MATLAB Simulink直接扩频通信_simulink 扩频 csdn,simulink 扩频-讲义文档类资源Word格式.doc
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1.4直扩序列发展 4
2扩频码序列介绍................................................. 5
2.1码序列的相关性 5
2.2m序列 7
2.2.1m序列的产生 7
2.2.2m序列的性质 9
2.3Gold码序列介绍 10
2.3.1Gold码序列产生 10
2.3.2Gold码序列原理 10
3直接扩频通信技术原理及介绍 13
3.1直接序列扩频的概念 13
3.2直接序列扩频通信的理论基础 13
3.3直接序列扩频的基本原理 14
3.4扩频增益介绍.............................................................................................................15
3.5直接序列扩频系统的同步分析 16
3.6直接序列扩频的抗干扰性能分析 18
3.7直接序列扩频的抗多径效应性能分析 19
4MATALB及SIMULINK的介绍 21
4.1MATLAB简介 21
4.2SIMULINK简介 22
4.3SIMULINK的基本操作 22
4.3.1系统框图模型的建立 23
4.3.2系统仿真运行 25
4.3.3仿真结果输出............................................................................................................26
5直接序列扩频的的仿真 28
5.1发射部分的SIMULINK仿真 28
5.2接收部分的SIMULINK仿真 32
5.3直接序列扩频的MATLAB程序 36
6总结 40
致谢 41
参考文献 42
附录A 44
附录B 53
辽宁工程技术大学毕业设计（论文）
直接序列扩频通信系统研究及仿真
1引言
1.1直扩通信系统的研究目的及意义
现代军事通信面临着纷繁复杂的干扰环境，因此具备足够的抗干扰能力，是未来通信发展至关重要的因素，这要求能够识别和抑制各种干扰。
扩频通信早期主要应用于军事目的，从世纪年代末、年代初开始，扩频技术在民用通信方面的应用逐渐兴起并迅速发展，例如在蜂窝数字移动通信系统中，扩频技术被用于克服多路径效应和抑制同信道干扰，新一代移动通信系统利用技术进一步提高频谱利用率和系统性能。
直接序列扩频系统是目前应用最广泛的一种扩频通信系统。
它最突出的优点是当扩频增益足够大时，系统具有良好的抗干扰能力。
直接序列扩频是高安全性高抗扰性的一种无线序列型号传输方式。
英文全称DirectSequenceSpreadSpectrum，简称直扩方式（DS方式）。
通过利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。
直接序列扩频技术在军事通信和机密工业中得到了广泛的应用，现在甚至普及到一些民用的高端产品，例如信号基站、无线电视、蜂窝手机、无线婴儿监视器等，是一种可靠安全的工业应用方案
扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，到目前为止，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统,而跳频系统与直接序列扩频系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。
直接序列扩频系统，及DS-CDMA，主要是一种民用技术，在移动通信系统中的应用则成为扩频技术的主流。
欧洲的GSM标准和北美的以CDMA技术为基础的IS-95都在第二代移动通信系统（2G）的应用中取得了巨大的成功。
而在目前所有建议的第三代移动通信系统（3G）标准中（除了EDGE）都采用了某种形式的CDMA。
因此CDMA技术成为目前扩频技术中研究最多的对象。
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[03]。
1.2直扩通信系统特点
1.2.1直序扩频通信系统的优点
1）抗干扰能力强
扩频解调器实际上是一个相关器，扩频信号通过相关器后能有效地恢复，干扰信号（包括瞄准性窄带干扰和宽带干扰）由于与本地PN码不想关而被相关器抑制掉。
表示扩频通信特性的一个重要参数是扩频增益G（SpreadingGain）,其定义为扩频前的信号带宽B1与扩频后的信号带宽B2之比。
G=B2/B1扩频通信中，接收端对接收到的信号做扩频解调，只提取扩频编码相关处理后带宽为B1的信号成份，而排除了扩展到宽带B2中的干扰、噪声和其他用户通信的影响，相当于把接收信噪比提高了G倍。
考虑到输出端的信噪比和接收系统损耗，可以认为实际的扩频增益带来的信噪比的改善为：
M=G-输出端信噪比——系统损耗公式中的M叫做抗干扰容限。
在第五章的系统仿真中，我们可以更直观的观察到系统的抗干扰性能。
2）抗多径干扰能力强
无线电波波在传播的过程中，除了直接到达接收天线的直射信号外，还会有各种反射体（如大气对流层、建筑物、高山、树木、水面、地面）等引起的反射和折射信号被接收天线接收。
反射和折射信号的传播时间比直射信号长，它对直射信号产生的干扰称为多径干扰。
多径干扰会造成通信系统的严重衰落甚至无法工作。
由扩频序列的自相关函数的特性知道。
当两个接收信号序列相对时间超过码元宽度时，相关器输出只为码长的倒数，故被很大程度地抑制掉。
直序扩频技术还有一种更先进的接收技术，叫RAKE接收技术，它可以实现多径分集接收，即将各种路径来的信号，包括直接、折射、反射绕射信号解扩后在相位上根据峰值校齐并进行叠加，使信号强度更高，不仅避免了多径干扰还增强了接收信号强度。
但是RAKE接收技术的实现比较复杂且昂贵。
3）抗截获能力强
理论分析表明，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。
简单的说：
由于信息信号经过扩频调制后频谱被大大扩展，使信号的功率谱密度大大降低，接收端接收到的信号谱密度比接收机噪声低，即信号完全淹没在噪声中，这样对其他同频段电台的接收不会形成干扰，信号也就不容易被发现，进一步检测出信号就更难，所以有非常高的隐蔽性，非常适合保密通信，特别适合应用于军事领域的通信。
正因为有此特点，FCC规定使用扩频通信机不必申请专用频率。
4）可同频工作
由于采用相关解扩，所以只要每部通信的解扩码（PN）不同，几部通信机就可以使用同一载频而不会有互相干扰，只是多增加一点背景噪声而已。
5）便于实现多址通信
由于不同的扩频码是正交或接近正交的，彼此相互影响很小，所以可以把不同的扩频码作为用户的地址码，则很容易实现码分多址（CDMA）通信。
移动通信系统采用CDMA方式，理论上可以使通信容量比目前的蜂窝式通信容量大。
欲传输的数字信号ak（t）经信息调制（一般为PSK调制）获得窄带已调信号bk（t）。
它再与码片速率很高的扩频码Ck（t）进行调制（扩频调制），其输出为频谱带宽被扩展的信号Sk（t），这个过程称为扩频。
扩展频谱信号Sk（t）再变换为射频信号发射出去。
6）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。
在802.15.4通信标准中，要求的无线通信的速度是250Kbps,所以，CC2430高频部分也是使用这个通信速度。
GDS=10lg（Rc/Rb）
其中：
Rc为直扩码速率；
Rb为信息码速率，其比率即为扩频码长度，也称扩频信号的带宽扩展因子。
1.2.2直扩通信系统的不足
直扩系统除了一般通信系统所要求的同步以外，还必须完成伪随机码的同步，以便接受机用此同步后的伪随机码去对接受信号进行相关解扩。
直扩系统随着伪随机码字的加长，要求的同步精度也就高，因而同步时间就长。
1.3应用缺陷
直接序列扩频在实际应用中往往会遇到以下几个问题：
1）频道数减少
当采用跳频/扩频体制时，为获得足够大的处理增益，系统占用带宽太大，这就减少了可供跳频的信道数。
2）带宽增大
系统带宽太大，进入接收机前端的干扰信号增多。
3）信息量增大
要得到有效的抗多径和利用多径的能力，扩频码片必须足够窄，信息比特必须足够宽，而后者又限制了信息传输速率的提高。
为了解决系统占用频带过宽、外部干扰增多和传输速率受限的矛盾，当前各国大多采用多进制扩频技术，相对有效的解决这些问题。
1.4直扩序列发展
由于它的抗噪声的特性，直接序列扩频技术非常适合商业应用。
在容许无线设备公开使用的电磁环境里，它对其他传统微波设备造成最小的干扰，同时对附近其他设备有更高的抗扰性。
上世纪80年代末，晶体电子技术的先进程度已经足以提供商用的、成本效益好的直接序列扩频系统。
现在直扩技术被广泛应用于包括计算机无线网等许多领域。
扩频技术在发展的初始阶段，就已经实现了理论和技术上的重大突破，在此后的发展过程中主要是硬件的改善和性能的提高。
随着移动通信的迅猛发展，目前3G系统由研制开发逐步进入商用并且向第四代无线多媒体通信飞速发展。
根据ITU的标准，世界各大电信公司联盟均提出了自己的第三代移动通信系统方案，虽然第三代移动通信系统的标准差异很大，但采用码分多址技术已经达成共识。
直扩码分多址，由于具备通信容量大、能充分利用话音的统计特性、平滑的越区切换、通信容量的软特性等优点被作为未来移动通信中最具竞争力、最有前景的无线多址接入技术。
无线扩频通信作为另一种有效的补充通信手段,已在金融系统得到了越来越广泛的应用。
发展到现在，扩频技术理论和技术都已趋于完善，主要应从系统的角度考虑总体性能，且与其它新技术结合应用。
因此，应用的驱动一直是扩频技术发展的强大动力，未来的无线通信系统，如移动通信、无线局域网、全球个人通信等，扩频技术必将发挥重要作用。
随着科技的发展，扩频技术必将获得更加广阔的应用空间。
2扩频码序列介绍
2.1码序列的相关性
在扩展频谱通信中需要用高码率的窄脉冲序列。
这是指扩频码序列的波形而言。
并未涉及码的结构和如何产生等问题。
那么究竟选用什么样的码序列作为扩频码序列呢?
它应该具备哪些基本性能呢?
现在实际上用得最多的是伪随机码，或称为伪噪声（PN）码。
这类码序列最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。
因为噪声具有完全的随机性，也可以说具有近似于噪声的性能。
但是，真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生的。
我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，故称为伪随机码或PN码。
为什么要选用随机信号或噪声性能的信号来传输信息呢？
许多理论研究表明，在信息传输中各种信号之间的差别性能越大越好。
这样任意两个信号不容易混淆，也就是说，相互之间不易发生干扰，不会发生误判。
理想的传输信息的信号形式应是类似噪声的随机信号，因为取任何时间上不同的两段噪声来比较都不会完全相似。
用它们代表两种信号，其差别性就最大。
在数学上是用自相关函数来表示信号与它自身相移以后的相似性的。
随机信号的自相关函数的定义为下列积分：
（2-1）
式中f（t）为信号的时间函数，τ为时间延迟。
上式的物理概念是f（t）与其相对延迟的τ的f（t-τ）来比较:
如二者不完全重叠，即τ≠0，则乘积的积分ψa（τ）为0；
如二者完全重叠，即τ=0；
则相乘积分后ψa（τ）为一常数。
因此，ψa（τ）的大小可用来表征f（t）与自身延迟后的f（t-τ）的相关性，故称为自相关函数。
现在来看看随机噪声的自相关性。
图2-1（a）为任一随机噪声的时间波形及其延迟一段t后的波形。
图2-1（b）为其自相关函数。
当t＝0时，两个波形完全相同、重叠，积分平均为一常数。
如果稍微延迟t，对于完全的随机噪声，相乘以后正负抵消，积分为0。
因而在以t为横座标的图上ψa（τ）应为在原点的一段垂直线。
在其他t时，其值为0。
这是一种理想的二值自相关特性。
利用这种特性，就很容易地判断接收到的信号与本地产生的相同信号复制品之间的波形和相位是否完全一致。
相位完全对准时有输出，没有对准时输出为0。
遗憾的是这种理想的情况在现实中是不能实现的。
因为我们不能产生两个完全相同的随机信号。
我们所能做到的是产生一种具有类似自相关特性的周期性信号。
PN码就是一种具有近似随机噪声这种理想二值自相关特性的码序列。
例如二元码序列1110l00为码长为7位的PN码。
如果用＋1，－1脉冲分别表示“l”和“0”，则在图2-1（c）中示出其波形和它相对延迟τ个时片的波形。
这样我们很容易求出这两个脉冲序列波形的自相关函数，如图2-1（d）中。
自相关峰值在τ＝0时出现，自相关函数在±
τ0/2范围内呈三角形。
τ0为脉冲宽度。
而其它延迟时，自相关函数值为－1/7,即码位长的倒数取负值。
f
（a）
（b）
ψ（τ）
）
τ
f（t）
Fig.2-1Sincethecorrelationofrandomnoise
τ
（d）
t
f（t-τ）
（c）
⊕
1
图2-1随机噪声的自相关性
当码长取得很大时，它就越近似于图2-1（b）中所示的理想的随机噪声的自相关特性。
自然这种码序列就被称为伪随机码或伪噪声码。
由于这种码序列具有周期性，又容易产生，它就是下面即将介绍的m序列，成为直扩系统中常用的扩频码序列。
扩频码序列除自相关性外，与其他同类码序列的相似性和相关性也很重要。
例如有许多用户共用一个信道，要区分不同用户的信号，就得靠相互之间的区别或不相似性来区分。
换句话说，就是要选用互相关性小的信号来表示不同的用户。
两个不同信号波形f（t）与g（t）之间的相似性用互相关函数来表示：
（2-2）
如果两个信号都是完全随机的，在任意延迟时间t都不相同，则上式为0。
如果有一定的相似性，则不完全为0。
两个信号的互相关函数为0，则称之为是正交的。
通常希望两个信号的互相关值越小越好，则它们越容易被区分，且相互之间的干扰也小。
2.2m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[03]。
2.2.1m序列的产生
1）序列多项式与特征多项式
设线性移位寄存器产生的序列为：
…
定义以二元有限域的元素an（n=0，1，2，…）为系数多项式，则
（2-3）
称为序列多项式。
式中a取0，1两个值，符号x的幂次表示序列元素的位置。
若r级线性移位寄存器的初始状态为：
a-r,a-r+1
…,a-1
且满足线性反馈逻辑
（2-4）
可得序列多项式G（x）与反馈逻辑函数关系：
（2-5）
如果把模2加法器反馈到第一级的连线c=1考虑进去，式4-3的分母就是反馈逻辑。
令
（2-6）
为特征多项式。
因c=1,所以上式变为
G（x）=1/F（x）（2-7）
上式说明序列多项式是特征多项式的倒数。
知道了特征多项式，通过长除就可以求出G（x）。
2）本原多项式
设,c0=1,cr=1是F2域上的特征多项式，以G（F）代表由特征多项式所产生的所有非零序列的集合。
于是G（F）中之非零序列均为m序列的充要条件是F（x）为F2上的本原多项式。
所谓本原多项式是指F（x）是不可约的，F（x）可整除1+xp，p=2r-1，F（x）除不尽1+xq，q<
p。
图2-2线性反馈移位寄存器
Fig.2-2linearfeedbackshiftregister
在实际应用时，常常是根据需要确定所要求的码长，有p=2r-1确定移位寄存器的级数r，查本原多项式表，确定F（x），由F（x）就可以决定线性移位寄存器的反馈连线。
如图2-2所示为一个一般的线性反馈移存器的组成。
图中一级移存器的状态用ai表示，ai=0或1，i=整数。
反馈线的连接状态用ci表示，ci=1表示此线接通（参加反馈），ci=0表示此线断开。
2.2.2m序列的性质
1）在m序列码中，码元为“1”的数目和码元为“0”的数目只相差1个。
在P=2-1周期中，码元为“1”的出现2次，码元为“0”的出现2-1次，即“0”比“1”少出现1次。
这是由于在m序列中不允许出现全零状态的缘故。
2）m序列中，一个周期内长度为1（单个“0”或单个“1”）游程占总游程数的一半，长度为2的游程（即“00”或“11连符）占总游程的1/4，长度为3（即“000或“111符）占总游程的1/8……只要1个包含n个“1”的游程，也只有一个包含n-1个“0”的游程。
图2-3列出了长度为15（n=4）的m序列游程分布。
表2-3111101011001000游程分布
Tab.2-3111101011001000runlengthdistribution
游程长度（比特）
游程数目
所包含的比特数
“1”的
“0”的
2
4
2
1
4
3
0
游程总数8
合计15
一般m序列中，游程总数为2-1，n是移位寄存器级数。
游程长度为K的游程出现的比例为=1/，而1≤K≤n-2，此外还有一个长度为n的“1”游程和长度为n-1的“0”游程。
3）一个周期长的序列与其循环移位序列远位比较，相同码的位数与不相同码的位数相差l位。
2.3Gold码序列介绍
2.3.1Gold码序列产生
m序列虽然性能优良，但同样长度的m序列个数不多，且序列之间的互相关值并不都好。
R·
Gold提出了一种基于m序列的码
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