤碼率計算模塊參數(shù)4.2調(diào)試仿真在進(jìn)行

41、動態(tài)仿真之前必須保證模塊的正確性與完整行，調(diào)試是必不可少的步驟。4.2.1 六階m序列擴頻系統(tǒng)仿真發(fā)射端與接收端波形相比較，選取仿真最后100個點波用scope顯示發(fā)送端和接收端波的波形圖4-6 發(fā)送端與接收端波形圖4-7誤比特率參數(shù)誤碼率分析：通過顯示器看出在該通信系統(tǒng)中總比特數(shù)為9000，傳輸中錯誤比特數(shù)為3個，錯誤比特率為3.333*10(-4)4.2.1 十一階m序列擴頻系統(tǒng)仿真改變pn序列采用11階m序列來對信號進(jìn)行頻譜擴展，設(shè)置參數(shù)如圖4-8圖4-8 11階pn序列參數(shù)圖4-9 11階擴頻系統(tǒng)接收發(fā)送端波形圖4-9 11階系統(tǒng)誤碼率顯示誤碼率分析：通過顯示器看出在該通信系統(tǒng)中總比特

42、數(shù)為10000，傳輸中錯誤比特數(shù)為9個，錯誤比特率為9.0*10(-4)4.2.3 結(jié)果分析論以上是對6階和11階m序列的直接擴頻系統(tǒng)的仿真， 通過仿真結(jié)果我們可以看出6階和11階段系統(tǒng)在抗干擾方面有明顯的差異，圖4-6是用64位的m序列來對信號擴頻，而后者所用2047位來對信號擴頻，不言而喻，擴頻后的信號帶寬相差很大，后者要犧牲更大的帶寬。從圖4-6和圖4-8相比較，兩者發(fā)送端和接收端波形均吻合，在傳輸9000位出現(xiàn)錯誤的比特數(shù)都很小，誤比特率很小，說明系統(tǒng)具有良好的的性能，在實際傳輸中會有良好的表現(xiàn)。第5章 m序列的應(yīng)用5.1 m序列應(yīng)用與發(fā)展m序列的應(yīng)用非常廣泛，包括信號同步、擴頻通信、

43、多址通信中的信號辨識、通信保密等。從擴頻序列設(shè)計理論而言，一方面希望得到專業(yè)擴頻序列設(shè)計的理論，從而為具體構(gòu)造擴頻序列族提供理論指導(dǎo)；另一方面，希望設(shè)計出相關(guān)性能良好的擴頻序列族以實現(xiàn)擴頻通信系統(tǒng)。從而為實現(xiàn)擴頻通信系統(tǒng)，在理論上保證了系統(tǒng)中只有低的或者沒有共道干擾，提高系統(tǒng)的性能。在擴頻通信中常用m序列來擴展頻譜寬度，對于發(fā)展趨勢來看，目前實現(xiàn) 4g技術(shù)的觀點主要有兩種：一種是開發(fā)新的無線接口和技術(shù)；另一種則是集成現(xiàn)有的及未來的無線系統(tǒng)。前者關(guān)注新技術(shù)的應(yīng)用，例如多載波調(diào)制技術(shù)，即ofdm，是一種傳輸高速數(shù)據(jù)的有效調(diào)制方案 ,被認(rèn)為有望成為4g的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制技術(shù)。而另一種觀點則認(rèn)為，更重要的是將

44、現(xiàn)有的和未來的通信系統(tǒng)集成，其中的網(wǎng)絡(luò)包括無線局域網(wǎng) (wlan)、無線個域網(wǎng) (wpan)以及家庭局域網(wǎng)等，其中，連接的設(shè)備則包括便攜式移動終端、固定設(shè)備、個人電腦以及娛樂設(shè)備等。超寬帶(uwb)技術(shù)以及軟件無線電(sdr)技術(shù)在無線網(wǎng)絡(luò)集成方面也起著重要的作用。在4g網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)中,有的技術(shù)本身就是擴頻技術(shù)的延伸，有的則能夠很好地與擴頻技術(shù)結(jié)合,還有的則能用于擴頻系統(tǒng)的實現(xiàn)。因此，這些新技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)著擴頻技術(shù)的發(fā)展趨勢。155.2 結(jié)束語本次畢業(yè)設(shè)計實現(xiàn)了設(shè)計要求，利用matlab軟件實現(xiàn)了m序列的生成，以及m序列運用于直接序列擴頻系統(tǒng)的仿真實驗。通過本次實踐，不但加深了對m序列的了解，而

45、且對matlab的編程有了較好的掌握，在不斷的程序調(diào)試糾錯中提高了自己的尋錯能力。通過matlab軟件對m序列的仿真和分析，可以看出，m序列是具有易于產(chǎn)生的特點并具有良好的自相關(guān)特性，同時，還可以看出matlab作為一種基于windows平臺的對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、仿真和分析的軟件工具，其功能的強大性和靈活性。在本次畢業(yè)設(shè)計過程中，查詢了大量的資料，通過相關(guān)的資料查詢，掌握了移動通信領(lǐng)域中更多的知識，擴大了知識面。由于時間的限制和水平的有限，本文所達(dá)到的研究水平是很有限的。所以結(jié)合本文的研究工作，本人認(rèn)為在研究具有自相關(guān)特性的多相擴頻序列的構(gòu)造方法方面仍有待于在今后的工作中繼續(xù)研究。擴頻通信是一種新新的通信技術(shù)，在以后將會有廣闊的前景，這次設(shè)計給了我一個提前認(rèn)識和學(xué)習(xí)的機會，為以后這方面的工作打下基礎(chǔ)，我學(xué)到了很多東西，認(rèn)識了很多書本上沒有的東西。致 謝本文的研究工作是在導(dǎo)師郭蓉老師的悉心指導(dǎo)下完成的。郭老師對論文的研究向、研究內(nèi)容和