扩频通信的仿真与实现.docx
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扩频通信的仿真与实现
本科毕业设计（论文）
河南理工大学万方科技学院
毕业设计（论文）任务书
专业班级学生姓名
一、题目
二、主要任务与要求
三、起止日期年月日至年月日
指导教师签字（盖章）
系主任签字（盖章）
年月日
河南理工大学万方科技学院
毕业设计（论文）评阅人评语
专业班级学生姓名
题目
评阅人签字（盖章）
职 称
工作单位
年月日
河南理工大学万方科技学院
毕业设计（论文）评定书
专业班级学生姓名
题目
指导教师签字（盖章） 职称
年月日
河南理工大学万方科技学院
毕业设计（论文）答辩许可证
经审查，专业班同学所提交的毕业设计（论文），符合学校本科生毕业设计（论文）的相关规定，达到毕业设计（论文）任务书的要求，根据学校教学管理的有关规定，同意参加毕业设计（论文）答辩。
指导教师签字（盖章）
年月日
根据审查，准予参加答辩。
答辩委员会主席（组长）签字（盖章）
年月日
河南理工大学万方科技学院
毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议
院（系）专业班
同学的毕业设计（论文）于年月日进行了答辩。
题目
答辩委员会成员
主席（组长）
委员（成员）
委员（成员）
委员（成员）
委员（成员）
委员（成员）
委员（成员）
答辩前向毕业设计答辩委员会（小组）提交了如下资料：
１、设计（论文）说明共页
２、图纸共张
３、评阅人意见共页
４、指导教师意见共页
根据学生所提供的毕业设计（论文）材料、评阅人和指导教师意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）做出如下决议。
一、毕业设计（论文）的总评语
二、毕业设计（论文）的总评成绩
毕业设计答辩委员会主席（组长）签名
委员（组员）签名
年月日
摘要
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
Abstract
Spreadspectrumcommunicationisasortofnewhigh-techcommunicationtechnique,ithasanumberofinternaladvantages,suchaslargecapacity,interferenceimmunity,lowprobabilityofintercept,codedivisionmultipleaccess（CDMA）etc,whichmakeitgetbroadapplicationsincivilianaswellasmilitaryenvironments,andbecomethetechnicalgroundworkofnextgenerationmobilecommunications,Directsequencingspread-spectrumwaswidelyused.Thispaperintroducesfundamentalandconstitutesofspectrumcommunication.Seconditemphasizeselaboratingspread-spectrum’stechniqueintheapplicationofsystem.
MATLABhasbeenusinginavarietyoffieldsasitspowerfulanduniversalfunctionsonmathematicscalculation,algorithminterference,modelingandsimulation,graphicstructure,etc,wearemakinguseofMATLAB’sMlanguagetodesignprogramandtomakesimulationonerrorrateperformanceandthentoanalyzetheperformanceonCDMAwirelesscommunicationsystem.
Onthisbasis,themethodtobuildsystemsimulationmodelisintroducedwithasimpleexample.Meanwhileaspreading-spectrumcommunicationsystemisbuilttosimulateitandproveitsvalidity.Obviously,tosimulatewithMATLAB/SIMULINKissimple,convenient,visualized,special,whichisoneofthebestsimulationsoftware.
Keywords:
DirectSequenceSpreadSpectrumCommunicationSystem;PNsequencegenerator;BER;simulation;MATLAB
目录
引言1
1扩频通信系统4
1.1扩展频谱通信的定义4
1.2扩频通信的理论基础4
1.3扩频通信的主要性能指标5
1.4扩频通信的主要特点6
1.5扩频通信系统的分类9
1.6扩频通信技术的发展9
1.7频谱扩展的实现和直接序列扩频10
1.8扩频系统需要满足以下几个条件12
1.9扩频通信特征13
2实现扩频通信系统的仿真工具――MATLAB/Simulik
15
2.1Simulik简介15
2.2Simulik的使用方法16
3扩频通信系统的仿真试验17
3.1扩频通信原理仿真17
3.2扩频通信系统仿真28
4实现的分析22
4.1扩频通信的具体实现分析―利用直扩SX043芯片系统的设计36
4.2扩频通信技术在军事上的应用41
4.3扩频通信技术在民用通信中的应用42
5总结和展望43
5.1设计总结43
5.2扩频通信的未来发展方向43
致谢45
参考文献46
附录47
引言
21世纪，是信息技术与生物技术蓬勃发展的世纪。
在计算机无线网的通信中，目前使用最多、最典型的扩频工作方式是直序扩频（DSSS）和跳频扩频（FHSS）这两种工作方式。
干扰和抗干扰是不可调和的矛盾，从来就存在着竞争，一个系统的性能只有经过各种干扰的测试，才能知道系统性能的优势，同样，只有对系统进行了有效的干扰，才能称此干扰形式为一种有效的干扰。
因此，我们用不同的干扰形式对直扩频系统进行测试，同时提出一种有效的干扰形式那就是以带宽等于信号带宽的扫频信号对直扩系统进行快扫频干扰，这样产生的效果优于白噪声干扰的效果。
其他形式的干扰对于不同的扩频码字产生的效果不同。
同样，相同数目不同的扩频码字，对信号的抵抗能力也不同。
随着现代生活节奏不断的提高，人们对移动通信技术的需求也越来越高，第三代移动通信技术势必取代第二代移动通信技术。
CDMA系统采用的主要技术是扩频通信技术，因为它具有扩频通信系统所固有的优点，如抗干扰、抗多径、隐蔽、保密和多址能力等。
显然，这些特点更加符合现代人们的需求。
扩频通信系统在频道资源越来越紧张的今天可以很好的解决无线传输频道拥挤的问题，并提供更高的保密性能，因此扩频通信技术得到了快速的发展和广泛的应用。
在现代通信中遇到的一个重要问题就是抗干扰问题。
随着通信事业的迅速发展，各类通信网的简历，使得有限的频率资源更加拥挤，相互之间的干扰更为严重，如何防止和降低这种相互之间的干扰，就成为一大难题。
扩展频谱（SS，SpreadSpectrum，简称扩频）技术具有很强的抗干扰性，其多址能力、保密、抗多径等功能倍受人们的关注，被广泛的应用于军事通信和民用通信中。
扩频通信系统扩展频谱技术，将信号扩展到很宽的频带上，在接收端对扩频信号进行相关处理即带宽压缩，恢复成窄带信号。
对干扰信号而言，由于与扩频信号不相关，则被扩展到一个很宽的频带上，使之进入信号通频带内的干扰功率大大的降低，相应增加了相关器输出端的信号/干扰比，对大多数认为干扰而言，扩频通信系统都具有很强的对抗能力[1]。
扩频技术的最初构想是在第二次世界大战期间形成的。
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。
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及跟踪环路的设计。
本论文研究了扩频通信系统相关知识，通过查阅相关资料，对扩频通信系统中的扩频信号产生与时钟信号产生的方法进行了研究。
同时，确定并绘制扩频信号产生电路与时钟信号产生电路的原理图，对电路工作原理进行说明。
确定采用的元器件型号、功能和相关的主要参数以及来源，并利用Multisim对扩频信号产生电路进行了仿真研究；时钟信号产生电路的研究与设计。
用Multisim电路仿真软件，实现产生相应的时钟信号控制下，m序列和信息码准确的模2加运算实现扩频，得到了扩频后的信号。
1扩频通信系统
1.1扩展频谱通信的定义
所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：
“扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带
宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”[2]。
这一定义包含了以下三方面的意思：
⑴信号的频谱被展宽了。
⑵采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。
⑶在接收端用相关解调来解扩。
1.2扩频通信的理论基础
扩频通信的基本特点，是传输信号所占用的频带宽度（W）远大于原始信息本身实际所需的最小（有效）带宽（F），其比值称为处理增益Gp。
众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，如话音为1.7—3.1kHz，电视图像则宽到数兆赫。
为了充分利用有限的频率资源，增加通路数目，人们广泛选择不同调制方式，采用宽频信道（同轴电缆、微波和光纤等），和压缩频带等措施，同时力求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽。
因现今使用的电话、广播系统中，无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式，Gp值一般都在十多倍范围内，统称为“窄带通信”。
而扩频通信的Gp值，高达数百、上千，称为“宽带通信”。
扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。
信息论中关于信息容量的香农（Shannon）公式为：
（1-1）
式中：
C---信道容量（用传输速率度量）
W---信号频带宽度
P---信号功率
N---白噪声功率
式（1-1）说明，在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比P／N是可以互换的。
即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比P／N（S／N）情况下，传输信息。
扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。
总之，我们用信息带宽的100倍，甚至1000倍以上的宽带信号来传输信息，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地通信。
这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。
1.3扩频通信的主要性能指标
处理增益和抗干扰容
限是扩频通信系统的两个重要性能指标。
⑴处理增益G也称扩频增益（SpreadingGain）
它定义为频谱扩展前的信息带宽F与频带扩展后的信号带宽W之比：
（1-2）
在扩频通信系统中，接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽为F的信息，而排除掉宽频带W中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。
因此，处理增益G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。
⑵抗干扰容限
是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为：
（1-3）
其中：
---抗干扰容限
---处理增益
---信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比
---接收系统的工作损耗
由此可见，抗干扰容限
与扩频处理增益
成正比，扩频处理增益提高后，抗干扰容限大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。
通常的扩频设备总是将用户信息（待传输信息）的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽可能地提高处理增益。
1.4扩频通信的主要特点
扩频通信，即扩展频谱通信（SpreadSpectrumCommunication），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。
所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：
“扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”。
由于扩频通信能大大扩展信号的频谱，发送端用扩频码序列进行扩频调制，以及在接收端用相关解调技术，使其具有许多窄带通信难以替代的优良性能，能在民用后，迅速推广到各种公用和专用通信网络之中，主要有以下几项特点
（1）易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率
无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波都得到了开发利用，仍然满足不了社会的需求。
在窄带通信中，主要依靠波道划分来防止信道之间发生干扰。
为此，世界各国都设立了频率管理机构，用户只能使用申请获准的频率。
扩频通信发送功率极低，采用了相关接收技术，且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率，也可与各种窄道通信共享同一频率资源。
所以，在美国及世界绝大多数国家，扩频通信无须申请频率，任何个人与单位都可以无执照使用。
（2）抗干扰性强，误码率低
扩频通信在空间传输时所占用的带宽相对较宽，而接收端又采用相关检测的办法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。
这样，对于各种干扰信号，因其在接收端的非相关性，解扩后窄带信号中只有很微弱的成分，信噪比很高，因此抗干扰性强。
当处理增益Gp35dB时，抗干扰容限Mj22dB，即在负信噪声比（22dB）条件下，可以将信号从噪声中提取出来。
在商用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作在负信噪比条件下的通信方式。
（3）隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小
由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率很小，信号湮没在噪声里，一般不容易被发现，而想进一步检测信号的参数如伪随机编码序列就更加困难，因此说其隐蔽性好。
再者，由于扩频信号具有很低的功率谱密度，它对使用的各种窄带通信系统的干扰很小。
（4）抗多径干扰
在无线通信的各个频段，长期以来，多径干扰始终是一个难以解决的问题。
在以往的窄带通信中，采用以下两种方法来提高抗多径干扰的能力：
一是把最强的有用信号分离出来，排除其他路径的干扰信号，即采用分集接收技术；二是设法把不同路径来的不同延迟、不同相位的信号在接收端从时域上对齐相加，合并成较强的有用信号，即采用梳状滤波器的方法。
这两种技术在扩频通信中都易于实现。
利用扩频码的自相关特性，在接收端从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或把多个路径来的同一码序列的波形相加合成，这相当于梳状滤波器的作用。
另外，在采用频率跳变扩频调制方式的扩频系统中，由于用多个频率的信号传送同一个信息，实际上起到了频率分集的作用。
（5）能精确地定时和测距
电磁波在空间的传播速度是固定不变的光速，人们自然会想到如果能够精确测量电磁波在两个物体之间的传播时间，也就等于测量两个物体之间的距离。
在扩频通信中如果扩展频谱很宽，则意味着所采用的扩频码速率很高，每个码片占用的时间就很短。
当发射出去的扩频信号在被测量物体反射回来后，在接收端解调出扩频码序列，然后比较收发两个码序列相位之差，就可以精确测出扩频信号往返的时间差，从而算出两者之间的距离。
测量的精度决定于码片的宽度，也就是扩展频谱的宽度。
码片越窄，扩展的频谱越宽，精度越高。
（6）适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务
扩频通信一般都采用数字通信、码分多址技术，适用于计算机网络，适合于数据和图像传输。
（7）安装简便，易于维护
扩频通信设备是高度集成，采用了现代电子科技的尖端技术，因此，十分可靠、小巧，大量运用后成本低，安装便捷，易于推广应用
1.5扩频通信系统的分类
扩频通信系统的关键问题是在发信机部分如何产生宽带的扩频信号，在收信机部分如何解调扩频信号。
根据通信系统产生扩频信号的方式，可以分为下列几种[4]。
1、直扩系统（DS）就是采用高码速率的直接序列（Direct Sequence）伪随机码在发端进行扩频，在收端采用相同的伪码（ＰＮ）进行相关解扩。
2、跳频系统（ＦＨ）就是采用跳频（FrequencyHopping）方式进行扩频，形象地说是采用特定的伪码控制的多频率移频键控。
3、跳时系统（ＴＨ）就是采用跳时（TimeHopping）方式进行扩频，形象地说是采用特定的伪码控制的多时片的时移键控
1.6扩频通信技术的发展
扩频通信技术（SpreadSpectrum,SS）的历史可以追溯到20世纪50年代中期，但是直到80年代初，扩频技术仍然主要应用在军事通信和保密通信中。
随着个人通信业务的发展以及全球定位系统的应用。
到现在为止，使用扩频技术的用户已经超过一亿。
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。
扩频技术在未来无线系统中的应用也再次成为人们关注的重点。
从扩频技术的历史可以看出，每一次技术上的大发展都是由巨大的需求驱动的。
军事通信抗干扰的驱动以及个人通信业务的驱动使得扩频技术的抗干扰性能和码分多址能力得到最大限度的挖掘。
展望未来，第四代移动通信系统（4G）的驱动无疑会使扩频技术传输高速数据的能力得到更大的拓展。
1.7频谱扩展的实现和直接序列扩频
频谱的扩展是用数字化方式实现的。
在一个二进制码位的时段内用一组新的多位长的码型予以置换
，新码型的码速率远远高出原码的码速率，由傅立叶分析可知新码型的带宽远远高出原码的带宽，从而将信号的带宽进行了扩展。
这些新的码型也叫伪随机（PN）码，码位越长系统性能越高。
通常，商用扩频系统PN码码长应不低于12位，一般取32位，军用系统可达千位。
目前常见的码型有以下三种：
⑴M序列，即最长线性伪随机系列；
⑵GOLD序列；
⑶WALSH函数正交码。
当选取上述任意一个序列后，如M序列，将其中可用的编码，即正交码，两两组合，并划分为若干组
，各组分别代表不同用户，组内两个码型分别表示原始信息"1"和"0"。
系统对原始信息进行编码、传送，接收端利用相关处理器对接收信号与本地码型相关进行相关运算，解出基带信号（即原始信息）实现解扩，从而区分出不同用户的不同信息。
微波无线扩频通信的原理见图2。
图1-1扩频通信原理
由图1-1可见，一般的无线扩频通信系统都要进行三次调制。
一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制。
接收端有相应的射频解调，扩频解调和信息解调。
根据扩展频谱的方式不同，扩频通信系统可分为：
直接序列扩频（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）、线性调频以及以上几种方法的组合。
图1-2信息的频谱扩展过程（1源信号，2PN码，3扩展后的信号）
直接序列扩频（DS-DirectScquency），就是用高码率的扩频码序列在发端直接去扩展信号的频谱，在收端直接使用相同的扩频码序列对扩展的信号频谱进行解调，还原出原始的信息。
直接序列扩频的频谱扩展和解扩过程见图1-2和图1-3所示。
图1-3扩频信号的解扩过程（1待传信号，2PN码，3解调后的扩频信号）
从图1-2和图1-3上可以看出：
在发端，信息码经码率较高的PN码调制以后，频谱被扩展了。
在收端，扩频信号经同样的PN码解调以后，信息码被恢复；信息码经调制、扩频传输、解调然后恢复的过程，类似与PN码进行了二次“模二相加”的过程。
在图1-2和图1-3中还可以用能量面积图示概念看出：
待传信息的频谱被扩展了以后，能量被均匀地分布在较宽的频带上，功率谱密度下降；
扩频信号解扩以后，宽带信号恢复成窄带信息，功率谱密度上升；相对与信息信号，脉冲干扰只经过了一次被模二相加的调制过程，频谱被扩展，功率谱密度下降，从而使有用信息在噪声干扰中被提取出来。
1.8扩频系统需要满足以下几个条件
信号占用的带宽远远超出发送信息所需的最小带宽。
扩频是由扩频信号（spreadingsingnal）实现的，扩频信号通常称为编码信号（codesignal），与数据无关。
接收端解扩（恢复原始信号）是将接收机的扩频信号与扩频信号的同步副本通过相关完成。
标准的调制方式，如频率调制，脉冲编码调制也扩展了原始信号的频谱，但它们并不满足上述条件，因此不能称为扩频系统。
1.9扩频通信特征
是一种数字传输方式。
带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数（扩频函数）对被传信息进行调制实现的。
在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。
2实现扩频通信系统的仿真工具――MATLAB/Simulik
2.1Simulik简介
MATLAB最初是Mathworks公司推出的一种数学应用软件，经过多年的发展，开发了包括通信系统在内的多个工具箱，从
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