擴頻通信及Matlab仿真

1、 擴頻通信及Matlab仿真目錄一、摘要. 3二、數(shù)字通信原理. 4三、衰落信道與抗衰落技術(shù). 5四、多址通行. 6五、擴頻通信原理. 6六、直接序列擴頻通信. 8七、基于matlab的直接序列擴頻仿真 10八、結(jié)束語. 13九、參考書目. 14十、致謝15摘要 擴頻通信即擴展頻譜通信，它與光纖通信、衛(wèi)星通信一同被譽為信息時代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。擴頻通信技術(shù)自50年代中期美國軍方開始研究，一直為軍事通信所獨占，廣泛應(yīng)用于軍事通信、電子對抗以及導(dǎo)航、測量等各個領(lǐng)域，直到80年代初才被應(yīng)用于民用通信領(lǐng)域。為了滿足日益增長的民用通信容量的需求和有效地利用頻譜資源，各國都紛紛提出在數(shù)字峰窩移動通

2、信、衛(wèi)星移動通信和未來的個人通信中采用擴頻技術(shù)，擴頻技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于蜂窩電話、無繩電話、微波通信、無線數(shù)據(jù)通信、遙測、監(jiān)控、報警等系統(tǒng)中。本文根據(jù)擴頻通信的原理，利用MATALB對擴頻通信中最常用的直擴通信系統(tǒng)進行了仿真。數(shù)字通信原理：1）所謂數(shù)字通信就是利用數(shù)字傳輸技術(shù)來進行的通信。它包括對模擬信號的編碼和調(diào)制，傳輸媒介以及對數(shù)字信號的解調(diào)和解碼。2） 典型的數(shù)字通信系統(tǒng)模型如圖1-1： 圖 1-1信源：信息的來源一般是模擬信號。信源編碼：模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號；信號壓縮處理；信號的高效率編碼。信道編碼：檢錯、糾錯編碼，提高信號抗干擾能力；信息加密，防止信息被竊取。調(diào)制變換：波形編碼，信號

3、調(diào)制，使基帶信號適合在特定的道中傳輸。傳輸媒介：有線、無線信道，網(wǎng)絡(luò)交互設(shè)備。解調(diào)、信道譯碼、信源譯碼：對信號作上述處理相反對變換。信宿：信息的最終傳輸目的地衰落信道與抗衰落技術(shù)：1） 衰落信道的產(chǎn)生：無線通信是基于電磁波在空間中的傳播來實現(xiàn)信息的傳遞的。無線信道的電波傳播特性與電波傳播的環(huán)境密切相關(guān)。電波環(huán)境主要包括：地形地貌、各種建筑物、氣候氣象、電磁干擾、移動體的運動速度和工作頻段等。因此在實際應(yīng)用中不可避免的產(chǎn)生衰落信道。2） 衰落信道主要包括：陰影衰落和多徑衰落。3） 抗衰落技術(shù)主要包括：空間分集技術(shù) Rake接收方式 信道交織技術(shù) 多載波傳輸技術(shù) 信道均衡技術(shù)擴頻通信技術(shù) 等等多址

4、通行：1） 信道分割原理：信道復(fù)用是在兩點之間的信道中同時傳送互不干擾的多個相互獨立的用戶信號，而多址通信則是在多點之間實現(xiàn)互不干擾的多方通信。信道分割原理的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是信號的正交分割原理，即先賦予各個信號不同的特征，然后根據(jù)每個信號特征之間的差別來區(qū)分信號，從而實現(xiàn)互不干擾的通信。2） 多址通信主要包括：頻分多址（FDMA） 時分多址（TDMA） 碼分多址（CDMA） 空分多址（SDMA）3）利用多址通信可以很好的節(jié)約頻譜資源，有效的利用信道的帶寬。擴頻通信原理：1）雖然多址通信可以很好的節(jié)約頻譜資源，有效的利用信道的帶寬。但是在實際的傳輸過程當(dāng)中，信道的干擾是非常嚴(yán)重的。因此我們引進了擴頻通

5、信技術(shù)來改善信號在傳輸過程中的干擾以及保密問題。2） 擴頻通信指的就是擴展頻譜通信技術(shù)。它是一種非常重要的抗干擾通信技術(shù)，目前已被廣泛應(yīng)用在軍事與民用通信系統(tǒng)中。它與光纖通信、衛(wèi)星通信一同被譽為信息傳輸時代的三大高新技術(shù)通信方式。3） 擴展頻譜通信系統(tǒng)是指待傳輸帶基帶信號用某個特定的擴頻函數(shù)(與基帶信號無關(guān))擴展頻譜后成為寬頻帶信號，然后再進行傳輸?shù)囊环N系統(tǒng)。待傳輸?shù)幕鶐盘柧褪切旁窗l(fā)出的數(shù)字信號。特定的擴頻函數(shù)通常選用各種偽隨機序列(擴頻碼)，其碼元傳輸速率遠(yuǎn)大于基帶信號速率，因而和基帶信號相乘后擴展了基帶信號的帶寬。它的基本特點是其傳輸信息所用信號的帶寬遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬。4）擴頻通信的

6、理論依據(jù)是香農(nóng)公式： C=B log2(1+S/N)式中，C為信道容量，B為信道帶寬，S/N為信道輸出信噪比(從發(fā)射機發(fā)出的信號噪聲功率比)。根據(jù)此定理，當(dāng)信道容量C一定時，信號帶寬B和信噪比S/N是可以互換的，即增加信號帶寬可以降低對信噪比的要求，當(dāng)帶寬增加到一定程度，允許信噪比進一步降低，有用信號功率接近噪聲功率甚至淹沒在噪聲之下也是可能的。擴頻通信就是用寬帶傳輸技術(shù)來換取信噪比上的好處，這就是擴頻通信的基本思想和理論依據(jù)。5) 在實際應(yīng)用中，擴頻通信的基本工作方式有四種：1.直接序列擴頻(Direct Sequence Spreads Spectrum)工作方式，簡稱(DS)方式。2.跳

7、變頻率(Frequency Hopping)工作方式，簡稱(FH)方式3.跳變時間(Time Hopping)工作方式，簡稱(TH)方式。4.寬帶線性調(diào)頻(Chirp Modulation) 工作方式，簡稱(Chirp)方式。 上述四種工作方式是最基本的工作方式，最常用的是直擴方式和調(diào)頻方式兩種。但在實際通信系統(tǒng)中，僅僅采用單一工作方式不能達(dá)到所希望的性能是，往往采用兩種或兩種以上的工作方式的混合形式。6)本文主要講述直接序列擴頻通信的工作方式。7）擴頻通信常用的偽隨機碼：常用的偽隨機碼主要有m序列、GOLD序列、WALSH碼和OVSF碼，其中最常見的是m序列。GOLD碼是m序列的復(fù)合碼，是由

8、2個碼長相等，碼時鐘速率相同的序列優(yōu)選對模2加構(gòu)成，每改變2個序列相對位移就可得到一個新的GOLD序列。GOLD序列具有良好的自、互相關(guān)特性，且地址數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于m序列地址數(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，在工程上得到較為廣泛的應(yīng)用。WALSH函數(shù)是一種非正弦的完備正交函數(shù)系，具有理想的互相關(guān)特性，兩兩之間的互相關(guān)函數(shù)為0，亦即它們是正交的，因而在碼分多址通信中，WALSH函數(shù)可以作為地址碼使用，在IS-95中，正向傳輸信道就使用了64階WALSH函數(shù)。OVSF碼是一種正交可變擴頻因子碼，保證在不同時隙上的不同擴頻因子的擴頻碼正交，而在每個時隙上可使用的碼的數(shù)目不固定，與每個物理信道的數(shù)據(jù)速率和擴頻因子有關(guān)

9、，OVSF碼在TD-SCDMA系統(tǒng)中得到了廣泛使用。8）擴頻通信的技術(shù)優(yōu)點：擴頻通信之所以得到重視和發(fā)展，并成為近代通信主要研究和發(fā)展的方向，是因為它具有其它通信系統(tǒng)不能與之相比的獨特性能。1) 抗同頻干擾性能好。接收機采用相關(guān)運算只接收PN碼相同的擴頻信號，對所有載波頻率相同的信號或干擾具有很強的抑制能力。2) 良好的抗衰落性能。一般信道中的衰落是有頻率選擇性的，不會對寬頻帶的擴頻信號接收產(chǎn)生太大的影響。3) 抗多徑干擾能力強。由于擴頻系統(tǒng)中采用的PN碼具有很好的自相關(guān)性，互相關(guān)性很弱，不同的路徑傳輸來的信號能容易地被分離開，并在時間和相位上重新對齊，形成幾路信號功率的疊加，從而改善了接收系

10、統(tǒng)的性能，增加了系統(tǒng)的可靠性。直接序列擴頻通信：直接序列擴頻，就是直接用高碼率的擴頻碼序列在發(fā)端去擴展信號的頻譜，在收端用相同的擴頻碼去解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的基帶信號。 典型的直接序列擴頻系統(tǒng)框圖如圖1-2 圖 1-2典型的直擴系統(tǒng)頻譜圖：如圖1-3 圖 1-3基于matlab的直接序列擴頻仿真；信息碼的頻率設(shè)為50kHz，采樣頻率設(shè)為40MHz。假設(shè)信源信息碼的總長度為20，則每個信息碼內(nèi)含40MHz/50kHz800個采樣點。通過sign函數(shù)，把20個(0，1)區(qū)間內(nèi)的隨機數(shù)變成20個只用“1”與“1”表示的信息碼，而后再通過一個循環(huán)，對每一個信息碼采樣800次，共生成1600

11、0個采樣點，每個點之間的間隔為0.025s。偽隨機碼頻率設(shè)為5MHz，信息碼頻率為50kHz，所以每個信息碼內(nèi)包含5MHz/50kHz100個偽碼。通過調(diào)用一個產(chǎn)生m序列的子函數(shù)mgen.m，與一個長度為20×100的循環(huán)，就得到了偽隨機序列PN碼。sign(x)：符號函數(shù) (Signum function)。 當(dāng)x<0時，sign(x)=-1； 當(dāng)x=0時，sign(x)=0; 當(dāng)x>0時，sign(x)=1。程序如下：>> code_length=20; %信息碼元個數(shù)>> N=1:code_l

12、ength;>> rand('seed',0);>> x=sign(rand(1,code_length)-0.5); %信息碼>> for i=1:20 s(1+(i-1)*800):i*800)=x(i); %每個信息碼元內(nèi)含fs/f=800個采樣點 end>> %產(chǎn)生偽隨機碼>> length=100*20; %偽碼頻率5MHz,每個信息碼內(nèi)含5MHz/50kHz=100個偽碼>> x_code=sign(mgen(19,8,length)-0.5); %把0,1序列碼變換為-1,1調(diào)制碼>&g

13、t; for i=1:2000 w_code(1+(i-1)*8):i*8)=x_code(i); %每個偽碼碼元內(nèi)含8個采樣點 end>> %擴頻>> k_code=s.*w_code; %k_code為擴頻碼>> %調(diào)制>> fs=20e6;>> f0=30e6;>> for i=1:2000 AI=2; dt=fs/f0; n=0:dt/7:dt; %一個載波周期內(nèi)采樣八個點 cI=AI*cos(2*pi*f0*n/fs); signal(1+(i-1)*8):i*8)=k_code(1+(i-1)*8):i*8).

14、*cI; end>> %解調(diào)>> AI=1;>> dt=fs/f0;>> n=0:dt/7:dt; %一個載波周期內(nèi)采樣八個點>> cI=AI*cos(2*pi*f0*n/fs);>> for i=1:2000 signal_h(1+(i-1)*8):i*8)=signal(1+(i-1)*8):i*8).*cI; end>> %解擴>>jk_code=signal_h.*w_code;>> %低通濾波>> wn=5/10000000; %截止頻率wn=fn/(fs/2),這

15、里的fn為信息碼(擴頻碼)的帶寬5M>> b=fir1(16,wn);>> H=freqz(b,1,16000);>> signal_d=filter(b,1, jk_code);-%mgen.mfunctionout=mgen(g,state,N)gen=dec2bin(g)-48;M=length(gen);curState=dec2bin(state,M-1)-48;for k=1:N out(k)=curState(M-1); a=rem(sum(gen(2:end).*curState),2); curState=a curState(1:M-2)

16、;end-仿真結(jié)果如圖1-4、1-5、1-6圖1-4 PN碼的仿真波形 圖1-4圖 1-5擴頻碼的仿真波形： 圖1-5圖1-6輸入與輸出的對比 圖1-6結(jié)束語： 擴頻通信以其較強的抗干擾、抗衰落、抗多徑性能而成為第三代通信的核心技術(shù)，本文闡述了直接序列擴頻通信的理論基礎(chǔ)和實現(xiàn)方法，并利用MATLAB建立了直擴通信系統(tǒng)的仿真模型。隨著社會通信事業(yè)的迅猛發(fā)展，擴展頻譜技術(shù)的應(yīng)用大有潛力可以挖掘，尤其在民用中的地位也將越來越顯著本論文是在移動通信原理與系統(tǒng)課程張浩亮老師的悉心關(guān)懷和親切指導(dǎo)下完成的。張老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，淵博的學(xué)識，幽默風(fēng)趣的教學(xué)風(fēng)格，對學(xué)生無微不至的關(guān)心和指導(dǎo)，以及偉大的人格魅力都深深地感染和激勵著我。從課程的開始到論文的完成，張老師都給予了我各方面極大的幫助。在此，謹(jǐn)向尊敬的張老師致以崇高的敬意和衷心