基于matlab的直序扩频通信系统的仿真设计

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摘 要

根据扩频理论，用MATLAB对直接序列扩频通信系统进行了仿真。根据香农定理和科捷尔尼科夫潜在抗干扰理论,通过MATLAB的仿真平台对直扩通信系统进行了仿真,建立了扩频通信系统仿真模型,详细讲述了各个模块的设计,接收端同步捕获过程采用数字匹配滤波器的原理。在给定的仿真条件下，对仿真程序进行了运行测试，得到了预期的仿真结果。

关键词：直接序列扩频；通信；MATLAB

Direct sequence spread spectrum communication system based

on matlab simulation

Abstract

In this paper, based on the spread spectrum theory, I use MATLAB to simulate

the direct sequence spread spectrum．According to the shannon theorem and jie's

nico's potential interference theory, direct sequence spread spectrum is simulated

by the simulation platform which is offered by MATLAB. And it tells the story of

the design of various modules in detail. The receiver synchronization capture

process adopts the principle of digital matched filter. In a given simulation

conditions, I run the test simulation program and get the expectant simulation

results.

Key Words:direct sequence spread spectrum, communication, MATLAB 2 / 34 目录

1绪论3

1.1 扩频通信的概述3

1.2扩频通信的发展与应用3

2 直接序列扩频通信5

2.1理论基础5

2.2扩频通信系统的指标6

2.3扩频通信的种类7

2.4直接序列扩频通信系统7

2.5 扩频序列12

2.6 扩频序列的同步捕获16

2.6.1 扩频序列的伪码同步16

2.6.2 扩频序列的同步捕获17

3 直接扩频系统MATLAB仿真26

3.1 直接扩频MATLAB仿真组成框图26

3.2 m序列发生器26

3.3 高斯噪声26

3.4干扰和解扩判决27

3.5仿真结果分析27

3.6实验心得29

附录29

参考文献32

致333 / 34 1 绪论

1.1 扩频通信的概述

扩频通信与光纤通信、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,它是指发送的信息被展宽到一个很宽的频带上,在接收端通过相关接收,将信号恢复到信息带宽的一种系统[1]。采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱的方法可以换取信噪比上的好处,即接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比有很大改善,从而提高了系统的抗干扰能力。

扩展频谱通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展频谱后成为宽频带信号，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扩展的频谱进行压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而达到传输信息目的的通信系统。利用扩频技术，系统频率利用率比频分系统要高很多[1]。

由于扩展频谱技术具有抗干扰能力强、截获率低、多址能力强、抗多径干扰、性好与测距能力强等一系列的优点，使得扩频通信越来越受到人们的重视[1]。

1.2扩频通信的发展与应用

扩频技术的历史可以追溯到20世纪50年代中期，扩频技术主要应用在军事通信和通信中，但是直到80年代初，随着个人通信业务的发展以与全球定位系统的应用，扩频通信技术又在移动通信中得到广泛的应用，无线通信已经成为电信产业最大的部门之一，经过十年多的稳步发展，俨然是21世纪中最有发展潜力的领域，到现在为止使用扩频技术的用户已经超过一亿。因此扩频技术的历史经历了两个发展阶段，目前它在这两个领域仍占据重要的地位。

扩频技术的最初构想是在第二次世界大战期间形成的，其最初的应用包括军事抗干扰通信、导航系统、抗多径实验系统以与其它方面。在战争后期，干扰和抗干扰技术成为决定胜负的重要因素，战后得出了“最好的抗干扰措施就是好的工程设计和扩展工作频率"的结论。跳频通信的思路就是在这段时期出现的：如果对窄带信号使用编码的频率控制，则可以使其在任何时间占据宽频段中的任何一部分，这样敌人要进行干扰就必须维持很宽的频段。另一方面，直序扩频则起源于导航系统中高精度测距[1]。 4 / 34 真正实用的扩频通信系统是在50年代中期发展起来的。麻省理工学院林肯实验室开发的扩频通信系统F9C．A／Rake系统被公认为第一个成功的扩频通信系统，在该系统的研制过程中，首次提出了瑞克(RAKE)接收的概念并成功应用，该系统也是第一个真正实用的宽带通信系统。第一个跳频扩频通信系统BLADES也在这段时期研制成功，在该系统中第一次利用移位寄存序列实现纠错编码。在此期间，喷气实验室(JPL)在其空间任务中完成了伪码产生器的设计以与跟踪环路的设计。从此军事部门对军事通信、空间探测、卫星侦察、导弹制导等方面广泛应用扩频通信方式的研究就十分活跃了[1]。

一直到80年代初期，美国联邦通信委员会(FCC)于1985年5月发布了一份关于将扩频技术应用到民用通信的报告，从此扩频通信技术获得了更加广阔的应用空间。扩频技术最初在无绳中获得成功应用，因为当时已经没有可用的频段供无绳使用，而扩频通信技术允许与其它通信系统共用频段，所以扩频技术在无绳的通信系统中获得了其在民用通信系统中应用的第一次成功经历，而真正使扩频通信技术成为当今通信领域研究热点的原因是码分多址(CDMA)的应用。

随着通信技术、超大规模集成电路和计算机技术的发展，以与扩频通信理论的不断深入研究和成熟，基带的编码和相关信号处理都变得越来越容易实现和完善了，扩频技术也从军用不断地向民用方面普与。由于扩展频谱通信技术具有很强的抗干扰性能、低功率密度隐蔽传输、信息传输、任意选址等特点，在通信、测距、定位、控制等诸多领域使用时都具有其独特的优点，因而在国际上受到普遍关注而迅猛发展。目前，各个国家为了满足R益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，都纷纷提出在数字蜂窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，因此扩频技术己广泛应用于蜂窝、无绳、微波通信、无线数据通信、遥测遥控等各种系统中[1]。 5 / 34 2.直接序列扩频通信

2.1理论基础

直接序列调制扩展频谱通信系统，是将要发送的信息用伪随机序列扩展到一个很宽的频带上去，在收端再用与发端扩展用的一样的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，从而恢复出扩频调制以前的信息。

扩频技术主要是将基带信号的频谱扩展至很宽的频带进行传输，接收端采用相关接受的原理，将扩展的频谱恢复到基带信号的频谱，从而抑制传输过程中加进来的干扰。通常的实现方式是将待扩频的信号与一个扩频函数（一般是伪随机编码信号）在时域相乘来扩展信号的频谱。

扩频通信的基本理论依据是信息论中香农的信道容量公式

C=Blog2(1+NS) (bit/s) （2—1）

式中：C为信道容量（比特/秒）；B为信道带宽（赫兹）；N为噪声功率；S为信号平均功率。由上式可以看出，对于任意给定的信噪比S／N，只要增加用于传输信息的带宽B，就可以增加在信道中无差错地传输信息的速率C。或者说在信道中当传输系统的信噪比下降时，可以用增加系统传输带宽B的办法来保持信道容量C不变，而C是系统无差错传输信息的速率。这说明了在增加信道带宽后，在低的信噪比情况下，信道仍可在一样的容量下传送信息，甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应地增加传输信号的带宽，也能保持可靠的通信。

可见，扩展频谱技术正是利用这一原理，用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目的。扩频通信系统的带宽比常规通信系统大几百倍至几千倍，所以在一样的信噪比条件下，具有较强的抗噪声干扰能力[2]。

扩频通信方式与常规的窄道通信方式是有区别的：一是信息的频谱扩展后形成宽带传输。即在发送端将输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后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，展宽后的信号调制到射频发射出去。二是相关处理后恢复成窄带信息数据。由接收端采用与发射端同步的代码进行相关检波，把被展宽有用频谱收集起来，所形成的信息码送给后端进行解码。

正是由于这两大持点，使扩频通信系统比常规的通信系统具有很强的抗人为干扰、抗6 / 34 窄带干扰、抗多径干扰能力。此外还具有信息隐蔽、高分辨率测距、低的空间无线电波“通量密度”与多址通信等优点[2]。

2．2扩频通信系统的指标

衡量扩频通信系统性能好坏的性能指标主要有两个：处理增益和干扰容限。

在衡量扩频通信系统的抗干扰能力的优劣时，通常引入处理增益Gp来描述，它定义为接收相关处理器的输出信噪比与输入信噪比之比，即：

Gp=输出信号噪声功率比/输入信号噪声功率比

=10lginNSoutN)/(/S）（(db)=BbBc（2—2）

式中：Bc为频谱扩展后的信号带宽，Bb为频谱宽展前的信息信号带宽。在直扩系统中，处理增益也等于伪随机码速率Rc与信息码的码速率Rb的比值。

Gp=BbBc=RbRc （2—3）

处理增益的物理意义表明扩频系统对于信噪比的改善程度，即对干扰的抑制程度。它反映经过扩频接收机处理后，使信号增强的同时抑制输入到接收机干扰信号能力的大小。扩频通信系统的抗干扰能力与扩频处理增益成正比，处理增益越大，则系统抗干扰能力越强。

目前国外在工程上能实现的处理增益对直扩系统来说可以达至70dB，如果系统的基带滤波器输出信噪比为10dB，则这个系统的输入端信噪比为-60dB，也就是说，信号功率可以在低于干扰功率60dB的恶劣条件下正常工作。所以扩频系统在深空超远距离的通信工程中占有显著的地位[2]。

处理增益表明了扩频系统对干扰的抑制程度，但系统能否正常工作仅靠处理增益是不能描述的，它主要取决于干扰容限。

干扰容限用来表示扩频系统在干扰环境中的工作能力。它定义为在保证系统正常工作条件下(系统输出信噪比一定)，接收机输入端能够正常承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数，用Mj表示：

](db))NS(+[L-G=Moutsyspj（2—4）

式中：Gp为系统的处理增益，Lsys为扩频系统的部损耗，(S／N)out为系统正常工作时要求的最小输出信噪比，即相关器的输出信噪比。