直接序列擴(kuò)頻課程設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)摘要： 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)（DS-CDMA）因其抗干擾性強(qiáng)、 隱蔽性好、易于實(shí)現(xiàn)碼分多址（CDMA）、抗多徑干擾、直擴(kuò)通信速率高等眾多優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域中。本設(shè)計中首先首先對于直接擴(kuò)頻及PSK調(diào)制解調(diào)基本原理進(jìn)行研究，實(shí)際包括抽樣定理、快速傅里葉變換FFT、數(shù)字濾波器原理等。然后對系統(tǒng)進(jìn)行抽象建模，并完成各部分功能描述及實(shí)現(xiàn)算法研究。接著完成系統(tǒng)程序編寫，程序主要包含兩類：系統(tǒng)設(shè)計和工具設(shè)計。其中主要包含隨機(jī)源信號生成，m序列生成，直接擴(kuò)頻，PSK調(diào)制，高斯白噪聲信道，帶通濾波，PSK解調(diào)，低通濾波，抽樣量化，解擴(kuò)，抽樣，各

2、頻譜及波形圖繪制，誤碼率計算等部分。最后根據(jù)需求設(shè)置參數(shù)，運(yùn)行程序，對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞：DS擴(kuò)頻；Matlab仿真；PSP調(diào)制解調(diào)； 目 錄專心-專注-專業(yè)第1章 緒論1.1背景直接序列擴(kuò)頻(DSSS Direct Sequence Spread Spectrum)技術(shù)是當(dāng)今人們所熟知的擴(kuò)頻技術(shù)之一。這種技術(shù)是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)碼（PN碼）擴(kuò)展到一個很寬的頻帶上去，在接收端，用與發(fā)端擴(kuò)展用的相同的偽隨機(jī)碼對接收到的擴(kuò)頻信號進(jìn)行相關(guān)處理，恢復(fù)出發(fā)送的信息。它是二戰(zhàn)期間開發(fā)的，最初的用途是為軍事通信提供安全保障, 是美軍重要的無線保密通信技術(shù)。這種技術(shù)使敵人很難探測到信號。即便探測到

3、信號，如果不知道正確的編碼，也不可能將噪聲信號重新匯編成原始的信號。有關(guān)擴(kuò)頻通信技術(shù)的觀點(diǎn)是在1941年由好萊塢女演員Hedy Lamarr 和鋼琴家George Antheil提出的?；趯︳~雷控制的安全無線通信的思路，他們申請了美國專利#2.292.387。不幸的是，當(dāng)時該技術(shù)并沒有引起美國軍方的重視，直到十九世紀(jì)八十年代才引起關(guān)注，將它用于敵對環(huán)境中的無線通信系統(tǒng)。直序擴(kuò)頻解決了短距離數(shù)據(jù)收發(fā)信機(jī)、如：衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、3G移動通信系統(tǒng)、WLAN (IEEE802.11a, IEEE802.11b, IEE802.11g)和藍(lán)牙技術(shù)等應(yīng)用的關(guān)鍵問題。擴(kuò)頻技術(shù)也為提高無線電頻率的利用

4、率(無線電頻譜是有限的因此也是一種昂貴的資源)提供幫助。直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在發(fā)端輸入的數(shù)字信號信息，先由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號以展寬信號的頻譜，擴(kuò)頻碼序列一般采用PN碼。展寬后的信號再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。調(diào)制多采用BPSK、DPSK、MPSK等調(diào)制方式。在接收端收到的信號進(jìn)行解調(diào)（一般采用相干解調(diào)）。然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)?；謴?fù)成原輸入的信息輸出。由此可見，般的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)都要進(jìn)行兩次調(diào)制和相應(yīng)的解調(diào)。一次調(diào)制為擴(kuò)頻調(diào)制，二次調(diào)制為射頻調(diào)制，以及相應(yīng)的解擴(kuò)和射頻解調(diào)。 與一般通信系統(tǒng)比較，擴(kuò)頻通信就是多了擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)部分。 1.2目的和意義本文所選

5、課題為直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的設(shè)計和仿真，直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)和不足。1）抗干擾性強(qiáng)抗干擾是擴(kuò)頻通信主要特性之一，比如信號擴(kuò)頻寬度為100倍，窄帶干擾基本上不起作用，而寬帶干擾的強(qiáng)度降低了100倍，如要保持原干擾強(qiáng)度，則需加大100倍總功率，這實(shí)質(zhì)上是難以實(shí)現(xiàn)的。因信號接收需要擴(kuò)頻編碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)處理才能得到，所以即使以同類型信號進(jìn)行干擾，在不知道信號的擴(kuò)頻碼的情況下，由于不同擴(kuò)頻編碼之間的不同的相關(guān)性，干擾也不起作用。正因?yàn)閿U(kuò)頻技術(shù)抗干擾性強(qiáng)，美國軍方在海灣戰(zhàn)爭等處廣泛采用擴(kuò)頻技術(shù)的無線網(wǎng)橋來連接分布在不同區(qū)域的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。2）隱蔽性好因?yàn)樾盘栐诤軐挼念l帶上被擴(kuò)展，單位帶寬上的功率很小

6、，即信號功率譜密度很低，信號淹沒在白噪聲之中，別人難以發(fā)現(xiàn)信號的存在，加之不知擴(kuò)頻編碼，很難拾取有用信號，而極低的功率譜密度，也很少對于其他電訊設(shè)備構(gòu)成干擾。 3）直擴(kuò)通信速率高直擴(kuò)通信速率可達(dá) 2M，8M，11M，無須申請頻率資源，建網(wǎng)簡單，網(wǎng)絡(luò)性能好。4）有很強(qiáng)的保密性能。對于直擴(kuò)系統(tǒng)而言，射頻帶寬很寬，譜密度很低，甚至淹沒在噪音中，就很難檢查到信號的存在。由于直擴(kuò)信號的頻譜密度很低，直擴(kuò)系統(tǒng)對其它系統(tǒng)的影響就很小。 本設(shè)計為掌握利用計算機(jī)來加深對所學(xué)知識的理解和掌握，通過MATLAB/Simulink仿真平臺，運(yùn)用所學(xué)的理論和方法進(jìn)行仿真、解決問題。探究直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的性能及痛惜各部分

7、信號的波形和頻率特征。1.3主要內(nèi)容（1） 對于直接擴(kuò)頻及PSK調(diào)制解調(diào)基本原理進(jìn)行研究，實(shí)際包括抽樣定理、快速傅里葉變換FFT、數(shù)字濾波器原理等。（2） 對系統(tǒng)進(jìn)行抽樣建模，并完成各部分功能描述及實(shí)現(xiàn)算法研究。（3） 程序編寫，包括主系統(tǒng)函數(shù)，各部分子系統(tǒng)函數(shù)及工具設(shè)計。其中主要包含隨機(jī)源信號生成，m序列生成，直接擴(kuò)頻，PSK調(diào)制，高斯白噪聲信道，帶通濾波，PSK解調(diào)，低通濾波，抽樣量化，解擴(kuò)，抽樣，各頻譜及波形圖繪制，誤碼率計算等部分。（4） 設(shè)置參數(shù)，運(yùn)行程序，對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。第2章 直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)2.1直接序列擴(kuò)頻的概念及理論基礎(chǔ)2.1.1直接序列擴(kuò)頻的概念所謂直接序

8、列(DS：Direct Sequence)擴(kuò)頻，就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)送端去擴(kuò)展信號的頻譜。而在接收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始的信息。2.1.2擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)長期以來，人們總是想方設(shè)法使信號所占的頻譜盡量窄，以充分提高十分寶貴的頻率資源利用率。但擴(kuò)頻通信在發(fā)送端用擴(kuò)頻碼調(diào)制，使信號所占的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必須的帶寬，在接收端采用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)以恢復(fù)出所傳信息數(shù)據(jù)。為什么要用寬頻帶信號來傳輸窄帶信息呢？主要是為了通信的安全可靠性。這可用信息論和抗干擾理論的基本觀點(diǎn)來說明：根據(jù)香農(nóng)(C.E.Shannon)在信息論研究中總結(jié)出的信道

9、容量公式，香農(nóng)公式： （2-1）式中：C-信息的傳輸速率（信道容量） 單位b/s； S-信號平均功率單位W； B-頻帶寬度 單位Hz； N-噪聲平均功率 單位W。由式中可以看出：為了提高信息的傳輸速率C，可以從兩種途徑實(shí)現(xiàn)，既加大帶寬B或提高信噪比S/N。換句話說，當(dāng)信號的傳輸速率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(jìn)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(kuò)頻通信就是用寬帶傳輸技術(shù)來換取信噪比上的好處?？陆轄柲峥煞蛟谄錆撛诳垢蓴_性理論中得到如下關(guān)于信息傳輸差錯概率的公式 （2-2）此公式

10、指出，差錯概率Pe是信號能量E與噪聲功率譜密度之比的函數(shù)。設(shè)信息持續(xù)時間為T，或數(shù)字信息的碼元寬度為T，則信息的帶寬Bm為 （2-3）信號功率S為 （2-4）已調(diào)（或已擴(kuò)頻）信號的寬度為B，則噪聲功率為 （2-5）將式（4-3）（4-5）代入式（4-2），可得 （2-6）上面公式指出，差錯概率Pe是輸入信號與噪聲功率之比（S/N）和信號帶寬與信息帶寬之比（B/Bm）二者乘積的函數(shù)，信噪比與帶寬是可以互換的。它同樣指出了用增加帶寬的方法可以換取信噪比上的好處。綜上所述：將信息帶寬擴(kuò)展100倍，甚至用1000倍以上的帶寬信號來傳輸信息，就是為了提高通信的抗干擾能力，即在強(qiáng)干擾條件下保證可靠安全的通

11、信。這就是擴(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù)。2.1.3直接序列擴(kuò)頻的基本原理所謂直接序列擴(kuò)頻（DS），就是直接用具有高速率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)送端去擴(kuò)展信號的頻譜。而接收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始信息。圖2-1示出了直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的原理方框圖圖2-1 直擴(kuò)通信系統(tǒng)的組成框圖圖2-2 直擴(kuò)通信系統(tǒng)的主要相位或波形如圖2-2在發(fā)送端輸入信息碼元m（t），它是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，圖中為0、1兩個碼元，其碼元寬度為。加入擴(kuò)頻解調(diào)器，圖中為模2加法器，擴(kuò)頻碼為一個偽隨機(jī)碼（PN碼），記作p（t）。偽碼的波形如圖 2-2 中的第（2）個波形，其碼元寬度為，且取。通常在DS系統(tǒng)中，偽碼的速

12、率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信碼速率，即，也就是說，偽碼的寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信碼的寬度，即，這樣才能展寬頻譜。模2加法器的運(yùn)算規(guī)則可用下式表示 （2-7）當(dāng)m（t）與p（t）符號相同時，c（t）為0；而當(dāng)m（t）與p（t）不同時，則為1。c（t）的波形如圖4-2所示中的第（3）個波形。由圖可見，當(dāng)信碼m（t）為0時，c（t）與p（t）相同；而當(dāng)信碼m（t）為1時，則c（t）為p（t）取反既是。顯然，包含信碼的c（t）其碼元寬度已變成了，即已進(jìn)行了頻譜擴(kuò)展。其擴(kuò)展處理增益也可用下式表示 （2-8）在一定的情況下，若偽碼 速率越高，即偽碼寬度（碼片寬度）越窄，則擴(kuò)頻處理增益越大。經(jīng)過擴(kuò)頻，還要載頻調(diào)制，以便信號在信道上有

13、效的傳輸。圖中采用二相相移鍵控方式。調(diào)相器可由環(huán)行調(diào)制器完成，即將c（t）與載頻相乘，輸出為。即 （2-9）式中， （2-10）因此，經(jīng)過擴(kuò)頻和相位調(diào)制后的信號為 （2-11）由上面討論可知，經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制信號c（t）可看作只取1的二進(jìn)制波形，然后對載頻進(jìn)行調(diào)制，這里是采用調(diào)相（BPSK）。所謂調(diào)制，就是指相乘過程，可采用相乘器，環(huán)行調(diào)制器（或平衡調(diào)制器），最后得到的是抑制載波雙邊帶振幅調(diào)制信號。這里假定平衡調(diào)制器是理想對稱，碼序列取+1、1的概率相同，即調(diào)制信號無直流分量，這樣平衡調(diào)制器輸出的已調(diào)波中，無載波分量。通過發(fā)射機(jī)中推動級、功放和輸出電路加至天線發(fā)射出去。通常載波頻率較高，或者說載波

14、周期較小，它遠(yuǎn)小于偽碼的周期，即滿足。但圖2-2中（4）示出的載波波形的寬度為，這是為了便于看清楚一些，否則要在一個期間內(nèi)畫幾十個甚至幾百個正弦波。對于PSK來說，主要是看清楚已調(diào)波與調(diào)制信號之間的相位關(guān)系。圖4-2中的第（5）個圖為已調(diào)波 的波形。這里，當(dāng)c（t）為一碼時，已調(diào)波與載波取反相；而當(dāng)c（t）為0碼時，取同相。已調(diào)波與載波的相位關(guān)系如圖4-2中的第（6）個圖所示。接收端的工作原理：假設(shè)發(fā)射的信號經(jīng)過信道傳輸，不出現(xiàn)差錯，經(jīng)過接收機(jī)前端電路（包括輸入電路、高頻放大器等），輸出仍為。這里不考慮信道衰減問題，因?yàn)閷SK調(diào)制信號而言，重要的是相位問題，這里的假定對分析工作原理是不受影響

15、的。相關(guān)器完成相干解調(diào)和解擴(kuò)。接收機(jī)中的本振信號頻率與載波相差為一個固定的中頻。假定收端的偽碼（PN）與發(fā)端的PN碼相同。接收端本地調(diào)相情況與發(fā)端相似，這里的調(diào)制信號是p（t），即調(diào)相器輸出信號的相位僅取決于p（t），當(dāng)p（t）=1時，的相位為；當(dāng)p（t）=0時，的相位為0。信號的相位如圖4-2中（7）所示。相關(guān)器的作用在這里可等效為對輸入相關(guān)器的、相位進(jìn)行模2加。對二元制的0、而言，同號模2加為0，異號模2加為。因此相關(guān)器的輸出的中頻相位如圖4-2中的（8）所示。然后通過中頻濾波器。濾除不相關(guān)的各種干擾，經(jīng)解調(diào)恢復(fù)出原始信息。這一過程說明了直擴(kuò)系統(tǒng)的基本原理和它是怎樣通過對信號進(jìn)行擴(kuò)頻與解擴(kuò)

16、處理從而獲得提高輸出信噪比的好處的。它體現(xiàn)了直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾能力。2.1.4 m序列m序列是最長線性移位寄存器序列的簡稱。二進(jìn)制的m序列是一種重要的偽隨機(jī)序列，有優(yōu)良的自相關(guān)特性。容易產(chǎn)生、規(guī)律性強(qiáng)，但其隨機(jī)性接近于噪聲和隨機(jī)序列。m序列在擴(kuò)展頻譜及碼分多址技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，并在m序列基礎(chǔ)上還能夠成其它碼序列，因此無論從m序列直接應(yīng)用還是從掌握偽隨機(jī)序列基本理論而言，應(yīng)該熟悉m序列的產(chǎn)生及其主要特性。顧名思義，m序列是由多級移位寄存器或其他延遲元件通過線性反饋產(chǎn)生的最長的碼序列。在二進(jìn)制移位寄存器發(fā)生器中，若n為級數(shù)，則所能產(chǎn)生的最大長度的碼序列為2n1位?，F(xiàn)在來看看如何由多級移位寄存器經(jīng)

17、線性反饋產(chǎn)生周期性的m序列。圖2-3為一最簡單的三級移位寄存器構(gòu)成的m序列發(fā)生器。圖2-3三級移位寄存器構(gòu)成的m序列發(fā)生器圖中Dl、D2、D3為三級移位寄存器，為模二加法器。移位寄存器的作用為在時鐘脈沖驅(qū)動下，能將所暫存的“1”或“0”逐級向右移。模二加法器的作用為圖中(b)所示的運(yùn)算，即0十00，0十11，1十0l，l十10。圖(a)中D2、D3輸出的模二和反饋為Dl的輸入。在圖(c)中示出，在時鐘脈沖驅(qū)動下，三級移位寄存器的暫存數(shù)據(jù)按列改變。D3的變化即輸出序列。如移位寄存器各級的初始狀態(tài)為111時，輸出序列為。在輸出周期為17的碼序列后，D1、D2、D3又回到111狀態(tài)。在時鐘脈沖的驅(qū)動

18、下，輸出序列作周期性的重復(fù)。因7位為所能產(chǎn)生的最長的碼序列，則為m序列。這一簡單的例子說明：m序列的最大長度決定于移位寄存器的級數(shù)，而碼的結(jié)構(gòu)決定于反饋抽頭的位置和數(shù)量。不同的抽頭組合可以產(chǎn)生不同長度和不同結(jié)構(gòu)的碼序列。有的抽頭組合并不能產(chǎn)生最長周期的序列。對于何種抽頭能產(chǎn)生何種長度和結(jié)構(gòu)的碼序列，已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作。現(xiàn)在已經(jīng)得到3 -100級m序列發(fā)生器的連接圖和所產(chǎn)生的m序列的結(jié)構(gòu)。例如4級移位寄存器產(chǎn)生的15位的m序列之一為1000。同理我們不難得到31、63、127、255、511、l023位的m序列。一個碼序列的隨機(jī)性由以下三點(diǎn)來表征：1. 一個周期內(nèi)“l(fā)”和“0”的位數(shù)僅相差

19、1位。2. 一個周期內(nèi)長度為 l 的游程(連續(xù)為“0”或連續(xù)為“l(fā)”)占12，長度為2的游程占l4，長度3的游程占l8。只有一個包含n個“l(fā)”的游程，也只有一個包含(n1)個“0”的游程?！發(fā)”和“0”的游程數(shù)相等。3. 一個周期長的序列與其循環(huán)移位序列比較，相同碼的位數(shù)與不相同碼的位數(shù)相差l位。在m序列中一個周期內(nèi)“1”的數(shù)目比“0”的數(shù)目多 l位。例如上述7位碼中有4個“1”和3個“0”。在15位碼中有8個“l(fā)”和7個“0”。在表3-2中列出長為15位的游程分布。表2-1 1000游程分布游程長度（比特）“1”的游程數(shù)“0”的游程數(shù)所包含的比特數(shù)1224211430134104游程總數(shù)8合

20、計15一般說來，m序列中長為R的游程數(shù)占游程總數(shù)的l2k。m序列的自相關(guān)函數(shù)由下式計算： （2-12）A為“0”的位數(shù)；D為“1”的位數(shù)令p =A + D = 2n 1 則： （2-13）設(shè)n=3,p =2317，則： （2-14）它正是圖3-1 (d)中所示的二值自相關(guān)函數(shù)。 m序列和其移位后的序列逐位模二相加，所得的序列還是m序列，只是相移不同而已。例如與向右移三位后的序列逐位模二相加后的序列為，相當(dāng)于原序列向右移一位后的序列，仍是m序列。 m序列發(fā)生器中移位寄存器的各種狀態(tài)，除全0狀態(tài)外，其他狀態(tài)只在m序列中出現(xiàn)一次。如7位m序列中順序出現(xiàn)的狀態(tài)為111，110，101，010，100，

21、00l和011，然后再回到初始狀態(tài)111。 m序列發(fā)生器中，并不是任何抽頭組合都能產(chǎn)生m序列。理論分析指出，產(chǎn)生的m序列數(shù)由下式?jīng)Q定 （2-15）其中由F(X)為歐拉數(shù)(即包括1在內(nèi)的小于X并與它互質(zhì)的正整數(shù)的個數(shù))。例如5級移位寄存器產(chǎn)生的 31位m序列只有6個。2.2 直擴(kuò)系統(tǒng)的性能2.2.1直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾性直擴(kuò)系統(tǒng)最早應(yīng)用是在軍事通信中作為很強(qiáng)抗干擾性的通信手段。直擴(kuò)系統(tǒng)對窄帶干擾、寬帶干擾等，都具有抗干擾能力，其抗干擾能力大小就是前面提出的擴(kuò)頻處理增益，越大，抗干擾能力就越強(qiáng)。下面就來分析直擴(kuò)系統(tǒng)抗寬帶干擾和抗窄帶干擾的原理這里的寬帶干擾是泛指的與擴(kuò)頻信號不相關(guān)的，在CDMA通信網(wǎng)中

22、，其它用戶的信號就是一種寬帶干擾。相關(guān)處理前，信號頻譜是很寬的，經(jīng)相關(guān)處理后，有用信息被解擴(kuò)，其功率譜集中于信息帶寬內(nèi)，而寬帶干擾通過相關(guān)器，其功率譜密度基本不變。由于解擴(kuò)后必然連接窄帶濾波器，保證信號能順利通過，對信號頻帶之外的各種干擾起到很大的抑制作用，從而提高了輸出的信噪比。對單頻或窄帶干擾，直擴(kuò)系統(tǒng)有很強(qiáng)的抗干擾能力。圖4-4（a）為解擴(kuò)前的功率譜，窄帶干擾功率很大，由于干擾與本地擴(kuò)頻碼（PN碼）是不相關(guān)的。對干擾來說，相關(guān)器起到擴(kuò)展頻譜的目的，功率譜密度就大大下降，其中對信號有害的干擾分量只有落入信息帶寬部分，從而抑制了大部分干擾。由于有用信號能順利通過窄帶濾波器，因此提高了輸出的信

23、噪比。2.2.2直擴(kuò)信號的抗截獲性 截獲敵方信號的目的在于： 1.發(fā)現(xiàn)敵方信號的存在， 2.確定敵方信號的頻率， 3.確定敵方發(fā)射機(jī)的方向。 論分析表明，信號的檢測概率與信號能量與噪聲功率譜密度之比成正比，與信號的頻帶寬度成反比。直擴(kuò)信號正好具有這兩方面的優(yōu)勢，它的功率譜密度很低，單位時間內(nèi)的能量就很小，同時它的頻帶很寬。因此，它具有很強(qiáng)的抗截獲性。如果滿足直擴(kuò)信號在接收機(jī)輸入端的功率低于或與外來噪聲及接收機(jī)本身的熱噪聲功率相比擬的條件、則一般接收機(jī)發(fā)現(xiàn)不了直擴(kuò)信號的存在。另外，由于直擴(kuò)信號的寬頻帶特性，截獲時需要在很寬的頻率范圍進(jìn)行搜索和監(jiān)測，也是困難之一。因此，直擴(kuò)信號可以用來進(jìn)行隱藏通信

24、。至于如何發(fā)現(xiàn)敵方直擴(kuò)信號的存在，和弄清楚其參數(shù)，即直擴(kuò)信號的檢測與估值問題。第3章 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的MATLAB仿真3.1 matlab簡介MATLAB原意為“矩陣實(shí)驗(yàn)室MATrixLABoratory”，它是目前控制界國際上最流行的軟件，它除了傳統(tǒng)的交互式編程之外，還提供了豐富可靠的矩陣運(yùn)算、圖形繪制、數(shù)據(jù)和圖象處理、Windows編程等便利工具。MATLAB還配備了大量工具箱，特別是還提供了仿真工具軟件SIMULINK。MATLAB在80年代一出現(xiàn)，首先是在控制界得到研究人員的矚目。隨著MATLAB軟件的不斷完善，特別是仿真工具SIMULINK的出現(xiàn)，使MATLAB的應(yīng)用范圍越來越

25、廣。隨著MATLAB庫函數(shù)和仿真工具箱的不斷擴(kuò)充，使其在系統(tǒng)仿真與分析、信號處理、圖像處理等方面的應(yīng)用越來越廣泛。MATLAB 具有 3 大特點(diǎn)：（1）功能強(qiáng)大，包括數(shù)值計算和符號計算，計算結(jié)果和編程可視化，數(shù)學(xué)和文字統(tǒng)一處理，離線和在線皆可計算；（2）面友好，語言自然。MATLAB 以復(fù)數(shù)矩陣為計算單元，指令表達(dá)與標(biāo)準(zhǔn)教科書的數(shù)學(xué)表達(dá)式相近；（3）開放性強(qiáng)。MATLAB 有很好的可擴(kuò)充性，可以把它當(dāng)作一種更高級的語言去使用，可容易地編寫各種通用或?qū)Ｓ脩?yīng)用程序。正是由于 MATLAB 的這些特點(diǎn)，使它獲得了對應(yīng)用學(xué)科（特別是邊緣學(xué)科和交叉學(xué)科）的極強(qiáng)適應(yīng)力，并很快成為應(yīng)用學(xué)科計算機(jī)輔助分析設(shè)計

26、、仿真、教學(xué)乃至科技文字處理不可缺少的基礎(chǔ)軟件，成為歐美高等院校、科研機(jī)構(gòu)教學(xué)與科研必備的基本工具。本文就是利用編制MATLAB仿真m文件進(jìn)行DS擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的性能仿真及其分析。3.2設(shè)計思路及模型抽象圖3-1 設(shè)計思路流程圖本文在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，首先參考移動通信教科書相關(guān)理論知識對直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)研究，劃分出PN碼生成子系統(tǒng)，PSK調(diào)制子系統(tǒng)等五大子系統(tǒng)，然后對各子系統(tǒng)的功能及實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行細(xì)致研究選出合適的算法完成各系統(tǒng)模塊的編程。接著利用各子系統(tǒng)完成系統(tǒng)搭建，運(yùn)行仿真系統(tǒng)，對結(jié)果進(jìn)行分析，對各項參數(shù)和指標(biāo)進(jìn)行評估。以判斷系統(tǒng)是否符合要求。圖3-2直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)模型經(jīng)過研究，為

27、了完成本設(shè)計要求，根據(jù)通信系統(tǒng)基本模型和本設(shè)計要求完成系統(tǒng)模型抽象，主要包含信源（隨機(jī)數(shù)字信號發(fā)生器）、信道編碼器、調(diào)制器、信道（無噪聲信道和高斯白噪聲信道兩種）、解調(diào)器、信道解碼器、信宿等八個子系統(tǒng)。為了觀察仿真結(jié)果需要數(shù)字信號示波器、模擬信號示波器和頻譜儀幾大反饋?zhàn)酉到y(tǒng)。3.3系統(tǒng)仿真流程圖根據(jù)以上分析現(xiàn)作出通信系統(tǒng)主要流程圖：圖3-3 直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)流程圖本系統(tǒng)中信源為二進(jìn)制隨機(jī)信號生成器，信號頻率為fc。PN碼為m碼生成器，采用寄存器移位模二加運(yùn)算生成，信號頻率為fm=100*fc。PSK載波為fp=fm*100的余弦信號，通過與雙極性基帶信號進(jìn)行乘法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)PSK調(diào)制。系統(tǒng)中抽樣頻

28、率為fs=64*fp。3.3.1發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)部分主要包含信道編碼器和調(diào)制器兩個部件。信道編碼器包含PN序列生成，源碼抽樣和編碼三個步驟。調(diào)制器包含載波生成，基帶信號極性變換和調(diào)制三個步驟。其模型如下：圖3-4 發(fā)射機(jī)模型3.3.1接收機(jī)接收機(jī)機(jī)部分主要包含解調(diào)器和信道解碼器兩個部件。解調(diào)器包含帶通濾波，載波生成，解調(diào)，低通濾波以及抽樣判決等幾個步驟。信道解碼器包含PN序列生成，解碼和抽樣判決三個步驟。接收機(jī)最終輸出的信號應(yīng)該與源信號完全一致。其模型如下： 圖3-5接收機(jī)模型3.4 matlab仿真關(guān)鍵程序及實(shí)現(xiàn)3.4.1工具設(shè)計1）模擬信號示波器本設(shè)計中模擬示波器較為簡單主要是根據(jù)序列長度求出

29、及序列頻率求出其橫坐標(biāo)時間值。然后利用plot函數(shù)繪出其波形。圖3-5 模擬信號示波器程序流程圖程序如下：function plot_double(m,s,fs)%m為輸入序列，s為圖片名，fs為輸入序列頻率N=length(m);%計算序列長度n=0:1:N-1;t=n/fs;%求出橫坐標(biāo)%繪波形圖plot(x,m,k);xlabel(時間 t);ylabel(幅度 h);title(s);2）數(shù)字示波器本數(shù)字示波器主要利用matlab中plot函數(shù)完成波形繪制，但是需要對橫縱坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)變換方可畫出其波形。其流程圖如下。圖3-6數(shù)字示波器流程圖坐標(biāo)變換原理如下：常規(guī)plot函數(shù)橫縱坐標(biāo)序列

30、如下。 （3-1）為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)。然后按式3-2生成新序列，： （3-2）新坐標(biāo)，即為： （3-3）程序：function plot_bit(m,s,fs)%m為輸入序列，s為圖片名，fs為輸入序列頻率N=length(m);%計算序列長度x=0:1:N-1;t=x/fs;%求出橫坐標(biāo)x1=x;x(2:end),x(end)+1; %實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換x2=x1(:);y1=m;m;y2=y1(:);plot(x2,y2,k); %繪波形圖xlabel(時間 t);ylabel(幅度 h);title(s);3）頻譜儀本設(shè)計中頻譜儀主要是根據(jù)序列長度及頻率求出其橫坐標(biāo)頻率分布。然后利用fft變換

31、求出序列頻率，然后對該值取模求得幅值。最后利用plot函數(shù)繪出其頻譜。流程圖如下：圖3-7 頻譜儀程序流程圖程序如下：function fft_print(m,fs,s)%m為輸入序列，s為圖片名，fs為輸入序列頻率N=length(m);%求序列長度f=-fs/2:fs/N:fs/2-fs/N;%頻率序列X=fft(m);%對信號進(jìn)行快速Fourier變換plot(f,fftshift(abs(X);%求得Fourier變換后的振幅,并繪制頻譜xlabel(頻率（Hz）);ylabel(幅度（db）);title(s);3.4.2 m序列本設(shè)計中m序列發(fā)生器可以根據(jù)輸入?yún)?shù)根據(jù)m序列運(yùn)算規(guī)則

32、自動生成所要求的m序列。其程序流程圖如下：圖3-8 m序列生成流程圖程序如下：%m序列發(fā)生器 function out = mgena(g,state,N) %輸入 g: m序列生成多項式 (10進(jìn)制輸入） % state: 寄存器初始狀態(tài) （10進(jìn)制輸入） % N: 輸出序列長度 gen = dec2bin(g)-48; %將生成多項式轉(zhuǎn)成二進(jìn)制數(shù)組M = length(gen); %將生成多項式長度curState = dec2bin(state,M-1) - 48; %將寄存器初始狀態(tài)轉(zhuǎn)成二進(jìn)制數(shù)組for k=1:N %生成m序列 out(k) = curState(end); a =

33、rem( sum( gen(2:M).*curState(1:M-1),2); curState = a curState(1:M-2);end3.4.3系統(tǒng)主程序?qū)崿F(xiàn)本系統(tǒng)中信源為二進(jìn)制隨機(jī)信號生成器，信號頻率為fc。PN碼為m碼生成器，采用寄存器移位模二加運(yùn)算生成，信號頻率為fm= code_N *fc。PSK載波為fp=fm* carrier_N的余弦信號，通過與雙極性基帶信號進(jìn)行乘法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)PSK調(diào)制。系統(tǒng)中抽樣頻率為fs=fp* sampling_N。以下為主函數(shù)各項參數(shù)意義說明。表3-1 主函數(shù)主要參數(shù)說明參數(shù)意義fc信息碼頻率code_N每個碼元包含偽碼數(shù)fmM序列頻率Gener

34、ator_pm序列生成多項式 (10進(jìn)制輸入）statem寄存器初始狀態(tài) (10進(jìn)制輸入）carrier_N載波頻率fp每個載波周期包含采樣點(diǎn)數(shù)sampling_N頻譜抽樣頻率fs頻譜抽樣頻率db高斯白噪聲信道信噪比Channel_stauts信道狀態(tài)參數(shù)主函數(shù)主要程序流程圖如下：圖3-5 主函數(shù)主要程序流程圖本套實(shí)驗(yàn)代碼共分為主程序部分，波形繪制，頻譜繪制，圖形繪制部分及濾波器代碼。除正文列出的主要代碼外，其余代碼均列于附件。程序代碼：clear allt0=cputime;%參數(shù)fc=10;%信息碼頻率code_N=10;%每個碼元包含偽碼數(shù)fm=code_N*fc;%偽碼頻率Genera

35、tor_p=25;%m序列生成多項式 (10進(jìn)制輸入）state=17;%m寄存器初始狀態(tài) (10進(jìn)制輸入）carrier_N=100;%每個偽碼包含載波周期數(shù)fp=fm*carrier_N;%載波頻率sampling_N=64;%每個載波周期包含采樣點(diǎn)數(shù)fs=fp*sampling_N;%頻譜抽樣頻率f0=fp;%帶通濾波器中心頻率db=10;%高斯白噪聲信道信噪比Channel_stauts=1;%信道狀態(tài)參數(shù)%信源%產(chǎn)生信息碼N=1:fc;%x=round(rand(1,code_length);x=sign(rand(1,fc)-0.5);%信息碼y(x0)=1;y(x0)=0;%原碼

36、抽樣for i=1:fc s(1+(i-1)*code_N):i*code_N)=x(i);%每個信息碼元內(nèi)含length_N*length_M個采樣點(diǎn)end%產(chǎn)生偽隨機(jī)碼x_code=sign(mgena(Generator_p, state,fm)-0.5);%把0,1序列碼變換為-1,1調(diào)制碼k_code=s.*x_code; %k_code為擴(kuò)頻碼%擴(kuò)頻for i=1:fm%每個偽碼碼元內(nèi)含length_M個采樣點(diǎn)%擴(kuò)頻碼抽樣 w_code(1+(i-1)*sampling_N*carrier_N):i*sampling_N*carrier_N)=k_code(i); endt=0:1

37、:fs-1;w=2/fs;carrier=cos(fp*w*t*pi);signal=carrier.*w_code; %調(diào)制%信道if Channel_stauts=1 signal_wgn=signal+wgn(1,fs,db); %高斯白噪聲else signal_wgn=signal;end %PSK解調(diào)fcuts=fp-fp/100 fp-fp/200 fp+fp/200 fp+fp/100;signal_bp=bandpass_r(signal_wgn,fcuts,fs); %帶通濾波signal_demodulation=2*signal_bp.*carrier; %解調(diào) sig

38、nal_l=lowp(signal_demodulation,fm,fc,fs); %低通濾波器signal_DS=signal_l(round(fs/fm/2):fs/fm:end); %抽樣判決Code_s0=x_code.*signal_DS; %解擴(kuò)Code_s=Code_s0(round(fm/fc/2):fm/fc:end); %信號抽樣Code_s(Code_s0)=1; %判決print_figure; %繪圖sc=sum(abs(Code_s-y)/fc*100; %誤碼率計算elapsed_time=cputime-t0;3.5結(jié)果分析3.4.1無白噪聲通信系統(tǒng)1）無白噪聲

39、通信系統(tǒng)波形分析本次實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：表3-2 參數(shù)設(shè)置參數(shù)意義取值fc信息碼頻率5code_N每個碼元包含偽碼數(shù)10fmM序列頻率50Generator_pm序列生成多項式 (10進(jìn)制輸入）17statem寄存器初始狀態(tài) (10進(jìn)制輸入）26carrier_N每個擴(kuò)頻碼周期包含調(diào)制1fp載波頻率50sampling_N每個載波周期包含采樣點(diǎn)數(shù)64fs頻譜抽樣頻率320db高斯白噪聲信道信噪比30Channel_stauts信道狀態(tài)參數(shù)（取0為無噪聲）0運(yùn)行程序可得發(fā)送端波形圖如下：圖3-6發(fā)射端各部分波形圖觀察碼元序列、PN碼和擴(kuò)頻碼波形很容易可以看到擴(kuò)頻碼是由碼元序列與PN碼模二加運(yùn)算之后

40、得到的，而觀察PSK調(diào)制信號與擴(kuò)頻碼波形圖，容易看到載波為周期為的余弦信號，并且在擴(kuò)頻碼序列信號出現(xiàn)變化時，載波信號相位加。這顯然符合PSK調(diào)制。運(yùn)行程序可得發(fā)送端波形圖如下：圖3-7 接收端各部分波形圖觀察PSK解調(diào)信號與PSK調(diào)制信號，可以看到被調(diào)信號明顯得到了解調(diào)，且在經(jīng)過截止頻率為PN碼的頻率fm的一個低通濾波器之后，這可以明顯看到原始信號波形。再經(jīng)過抽樣判決器以后，則可以明顯看到解擴(kuò)前碼元與擴(kuò)頻碼完全一致，再經(jīng)過解擴(kuò)和抽樣之后信號完全恢復(fù)到發(fā)送時的狀態(tài)。2）無白噪聲通信系統(tǒng)頻譜分析表3-3 參數(shù)設(shè)置參數(shù)意義取值fc信息碼頻率100code_N每個碼元包含偽碼數(shù)10fmM序列頻率100

41、0Generator_pm序列生成多項式 (10進(jìn)制輸入）17statem寄存器初始狀態(tài) (10進(jìn)制輸入）26carrier_N每個擴(kuò)頻碼周期包含調(diào)制100fp載波頻率sampling_N每個載波周期包含采樣點(diǎn)數(shù)64fs頻譜抽樣頻率db高斯白噪聲信道信噪比30Channel_stauts信道狀態(tài)參數(shù)（取0為無噪聲）0運(yùn)行程序可得以下頻譜圖：圖3-8發(fā)端頻譜根據(jù)發(fā)端頻譜可以看到原碼序列帶寬為100Hz，而經(jīng)過直接擴(kuò)頻碼的擴(kuò)頻以后可以看到信號帶寬從100變到了1000，這符合我們所設(shè)置的參數(shù)fc和fm的值。經(jīng)過PSK調(diào)制以后可以看到信號頻譜從0Hz搬移到了100kHz滿足說設(shè)置的載波頻率fp的值。

42、圖3-9 收端頻譜容易看到經(jīng)過PSK解調(diào)以后，信號頻譜重新回到了0Hz不過還是有一個100kHz的分量在里面，經(jīng)過低通濾波器以后該分量消失，對比擴(kuò)頻碼信號和解擴(kuò)碼信號可以看出，他們都有4個明顯頻率分量，且分量一致，這符合擴(kuò)頻原理。最后可以看到碼元序列收端頻譜與碼元序列發(fā)端頻譜完全一致，說明在無噪聲時，本通信系統(tǒng)沒有頻率損失。最后觀察到誤碼率為零，這與頻譜分析結(jié)果一致。3.4.1高斯白噪聲信道系統(tǒng)分析1）參數(shù)設(shè)置為了與無白噪聲信道的系統(tǒng)作對比，本實(shí)驗(yàn)相較于表3-2只修改了高斯白噪聲信道強(qiáng)度和信道狀態(tài)參數(shù)兩項參數(shù)。表3-3 參數(shù)設(shè)置參數(shù)意義取值fc信息碼頻率100code_N每個碼元包含偽碼數(shù)10

43、fmM序列頻率1000Generator_pm序列生成多項式 (10進(jìn)制輸入）17statem寄存器初始狀態(tài) (10進(jìn)制輸入）26carrier_N每個擴(kuò)頻碼周期包含調(diào)制100fp載波頻率sampling_N每個載波周期包含采樣點(diǎn)數(shù)64fs頻譜抽樣頻率db高斯白噪聲信道強(qiáng)度10Channel_stauts信道狀態(tài)參數(shù)（取0為無噪聲）12）頻譜分析運(yùn)行程序可以得到發(fā)射端頻譜：圖3-10 噪聲強(qiáng)度為10dB時發(fā)射端頻譜顯然與圖3-10相比幾乎沒有變化，因?yàn)橹皇切诺绤?shù)發(fā)生了變化，所以這顯然是合理的。圖3-11 噪聲強(qiáng)度為10dB時接收端接收信號的頻譜可以看到噪聲強(qiáng)度為10dB時，接收端信號接收與發(fā)

44、射端發(fā)射信號PSK調(diào)制信號相比多出了很多雜波分量，但是發(fā)射信號主頻強(qiáng)度依然大于雜波信號強(qiáng)度。以下為本例中為了實(shí)現(xiàn)PSK解調(diào)所設(shè)計的帶通濾波器和低通濾波器響應(yīng)曲線，為了提高濾波性能，故曲線設(shè)置較為陡峭。圖3-12 帶通濾波器圖3-12 低通濾波器圖3-13 噪聲強(qiáng)度為10dB時接收端頻譜最后觀察本次實(shí)驗(yàn)誤碼率依然為零，考慮到噪聲強(qiáng)度不大，所以也較為符合理論情況。第4章 結(jié)束語在本次課程設(shè)計中此次課程設(shè)計，我的任務(wù)是主要是利用MATLAB編程，根據(jù)原理圖完成擴(kuò)頻通信仿真系統(tǒng)各模塊程序設(shè)計，分為發(fā)射機(jī)、接收機(jī)等部分，最終實(shí)現(xiàn)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)設(shè)計。完成對前后擴(kuò)頻解擴(kuò)頻譜波形比較及收發(fā)誤碼率分析；對

45、設(shè)計完成的系統(tǒng)加入干擾源，完成對系統(tǒng)抗干擾性能的分析。首先，我意識到自己還有很多不足，做設(shè)計的時候有遇到了很多困難。雖然本身對matlab有一定認(rèn)識，但是因?yàn)闆]有實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)仿真的經(jīng)驗(yàn)，所以在實(shí)際操作時遇到很多困難。此次課程設(shè)計又一次讓我深刻體會到，學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，點(diǎn)點(diǎn)滴滴的累積才會有質(zhì)的突變，不管是做什么只有自己親自做過之后才會有大的收獲。在以后的學(xué)習(xí)生活中我們都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力增加自己知識和提升自身的綜合素質(zhì)。然后，通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，光有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的 ，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來 ，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從

46、而提高 自己的實(shí)際動手能力和 獨(dú)立思考的能力 。在設(shè)計的過程中遇到問題 ，可 以說得是困難重重 ，但可 喜的是最終都得到了解決。最后，對擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以幫助我們更加理解相關(guān)技術(shù)的原理、特點(diǎn)等相關(guān)知識， 幫助我們建立起系統(tǒng)的概念，通過將一個個模塊結(jié)合起來形成一個系統(tǒng)， 可以提高我們搭建系統(tǒng)模型的能力。通過對直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的仿真，使我們更加理解 了直接序列擴(kuò)頻的相關(guān)原理，對其特點(diǎn)有了更加深刻的體會。 在今后的學(xué)習(xí)研究中，在實(shí)際條件不允許的情況下，我們應(yīng)該多利用系統(tǒng)仿真的方法來學(xué)習(xí)相關(guān)的內(nèi)容，加深對原理的理解，提高 自己的能力。參考文獻(xiàn)1 邵玉斌.Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模.北京：清華大學(xué)出版社，20082 張德豐.MATLAB通信系統(tǒng)仿真.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20103 劉保柱.MATLAB 7.0 從入門到精通.北京：人民郵電出版社，20104 王立寧.MATLAB與通信仿真.北京：人民郵電出版社，20005 西蒙赫金.通信系統(tǒng).北京：電子工業(yè)出版社，20106 張謹(jǐn).基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20077 習(xí)在芳.基于Simulink通信系統(tǒng)仿真分析.湖南：湖南大學(xué)系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006附件:%圖形繪制部分代碼figure;subplot(411);plo