扩频通信的仿真与实现
摘要
本文阐述了扩展频谱通信技术的理论基础和实现方法，利用MATLAB提供的可视化工具Simulink建立了扩频通信系统仿真模型，详细讲述了各模块的设计，并指出了仿真建模中要注意的问题。
建立了直接序列扩频通信系统仿真模型.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。
同时，利用建立的仿真系统，研究了扩频增益与输出端信噪比的关系，在相同误码率下，增大扩频增益，可以提高系统输出端的信噪比，从而提高通信系统的抗干扰能力。
关键词：
扩频，通信，MATLAB
SpreadSpectrumCommunicationSimulationAndImplementation
Abstract
Thetheorybaseandrealizingmethodsofthespreadspectrumcommunicationtechnologywaspresentedinthisstudy.ThesimulationmodelofthespreadspectrumcommunicationsystemwasbuiltbyusingSIMULINK,whichisprovidedbyMATLAB.Inaddition,algorithmithasestablishedthedirectsequencespreadspectrumcommunicationssystemsimulationmodel，eachmoduleofthesimulationmodelwasintroducedindetail，andpointedouttheproblemsthatmustbepayattentiontointhesystemsimulation.Onthebasisofthedesignedsimulationconditions,thesimulationprogramwasrunandtheanticipantresultsweregained.Moreover,therelationshipbetweenthespreadspectrumgainandthefan-outerrorratewasalsostudiedbyuseofthesimulationsystem.Theresultsshowedthatonthebaseofthesameerrorrateifthespreadspectrumgainwasenlarged,theSignal-to-Noiseofthesystemfan-outwouldbeenhancedandtheanti-jammingcapabilityofthecommunicationsystemwouldalsobeenhanced.
Keywords:
spreadspectrum，communication,MATLAB
第1章引言
1.1扩频通信概述
我们知道，传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。
例如语音信息的带宽大约为20Hz--20000Hz、普通电视图像信息带宽大约为6MHz。
为了充分利用频率资源，通常都是尽量压缩传输带宽。
如电话是基带传输，人们通常把带宽限制在3400Hz左右。
如使用调幅信号传输，因为调制过程中将产生上下两个边带，信号带宽需要达到信息带宽的两倍，而在实际传输中，人们采用压缩限幅技术，把广播语音的带宽限制在大约为2×4500Hz=9KHz左右；采用边带压缩技术，把普通电视信号包括语音信号一起限制在1.2×6.5MHz=8MHz左右。
即使在普通的调频通信上，人们最大也只把信号带宽放宽到信息带宽的十几倍左右，这些都是采用了窄带通信技术。
扩频通信属于宽带通信技术，通常的扩频信号带宽与信息带宽之比将高达几百甚至几千倍。
有人要问为什么要这么做？
这样是不是太浪费频率资源了？
这些问题可以用信息论和抗干扰理论来解释。
有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员HedyLamarr和钢琴家GeorgeAntheil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。
解决了短距离数据收发信机、如：
卫星定位系统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，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。
扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码（扩频序列：
SpreadSequence>调制，实现频谱扩展后再传输；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。
扩频通信系统具备3个主要特征：
1载波是一种不可预测的，或称之为伪随机的宽带信号
2载波的带宽比调制数据的带宽要宽得多
3接收过程是通过将本地产生的宽带载波信号的复制信号与接收到的宽带信号相关来实现的。
频谱扩展的方式主要有以下几种:
直序扩频（DS－SS>使用高速伪随机码对要传输的低速数据进行扩频调制；跳频系统则利用伪随机码控制载波频率在一个更宽的频带内变化；跳时则是数据的传输时隙是伪随机的；线性调频系统中的频率扩展则是一个线性变化的过程。
几种方式组合的混合系统也经常得到应用。
衡量扩频系统最重要的一个指标就是扩频增益，又称为处理增益。
正是因为扩频系统本身具有的特征使其性能具有一系列的优势。
具体通信过程用我们通俗的话说就是：
信息数据D经过常规的数据调制，变成了带宽为Bl的基带信号，再用扩频编码发生器产生的伪随机编码对基带信号进行扩频调制，形成带宽（B2远大于B1>的功率谱密度极低的扩额信号。
接收端用发射时相同的伪随机编码做扩频解调，形成普通的基带信号B1，然后，再用常规方法解调出发送来的信息数据D。
1.2扩频通信的应用背景
我们以我国电网中扩频通信的应用为例子进行说明。
目前，我国电网中应用的通信方式主要有明线、电力线载波、电缆和新兴起的一点多址微波等。
然而，在传输远动数据及通信方面，却明显不足，可靠性、适用性差，甚至投资很高（如光纤>，县级电力企业难以承受。
因为无线扩频通信技术传输方式独特，抗干扰性强，保密性好，数据传输速率高，传输距离远，维护简便，数、话并传互不影响，可在无呼损条件下提供足够电网需用的数字电话和数字传输通道，对远动数据传输可直接用数字接口（不需调制解调器>，误码率低（达到10-12>；另外，其使用的低功率无线频率不需要许可证，所以深受电力用户青睐。
几年来，全国各地不少市、县供电局都进行了这方面的尝试，组建了规模各异的无线通信网。
如：
吉林省四平电业局于2003年8月开通了JL2000扩频数字微波通信网，一期项目组建了1个中心站、8个外围站，覆盖四平地区主要的二次变电所、供电局；山东潍坊电业局也于同期采用了集成的YG-1000型无线扩频综合通信系统作为电业局的调度自动化系统的传输通道；北京顺义供电局早在2001年3月就引进该项技术，目前他们改建的一座具有3遥功能的35kV变电站正在利用美国Cylink公司的Airlink扩频通信产品进行远动数传。
还有，北京昌平供电局、江苏吴江供电局、山东高密供电局等单位也前后引用了该项技术。
无线通信是当今网络通信发展的一个重要趋势。
可以预见，一方面因为无线扩频通信技术能为无线网络提供良好的通信信道，而且易于与现有的局域网、广域网及有线骨干网相连接；另一方面无线扩频通信能让通信能力伸展到更多偏远的地方，其通信成本只有有线通信成本的l／5。
所以对于县级农电企业采用这种成本相对低得多的现代通信手段将是一种必然的选择，随着实际应用的深入，扩频通信技术必将广泛应用于县局的调度自动化，变电站综合自动化，企业信息管理等等方面，其发展前景广阔。
这只是在我国电网中的应用的一些例子。
还有其他的好多地方也应用扩频通信的技术。
对扩频通信进行研究与应用的一些国内公司有：
广东省电子技术研究所-广东省电子技术研究所，研究方向是智能交通，公路收费，不停车，IC卡，扩频通信蓝牙，图像压缩等方面。
深圳市远望谷信息技术有限公司-深圳市远望谷信息技术有限公司是一家从事微波射频识别技术研究和和扩频通信的技术研究与发展的高新技术型企业。
交通智能运轮系统项目研究中心-针对智能交通系统存在的重大技术问题，对有市场价值的重要应用科技成果，进行共性技术、关键技术的后续项目化、产业化以及系统集成的研究开发。
等等一些企业与单位。
在国内扩频通信的研究与应用已经达到成熟的间段了。
国外这些已经用的如火如荼的境界了。
但是直到目前，扩频技术仍处于不断发展的过程中。
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，本文根据扩频通信的原理，利用MATALB提供的可视化仿真工具Simulink建立了扩频通信原理的系统仿真模型合与直序扩频通信系统的仿真模型。
研究了扩频通信的原理、扩频通信的特性和扩频增益，本人通过毕业论文设计，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。
第2章扩频通信的理论
2.1扩频通信的理论基础
扩频通信，即扩展频谱通信技术除此以外，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。
根据仙农（C.E.Shannon>在信息论研究中总结出的信道容量公式，即仙农公式：
式2.1
式中：
C――为系统的信道容量B――为系统信道带宽S――为信号的平均功率；
N――为噪声功率由式中可以看出：
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，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。
扩频通信系统因为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：
式2.2
B――为系统信道带宽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，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定义如下：
式2.3
式2.3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。
2.2频谱的扩展的实现
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：
lM序列，即最长线性伪随机系列；2GOLD序列；3WALSH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2.1。
图2.1扩频系统基本原理图
由图可见，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2.3扩频通信的主要特点
扩频通信具有许多窄带通信难以替代的优良性能，使得它能迅速推广到各种公用和专用通信网络之中。
简单来说主要有以下几项优点:
2.3.1抗干扰性强，误码率低
如上所述，扩频通信系统因为在发送端扩展信号频谱，在接收端解扩还原信息，产生了扩频增益，从而大大地提高了抗干扰容限。
根据扩频增益不同，甚至在负的信噪比条件下，也可以将信号从噪声的淹没中提取出来，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。
各种形式人为的干扰（如电子对抗中>或其他窄带或宽带（扩频>系统的干扰，只要波形、时间和码元稍有差异，解扩后仍然保持其宽带性，而有用信号将被压缩。
从图2.5可以看出，对于脉冲干扰，因为在信号的接收过程中，它是一个被一次"模二相加"过程，可以看成是一个被扩频过程，其带宽将被扩展，而有用信号却是一个被二次"模二相加"过程，是一个解扩过程，其信号被恢复（压缩>后，保证高于干扰。
因为扩频系统这一优良性能，其误码率很低，正常条件下可达10-10，最差条件下也可达10-6，远高于普通的微波通信<如通常所说的一点多址）的效果，完全能满足目前国内SCADA系统对通信传输质量的要求。
应该说，抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点。
图2.2扩频系统抗宽带干扰能力示意图
对于各种形式人为的（如电子对抗中>干扰或其他窄带或宽带（扩频>系统的干扰，只要波形、时间和码元稍有差异，解扩后仍然保持其宽带性，而有用信号将被压缩，见图2.2所示。
对于脉冲干扰，带宽将被展宽到B，而有用信号恢复（压缩>后，保证高于干扰，见图2.3所示。
图2.3扩频系统抗脉冲干扰能力示意图
因为扩频系统这一优良性能，误码率很低，正常条件下可低到l0-10,最差条件下约10-6，完全能满足国内相关系统对通道传输质量的要求。
2.3.2隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小
因为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，因为扩频信号具有很低的功率谱密度，它对目前使用的各种窄带通信系统的干扰很小。
2.3.3易于同频使用，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已得到开发利用，仍然满足不了社会的需求。
为此，世界各地都设计了频谱管理机构，用户只能使用申请获得的频率，依靠频道划分来防止信道之间发生干扰。
因为扩频通信采用了相关接收这一高技术，信号发送功率极低<<1W，一般为1~100mW），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，也可以与现今各种窄带通信共享同一频率资源.
2.3.4抗多径干扰
在无线通信中，抗多径干扰问题一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性；在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。
2.3.5另外的优点
扩频通信是数字通信，特别适合数字话音和数据同时传输，扩频通信自身具有加密功能，保密性强，便于开展各种通信业务。
扩频通信容易采用码分多址、语音压缩等多项新技术，更加适用于计算机网络以及数字化的话音、图像信息传输；扩频通信绝大部分是数字电路，设备高度集成，安装简便，易于维护，也十分小巧可靠，便于安装，便于扩展，平均无故障率时间也很长；扩频设备一般采用积木式结构，组网方式灵活，方便统一规划，分期实施，利于扩容，有效地保护前期投资。
2.4直序扩频系统
2.4.1直序扩频系统原理
直序扩频直接序列扩频直接序列扩频<简称直序扩频）系统的基本原理图如图2.6所示。
输入的信息数据D，经过载波调制变成了带宽为B1的信号，再由伪随机码调制成带宽为B2的带宽信号后发射。
在接收端，首先通过同步电路捕捉发送来的PN码的准确相位，产生与发送来的伪随机码同相的本地参考伪码，以供解扩使用。
图2.4直序扩频系统原理图
发射机输入信息数据D，被扩频序列扩频后形成高速数字序列。
扩频的方式
有很多，例如，输入信息信号与扩频序列进行相乘、模2相加等，也可采用发送信息与伪随机序列的循环移位状态——对应的方式进行扩频。
扩频后的信号通过载频调制器调制到载波信号上。
最常见的是采用M-PSK调制方式，它的调制、解调设备相对简单，对采用长扩频码的系统较为适用。
对于某些对调制信号频谱要求较高的系统，也可采用M-PSK或GMSK等调制方式。
因为M-PSK的调制、解调较为复杂，一般用于扩频码较短的系统中。
在实际系统中，是采用先扩频后调制的方式还是采用先调制后扩频的方式，可以根据需要灵活选择。
完成了扩频和载频调制后，则形成频谱较宽的扩频信号，经宽带放大后进行发射。
接收机接收到信号后，要根据发送端采用的扩频码和载波调制方式进行解扩和解调处理。
接收端可根据需要，选择先解调后解扩或者先解扩后解调的方式。
有的系统是将解扩和解调同时完成的，如我们下面主要讨论的先调制后扩频的直序扩频的相关解调系统。
根据发送端采用的调制方式不同，接收端的解调方式也有所不同。
例如，对于采用先调制后扩频的调制的直序扩频系统，因为MSK信号的载波提取十分困难，所以，一般采用相关解调方式；而对于采用BPSK调制的系统，在接收端可选择相关解调方法，也可提取本地载波进行相干解调，如我们下面主要讨论的M-PSK直序扩频的数字相关解调方案。
要实现正确的解扩，必须保证接收机的参考扩频序列与发送端采用的扩频序列相同且同相，因此，扩频序列的同步捕捉与跟踪电路是扩频通信系统接收机的重要组成部分。
接收端接收到扩频信号，经前置放大后再经如下电路处理，即扩频序列同步捕捉电路、扩频序列同步跟踪电路、载波同步跟踪<对相关解调的系统，不需要载波同步）及数据解调电路，分别完成扩频序列同步捕捉与跟踪、载波同步、数据解调。
图2.5信息的频谱扩展过程
直接序列扩频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。
图2.6扩频信号的解扩过程
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。
在以下的图2.4与图2.5中我们还可以用能量面积图示概念看出：
3，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；4，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；5，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。
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、解扩、解调等部分可以采用不用的方案。
2.4.2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直接序列扩频通信开始出现于第二次世界
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