基于MATLAB的扩频通信系统仿真毕业论文

毕业论文

基于MATLAB的扩频通信系统仿真

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基于MATLAB的扩频通信系统仿真

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。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，结果表明，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, 信噪比， 误码率

Simulation of the Spread Spectrum Communication System Based

on MATLAB

Author: Guo Jian Tutor: Tang Hailing

Abstract

The theory base and realizing methods of the spread spectrum communication technology was presented in this study. The simulation model of the spread spectrum communication system was built by using SIMULINK, which is provided by MATLAB. In addition, each module of the simulation model was introduced in detail，and pointed out the problems that must be pay attention to in the system simulation. On the basis of the designed simulation conditions, the simulation program was run and the anticipant results were gained. Moreover, the relationship between the spread spectrum gain and the fan-out error rate was also studied by use of the simulation system. The results showed that on the base of the same error rate, if the spread spectrum gain was enlarged, the Signal-to-Noise of the system fan-out would be enhanced and the anti-jamming capability of the communication system would also be enhanced.

Keywords: spread spectrum communication, Signal-to-Noise, error rate

目录

1.绪论 .............................................................................................................................................. 1

1.1 扩展频谱简介 ................................................................................................................... 1 1.2 扩展频谱技术特点 ........................................................................................................... 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 2.扩展频谱技术 ............................................................................................................................... 3

2.1 理论基础 ........................................................................................................................... 3 2.2 频谱的扩展实现 ............................................................................................................... 4 2.3 m序列 ................................................................................................................................ 5 2.5 本章小结 ........................................................................................................................... 6 3.SIMULINK模型建立 ..................................................................................................................... 8

3.1 随机整数发生器（Random Integer genarator） ....................................................... 8 3.2 PN序列发生器（PN Sequence Generator） ................................................................ 8 3.3 最小相移键控调制（M-PSK Modulator Passband） ................................................... 9 3.4 加性高斯白噪声信道（AWGN Channel） ....................................................................... 9 3.5 最小相移键控解调 （M-PSK Demodulator Passband） ........................................... 10 3.6 误码率分析仪（Error Rate Calculation） ............................................................. 10 3.7 其他设置 ......................................................................................................................... 12

3.7.1 RELAY 的设置 ..................................................................................................... 12 3.7.2 product的设置 .................................................................................................. 13 3.7.3 display 的设置 ................................................................................................. 13 3.7.4 频谱分析仪（spectrum scope）的设置 ......................................................... 13

4.仿真结果与分析 ......................................................................................................................... 15

4.1 Simulink仿真结果 .......................................................................................................... 15 4.2 Simulink仿真结果分析 ................................................................................................... 15 4.3 m文件的仿真结果 ........................................................................................................ 16 4.4 m文件的仿真结果分析 ................................................................................................ 16 5.结论 ............................................................................................................................................ 17 致谢 ................................................................................................................................................ 18 参考文献......................................................................................................................................... 19 附录 ................................................................................................................................................ 20

1.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。

2.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

（2-1）

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=n0B ，则信道容量C可表示为：

（2-2）

由上式可以看出，B、n0、S确定后，信道容量C就确定了。由Shannon第二定理知，若信源的信息速率 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：

（2-2）

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，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：

（2-3）

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】。 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\和\。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1。

图1扩频系统基本原理图

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（混频）[3]。

2.3 m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2所示。图中α

n-1

（ i=1，2，3，?， r）为移位寄存器中每位寄存器的状态；

ci（ i=1，2，3，?，r ）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ci=1时表示存在反馈，将反馈线连起来。在此结构中c0=cr=1，c0不能为0，c0为0就不能构成周期性序列，因为 c0=0意味着无反馈，为静态移位寄存器。cr也不能为0，即第r 位寄存器一定要参加反馈，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。不同的反馈逻辑，即 ci（ i=1，2，3，?， r-1）取不同的值，将产生不同的移位寄存序列[2]。 2.4 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。

图2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。

图3 直序扩频的频谱扩展过程

直接序列扩频（DS-Direct Scquency）的频谱扩展和解扩过程见图3和图4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。

图4 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、解扩、解调等部分可以采用不用的方案[4]。 2.5 本章小结

直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum）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

3.SIMULINK模型建立

基于MATLAB/Simulink所建立的扩频通信系统的仿真模型，能够反映扩频通信系统的动态工作过程，可进行波形观察、品剖分析和性能分析等，同时能根据研究和设计的需要扩展仿真模型，实现以扩频通信为基础的现代通信的模拟仿真，为系统的研究和设计提供强有力的平台。图2为基于MATLAB/Simulink的直接序列扩频通信系统的仿真模型。

图5 基于Simulink 的直接序列扩频通信系统的仿真模型

3.1 随机整数发生器（Random Integer genarator）

随机整数发生器(Randon Integer generator)作为仿真系统的信源，随机整数发生器产生二进制随机信号，采用时间、初始状态可自由设置，从而满足扩频通信系统所需信源的要求。

3.2 PN序列发生器（PN Sequence Generator）

用PN序列发生器（PN Sequence Generator）产生伪随机码，对基带信号进行扩频。扩频过程通过信息码与PN码进行双极性变换后相乘加以实现。解扩过

程与扩频过程相同，即将接收的信号用PN码进行第二次扩频处理。

3.3 最小相移键控调制（M-PSK Modulator Passband）

对基带信号进行数字调制，将频谱从基带搬移至频带，以实现远距离传输的效果。

3.4 加性高斯白噪声信道（AWGN Channel）

信号通过加性高斯白噪声信道，以达到对信号的传输后进行再进行解扩解调的目的。改信道信噪比参数设置为负数，可验证扩频通信系统具有良好的抗噪声

能力。

3.5 最小相移键控解调 （M-PSK Demodulator Passband）

对解扩后的信号进行解调，恢复基带信号。

3.6 误码率分析仪（Error Rate Calculation）

在误码率计算中，接收到的信号，由于经过扩频解扩、调制解调、相关统计等处理，会存在一个延迟，在误码仪模块的对话框中要设置一个合适的延迟。

3.7 其他设置 3.7.1 RELAY 的设置

3.7.2 product的设置

3.7.3 display 的设置

3.7.4 频谱分析仪（spectrum scope）的设置

系统中有四个频谱分析仪器，分别命名为：baseband、mod、SS和DSS。其中，baseband能观察基带信号的频谱；mod能观察到基带信号调制到频带后的频谱；SS能观察扩频后的频谱；DSS能观察解扩解调后的接受端输出信号的频谱。

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