基于MATLAB的扩频通信系统仿真.doc
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基于MATLAB的扩频通信系统仿真
通信专业课程设计一
课程设计（论文）
设计（论文）题目:
基于MATLAB的扩频通信系统仿真
姓名___
学号_
班级__
学院_
指导教师__
太原科技大学课程设计（论文）任务书
学院（直属系）:
电子信息工程学院时间:
2010年12月31日
学生姓名邱伟娜指导教师刘丽设计（论文）题目基于MATLAB的扩频通信系统仿真
研究扩展频谱通信技术的理论基础和实现方法，通过方框图对主要研
只需扩频通信系统进行了说明，并且通过程序得到了抑制正弦干扰性究内容
能与系统信噪比的关系。
研究方法在MATLAB环境下利用程序进行仿真
主要技术1、了解扩频通信的原理;
指标（或研2、利用MATLAB软件对直扩通信系统进行仿真，并且证明了提高信究目标）躁比，系统可以有效抑制正弦信号干扰。
教研室
意见
教研室主任（专业负责人）签字:
年月日
邱伟娜:
基于MATLAB的扩频通信系统仿真
目录
摘要......................................................................?
第1章绪论..............................................................-1-
1.1扩展频谱的简介....................................................-1-
1.2扩展频谱的技术特点................................................-1-
1.3研究扩频通信的目的和意义...........................................-2-
1.4本文的主要内容.....................................................-2-第2章扩展频谱技术.......................................................-3-
2.1理论基础...........................................................-3-
2.2频谱的扩展实现.....................................................-4-
2.3m序列.............................................................-5-第3章直序扩频通信系统..................................................-7-
3.1直序扩频...........................................................-7-
3.2直序扩频系统的特点及应用...........................................-9-
3.3对直接序列扩频通信系统的仿真结果...................................-9-第4章绪论.............................................................-11-参考文献.................................................................-12-附录.....................................................................-13-
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邱伟娜:
基于MATLAB的扩频通信系统仿真
基于MATLAB的扩频通信系统仿真
摘要
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。
这一定义包含了以下三方面的意思:
一、信号的频谱被展宽了。
一般的调频信号，或脉冲编码调制信号，它们的带宽与信息带宽之比也只有几到十几。
扩展频谱通信信号带宽与信息带宽之比则高达100---1000，属于宽带通信。
二、采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。
我们知道，在时间上有限的信号，其频谱是无限的。
例如很窄的脉冲信号，其频谱则很宽。
信号的频带宽度与其持续时间近似成反比。
1微秒的脉冲的带宽约为1MHz。
因此，如果用限窄的脉冲序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信号。
三、在接收端用相关解调来解扩
本文第一章为绪论，主要介绍了扩频通信的概念，特点及研究目的和意义;第二章对扩频技术进行详细的讲解，第三章主要针对扩频通信当中的直接序列扩频通信用其框图进行详细介绍，并介绍了直接扩频通信的仿真结果。
第四章学习该课程设计的所得出的结论。
该课程设计阐述了扩展频谱通信技术的理论基础和实现方法，在给定仿真条件下，运行了仿真程序，得到了预期的仿真结果
关键词:
直扩通信;信噪比;误码率;抗干扰
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邱伟娜:
基于MATLAB的扩频通信系统仿真
第1章绪论
1.1扩展频谱简介
扩展频谱通信具有很强的抗干扰性能，其多址能力、保密、抗多径等功能也倍受人们的关注，被广泛地应用于军事通信和民用通信中。
扩频通信系统利用了扩展频谱技术，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降低，相应增加了相关器输出端的信号/干扰比，对大多数人为干扰而言，扩频通信系统都具有很强的对抗能力。
本文利用MATLAB对扩频系统中的m序列的产生、频谱、相关函数，以及整个扩频系统工作原理进行了仿真，为今后扩频通信系统在各个领域的应用和研究提供了依据。
1.2扩展频谱技术特点
由于扩频通信能大大扩展信号的频谱，发端用扩频码序列进行扩频调制，以及在收端用相关解调技术，使其具有许多窄带通信难于替代的优良性能，能在“军转民”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。
2抗干扰性强，误码率低
扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，而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。
这祥，对于各种干扰信号，因其在收端的非相关性，解扩后窄带信号中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干扰性强。
在目前商用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作于负信噪比条件下的通信方式。
1.3研究扩频通信的目的和意义
扩频通信是通信的一个重要分支和信道通信系统的发展方向。
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的好处，即接收机输出的信噪比相对于输
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邱伟娜:
基于MATLAB的扩频通信系统仿真
入的信噪比有很大改善，从而提高了系统的抗干扰能力。
扩频技术还具有保密性好、易于实现多址通信等优点，因此该技术越来越受到人们的重视。
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。
1.4本文的主要内容
本文第一章对扩展频谱进行了简介，并对扩展频谱技术的特点，研究扩频通信的目的和意义进行了阐述。
第二章对扩展频谱技术的理论基础，扩展频谱的理论来系统的介绍扩展频谱技术，并在此简单介绍了m序列移位寄存器。
第三章主要内容为直序扩频通信系统，通过对直序扩频通信的简化框图以及扩展和解扩过程图来介绍直序扩频，并介绍了直序扩频的特点及其应用，最后利用程序得出直序扩频通信系统的仿真结果。
第四章通过扩频通信的应用及未来发展方向来得出结论，并附上参考文献，方便查找相关资料。
最后附录为直接序列扩展频谱仿真程序，以便更好的验证直接序列扩展频谱。
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邱伟娜:
基于MATLAB的扩频通信系统仿真
第2章扩展频谱技术
2.1理论基础
扩频通信的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。
除此以外，扩频通信还具有如下特征:
1是一种数字传输方式;2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;3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。
Shannon定理指出:
在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限传输速率（或称信道容量）为
S（2-1）C,BLog（1，）b/s2N
式中:
C――为系统的信道容量（bit/s）;B――为系统信道带宽（Hz）;S――为信号的平均功率;N――为噪声功率由式中可以看出。
若白噪声的功率谱密度为n0，噪声功率N=nB，则信道容量C可表示为:
0
S（2-2）C,BLog（1，）b/s2nB0
由上式可以看出，B、n、S确定后，信道容量C就确定了。
由Shannon第二定理知，若0
信源的信息速率小于或等于信道容量C，通过编码，信源的信息能以任意小的差错概率通过信道传输。
为使信源产生的信息以尽可能高的信息速率通过信道，提高信道容量是人们所期望的。
由Shannon公式可以看出:
（1）信道容量C为常数时，带宽B与信噪比S/N可以互换，即可以通过增加带宽B来降低系统对信噪比S/N的要求。
（2）要增加系统的信息传输速率，则要求增加信道容量。
增加信道容量的方法可以通过增加传输信号带宽B，或增加信噪比S/N来实现。
由式
（1）可知，B与C成正比，而C与S/N成对数关系，因此，增加B比增加S/N更有效。
扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接收端解扩还原了信息，这样的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。
理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。
一般把扩频信号带宽B与信息带宽?
F之比称为处理增益GP，即:
BGp,（2-2）,F
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基于MATLAB的扩频通信系统仿真
B――为系统信道带宽（Hz）;Gp――扩频处理增益;?
F――信息带宽;
由上式可以看出，B与?
F差别越大，Gp越大，也就是说，扩频的增益越大。
它表明了扩频系统信噪比改善的程度。
除此之外，扩频系统的其他一些性能也大都与Gp有关。
因此，
定义如下:
处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。
系统的抗干扰容限Mj
S（2-3）Mj,Gp,[（），Ls]N
式中:
S/N――输出端的信噪比;Ls――系统损耗;
Gp――扩频处理增益;Mj――系统的抗干扰容限;
由此可见，抗干扰容限Mj与扩频处理增益Gp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
【1】（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息。
2.2频谱的扩展实现
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。
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2.1。
BBD,B122
信息调制扩频解扩解调
信息接收
扩频序列发生扩频序列发生
器器
同步电路
图2.1扩频系统基本原理图
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邱伟娜:
基于MATLAB的扩频通信系统仿真
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）、
[3]跳时（TH）、线性调频以及以上几种方法的组合（混频）。
2.3m序列
Shannon在证明编码定理的时候，提出了用具有白噪声统计特性的信号来编码。
白噪声是一种随机过程，它的瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽的频带内都是均匀的，它有及其优良的相关特性。
但是至今无法实现对白噪声的放大、调制、检测、同步及控制等，而只能用具有类似带限白噪声统计特性的伪随机码来逼近它，并作为扩频系统的扩频码。
m序列是最长线性移位寄存器，是最重要的伪随机序列之一，这种序列易于产生，有优良的自相关特性。
m序列是由移位寄存器加反馈后形成的，其结构如图1所示。
图中αn-1
i=1，2，3，„，r）为移位寄存器中每位寄存器的状态;c（i=1，2，3，„，r）（i
为第n位寄存器的反馈系数。
当n=0时，表示无反馈，将反馈线断开;当c=1时表示存在i反馈，将反馈线连起来。
在此结构中cc=1，c不能为0，c为0就不能构成周期性序列，因0=r00
为c=0意味着无反馈，为静态移位寄存器。
c也不能为0，即第r位寄存器一定要参加反0r
馈，否则，r级的反馈移位寄存器将减化为r-1级的或更低的反馈移位寄存器。
不同的反馈
[2]逻辑，即c（i=1，2，3，„，r-1）取不同的值，将产生不同的移位寄存序列。
i
图2-2反馈移位寄存器结构
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邱伟娜:
基于MATLAB的扩频通信系统仿真
第3章直序扩频通信系统
3.1直序扩频
扩频通信与一般的通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接收端增加了扩频解调的过程，扩频通信按其工作方式不同主要分为直接序列扩频系统、跳频扩频系统、跳时扩频系统、线性调频系统和混合调频系统。
现以直接序列扩频系统为例说明扩频通信的实现方法。
直接序列扩频工作方式，简称直扩方式（DS方式）。
就是用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。
直接序列扩频方式是直接用伪噪声序列对载波进行调制，要传送的数据信息需要经过信道编码后，与伪噪声序列进行模2和生成复合码去调制载波。
B,B1BD22
信息调制扩频解扩解调
PN码发生器PN码发生器
同步电路
图3-1直接序列扩展频谱系统简化框图
由上图看出，在发射端，信源输出的信号与伪随机码产生器产生的伪随机码进行模2加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样得到已扩频调制的射频信号。
在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频后，用与发射端同步的伪随机序列对扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息序列的频带，然后进行解调，恢复出所传输的信息。
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邱伟娜:
基于MATLAB的扩频通信系统仿真
调制后的
待传信号
PN码
待传信息
图3-2直序扩频的频谱扩展过程
直接序列扩频（DS-DirectScquency）的频谱扩展和解扩过程见图3-2和图3-3所示。
直接序列扩频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。
解调信息
PN码
解扩后的
信号
图3-3直接序列的频谱解扩过程
在图上我们可以看出:
1，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;2，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。
直序扩频系统的内容十分广泛。
根据需要不同，实际直序扩频系统的扩频、调制、解
[4]扩、解调等部分可以采用不用的方案。
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邱伟娜:
基于MATLAB的扩频通信系统仿真
3.2直序扩频系统的特点及应用
直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum）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。
直序扩频系统的特点有:
1抗干扰性强
2隐蔽性好
3、易于实现码分多址（CDMA）
4抗多径干扰
5直扩通信速率高
6抗衰落
7远,近"效应"
8组网能力
9窄带系统的兼容性
3.3对直接序列扩频通信系统的仿真结果
直接序列扩频通信可以有效地抵抗来自信道中的窄带干扰。
在一个直扩通信系统中,
[5]扩频是通过伪噪声序列（PN）对发送的信息数据进行调制来实现的。
在接收端,原伪噪声序列和所收信号的相关运算可将窄带干扰扩展到DS信号的整个频带,使干扰等效为幅度较低频谱较平坦的噪声;同时，将DS信号解扩,恢复原始信息数据，如下图:
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邱伟娜:
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图3-5直接扩频通信系统仿真结果图
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第4章结论
扩频通信技术具有广泛的应用:
在军事上，在现代科技的许多领域中，扩频技术得到了非常广泛的应用。
如空间系统通信、航空及航海电子系统等等。
在民用通信中:
90年代以来，扩频通信开始向民用通信领域发展。
一是随着国际形势的变化，原来从事军品开发的部门与企业都纷纷转入民用开发，以寻找出路;二是数字蜂窝移动通信、个人通信等新兴通信方式，要求采用能节约频带的技术，解决频带拥挤问题，使人们考虑到扩频通信可以与现有通信并存，是提高频带利用率的有效途径;三是市场需求的推动，采用新技术是为了占有国内市场，竞争国际市场。
扩频通信的未来发展方向:
随着扩频通信的迅速发展，特别是2.4GHz频段扩频系统的大量使用，扩频系统之间的干扰问题越来越突出总的来说，扩频通信是当代通信技术的重大突破，是当今高新科技的热点之一，发展变化非常快，有时真是:
山穷水复疑无路，
【6】柳暗花明又一春。
大概这也是扩频通信的魅力所在。
扩频通信以其较强的抗干扰、抗衰落、抗多径性能而成为第三代通信的核心技术，结果表明，扩频系统对正弦干扰有着良好的抗干扰性，增大信噪比可以有效抑制正弦信号的干扰。
可以广泛应用于对抗干扰性和保密性要求较高的军用或民用通信。
本人通过课程设计，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。
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邱伟娜:
基于MATLAB的扩频通信系统仿真
参考文献
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西安电子科技大学出版社，2004[2]徐明远，邵玉斌.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用[M].西安:
西安电子科技大学出版社，2005[3]李建新，刘乃安，刘继平.现代通信系统分析与仿真-MATALAB通信工具箱[M].西安:
西安电子科技大学出版社，2001
[4]刘树棠.现代通信系统[M].北京:
电子工业出版社，2006
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邱伟娜:
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附录:
直接扩频通信系统仿真程序:
function[Y]=DSSS（X,mode）
switchnargin
case0
X='Thisisatest.';
Y=DSSS（X）;
return
case1
Y1=DSSS（X,1）;
Y2=DSSS（Y1,2）;
Y=Y2;
return;
case2
ifmode==1
D=ones（1,7）;
m_sequence=Msequence（D）;
X_length=length（X）;
ascii_value=abs（X）;
ascii_binary=zeros（X_length,7）;
forii=1:
X_length
ascii_binary（ii,:
）=Binary（ascii_value（ii））;
subplot（2,3,1）;plot（reshape（ascii_binary,1,X_length*7））;title（'A:
输入数据'）;
Sp_expand=zeros（X_length,127*7）;
forii=1:
X_length
forjj=1:
7
Sp_expand（ii,127*jj-126:
127*jj）=xor（m_sequence,ascii_binary（ii,jj））;
end
end
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邱伟娜:
基于MATLAB的扩频通信系统仿真
subplot（2,3,2）;plot（reshape（Sp_expand,1,X_length*127*7））;title（'B:
数据扩展'）;
forii=1:
X_length
forjj=1:
127*7
if~（Sp_expand（ii,jj））
Sp_expand（ii,jj）=-1;
end
end
end
Sp_expand_bpsk=reshape（Sp_expand,1,X_length*127*7）;
subplot（2,3,3）;plot（Sp_expand_bpsk）;title（'C:
BPSK调制'）
Y=Sp_expand_bpsk;
elseifmode==2
D=ones（1,7）;
m_sequence=Msequence（D）;
l=length（X）/（127*7）;
X_length=length（X）;
forii=1:
X_length
ifX（ii）==-1
X（ii）=0;
end
end
Sp_expand=reshape（X,l,127*7）;
subplot（2,3,4）;plot（X）;title（'D:
数据传输'）;
ascii_binary=zeros（l,7）;
Demodulate_binary=zeros（l,127*7）;
forii=1:
l
forjj=1:
7
Demodulate（ii,127*jj-126:
127*jj）=xor（m_sequence,
Sp_expand（ii,127*jj-126:
127*jj））
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