直接序列扩频通信系统的设计与实现
摘要：直接序列扩频通信系统（DS-CDMA）因其抗干扰性强、隐蔽性好、易于实现码分多址（CDMA）、抗多径干扰、直扩通信速率高等众多优点，而被广泛应用于许多领域中。本设计中首先首先对于直接扩频及PSK调制解调基本原理进行研究，实际包括抽样定理、快速傅里叶变换FFT、数字滤波器原理等。然后对系统进行抽象建模，并完成各部分功能描述及实现算法研究。接着完成系统程序编写，程序主要包含两类：系统设计和工具设计。其中主要包含随机源信号生成，m序列生成，直接扩频，PSK调制，高斯白噪声信道，带通滤波，PSK解调，低通滤波，抽样量化，解扩，抽样，各频谱及波形图绘制，误码率计算等部分。最后根据需求设置参数，运行程序，对于实验结果进行分析。
关键词：DS扩频；Matlab仿真；PSP调制解调；
目录
第1章绪论 (1)
1.1背景 (1)
1.2目的和意义 (1)
1.3主要内容 (2)
第2章直接扩频通信系统的理论基础 (3)
2.1直接序列扩频的概念及理论基础 (3)
2.1.1直接序列扩频的概念 (3)
2.1.2扩频通信的理论基础 (3)
2.1.3直接序列扩频的基本原理 (4)
2.1.4 M序列 (7)
2.2直扩系统的性能 (10)
2.2.1直扩系统的抗干扰性 (10)
2.2.2直扩信号的抗截获性 (10)
第3章直接序列扩频通信系统的MA TLAB仿真 (11)
3.1 MA TLAB简介 (11)
3.2设计思路及模型抽象 (12)
3.3系统仿真流程图 (13)
3.3.1发射机 (14)
3.3.1接收机 (14)
3.4 MA TLAB仿真关键程序及实现 (15)
3.4.1工具设计 (15)
3.4.2 M序列 (18)
3.4.3系统主程序实现 (19)
3.5结果分析 (22)
3.4.1无白噪声通信系统 (22)
3.4.1高斯白噪声信道系统分析 (26)
第4章结束语 (30)
参考文献 (31)
附件: (32)
第1章绪论
1.1背景
直接序列扩频(DSSS—Direct Sequence Spread Spectrum)技术是当今人们所熟知的扩频技术之一。这种技术是将要发送的信息用伪随机码（PN码）扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信息。
它是二战期间开发的，最初的用途是为军事通信提供安全保障, 是美军重要的无线保密通信技术。这种技术使敌人很难探测到信号。即便探测到信号，如果不知道正确的编码，也不可能将噪声信号重新汇编成原始的信号。有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员Hedy Lamarr 和钢琴家George Antheil提出的。基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路，他们申请了美国专利#2.292.387。不幸的是，当时该技术并没有引起美国军方的重视，直到十九世纪八十年代才引起关注，将它用于敌对环境中的无线通信系统。
直序扩频解决了短距离数据收发信机、如：卫星定位系统(GPS)、3G移动通信系统、WLAN (IEEE802.11a, IEEE802.11b, IEE802.11g)和蓝牙技术等应用的关键问题。扩频技术也为提高无线电频率的利用率(无线电频谱是有限的因此也是一种昂贵的资源)提供帮助。
直序扩频通信系统在发端输入的数字信号信息，先由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱，扩频码序列一般采用PN码。展宽后的信号再调制到射频发送出去。调制多采用BPSK、DPSK、MPSK等调制方式。
在接收端收到的信号进行解调（一般采用相干解调）。然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。恢复成原输入的信息输出。
由此可见，—般的扩频通信系统都要进行两次调制和相应的解调。一次调制为扩频调制，二次调制为射频调制，以及相应的解扩和射频解调。
与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。
1.2目的和意义
本文所选课题为直接序列扩频通信系统的设计和仿真，直接扩频通信系统具有以下优点和不足。
1）抗干扰性强
抗干扰是扩频通信主要特性之一，比如信号扩频宽度为100倍，窄带干扰基本上不起作用，而
宽带干扰的强度降低了100倍，如要保持原干扰强度，则需加大100倍总功率，这实质上是难以实现的。因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰，在不知道信号的扩频码的情况下，由于不同扩频编码之间的不同的相关性，干扰也不起作用。正因为扩频技术抗干扰性强，美国军方在海湾战争等处广泛采用扩频技术的无线网桥来连接分布在不同区域的计算机网络。
2）隐蔽性好
因为信号在很宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低，信号淹没在白噪声之中，别人难以发现信号的存在，加之不知扩频编码，很难拾取有用信号，而极低的功率谱密度，也很少对于其他电讯设备构成干扰。
3）直扩通信速率高
直扩通信速率可达2M，8M，11M，无须申请频率资源，建网简单，网络性能好。
4）有很强的保密性能。
对于直扩系统而言，射频带宽很宽，谱密度很低，甚至淹没在噪音中，就很难检查到信号的存在。由于直扩信号的频谱密度很低，直扩系统对其它系统的影响就很小。
本设计为掌握利用计算机来加深对所学知识的理解和掌握，通过MA TLAB/Simulink仿真平台，运用所学的理论和方法进行仿真、解决问题。探究直接扩频通信系统的性能及痛惜各部分信号的波形和频率特征。
1.3主要内容
（1）对于直接扩频及PSK调制解调基本原理进行研究，实际包括抽样定理、快速傅里叶变换FFT、数字滤波器原理等。
（2）对系统进行抽样建模，并完成各部分功能描述及实现算法研究。
（3）程序编写，包括主系统函数，各部分子系统函数及工具设计。其中主要包含随机源信号生成，m序列生成，直接扩频，PSK调制，高斯白噪声信道，带通滤波，PSK解调，低通滤波，抽样量化，解扩，抽样，各频谱及波形图绘制，误码率计算等部分。
（4）设置参数，运行程序，对于实验结果进行分析。
第2章 直接扩频通信系统的理论基础
2.1直接序列扩频的概念及理论基础
2.1.1直接序列扩频的概念
所谓直接序列(DS ：Direct Sequence)扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。而在接收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。
2.1.2扩频通信的理论基础
长期以来，人们总是想方设法使信号所占的频谱尽量窄，以充分提高十分宝贵的频率资源利用率。但扩频通信在发送端用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽，在接收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复出所传信息数据。为什么要用宽频带信号来传输窄带信息呢？主要是为了通信的安全可靠性。这可用信息论和抗干扰理论的基本观点来说明：
根据香农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出的信道容量公式，香农公式：
2log (1)S
C B N
=+
（2-1） 式中：C--信息的传输速率（信道容量） 单位b/s ； S--信号平均功率单位W ； B--频带宽度 单位Hz ； N--噪声平均功率 单位W 。
由式中可以看出：
为了提高信息的传输速率C ，可以从两种途径实现，既加大带宽B 或提高信噪比S/N 。换句话说，当信号的传输速率C 一定时，信号带宽B 和信噪比S/N 是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处。
柯捷尔尼可夫在其潜在抗干扰性理论中得到如下关于信息传输差错概率的公式
0e f E p n ??
≈
???
（2-2） 此公式指出，差错概率Pe 是信号能量E 与噪声功率谱密度
0n 之比的函数。设信息持续时间为
T ，或数字信息的码元宽度为T ，则信息的带宽Bm 为
1
m B T
=
（2-3） 信号功率S 为
1
S T
=
（2-4） 已调（或已扩频）信号的宽度为B ，则噪声功率为
0N n B = （2-5）
将式（4-3）~（4-5）代入式（4-2），可得
e m ST S B P
f B f N N B ????
≈?=? ? ?????
（2-6）
上面公式指出，差错概率Pe 是输入信号与噪声功率之比（S/N ）和信号带宽与信息带宽之比（B/Bm ）二者乘积的函数，信噪比与带宽是可以互换的。它同样指出了用增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处。
综上所述：将信息带宽扩展100倍，甚至用1000倍以上的带宽信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全的通信。这就是扩频通信的基本思想和理论依据。
2.1.3直接序列扩频的基本原理
所谓直接序列扩频（DS ），就是直接用具有高速率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。而接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信息。图2-1示出了直接扩频通信系统的原理方框图
E1
E2
图2-1 直扩通信系统的组成框图
(1)信码m(t)(2)伪码p(t)(3)(4)载波
(5)PSK 已调波(6)PSK 解调波(7)解扩输出
0000000000000πππππππ()()()
c t m t p t =⊕(6)1()s t 相位
1()
s t 1()s t
图2-2 直扩通信系统的主要相位或波形
如图2-2在发送端输入信息码元m （t ），它是二进制数据，图中为0、1两个码元，其码元宽度为b T 。加入扩频解调器，图中为模2加法器，扩频码为一个伪随机码（PN 码），记作p （t ）。伪码的波形如图 2-2 中的第（2）个波形，其码元宽度为p T ，且取16b p T T =。通常在DS 系统中，伪码的速率p R 远远大于信码速率m R ，即()()()c t m t p t =⊕p m R R ，也就是说，伪码的宽度p T 远
远小于信码的宽度b T ，即p b T T ，这样才能展宽频谱。模2加法器的运算规则可用下式表示
()()()c t m t p t =⊕ （2-7）
当m （t ）与p （t ）符号相同时，c （t ）为0；而当m （t ）与p （t ）不同时，则为1。c （t ）的波形如图4-2所示中的第（3）个波形。由图可见，当信码m （t ）为0时，c （t ）与p （t ）相同；而当信码m （t ）为1时，则c （t ）为p （t ）取反既是。显然，包含信码的c （t ）其码元宽度已变成了
p T ，即已进行了频谱扩展。其扩展处理增益也可用下式表示
10lg
b
p p
T G T = （2-8） 在b T 一定的情况下，若伪码 速率越高，即伪码宽度（码片宽度）p T 越窄，则扩频处理增益越大。
经过扩频，还要载频调制，以便信号在信道上有效的传输。图中采用二相相移键控方式。调相器可由环行调制器完成，即将c （t ）与载频1cos A t ω相乘，输出为()1s t 。即
()()11cos s t c t A t ω= （2-9）
式中，
()1()0;1()1;
m t c t m t =??=?- =??， （2-10）
因此，经过扩频和相位调制后的信号()1s t 为
()()1111cos cos cos A t
s t Ac t t A t
ωωω??==?-?? （2-11）
由上面讨论可知，经过扩频调制信号c （t ）可看作只取±1的二进制波形，然后对载频进行调制，这里是采用调相（BPSK ）。所谓调制，就是指相乘过程，可采用相乘器，环行调制器（或平衡调制器），最后得到的是抑制载波双边带振幅调制信号。这里假定平衡调制器是理想对称，码序列取
+1、-1的概率相同，即调制信号无直流分量，这样平衡调制器输出的已调波中，无载波分量。()
1s t
通过发射机中推动级、功放和输出电路加至天线发射出去。
通常载波频率较高，或者说载波周期c T 较小，它远小于伪码的周期p T ，即满足c p T T 。但图2-2中（4）示出的载波波形c T 的宽度为p T ，这是为了便于看清楚一些，否则要在一个p T 期间内画几十个甚至几百个正弦波。对于PSK 来说，主要是看清楚已调波与调制信号之间的相位关系。图4-2中的第（5）个图为已调波1()s t 的波形。这里，当c （t ）为一码时，已调波与载波取反相；而当c （t ）为0码时，取同相。已调波与载波的相位关系如图4-2中的第（6）个图所示。
接收端的工作原理：
假设发射的信号经过信道传输，不出现差错，经过接收机前端电路（包括输入电路、高频放大器等），输出仍为1()s t 。这里不考虑信道衰减问题，因为对PSK 调制信号而言，重要的是相位问题，这里的假定对分析工作原理是不受影响的。相关器完成相干解调和解扩。接收机中的本振信号频率与载波相差为一个固定的中频。假定收端的伪码（PN ）与发端的PN 码相同。接收端本地调相情况与发端相似，这里的调制信号是p （t ），即调相器输出信号()2s t 的相位仅取决于p （t ），当p （t ）=1时，()2s t 的相位为π；当p （t ）=0时，()2s t 的相位为0。信号()2s t 的相位如图4-2中（7）所示。
相关器的作用在这里可等效为对输入相关器的1()s t 、()2s t 相位进行模2加。对二元制的0、
π而言，同号模2加为0，异号模2加为π。因此相关器的输出的中频相位如图4-2中的（8）所示。
然后通过中频滤波器。滤除不相关的各种干扰，经解调恢复出原始信息。
这一过程说明了直扩系统的基本原理和它是怎样通过对信号进行扩频与解扩处理从而获得提高输出信噪比的好处的。它体现了直扩系统的抗干扰能力。
2.1.4 m 序列
m 序列是最长线性移位寄存器序列的简称。二进制的m 序列是一种重要的伪随机序列，有优良的自相关特性。容易产生、规律性强，但其随机性接近于噪声和随机序列。m 序列在扩展频谱及码分多址技术中有着广泛的应用，并在m 序列基础上还能够成其它码序列，因此无论从m 序列直接应用还是从掌握伪随机序列基本理论而言，应该熟悉m 序列的产生及其主要特性。
顾名思义，m 序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。在二进制移位寄存器发生器中，若n 为级数，则所能产生的最大长度的码序列为2n －1位。
现在来看看如何由多级移位寄存器经线性反馈产生周期性的m 序列。图2-3为一最简单的三级移位寄存器构成的m 序列发生器。
D1D2D3
输入
输出最高位
初始状态值
...D3
每次运算数据依次右移
图2-3三级移位寄存器构成的m 序列发生器
图中Dl 、D2、D3为三级移位寄存器，为模二加法器。移位寄存器的作用为在时钟脉冲驱动下，能将所暂存的“1”或“0”逐级向右移。模二加法器的作用为图中(b)所示的运算，即0十0＝0，0十1＝1，1十0＝l ，l 十1＝0。图(a)中D2、D3输出的模二和反馈为Dl 的输入。在图(c)中示出，在时钟脉冲驱动下，三级移位寄存器的暂存数据按列改变。D3的变化即输出序列。如移位寄存器各级的初始状态为111时，输出序列为1110010。在输出周期为3
2－1＝7的码序列后，D1、D2、D3又回到111状态。在时钟脉冲的驱动下，输出序列作周期性的重复。因7位为所能产生的最长的码序列，1110010则为m 序列。
这一简单的例子说明：m 序列的最大长度决定于移位寄存器的级数，而码的结构决定于反馈抽头的位置和数量。不同的抽头组合可以产生不同长度和不同结构的码序列。有的抽头组合并不能产生最长周期的序列。对于何种抽头能产生何种长度和结构的码序列，已经进行了大量的研究工作。现在已经得到3 -100级m 序列发生器的连接图和所产生的m 序列的结构。
例如4级移位寄存器产生的15位的m 序列之一为111101*********。同理我们不难得到31、63、127、255、511、l023…位的m 序列。
一个码序列的随机性由以下三点来表征： 1. 一个周期内“l”和“0”的位数仅相差1位。
2. 一个周期内长度为 l 的游程(连续为“0”或连续为“l”)占1／2，长度为2的游程占l ／4，长度3的游程占l ／8。只有一个包含n 个“l”的游程，也只有一个包含(n —1)个“0”的游程。“l”和“0”的游程数相等。
3. 一个周期长的序列与其循环移位序列比较，相同码的位数与不相同码的位数相差l 位。 在m 序列中一个周期内“1”的数目比“0”的数目多 l 位。例如上述7位码中有4个“1”和3个“0”。在15位码中有8个“l”和7个“0”。
在表3-2中列出长为15位的游程分布。
表2-1 111101*********游程分布
游程长度（比特）
“1”的游程数
“0”的游程数
所包含的比特数
1 2 2 4 2 1 1 4 3 0 1 3 游程总数8
合计15
一般说来，m 序列中长为R 的游程数占游程总数的l ／2k 。 m 序列的自相关函数由下式计算：
()A D
R A D
τ-=
+， （2-12）
A 为“0”的位数；D 为“1”的位数 令p =A + D = 2n －1 则：
()1,01,0R P
τττ =??
=?- ≠?? （2-13）
设n=3,p =23－1＝7，则：
()1,01
,07
R τττ =??
=?- ≠?? （2-14） 它正是图3-1 (d)中所示的二值自相关函数。
m 序列和其移位后的序列逐位模二相加，所得的序列还是m 序列，只是相移不同而已。例如1110100与向右移三位后的序列1001110逐位模二相加后的序列为0111010，相当于原序列向右移一位后的序列，仍是m 序列。
m 序列发生器中移位寄存器的各种状态，除全0状态外，其他状态只在m 序列中出现一次。如7位m 序列中顺序出现的状态为111，110，101，010，100，00l 和011，然后再回到初始状态111。 m 序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产生m 序列。理论分析指出，产生的m 序列数由下式决定
()21/F n n - （2-15）
其中由F(X)为欧拉数(即包括1在内的小于X 并与它互质的正整数的个数)。例如5级移位寄存器产生的 31位m 序列只有6个。
2.2 直扩系统的性能
2.2.1直扩系统的抗干扰性
直扩系统最早应用是在军事通信中作为很强抗干扰性的通信手段。直扩系统对窄带干扰、宽带干扰等，都具有抗干扰能力，其抗干扰能力大小就是前面提出的扩频处理增益P G ，P G 越大，抗干扰能力就越强。下面就来分析直扩系统抗宽带干扰和抗窄带干扰的原理
这里的宽带干扰是泛指的与扩频信号不相关的，在CDMA 通信网中，其它用户的信号就是一种宽带干扰。相关处理前，信号频谱是很宽的，经相关处理后，有用信息被解扩，其功率谱集中于信息带宽内，而宽带干扰通过相关器，其功率谱密度基本不变。由于解扩后必然连接窄带滤波器，保证信号能顺利通过，对信号频带之外的各种干扰起到很大的抑制作用，从而提高了输出的信噪比。
对单频或窄带干扰，直扩系统有很强的抗干扰能力。图4-4（a ）为解扩前的功率谱，窄带干扰功率很大，由于干扰与本地扩频码（PN 码）是不相关的。对干扰来说，相关器起到扩展频谱的目的，功率谱密度就大大下降，其中对信号有害的干扰分量只有落入信息带宽部分，从而抑制了大部分干扰。由于有用信号能顺利通过窄带滤波器，因此提高了输出的信噪比。
2.2.2直扩信号的抗截获性 截获敌方信号的目的在于： 1.发现敌方信号的存在， 2.确定敌方信号的频率，
3.确定敌方发射机的方向。
论分析表明，信号的检测概率与信号能量与噪声功率谱密度之比成正比，与信号的频带宽度成反比。直扩信号正好具有这两方面的优势，它的功率谱密度很低，单位时间内的能量就很小，同时它的频带很宽。因此，它具有很强的抗截获性。
如果满足直扩信号在接收机输入端的功率低于或与外来噪声及接收机本身的热噪声功率相比拟的条件、则一般接收机发现不了直扩信号的存在。另外，由于直扩信号的宽频带特性，截获时需要在很宽的频率范围进行搜索和监测，也是困难之一。因此，直扩信号可以用来进行隐藏通信。至于如何发现敌方直扩信号的存在，和弄清楚其参数，即直扩信号的检测与估值问题。
第3章直接序列扩频通信系统的MATLAB仿真
3.1 matlab简介
MATLAB原意为“矩阵实验室—MA TrixLABoratory”，它是目前控制界国际上最流行的软件，它除了传统的交互式编程之外，还提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据和图象处理、Windows 编程等便利工具。MA TLAB还配备了大量工具箱，特别是还提供了仿真工具软件SIMULINK。MATLAB在80年代一出现，首先是在控制界得到研究人员的瞩目。随着MATLAB软件的不断完善，特别是仿真工具SIMULINK的出现，使MATLAB的应用范围越来越广。随着MATLAB库函数和仿真工具箱的不断扩充，使其在系统仿真与分析、信号处理、图像处理等方面的应用越来越广泛。MATLAB 具有3 大特点：
（1）功能强大，包括数值计算和符号计算，计算结果和编程可视化，数学和文字统一处理，离线和在线皆可计算；
（2）面友好，语言自然。MATLAB 以复数矩阵为计算单元，指令表达与标准教科书的数学表达式相近；
（3）开放性强。MA TLAB 有很好的可扩充性，可以把它当作一种更高级的语言去使用，可容易地编写各种通用或专用应用程序。
正是由于MATLAB 的这些特点，使它获得了对应用学科（特别是边缘学科和交叉学科）的极强适应力，并很快成为应用学科计算机辅助分析设计、仿真、教学乃至科技文字处理不可缺少的基础软件，成为欧美高等院校、科研机构教学与科研必备的基本工具。本文就是利用编制MATLAB 仿真m文件进行DS扩频通信系统的性能仿真及其分析。
3.2设计思路及模型抽象
系统分析
建立各子系统模型
编程实现各子系统功能
建立Matlab 仿真系统
运行仿真系统
是否满足设计要求
结束
开始
是否
图3-1 设计思路流程图
本文在进行系统设计时，首先参考移动通信教科书相关理论知识对直接扩频通信系统进行仔细研究，划分出PN 码生成子系统，PSK 调制子系统等五大子系统，然后对各子系统的功能及实现原理进行细致研究选出合适的算法完成各系统模块的编程。接着利用各子系统完成系统搭建，运行仿真系统，对结果进行分析，对各项参数和指标进行评估。以判断系统是否符合要求。
信源信道编码器调制器信道解调器
信道解码器信宿
噪声数字信号示波器模拟信号示波器
频谱仪
信号发生器
图3-2直接序列扩频通信系统模型
经过研究，为了完成本设计要求，根据通信系统基本模型和本设计要求完成系统模型抽象，主要包含信源（随机数字信号发生器）、信道编码器、调制器、信道（无噪声信道和高斯白噪声信道两
种）、解调器、信道解码器、信宿等八个子系统。为了观察仿真结果需要数字信号示波器、模拟信号示波器和频谱仪几大反馈子系统。
3.3系统仿真流程图
根据以上分析现作出通信系统主要流程图：
图3-3 直接扩频通信系统流程图
本系统中信源为二进制随机信号生成器，信号频率为fc。PN码为m码生成器，采用寄存器移位模二加运算生成，信号频率为fm=100*fc。PSK载波为fp=fm*100的余弦信号，通过与双极性基
带信号进行乘法运算实现PSK调制。系统中抽样频率为fs=64*fp。
3.3.1发射机
发射机部分主要包含信道编码器和调制器两个部件。信道编码器包含PN序列生成，源码抽样和编码三个步骤。调制器包含载波生成，基带信号极性变换和调制三个步骤。其模型如下：
PN码p(t)
(频率为fm)
余弦载波s(t)(载波频率为fp，抽样频率为fs)转换成双极性码,抽样(频率为fs)抽样(频率为fm)
信道
信源
图3-4 发射机模型
3.3.1接收机
接收机机部分主要包含解调器和信道解码器两个部件。解调器包含带通滤波，载波生成，解调，低通滤波以及抽样判决等几个步骤。信道解码器包含PN序列生成，解码和抽样判决三个步骤。接收机最终输出的信号应该与源信号完全一致。其模型如下：
本地PN 码p(t)(频率为fm)
抽样判决(频率为fc)
带通滤波(中心频率为fp)
本地余弦载波s(t)(载波频率为fp ，抽样频率为fs)
低通滤波(截止频率为fm)
抽样判决(频率为fm)
信道
信宿
图3-5接收机模型
3.4 matlab 仿真关键程序及实现
3.4.1工具设计 1）模拟信号示波器
本设计中模拟示波器较为简单主要是根据序列长度求出及序列频率求出其横坐标时间值。然后利用plot 函数绘出其波形。
计算序列长度plot 绘图
生成横坐标
Double 类型序列
开始
结束
图3-5 模拟信号示波器程序流程图
程序如下：
function plot_double(m,s,fs)%m 为输入序列，s 为图片名，fs 为输入序列频率 N=length(m);%计算序列长度 n=0:1:N-1; t=n/fs;%求出横坐标 %绘波形图 plot(x,m,'k'); xlabel('时间 t'); ylabel('幅度 h'); title(s);
2）数字示波器
本数字示波器主要利用matlab 中plot 函数完成波形绘制，但是需要对横纵坐标进行坐标变换方可画出其波形。其流程图如下。
计算序列长度
转成脉冲坐标
plot 绘图
生成横坐标脉冲序列开始
结束
图3-6数字示波器流程图
坐标变换原理如下：
常规plot 函数横纵坐标序列如下。
12345211234521,,,,,,,,,,,,,,,,n n n n n n
X x x x x x x x x Y y y y y y y y y ----=???=??? （3-1）
X 为横坐标，Y 为纵坐标。
然后按式3-2生成新序列'X ，'Y ：
'2
'2
i j i j i x x j i y y j ?
=???
?=??（为取整）（为取整） （3-2） 新坐标'X ，'Y 即为：
112211112211',,,,,,,,',,,,,,,,n n n n n n n n
X x x x x x x x x Y y y y y y y y y ----=???=??? （3-3）
程序：
function plot_bit(m,s,fs)%m 为输入序列，s 为图片名，fs 为输入序列频率 N=length(m);%计算序列长度 x=0:1:N-1; t=x/fs;%求出横坐标
x1=[x;x(2:end),x(end)+1]; %实现坐标变换 x2=x1(:); y1=[m;m]; y2=y1(:);
plot(x2,y2,'k'); %绘波形图 xlabel('时间 t'); ylabel('幅度 h'); title(s); 3）频谱仪
本设计中频谱仪主要是根据序列长度及频率求出其横坐标频率分布。然后利用fft 变换求出序列频率，然后对该值取模求得幅值。最后利用plot 函数绘出其频谱。流程图如下：
计算序列长度
对序列进行fft 变换，并由此求出纵坐标值
plot 绘图
求出横坐标频率值
序列及其频率
开始
结束
图3-7 频谱仪程序流程图
程序如下：
function fft_print(m,fs,s)
%m 为输入序列，s 为图片名，fs 为输入序列频率 N=length(m);%求序列长度 f=-fs/2:fs/N:fs/2-fs/N;%频率序列 X=fft(m);%对信号进行快速Fourier 变换
plot(f,fftshift(abs(X));%求得Fourier 变换后的振幅,并绘制频谱 xlabel('频率（Hz ）'); ylabel('幅度（db ）'); title(s); 3.4.2 m 序列
本设计中m 序列发生器可以根据输入参数根据m 序列运算规则自动生成所要求的m 序列。其程序流程图如下：
ＭＡＴＬＡＢ仿真直接序列扩频通信 1.摘要 直接序列扩频通信系统（DS-CDMA）因其抗干扰性强、隐蔽性好、易于实现码分多址（CDMA）、抗多径干扰、直扩通信速率高等众多优点，而被广泛应用于许多领域中。针对频通信广泛的应用，本文用MATLAB工具箱中的SIMULINK通信仿真模块和MATLAB函数对直接序列扩频通信系统进行了分析和仿真，使其更加形象和具体。 关键字：扩频通信m序列gold正交序列matlab仿真 2.引言 直接序列扩频(DSSS— Direct Sequence Spread Spectrum)技术是当今人们所熟知的扩频技术之一。这种技术是将要发送的信息用伪随机码（PN码）扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信息。 它是二战期间开发的，最初的用途是为军事通信提供安全保障, 是美军重要的无线保密通信技术。这种技术使敌人很难探测到信号。即便探测到信号，如果不知道正确的编码，也不可能将噪声信号重新汇编成原始的信号。有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员Hedy Lamarr 和钢琴家George Antheil提出的。基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路，他们申请了美国专利#2.292.387。不幸的是，当时该技术并没有引起美国军方的重视，直到十九世纪八十年代才引起关注，将它用于敌对环境中的无线通信系统。 直序扩频解决了短距离数据收发信机、如：卫星定位系统(GPS)、3G移动通信系统、WLAN (IEEE802.11a, IEEE802.11b, IEE802.11g)和蓝牙技术等应用的关键问题。扩频技术也为提高无线电频率的利用率(无线电频谱是有限的因此也是一种昂贵的资源)提供帮助。 3.直接序列扩频DS-SS是直接用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信 号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。
直接序列扩频通信系统仿真
直接序列扩频通信系统仿真 一、实验的背景及内容 1、直接扩频通信背景 扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。 有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员Hedy Lamarr和钢琴家George Antheil提出的。解决了短距离数据收发信机、如：卫星定位系统(GPS)、移动通信系统、WLAN(IEEE802.11a, IEEE802.11b, IEE802.11g)和蓝牙技术等应用的关键问题。扩频技术也为提高无线电频率的利用率(无线电频谱是有限的因此也是一种昂贵的资源)提供帮助。 扩频通信技术自50年代中期美国军方便开始研究，一直为军事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。直到80年代初才被应用于民用通信领域。为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术现已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等等的系统中。 2、实验的内容及意义 本次实验主要研究了直接序列扩频系统，建立了直接序列扩频系统的matlab仿真模型，在信道中存在高斯白噪声和干扰的情况下，对系统误码率性能进行了仿真及分析。 近年来，随着超大规模集成电路技术、微处理器技术的飞速发展，以及一些新型元器件的应用，扩频通信在技术上已迈上了一个新的台阶，不仅在军事通信中占有重要地位，而且正迅速地渗透到了个人通信和计算机通信等民用领域，成为新世纪最有潜力的通信技术之一因此研究扩频通信具有很深远的意义。本人通过此次实验，进行深入地研究学习扩频通信技术及对它进行仿真应用，将所学的知识进行归纳与总结，从而巩固通信专业基础知识，为以后的个人学习和工作打下基础。
扩频通信技术实现方法的研究和设计 ——DS直接序列扩频 专业：通信工程 班级：2002级1班 姓名：佟岩
引言 3 1扩频通信系统 6 1.1扩展频谱通信的定义 6 1.2扩频通信的理论基础 6 1.3扩频通信的主要性能指标8 1.4扩频通信的主要特点10 1.5频谱扩展的实现和直接序列扩频13 1.6扩频系统需要满足以下几个条件1 7 1.7扩频通信特征17 2直序扩频通信系统 18 2.1直序扩频通信系统框图18 2.2直接序列扩频信号的产生原理18 2.3直接序列扩频原理20 2.4直接序列扩频信号的实现方法21 3用编程来实现直序扩频通信系统23 3.1直接序列扩频系统与PSK调制23 3.2信号解调 24 3.3差错概率 26 4实验28 4.1 Monte Carlo仿真28 4.2 SIMULINK仿真30 结论 36 致谢 37 参考文献 38 附录1直扩程序M-文件40 附录2直扩-SIMULINK动态仿真模框图43
扩频通信技术(简称扩频通信)是一种新兴的高科技通信技术，具有大容量、抗干扰、低截获功率等特点以及可实现码分多址(CDMA)等优点，在军事和民用通信系统中都得到了广泛的应用，并成为下一代移动通信的技术基础。在扩频通信系统中，直序扩频的应用最为广泛。首先介绍扩频通信的基本原理及组成，重点论述了直序扩频通信在通信系统中的使用。 MATLAB因具有强大的数学计算、算法推导、建模仿真和图形绘制等功能而广泛应用于各领域，本文利用MATLAB的M语言进行编程、仿真，从而对CDMA无线通信系统的性能进行了分析。 在此基础上，通过实例介绍了建立系统仿真模型的方法。利用MATLAB 软件对CDMA无线通信系统的性能进行了分析。可见利用MATLAB/SIMULINK进行系统仿真简单、方便、形象、具体，是系统仿真较好软件之一。 关键词： 直序扩频通信系统；PN序列产生器；误码率；仿真；MATLAB；干扰
基于MATLAB的直接序列扩频通信系统仿真 1.实验原理：直接序列扩频（DSSS）是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调 制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解扩，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN码（伪噪声码）进行摸二加。例如说在发射端将"1"用11000100110，而将"0"用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是11000100110就恢复成"1"是00110010110就恢复成"0"，这就是解扩。这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10DB以上，从而有效地提高了整机倍噪比。 1.1 直扩系统模型 直接序列扩频系统是将要发送的信息用伪随机码(PN码)扩展到一个很宽的频带上去，在接收端用与发送端相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信号。对干扰信号而言，与伪随机码不相关，在接收端被扩展，使落入信号通频带的干扰信号功率大大降低，从而提高了相关的输出信噪比，达到了抗干扰的目的。直扩系统一般采用频率调制或相位调制的方式来进行数据调制，在码分多址通信中，其调制多采用BPSK、DPSK、QPSK、MPSK等方式，本实验中采取BPSK方式。 直扩系统的组成如图1所示，与信源输出的信号a(t)是码元持续时间为Ta的信息流，伪随机码产生器产生伪随机码c(t)，每个伪随机码的码元宽度为Tc (Tc< 直接序列扩频通信系统的误码率仿真 直接序列扩频通信系统的误码率仿真 1．引言 扩展频谱通信系统是将基带信号的频谱扩展至很宽的频带上，然后再进行 传输的一种通信系统,即将待传送的信息数据用伪随机编码调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。 扩频通信的基础理论根据信息论中的shannon 公式 ） （N S B C /1log 2+= 式中，C 是系统的信道容量，B 是系统信道带宽,N 是噪声功率,S 为信号的功率,S/N 即为信噪比。 Shannon 公式表明了一个系统信道无误差的传输信息的能力与存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的系统信道带宽之间的关系。该公式说明了两个极为重要的概念：一是在一定的信道容量条件下，可以用减少发送信号功率、增加带宽的方法来达到信道容量的要求；另一个是可以采用减少带宽而增加信号功率的方法来达到信道容量的要求。这也就说明了信道容量可以通过带宽与信噪比的互换来保持不变。在实际的工程应用中，改变信号的功率并不容易，相比较而言，扩展信号的带宽更容易操作，所以，要提高信道容量，采用增加信号的带宽比提高信号功率的方法要有效的多。 由于扩频通信系统可以在信号功率远低于噪声功率的环境中工作，因此扩 频通信系统具有抗干扰能力强，保密性强等优点，在现在通信领域内的应用越 来越广泛。 2．系统概述 本次仿真实验是以MATLAB 为仿真平台，信号是8位双极性二进制信号,由 1和-1组成。随后对产生的双极性信号进行时域抽样，得到基带信号s ，是一组1024位的信息码。伪随机序列由mgen 函数产生，共有1024个码元。对已得到的基带信号进行扩频调制，直接把基带信号S 与产生的伪随机序列相乘，得到扩频信号。然后对已作扩频处理的信号作BPSK 载波调制，得到发射信号。发射信号通过存在高斯白噪声的信道，到达接到端，接收端首先对信号进 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）开题报告 题目：直接序列扩频通信系统的设计与仿真实现 系（部）应用电子与通信技术 专业通信工程 学生薛光宇 学号24 班号0992222 指导教师周凯 开题报告日期2012.10,22 哈工大华德学院 说明 一、开题报告应包括下列主要内容： 1．通过学生对文献论述和方案论证，判断是否已充分理解毕业设计（论文）的内容和要求 2．进度计划是否切实可行； 3．是否具备毕业设计所要求的基础条件。 4．预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施； 5．主要参考文献。 二、如学生首次开题报告未通过，需在一周内再进行一次。 三、开题报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在系（部）保存，以备检查。指导教师评语： 指导教师签字：检查日期： 一、课题题目和课题研究现状 课题题目：直接序列扩频通信系统的设计与仿真实现。 研究现状：目前扩频技术中研究最多的对象是CDMA技术，其中又以码捕获技术和多用户检测（MUD）技术代表了目前扩频技术研究的现状。 1．码捕获 同步的实现是直扩系统中一个关键问题。只有在接收机将本地产生的伪码和接收信号中调制信息的伪码实现同步以后，才有可能实现直序扩频通信的各种优点。同步过程分为两步来实现:首先是捕获阶段，实现对接收信号中伪码的粗跟踪；然后是跟踪阶段，实现对伪码的精确跟踪。目前的研究主要集中在码捕获过程。 2, 多用户检测 CDMA系统容量受到来自其他用户的多址干扰的限制，多用户检测能够利用这些多址干扰来改善接收机的性能，因此是一种提高系统容量的有效方法。传统的CDMA 接收机是由一系列单用户检测器组成，每个检测器都是与特定扩频码对应的相关器，它并没有考虑多址干扰的结构，而是把来自其它用户的干扰当成加性噪声，因此当用户数量增加时，其性能急剧下降。通过对所有用户的联合译码可以极大地改善CDMA系统的性能。但是最优的多用户接收机，其复杂度随用户数量成指数增长，因此在实际通信系统中几乎不可能实现。这样寻找在性能和复杂度之间折中的次最优多用户检测器成为研究的热点 二、目的及意义 通过对该课题的研究，了解科研学术论文的撰写流程，并且将自己所学的理论知识运用到论文中，全面多角度的分析该领域的发展现状，同时提高自己的思维能力，对搜集的数据进行恰当处理和准确分析，对大学本科四年学习成果进行有效的检验，并且进一步提高自学能力和自主进行科学研究的水平。 三、课题的基本内容 所谓直接序列扩频（DS），就是直接用具有高速率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。而接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信息。 直接序列扩频系统的Matlab/Simulink仿真 摘要：本文利用Matlab/Simulink对直接序列扩频系统进行了仿真，对其原理进 行了相关的说明。读者可以通过对本文的阅读对直接序列扩频的相关原理有一定的了解。 关键字：扩频通信直接序列扩频 一、仿真的意义 随着信息技术的发展，通信技术变得越来越复杂，技术更新的周期也越来越短。对于大部分学者，特别是我们学生来说，在学习通信技术时，若对每一个系统都要实体研究是不现实的。此时通信系统仿真对我们来说可以说是必不可少的。通过建立相应的通信系统的模型，对其进行仿真，可以使我们把琐碎的知识联系在一起，形成一个个通信系统的概念，可以让我们对各个知识点的原理有更加深刻的理解和掌握。 二、直接序列扩频的原理 扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)是将待传送的信息数据用伪随机编码(扩频序列：Spread Sequence)调制，实现频谱扩展后再传输而接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。扩频通信具有抗干扰能力强、抗噪声、保密性强、功率谱密度低，具有隐蔽性和较低的截获概率、可多址复用和任意选址、高精度测量等优点。 根据扩展频谱方式的不同，可以将扩频通信系统分为直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)工作方式，简称直扩(DS)方式；跳变频率(Frequency Hopping)工作方式，简称跳频(FH)方式；跳变时间(Time Hopping)工作方式，简称跳时(TH)方式；宽带线性调频(Chirp Modulation)工作方式，简称Chirp方式和各种混合方式。 直接序列(DS-Direct Scquency)扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。直接序列扩频是扩频通信系统最基本的工作方式。 假设信源序列对应的双极性波形为a(t)，其电平取值为±1 ，码元速率为Rabps，码元宽度为Ta=1/Ra/秒。扩频所使用的伪随机序列c(t)也是电平取值为±1 的双极性波形，伪随机序列（PN序列）的码元也称为码片（chip），码片速率设为Rcchip/s，对应的码片宽度就是Tc=1/Rc/秒。对于双极性波形而言，扩频过程等价于数据流a(t)与伪随机序列c(t)相乘的过程，扩频输出序列设为d(t)，也是取值为±1 的双极性波形，其速率等于码片速率。扩频序列经过调制后得到调制输出信号s(t)送入信道。对于BPSK调制，发送的信号就相当于是数据流与伪随机序列相乘后再乘于一个高频的余弦信号。在接收端，接收到的信号中有包含了有用信号s(t)及各种干扰J(t)和噪声n(t)。由于接收端采用相关解扩，即将s(t)J(t)n(t)和本地PN序列c(t)相乘，只有有用信号的频谱能够被还原为窄带信号，其他的噪声和干扰的频谱只会被展宽，当信号通过窄带滤波器后只有一小部分被展宽了的频谱会混进有用信号中，由此大大增强了其抗干扰的能力。 三、仿真的系统与结果 此处是对直接序列扩频通信系统的仿真。假设该系统以BPSK方式调制，数 摘要 由于直接序列扩频技术所具有的优点，它在无线电通讯中得到了广泛的应用。本文主要介绍了直接扩频技术的原理，m序列的产生以及m序列发生器的结构和反馈系数，直接扩频信号的相关接收机的组成及解扩方式、直扩信号的相关处理。以及直扩信号的同步。在上述理论基础上，用Intersil公司生产的一系列芯片对直接扩频系统进行了实现，其中主要介绍了HFA3824型专用扩频电路的主要性能和用法以及在扩频通信中的应用与实现。还对HFA3524、HFA3724进行了一定的介绍，简要说明了其内部结构和外围电路以及在扩频通信中的应用。 关键字扩频通信，无线电通信，实现，应用 ABSTRACT Because of its merits .The direct sequence spread spectrum (DS SS) technology is applying widely in wireless communication. The principle of the direct sequence spread (DS SS) technology, the generation of m-sequence, the structure of m-sequence generator and the feedback coefficients of it, the de-spread mode of the correlation receiver of the direct spread spectrum single and the correlation process and the synchronization of the direct spread spectrum single are described. Family chip that is produced by Intersil Company is used to realize the direct spread spectrum system on the basis of the above-mentioned theories. The performances and the methods of applications of the Intersil’s application-specific spread spectrum circuit (HFA3824A), and its applications and realization in spread spectrum communications are mainly described. The interior structure and the peripheral circuit of HFA3524 and HFA3724, and its applications in spread spectrum communications are briefly described as well. KEY WORDS spread spectrum communications，wireless communication，realization，applications 直接序列扩频通信系统仿真 一、实验的背景及内容 1、直接扩频通信的背景 扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，它和光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。 有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员Hedy Lamarr和钢琴家George Antheil提出的。基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路，他们申请了美国专利#2.292.387[1]。不幸的是，当时该技术并没有引起美国军方的重视，直到十九世纪八十年代才引起关注，将它用于敌对环境中的无线通信系统。解决了短距离数据收发信机、如：卫星定位系统(GPS)、移动通信系统、WLAN(IEEE802.11a, IEEE802.11b, IEE802.11g)和蓝牙技术等使用的关键问题。扩频技术也为提高无线电频率的利用率(无线电频谱是有限的因此也是一种昂贵的资源)提供帮助。 扩频通信技术自50年代中期美国军方便开始研究，一直为军事通信所独占，广泛使用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。直到80年代初才被使用于民用通信领域。为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术现已广泛使用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等等的系统中。 2、实验的内容及意义 本次实验主要研究了直接序列扩频系统，建立了直接序列扩频系统的matlab仿真模型，在信道中存在高斯白噪声和干扰的情况下，对系统的在不同扩频增益下的误码率性能进行了仿真及分析。 近年来，随着超大规模集成电路技术、微处理器技术的飞速发展，以及一些新型元器件的使用，扩频通信在技术上已迈上了一个新的台阶，不仅在军事通信中占有重要地位，而且正迅速地渗透到了个人通信和计算机通信等民用领域，成为新世纪最有潜力的通信技术之一因此研究扩频通信具有很深远的意义。本人通过此次实验，进行深入地研究学习扩频通信技术及对它进行仿真使用，将所学的知识进行归纳和总结，从而巩固通信专业基础知识，为以后的个人学习和工作打下基础。 扩频通信实验 实验名称：基于m序列的直接序列扩频 专业班级：通信111501班 学生姓名：穆琦沈傲立孙琳王瑞学熊晓倩 学号：201115040111 13 16 20 27 指导教师：郑秀萍 时间：2014.10.29 1 需求分析 在通信发射端将载波信号展宽到较宽的频段上;在接收端,用同样的扩频码序列进行解扩和解调,把展宽的信号还原成原始信息.通过扩展频谱的相关处理,大大降低了频谱的平均能量密度,可在负信噪比条件下工作,获得了高处理增益,从而降低了被截获和检测的概率,避免了干扰影响.通过仿真模型结果分析抗噪声性能结果。 2 概要设计 扩频通信系统分为直接序列扩频系统、跳频扩频系统、跳时扩频系统和混合式扩频系统。直接序列扩频系统，又称“平均”系统或伪噪声系统，就是采用高码率的扩频码序列PN 码(伪随机码),在发送端与编码数据信号进行模2 加,产生一扩频序列,这一码序列由于码元很窄,占用了很宽的频带,达到扩频的目的,然后用扩频序列去调制载波并予以传输。在接收端接收到的扩频信号经高频放大混频之后,用与发端相同且同步的伪随机码对扩频信号进行相关解扩,由于收发端伪随机码的相关系数为1,故可以完全恢复所传的信息,而干扰和噪声由于与接收机伪 随机码不相关,在相关解调时大大降低进入信号通频带内的干扰。它是目前应用较广泛的一种扩展频谱系统。在国外已获得成功的空间探测器“喷气推进实验室（JPL）测距技术”就是一种直接序列调制，TATS-1 军用卫星中的扩展频谱多址(SSMA)系统等都使用DSSS。 直接序列扩频系统的接收一般采用相关接收，并分成两步，即解扩和解调。在接收端，接收信号经过数控振荡器放大混频后，用与发射端相同且同步的由M 序列发生器产生的伪随机码对中频信号进行相关解扩，把扩频信号恢复成窄带信号，然后再由基带滤波器进行解调，最后恢复出原始信息序列。扩频与解扩过程中,利用PN序列生成器模块( PN Sequence Generator ) ,产生6级、传输速率500b/s的PN伪随机序列来达到扩频和多址接入效果,这里扩频增益为50倍.扩频的运算是信息流与PN码相乘或模二加的过程.解扩的过程与扩频过程完全相同,即将接收的信号用PN码进行第二次扩频处理.要求使用的PN码与发送端扩频用PN码不仅码字相同,而且相位相同.否则会使有用信号自身相互抵消.解扩处理将信号压缩到信号频带内,由宽带信号恢复为窄带信号.同时将干扰信号扩展,降低干扰信号的谱密度,使之进入到信息频带内的功率下降,从而使系统获得处理增益,提高系统的抗干扰能力.调制与解调使用二相相移键控PSK方式. 为了方便分析, 我们可对系统作如下假设: 系统各用户同步;系统各用户功率相同;仅考虑系统MAI和白噪声干扰引起的误码, 忽略信号传输、调制解调过程中的误码。 3 开发工具和编程语言 开发工具： 《扩频通信原理》课程设计报告 题目：直接扩频系统仿真 班级：0110910和0110911 姓名：詹晓丹（2009210432） 姜微（2009210503） 张建华（2009210336） 指导老师：李兆玉 1.课程设计目的 （1）了解、掌握直接扩频通信系统的组成、工作原理； （2）了解、熟悉扩频调制、解调、解扩方法，并分析其性能； （3）学习、掌握Matlab相关编程知识并用其实现仿真的直接扩频通信系统； 2.课程设计实验原理 直接扩频通信系统工作原理： 直接序列扩频，就是直接用高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱，在收端用相同的扩频码去解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的基带信号。 在发端输入的信息与扩频码发生器产生的伪随机码序列（这里使用的是m序列）进行波形相乘，得到复合信号，实现信号频谱的展宽，展宽后的信号再调制射频载波发送出去。由于采用平衡调制可以提高系统抗侦波的能力，所以直接序列扩频调制一般都采用二相平衡调制方式。一般扩频调制时一个信息码包含一个周期的伪码，用扩频后的复合信号对载波进行二相相移监控（BPSK）调制，当gt从“0”变成“1”或从“1”变到“0”时，载波相位发生180度相移。接收端的本振信号与发射端射频载波相差一个中频，接收端收到的宽带射频信号与本振信号混频、低频滤波后得到中频信号，然后与本地产生的与发端相同并且同步的扩频码序列进行波形相乘，实现相关解扩，再经信息解调，恢复出原始信号。 3.建立模型描述 （1）直接扩频通信系统组成框图： （2）直接扩频通信系统波形图： 4.模块功能分析 （1）直扩系统的调制功能模块：（都包含模块框图和不同调制、解调方式介绍、分析）（a）扩频调制模块 用扩频码发生器产生一个伪随机码pn（这里用的是m序列），与信源信息码序列xt相乘，实现频谱的展宽 （b）BPSK调制模块 直接序列扩频通系统仿真 一、课程设计目的 学习扩频通信系统的原理，理解扩频通信系统性能能指标的意义，学会分析扩频通信系统性能能指标的方法。学会根据给定的系统参数和性能，设计扩频通信系统的方法。 二、课程设计基本要求 1、学会MATLAB的使用和MATLAB的程序设计方法； 2、掌握扩频通信系统的原理； 3、理解扩频通信系统性能指标的意义； 4、能够用Monte Carlo仿真估计直接序列扩频通信系统的性能。 三、课程设计内容 1、讨扩频通信系统的原理，分析直接序列扩频通信系统的性能； 2、讨论根据给定的系统参数和性能，设计扩频通信系统的方法； 3、通过Monte Carlo仿真，说明直接序列扩频通信系统在抑制正弦干扰方面的有效性。仿真系统的方框图如图： 四、理论基础 4.1扩频通信的背景 扩展频谱通信是建立在Claude E．Shannon的信息论基础之上的一种新型的通信体制。由于扩频通信体制具有抗干扰能力强、截获率低、码分多址、信号隐蔽、测距和易于组网等一系列优点，自从问世之后便引起了世界各国的极大关注，并率先应用在军事通信中。随着近年来大规模、超大规模集成电路和微处理器技的广泛应用，以及一些新型器件的应用，扩频技术的应用形成了新的高潮。事实上，扩频通信已成为电子对抗环境下提高通信设备抗干扰能力的最有效的手段，并在近十几年来爆发的几场现代化战争中发挥了巨大的威力。随着CDMA扩频通信技术在民用通信中的深入应用和不断渗透，以及在卫星通信、深空通信、武器制导、GPS全球定位系统和跳频通信等民用和国防民事通信的强烈需求下，扩谱通信的地位越来越重要了。 4.2直接序列扩频通信原理理论基础 直接序列扩频（DSSS）是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解扩，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN码（伪噪声码）进行摸二加。例如说在发射端将"1"用11000100110，而将"0"用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是11000100110就恢复成"1"是00110010110就恢复成"0"，这就是解扩。这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10DB以上，从而有效地提高了整机倍噪比。 直接序列扩频通信系统仿真程序 杨晶超s2******* >> code_length=20; %信息码元个数 >> N=1:code_length; >> rand('seed',0); >> x=sign(rand(1,code_length)-0.5); %信息码 >> for i=1:20 s((1+(i-1)*800):i*800)=x(i); %每个信息码元内含fs/f=800个采样点end 生成的信息码的波形图如图1所示。 图1 信源信息码 >> %产生伪随机码，调用的mgen函数见附录 >> length=100*20; %伪码频率5MHz,每个信息码内含5MHz/50kHz=100个伪码>> x_code=sign(mgen(19,8,length)-0.5); %把0,1序列码变换为-1,1调制码 >> for i=1:2000 w_code((1+(i-1)*8):i*8)=x_code(i); %每个伪码码元内含8个采样点 end 生成的PN码波形如图2所示。 >> %扩频 >> k_code=s.*w_code; %k_code为扩频码扩频码如图3所示。 图2 PN码 图3 扩频码>> %调制 >> fs=20e6; >> f0=30e6; >> for i=1:2000 AI=2; dt=fs/f0; n=0:dt/7:dt; %一个载波周期内采样八个点 cI=AI*cos(2*pi*f0*n/fs); signal((1+(i-1)*8):i*8)=k_code((1+(i-1)*8):i*8).*cI; end PSK调制后的波形如图4所示。 图4 PSK调制后的波形 >> %解调 >> AI=1; >> dt=fs/f0; >> n=0:dt/7:dt; %一个载波周期内采样八个点>> 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 解调后的波形如图5所示。 扩频通信的理论基础 1.1扩频通信的基本概念 通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。 通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。 通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。由于信息在传输过程中受到干扰，收到的信息与发出的信息并不完全相同。可靠性就是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度。因此，可靠性决定于系统抵抗干扰的性能，也就是说，通信系统的可靠性决定于通信系统的抗干扰性能。在模拟通信系统中，传输的可靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。在数字通信系统中，传输的可靠性是用信息传输的差错率来描述的。 扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了应用。近年来，扩展频谱通信技术的理论和应用发展非常迅速，在民用通信系统中也得到了广泛的应用。 扩频通信是扩展频谱通信的简称。我们知道，频谱是电信号的频域描述。承载各种信息（如语音、图象、数据等）的信号一般都是以时域来表示的，即信息信号可表示为一个时间的函数)(t f 。信号的时域表示式)(t f 可以用傅立叶变换得到其频域表示式)(f F 。频域和时域的关系由式(1-1)确定： ?∞ ∞--=t e t f f F ft j d )()(π2 ?∞ ∞-=f e f F t f ft j d )()(π2 (1-1) 函数)(t f 的傅立叶变换存在的充分条件是)(t f 满足狄里赫莱(Dirichlet)条件，或在区间(-∞，+∞)内绝对可积，即t t f d )(?∞ ∞-必须为有限值。 扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息信号)(t f 无关）扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而到达传输信息目的的通信系统。也就是说在传输同样信息信号时所需要的射频带宽，远远超过被传输信息信号所必需的最小的带宽。扩展频谱后射频信号的带宽至少是信息信号带宽的几百倍、几千倍甚至几万倍。信息已不再是决定射频信号带宽的一个重要因素，射频信号的带宽主要由扩频函数来决定。 由此可见，扩频通信系统有以下两个特点： (1) 传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽； (2) 传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常是伪随机（伪噪声）编码信号。 以上两个特点有时也称为判断扩频通信系统的准则。 5.1 直扩系统的组成与原理 5.1.1 组成与原理 前面已经说过：所谓直接序列(DS)扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。图5－1为直扩系统的组成与原理框图。 图5－1 在图5－1(a)中，假定发送的是一个频带限于fin以内的窄带信息。将此信息在信息调制器中先对某一副载额fo进行调制(例如进行调幅或窄带调频)，得到一中心频率为fo而带宽为2fin的信号，即通常的窄带信号。一般的窄带通信系统直接将此信号在发射机中对射频进行调制后由天线辐 射出去。 但在扩展频谱通信中还需要增加一个扩展频谱的处理过程。常用的一种扩展频谱的方法就是用一高码率fc的随机码序列对窄带信号进行二相相移键控调制见图5－1(b)中发端波形。二相相移键控相当于载波抑制的调幅双边带信号。选择fc ＞＞fo＞fin。这样得到了带宽为2fc的载波抑制的宽带信号。这一扩展了频谱的信号再送到发射机中去对射频f T进行调制后由天线辐射出去。 信号在射频信道传输过程中必然受到各种外来信号的干扰。因此，在收端，进入接收机的除有用信号外还存在干扰信号。假定干扰为功率较强的窄带信号，宽带有用信号与干扰信号同时经变频至中心频率为中频f I输出。不言而喻，对这一中频宽带信号必须进行解扩处理才能进行信息解调。解扩实际上就是扩频的反变换，通常也是用与发端相同的调制器，并用与发端完全相同的伪随机码序列对收到的宽带信号再一次进行二相相移键控。 从图5－1(b)中收端波形可以看出，再一次的相移键控正好把扩频信号恢复成相移键控前的原始信号。从频谱上看则表现为宽带信号被解扩压缩还原成窄带信号。这一窄带信号经中频窄带滤波器后至信息解调器再恢复成原始信息。但是对于进入接收机的变窄带干扰信号，在收端调制器中同样也受到伪随机码的双相相移键控调制，它反而使窄带干扰变成宽度干扰信号。由于干扰信号频谱的扩展，经过中频窄带通滤波作用，只允许通带 直接序列扩频通信系统仿真程序 杨晶超 S2******* >> code_le ngth=20; >> N=1:code_le ngth; >> ran d('seed',0); >> x=sig n(ran d(1,code_le ngth)- 0.5); >> for i=1:20 s((1+(i-1)*800):i*800)=x(i); end %信息码元个数 %信息码 %每个信息码元内含fs/f=800个采样点 >> %产生伪随机码，调用的 mgen 函数见附录 >> length=100*20; %伪码频率5MHz,每个信息码内含 5MHz/50kHz=100个伪码 >> x_code=sign(mgen(19,8,length)-0.5); %把 0,1 序列码变换为-1,1 调制码 >> for i=1:2000 w_code((1+(i-1)*8):i*8)=x_code(i); %每个伪码码元内含 8个采样点 end 生成的PN 码波形如图2所示。 >> %扩频 >> k_code=s.*w_code; 扩频码如图3所示。 1.5 所示。 □= C JXJC 1EUJ J 生成的信息码的波形图如图 1 1X00 “血 图1信源信息码 %k_code 为扩频码 PH J4 图3扩频码 >> %调制 >> fs=20e6; >> f0=30e6; >> for i=1:2000 AI=2; dt=fs/fO; n=0:dt/7:dt; % 一个载波周期内采样八个点 cl=AI*cos(2*pi*fO* n/fs); sig nal((1+(i-1)*8):i*8)=k_code((1+(i-1)*8):i*8).*cl; end □.6 d.2 a az ^.6 -0.0 ■I 基于直接扩频序列技术的BPSK系统的仿真设计报告 摘要：本文首先介绍了直接序列扩频系统的模型，然后概要阐述了常用的伪随机码以及扩频技术的优点，最后利用MATLAB对BPSK直扩系统进行了仿真。 关键词：直接序列扩频；伪随机码；BPSK；仿真 1 引言 扩频技术是扩展频谱通信(SSC—Spread Spectrum Communication)的简称，它是随着在军事通信中的应用发展起来的，由于其具有其它一般通信方式不具备的抗于扰强，抗多径衰落好，保密性好等一系列的优点，因此近年来它在民用通信中的应用也开始越来越受到人们的重视。这次主要研究扩频通信系统中常用直接扩频序列技术的BPSK系统调制方式。 2 直接序列扩频系统 直接序列扩频系统又称为直接序列调制系统或伪噪声系统(PN系统)，简称为直扩系统，是目前应用较为广泛的一种扩展频谱系统。人们对直扩系统的研究最早，如美军的国防卫星通信系统(AN-VSC-28)、全球定位系统(GPS)、航天飞机通信用的跟踪和数据中继卫星系统(TDRSS)等都是直扩技术应用的实例。 2.1直扩系统模型 直接序列扩频系统是将要发送的信息用伪随机码(PN码)扩展到一个很宽的频带上去，在接收端用与发送端相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信号。对干扰信号而言，与伪随机码不相关，在接收端被扩展，使落入信号通频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了相关的输出信噪比，达到了抗干扰的目的。直扩系统一般采用频率调制或相位调制的方式来进行数据调制，在码分多址通信中，其调制多采用BPSK、DPSK、QPSK、MPSK等方式。 直扩系统的组成如图1所示，与信源输出的信号a(t)是码元持续时间为Ta的信息流，伪随机码产生器产生伪随机码c(t)，每个伪随机码的码元宽度为Tc (Tc< 直接序列扩频通信系统抗干扰性能分析 在现代战争中，通信对抗扮演着越来越重要的角色。随 着计算机技术、微电子技术等大量高新技术的应用，军事通信获得了长足的发展，尤其是跳频、扩频等一些新的通信手段应用之后，使得通信频谱越来越宽，通信的反侦察、抗干扰能力越来越强，迫使各国加紧对通信对抗技术以及装备的研制。直接序列扩频通信由于其优良的多址接入、低截获概率、抗干扰和强保密等特性，使得它在军事通信、卫星通信和民用领域得到了广泛应用。在电子对抗中，对扩频通信的有效干扰成为制胜关键。 第一章研究背景介绍 1.1直扩通信研究背景 现代战争首先是电子战，在电子战中失去优势的一方，将导致通信中断，指挥失灵等，从而丧失战争主导权。两次海湾战争，前南斯拉夫战争以及阿富汗战争都是很好的佐证。因此，通信对抗作为C4ISR系统的核心，越来越受到各国的重视。通信对抗属于电子对抗，它包括通信侦察、通信干扰等主要对抗措施。通信对抗的目的在于：侦收和截获敌方信息，测量有关技战术参数；采用各种干扰方式阻止敌方正常通信并抑制敌方对我方的干扰，保证我方通信系统有效工作。 扩频通信作为新型的通信方式，具有优良的抗干扰、抗衰落和抗多径性能及频谱利用率高、多址通信等诸多优点，并被广泛地应用于军事通信领域，极大地提高了通信系统的抗截获和抗干扰能力。因此，扩频通信系统成为干扰方的首要作战目标，同时，扩频通信的抗干扰、抗截获、抗侦破特性给干扰方带来了巨大的困难。为取得现代电子战的胜利，针对扩频通信系统研究高效的干扰方式，如何有效的干扰成为取得现代电子战胜利的重要一环，对战时通信对抗具有重要意义。 1.2直扩通信的军事应用情况 1）直扩通信技术在舰艇卫星通信系统上应用广泛。国外舰艇卫星通信系统和国内舰艇卫星通信系统均采用码分多址通信方式，使用C波段。这样网络组织与撤收灵活，通信质量高，频道使用少。从目前使用看，这种方式充分发挥了直接序列扩频通信的特点，是扩频通信应用成功的范例。另外，美军使用的联合战术信息分发系统也使用直接扩频技术，主要用于在战术作战环境中进行抗干扰、发布保密数字信息，具有容纳用户数多和交互数据量大的特点，能快速保密地交换指挥控制信息和敌方战术设备的状态参数。 2）直扩通信技术在军用战术移动通信电台、数据分发系统中发挥重要作用。1996年美军演示了SICOM公司研制 扩展频谱（Spread Spectrum，SS）技术最初是为军用目的而开发出来的，应用于军事导航和通信系统中。出于提高通信系统抗干扰性能的需要，扩频技术的研究得以广泛开展，使得一些民用领域也从扩频技术的独特性质中受益。本章将概括性地描述扩频技术的基本概念、理论基础、系统组成及性能；介绍扩频系统的优点与应用。以此阐明直接序列扩频系统（DS—SS）发射机的设计与实现的重要意义。 1.1 扩频的概念 扩展频谱通信系统（Spread Spectrum Communication System）是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数（Spreading Function）扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，接收端再利用相应手段将其解扩，从而获取传输信息的通信系统。 为此，扩频函数（信号）必须满足以下的特性：扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号；它的带宽远大于欲传输信息（数据）带宽；具有类似于噪声的随机特性等。由于扩频信号的上述特性，扩频系统具有许多的优点： （1）扩频信号的不可预测性，使得扩频系统具有很高的抗干扰（anti-jam，AJ）能力。因为干扰者难以通过观测实施干扰，而只能采用发射大功率宽带的干扰信号进行干扰。 （2）扩频信号的功率相当均匀地被分布在很宽的频率范围，以致被传输信号功率密度很低，侦察接收机难以检测。因此，扩频系统具有低截获概率性（Low Probability of Intercept，LPI），即信号有很好的隐蔽性。 （3）通过对宽带扩频信号的相关检测，可以使扩频系统具有很高的距离鉴别力，可用于测距。 （4）扩频通信系统具有良好的码分多址（CDMA）能力，对不同的用户使用不同的码，使得旁人无法窃听，因而具有高的保密性，可用于多址通信中。 1.2 扩频技术的应用与分类 正因为这种种优点，扩频技术得到了迅速的发展，扩频系统也得到了越来越广泛的应用。在通信、数据传输、信息保密、定位、测距和多址技术等方面，显示了它极强的生命力。在电子对抗时代，扩频技术用于通信、导航和识别信息综合系统，为军事上开展联合指挥提供最先进的通信系统，是强有力的电子对抗手段之一。另外，扩频技术在医学领域中也得到了应用，例如，超声多普勒血流成像。 在各种扩频方式中，直接序列扩频（Direct Sequencing，DS）和频率跳变（Frequency Hopping，FH）是最为常用的扩频技术。时间跳变（Time Hopping，TH）也是一种扩频技术，主要用于时分多址（TDMA）通信。此外，还有这几种技术的混合应用，例如，跳频/直接序列（FH/DS）混合扩频，跳时/跳频（TH/FH）混合扩频和跳时/直接序列（TH/DS）混合扩频等，它们都可看作上述几种基本方式的综合运用。从使用各种扩频技术成功的范例来看，各种不同的扩频方式都有其特点，在各自特定的领域里发挥所长，所以每种扩频方式都很重要。 1.3 扩频技术的理论基础 扩频技术的理论基础是香农（Shannon）定理，它可用香农信道容量公式 S C = W log 2（1 + ）（1-1） N 来描述。该公式表明，在高斯白噪声干扰的信道中，当传输系统的信号噪声功率比S/N下降时，可用增加系统传输带宽W的方法来保持信道容量C不变。对于任意给定的信噪比，可以用增大传输带宽来获得较低的信息差错率和较高的传输速率。扩频技术正是利用这一原理，用高速率的扩频码（Spreading直接序列扩频通信系统的误码率仿真培训讲学
直接序列扩频通信系统开题报告
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直接序列扩频技术(HFA3824A)
直接序列扩频系统matlab仿真
基于m序列的直接序列扩频
基于MATLAB的直接序列扩频通信系统课程设计报告
直接序列扩频通信系统仿真
直接序列扩频通信系统仿真程序
扩频通信的基本原理
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基于matlab的直接序列扩频通信系统仿真1
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