直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真

成績(jī)?cè)u(píng)定表學(xué)生姓名班級(jí)學(xué)號(hào)專業(yè)電子信息工程課程設(shè)計(jì)題目直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真評(píng)語字??組長(zhǎng)簽成績(jī)?nèi)掌谀暝略?/p>

課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)院信息科學(xué)與工程"業(yè)電子信息工程學(xué)生姓名班級(jí)學(xué)號(hào)課程設(shè)計(jì)題目直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真實(shí)踐教學(xué)要求與任務(wù)：利用MATLAB/Simulink進(jìn)行編程和仿真，仿真的內(nèi)容可以是關(guān)于信源、信源編碼、模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制、多元調(diào)制、差錯(cuò)控制、多址技術(shù)、信道仿真及具體通信電路的仿真實(shí)現(xiàn)。也可以用MATLAB編程對(duì)通信的某一具體環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真。工作計(jì)劃與進(jìn)度安排：2013年3月4日選題目查閱資料2013年3月5日編寫軟件源程序或建立仿真模塊圖2013年3月6日調(diào)試程序或仿真模型2013年3月7日性能分析及驗(yàn)收2013年3月10日撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告、答辯指導(dǎo)教師：專業(yè)負(fù)責(zé)人：學(xué)院教學(xué)副院長(zhǎng)：

<1?-丿I日年丿JII年月H直接序列擴(kuò)頻（DSSS—DirectSequenceSpreadSpectrum）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(gè)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(duì)接收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，恢復(fù)出發(fā)送的信息。當(dāng)時(shí)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(duì)環(huán)境中的無線通信系統(tǒng)。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。針對(duì)直接序列擴(kuò)頻通信廣泛的應(yīng)用，本文用Matlab仿真程序畫出調(diào)制信號(hào)、載波、已調(diào)信號(hào)、相干解調(diào)之后信號(hào)的波形以及功率頻譜密度，分析所設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能，理解其原理。用Matlab-Simulink仿真建立基于相干解調(diào)的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型，詳細(xì)敘述模塊參數(shù)的設(shè)置。先對(duì)直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)原理進(jìn)行介紹，然后基于Simulink的仿真，并對(duì)仿真結(jié)果做了詳細(xì)的講解分析，使其更加形象和具體。關(guān)鍵詞：直接序列擴(kuò)頻 碼分多址MATLAB仿真SINMULINK模塊仿真TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1課程設(shè)計(jì)目的 1\o"CurrentDocument"2課程設(shè)計(jì)要求 1\o"CurrentDocument"3相關(guān)知識(shí) 1\o"CurrentDocument"4課程設(shè)計(jì)分析 3\o"CurrentDocument"5仿真 7\o"CurrentDocument"6結(jié)果分析 12\o"CurrentDocument"7參考文獻(xiàn) 15直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真1?課程設(shè)計(jì)目的（1） 培養(yǎng)獨(dú)立開展科研的能力和編程能力。（2） 掌握用MATLAB實(shí)現(xiàn)信號(hào)的PM調(diào)制。（3） 掌握MATLAB軟件的使用。課程設(shè)計(jì)要求（1） 掌握MATLAB使用方法，利用軟件繪制圖像。（2） 程序設(shè)計(jì)合理、能夠正確運(yùn)行。相關(guān)知識(shí)1擴(kuò)頻通信概念及分類擴(kuò)頻通信是擴(kuò)展頻譜通信的簡(jiǎn)稱。它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。主要有以下兒類：1直接序列擴(kuò)頻簡(jiǎn)稱直擴(kuò)（DS）o所傳送的信息符號(hào)經(jīng)偽隨機(jī)序列（或稱偽噪聲碼）編碼后對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制。偽隨機(jī).序列的速率遠(yuǎn)大于要傳送信息的速率，因而調(diào)制后的信號(hào)頻譜寬度將遠(yuǎn)大于所傳送信息的頻譜寬度。2載波頻率跳變擴(kuò)頻簡(jiǎn)稱跳頻（FH）。載荷信息的載波信號(hào)頻率受偽隨機(jī)序列的控制，快速地在給定的頻段中跳變，此跳變的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳送信息的頻譜寬度。3跳時(shí)（TH）將時(shí)間軸分成周期性的時(shí)幀，每幀內(nèi)分成許多時(shí)片。在一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)片發(fā)送信號(hào)山偽碼控制，山于時(shí)片寬度遠(yuǎn)小于信號(hào)持續(xù)時(shí)間從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜的擴(kuò)展。4脈沖調(diào)頻發(fā)信端發(fā)出射頻脈沖信號(hào)，在每一脈沖周期中頻率按某種方式變化。在收信端用色散濾波器解調(diào)信號(hào)，使進(jìn)入濾波器的寬脈沖前后經(jīng)過不同時(shí)延而同時(shí)到達(dá)輸出端，這樣就把每個(gè)脈沖5信號(hào)壓縮為瞬時(shí)功率高、但脈寬窄得多的脈沖，因而提高了信擾比。這種調(diào)制主要用于雷達(dá)，但在通信中也有應(yīng)用。6混合擴(kuò)頻兒種不同的擴(kuò)頻方式混合應(yīng)用，例如：直擴(kuò)和跳頻的結(jié)合(DS/FH),跳頻和跳時(shí)的結(jié)合(FH/TH),以及直擴(kuò)、跳頻與跳時(shí)的結(jié)合(DS/FH/TH)等。3.2直接序列擴(kuò)頻定義直接序列擴(kuò)頻(DirectSequenceSpreadSpectrum)工作方式，簡(jiǎn)稱直擴(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)行解擴(kuò)，把展開的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原來的信號(hào)。直接序列擴(kuò)頻方式是直接用偽噪聲序列對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，要傳送的數(shù)據(jù)信息需要經(jīng)過信道編碼后，與偽噪聲序列進(jìn)行模2和生成復(fù)合碼去調(diào)制載波。3.3直接序列擴(kuò)頻的基本原理直接序列擴(kuò)頻(directsequencespreadspectrum)直接用具有高碼片(chip)速率的碼序列去擴(kuò)展數(shù)字信號(hào)的頻譜。簡(jiǎn)稱直擴(kuò)(DS)。在接收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列將頻譜展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始信號(hào)。圖3-1直接序列擴(kuò)頻的原理框圖圖3-1是直接序列擴(kuò)頻的原理框圖。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)過程稱為擴(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)過變頻后輸出中頻信號(hào)，通常是'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。功率譜密度（C）窄帶中頻濾波器輸出信號(hào)功率譜功率譜密度（C）窄帶中頻濾波器輸出信號(hào)功率譜圖3-2擴(kuò)頻和解擴(kuò)的頻譜變化過程采用碼片速率很高的PN碼序列進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，擴(kuò)頻信號(hào)的帶寬可達(dá)1'lOOMHz。通過擴(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。用一個(gè)窄帶濾波器排除帶外的干擾，這樣窄帶內(nèi)的信噪比就大大提高了。4.課程設(shè)計(jì)分析1直接序列擴(kuò)頻的基本原理

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(gè)碼元，其碼元寬度為7；。加入擴(kuò)頻解調(diào)器，圖中為模2加法器，擴(kuò)頻碼為一個(gè)偽隨機(jī)碼(PN碼)，記作p(t)。偽碼的波形如圖4-1中的第(2)個(gè)波形，其碼元寬度為7；,且取T(=\6TpO通常在DS系統(tǒng)中，偽碼的速率￡遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信碼速率心，即"/)=〃?(/)十〃(/)心?R?,，也就是說，偽碼的寬度7；遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信碼的寬度7；,即TpTb,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c(f)= /?(r) (4—1)(4—2)當(dāng)m(t)與p(t)符號(hào)相同時(shí)，c(t)為0；而當(dāng)m(t)與p(t)不同時(shí),則為1。c(t)的波形如圖4-1所示中的第(3)個(gè)波形。由圖可見，當(dāng)信碼m(t)為0時(shí)，c(t)與p(t)相同；而當(dāng)信碼m(t)為1時(shí)，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7；,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(4—2)=1O1S在7；—定的情況下，若偽碼速率越高，即偽碼寬度(碼片寬度)7；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(hào)在信道上有效的傳輸。圖中采用二相相移鍵控方式。調(diào)相器可曲環(huán)行調(diào)制器完成，即將c(t)與載頻ACOS0J相乘，輸S](S](F)=C(F)y4eosCDxt(4—3)式中,(4—4)/、1當(dāng)二進(jìn)制序列為0碼r=|-1當(dāng)二進(jìn)制序列為1碼(4—4)因此，經(jīng)過擴(kuò)頻和相位調(diào)制后的信號(hào)耳⑴為Acos^t耳⑴=4c(f)coscoxt= (4—5)—Acosco^t由上面討論可知，經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)c(t)可看作只取±1的二進(jìn)制波形，然后對(duì)載頻進(jìn)行調(diào)制，這里是采用調(diào)相(QPSK)。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(hào)。這里假定平衡調(diào)制器是理想對(duì)稱，碼序列取+1、-1的概率相同，即調(diào)制信號(hào)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。5,(/)通過發(fā)射機(jī)中推動(dòng)級(jí)、功放和輸出電路加至天線發(fā)射出去。通常載波頻率較高，或者說載波周期7；較小，它遠(yuǎn)小于偽碼的周期7；,即滿足匚《耳,。但圖4-1中(4)示出的載波波形7；=寬度為7；,,這是為了便于看清楚一些，否則要在一個(gè)丐,期間內(nèi)畫兒十個(gè)甚至兒白個(gè)正弦波。對(duì)于QPSK來說，主要是看清楚已調(diào)波與調(diào)制信號(hào)之間的相位關(guān)系。圖4-1中的第(5)個(gè)圖為已調(diào)波5,(/)的波形。這里，當(dāng)c(t)為一碼時(shí)，已調(diào)波與載波取反相；而當(dāng)c(t)為0碼時(shí)，取同相。已調(diào)波與載波的相位關(guān)系如圖4-1中的第(6)個(gè)⑴信瑪⑴信瑪m（t*（2）偽碼p（卄<4）載波科（5〉QPSK已調(diào)、波厲⑴（2）偽碼p（卄<4）載波科（5〉QPSK已調(diào)、波厲⑴:0 \7t \7liiii220心廠（3）c\t\=m\t\?p\t\^<9）解調(diào)輸出』0：0：0：0：0：0：^!^! 7i\ 4； ； ； ! i ? ? ? ?兀[o2b才jriiii,iiiiiiii： °： ^ ： °： ^ ! °： 0 ： ^ ： 0 ： 0 ：⑺皿）相位卩I I I I J I I I I I '（8）中頻調(diào)相卩圖所示。圖4?1直擴(kuò)通信系統(tǒng)的主要相位或波形接收端的丄作原理:假設(shè)發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過信道傳輸，不出現(xiàn)差錯(cuò)，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5,（/）o這里不考慮信道衰減問題，因?yàn)閷?duì)QPSK調(diào)制信號(hào)而言，重要的是相位問題，這里的假定對(duì)分析工作原理是不受影響的。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(hào)頻率與載波相差為一個(gè)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(hào)是p（t）,即調(diào)相器輸岀信號(hào)歸“）的相位僅取決于p（t）,當(dāng)p（t）=1時(shí)，歸“）的相位為兀；當(dāng)P（t）=O時(shí)，S2（/）的相位為0。信號(hào)?⑴的相位如圖4-1中（7）所示。相關(guān)器的作用在這里可等效為對(duì)輸入相關(guān)器的莎（0、吐（。相位進(jìn)行模2加。對(duì)二元制的0、兀而言，同號(hào)模2加為0,異號(hào)模2加為;r。因此相關(guān)器的輸岀的中頻相位如圖4-1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(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻與解擴(kuò)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。4.2直擴(kuò)系統(tǒng)的性能4.2.1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(duì)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Gp,Gp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圖4-2為直擴(kuò)系統(tǒng)抗寬帶干擾的示意圖。這里的寬帶干擾是泛指的與擴(kuò)頻信號(hào)不相關(guān)的，在CDMA通信網(wǎng)中，其它用戶的信號(hào)就是一種寬帶干擾。相關(guān)處理前，信號(hào)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(hào)能順利通過，對(duì)信號(hào)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。(a)接收機(jī)輸入的信號(hào)及干擾的功率譜(a)接收機(jī)輸入的信號(hào)及干擾的功率譜(b)相關(guān)器輸出的信號(hào)及干擾的功率譜圖4?2直擴(kuò)系統(tǒng)抗寬帶干擾的示意圖對(duì)單頻或窄帶干擾，直擴(kuò)系統(tǒng)有很強(qiáng)的抗干擾能力。圖4-2(a)為解擴(kuò)前的功率譜，窄帶干擾功率很大，曲于干擾與本地?cái)U(kuò)頻碼(PN碼)是不相關(guān)的。對(duì)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(duì)信號(hào)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(hào)能順利通過窄帶濾波器，因此提高了輸出的信噪比。fc(a)未解擴(kuò)的功率譜(b)解擴(kuò)后的功率譜fc(a)未解擴(kuò)的功率譜(b)解擴(kuò)后的功率譜圖4?3直擴(kuò)系統(tǒng)抗窄帶干擾示意圖5.仿真5.1程序代碼functiondscdmamodem(user,snr_in_dbs)%建立模型：用戶信息，snr_in_dbs為信噪比%設(shè)置初始參數(shù)user二[0101101];closeall%定義步長(zhǎng)變量％length_user=length(user);%改變用戶數(shù)據(jù)中的0為-1fori=l:length_userifuser(i)==0user(i)二-1;endend%用戶傳輸前設(shè)置fc二3;%載頻eb二2;%每個(gè)字符的能量tb=l;%每個(gè)信息比特所占的時(shí)間%用戶輸入的數(shù)據(jù)信息t=0.01:0.01:tb*length_user;basebandsig=[];fori=l:length_userforj=0.01:0.01:tbifuser(i)==lbasebandsig=[basebandsig1];elsebasebandsig=[basebandsig一1];endendendfigureplot(basebandsig)axis([0100*length_userT?51.5]);titlef用戶輸入的信息')%用戶的BPSK調(diào)制過程bpskmod=[];fori=l:length_userforj=0.01:0.01:tbbpskmod=[bpskmodsqrt(2*eb)*user(i)*cos(2*pi*fc*j)];endendlength(bpskmod)%用戶BPSK調(diào)制后的波形圖輸出figureplot(bpskmod)axis([0100*length_user-33]);titleC用戶經(jīng)BPSK調(diào)制之后的波形')%擴(kuò)頻%PN碼發(fā)生器seed二[1-1 1-11; %設(shè)PN碼初始值為1000spreadspectrum^[];pn=[];fori=l:length_userforj二1:10%PN碼和數(shù)據(jù)比特碼的比率設(shè)為10：1pn=[pnseed(4)]:ifseed(4)二二seed(3)temp二T;elsetemp=l:endseed(4)=seed(3);seed(3)=seed(2);seed(2)=seed(l);seed(l)=temp;endspreadspectrum=[spreadspectrumuser(i)*pnl;end%擴(kuò)頻過程pnupsampled=[];len_pn=length(pn);fori=l:len_pnforj=0.1:0.1:tbifpn(i)—1pnupsamp1ed=[pnupsampled1];elsepnupsamp1ed=[pnupsampledT];endendendlength_pnupsampled=length(pnupsampled);sigtx=bpskmod?*pnupsampled;%擴(kuò)頻碼波形輸出figureplot(pnupsampled)axis([0100*length_user-22])titlefPN碼波形圖')%擴(kuò)頻后的波形圖輸出figureplot(sigtx)axis([0100*length_user-331):titlef用PN碼擴(kuò)頻后的波形圖')composite_signal=sigtx;%高斯口噪聲信道傳輸snr_in_dbs=20%設(shè)信噪比為20composite_signal=awgn(composite_signal,snr_in_dbs);%從信道中解擴(kuò)岀用戶的信息rx=composite_signa1?*pnupsampled;figureplot(rx)titlef用戶解擴(kuò)后的波形')%BPSK解調(diào)過程demodcar=[];fori=l:length_userforj=0.01:0.01:tbdemodcar=[demodcarsqrt(2*eb)*cos(2*pi*fc*j)];endendbpskdemod=rx?*demodcd：r;figureplot(bpskdemod)titlef用戶經(jīng)BPSK解調(diào)之后的波形')len_dmod=length(bpskdemod);sum=zeros(1,len_dmod/100);fori=l:len_dmod/100forj=(i-l)*100+l:i*100sum(i)=sum(i)+bpskdemod(j);endend%檢波過程rxbits二[];fori=l:length_userifsum(i)>0rxbits=[rxbits1];elserxbits=[rxbits0];endendlength_rxbits=length(rxbits);t=0.01：0.01：tb*length_rxbits;savbandsig=[];fori=l:length_rxbitsforj=0.01:0.01:tbifuser(i)==lsavbandsig=[savbandsig1];elsesavbandsig=[savbandsigT];endendend

figureplot(savbandsig)axis([0100*length_user-22]):titlef用戶經(jīng)檢波之后的波形')5.2仿真建模DSiH13SEE￥tile ”切Rudr圖5-1直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的仿真模型結(jié)果分析

?&「；?A881II9圖6-1系統(tǒng)輸入和輸出仿真波形圖圖6-2加干擾前后的系統(tǒng)仿真波形圖gp?apnv5>e乏Frame36?2 ?1 01F