直接序列扩频伪码捕获的matlab仿真

单位代码___________ 学 号_________ 分 类 号___________ 密 级___________

课程设计

院（系）名称___ ___ 专 业 名 称___ _ ____ 学 生 姓 名__ ______ 指 导 教 师___ _______

直接序列扩频伪码捕获的matlab仿真

扩频通信（即扩展频谱通信），一般是指用比信号带宽宽得多的频带宽度来传输信息的技术。随着通信容量的不断增加，频率资源愈发紧张，为了缓解这一突出问题，通常在窄带通信系统中，主要是通过频率划分来防止各信道之间的干扰。但是，随着扩频通信的研究和运用，由于其对接收端要求强相关性，使得频率可以重复使用，提高了频率利用率。同时扩频通信的抗干扰能力强，现在已经广泛应用于移动电话、无线电微波通信、无线数据通信、跟踪和报警等系统中。

扩频通信的理论基础

信息论中关于信息容量的仙农（Shannon）公式为

（式1）

其中C为信道容量；W为信号频带宽度；S/N为信噪比。由式1可得到以下结论：在信道容量C不变的条件下，可用不同带宽W和信噪比S/N组合来传输。即可以通过增加信号带宽，实现在比较低的信噪比下传送信息。这样使得有用信号的功率接近噪声的功率甚至淹没在噪声之下，从而具有很好的隐蔽性。扩频通信就是用扩展频谱来换取信噪比要求的降低，这正是扩频通信的主要特点和理论依据。

扩频通信从早期用于军事保密通信，到现在广泛用于民用通信系统中，并成为现代通信主要发展的方向，是因为它具有窄带通信系统无法比拟的优良性能。

1）抗干扰性强，误码率较低。接收机必须采用相关检测才能对PN码（PN码就是伪随机码，具有与二元随机序列性质相似的周期性码组。是一种预先确定，并可重复实现的具有某种随机特性的码，它虽然仅有2个电平，却具有类似白噪声的相关特性，只是幅度概率分布不再服从高斯分布。最广为人知的二位元P-NCode是最大长度位移暂存器序列，简称m-序列）相同的扩频信号进行解扩，同频信号或其他干扰经解扩后，带宽被展宽，具有良好的抑制能力。因此误码率也比较低，一般可低于l0-10，完全能满足国内相关系统对通道传输质量的要求。

2）可以实现码分多址。因为在扩频通信中是采用扩频码序进行扩频调制，可以利用不同的扩频码序列之间较强的自相关性和较弱的互相关性，在接收端利用相关检测技术进行解扩。可以通过给不同的用户分配不同的用户扩频码型，实现在一宽频带上许多对用户可以同时通信而且互不干扰。

3）抗多径干扰。由于扩频系统中利用不同的PN可以很容易从多种路径传输来的信号分离和提取出有用信号。同时可以把不同路径来的不同延迟、不同相位的信号在时间和相位上重新对齐，形成用多个频率的信号传送同一个信息，从而提高了系统传输的可靠性。

可以使用不同技术对所传的信息进行扩频处理，因此扩频通信的方式可分为：直接序列扩频工作方式（DS），跳变频率工作方式（FH），跳变时间工作方式（TH）和宽带线性调频脉冲（CHIRP）以及以上几种方法的组合。

直接序列扩频系统

直接序列扩频系统又称为直接序列调制系统或者伪噪声系统（PN系统），简称直扩（DS），是当前应用较为广泛的一种扩频通信系统。直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum）

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。要传送的信息经过伪随机序列（或称伪噪声码）扩频后再对射频载波进行调制。伪随机序列的码元速率远高于传送信号的码元速率，因而调制后的信号频谱宽度远远大于原始信息的频谱宽度。直扩技术广泛地应用于民用通信系统以及导航、自控等其他领域方面，比如美军的国防卫星通信系统（AN-VSC-28）、全球定位系统（GPS）、航天飞机通信用的跟踪和数据中继卫星系统（TDRSS）、码分多址卫星通信系统等。

直扩系统模型

直接序列扩频系统原理图

直扩系统组成框图模型

如上图所示，信源信息经过编码后为码元速率为Ra的信息码，扩频码发生器产生伪随机码（PN码），每个伪随机码的码元速率为Rc（Rc

在接收端，接收到的信号经过变频处理后为中频信号。然后用与发送端同步的伪随机码对中频信号进行解扩，将信号的频带恢复为原始信息的频带，然后再进行解调，恢复出所传送的信息。

对于信道中的干扰，这些干扰有窄带干扰、多径干扰、多址干扰等。由于它们与伪随机码不相关，接收机的相关解扩对这些干扰相当于又一次扩频，将干扰和噪声的频谱展宽，降低了功率谱密度，经滤波后就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪比得到提高，从而提高了系统的抗干扰能力。

扩频通信常用的伪随机码

常用的伪随机码主要有m序列、GOLD序列、WALSH码和OVSF码。其中最常见的是m序列，由n级移位寄存器所能产生的周期最长的序列。由于m序列容易产生，规律性强，有许多优良的性能，在扩频通信中最早获得广泛的应用。

捕获系统

伪码同步一般分为两步进行，即捕获和跟踪。捕获又称为粗同步或初始同步，捕获是对输入扩频信号的同步信息进行搜索，使收发双方用的伪随机码相位差小于一个码元宽度Tc。跟踪又称为精同步，它是在捕获的基础上，使收发双方的伪随机码的相位误差进一步减小，保证收端的伪随机码相位一直跟随接收到的伪随机码相位，在一允许的范围内变化。

针对直接序列系统（DSSS）的捕获方法有很多，从解扩时间上可以分为相干捕获和非相干捕获。从实现结构上可以分为串行捕获、并行捕获和串并行结合的混合捕获，从处理域上可以分为时域捕获和频域捕获，从解扩运算方法上可以分为基于相关器的捕获和基于匹配滤波器的捕获。

如果对输入信号先解调后解扩，称为相干捕获；若不经解调直接对接收信号解扩，则称为非相干捕获。在直扩系统中，PN码同步一般先于载波同步。串行捕获方法实现简单，但捕获速度有时不能满足要求。而并行捕获方法捕获速度快，但系统的复杂度很高。而串并行结合的混合捕获是实现PN码捕获的时间性能与系统复杂度的折衷。频域与时域相比，频域计算量小，所占用的硬件资源少。基于相关器的捕获实际上是一种主动的积分方式，而基于匹配滤波器的捕获则是被动式的。

捕获系统方法原理 串行捕获方式

串行捕获方式的方框图如下图所示，把接收信号与本地产生的已知序列在时间间隔内做相关运算。

单驻留时间串行PN码捕获系统框图

当本地序列与接收序列未达到同步时，相关器输出幅度很小的噪声，若接收序列与本地序列相位差小于一个伪码码片时，相关器输出出现峰值。积分清洗器对包络检波器的输出进行积分。每隔

采样一次，采样后将积分器清零。采样值与预设的阈值进行比较，

若采样值大于预设的阈值，则认为已捕获到接收伪码，停止捕获，进入跟踪状态。否则，调整本地伪码的驱动时钟，重新进行捕获。

并行捕获法

串行捕获系统的显著优点是电路结构简单，但是其搜索时间长，对捕获时间有较高的要求，串行滑动相关的捕获方式就不能满足要求。

缩短捕获时间的一种有效的方式是采用并行捕获结构，如下图所示。

并行捕获方框图

并行捕获法需要N个相关器，每个相关器的本地伪码相位相差一个码片时间，这样一次性就能将接收伪码的相位穷尽。接收信号在不同的通路与所有可能的伪码相位同时进行相关运算，然后对所有运算支路和相关值进行比较，相关值最大的那一路伪码相位被判断为接收伪码的初始相位。并行捕获方法的捕获时间最短，但电路较为复杂。

串/并捕获方法

并行捕获方法搜索时间短，但电路较为复杂，实现起来有一定难度。串行捕获方式电路简单，但捕获时间长。在实际的应用中，有时需要在电路复杂度和搜索时间之间进行折中，一种有效的方法是采用串、并相结合的方法。在串／并结构的方式中，接收信号不是同本地伪码序列一位一位地进行相关运算，而是与M个不同相位的本地m序列同时进行相关运算，判决逻辑一次分别对这M个相关结果进行判决，从而确定接收序列与本地序列的哪一个初始相位一致。本地m序列以M个码片时间进行步进更新相位，从而大大减小捕获时间。一种典型串、并捕获电路(又称大步进捕获电路)如下图所示。

串/并联捕获电路图

图中，本地伪码产生器的移位寄存器序列为M位，每位移位寄存器的输出作为对应一定的伪码相位，分别参与接收信号的相关运算，这样一次就可同时完成M个初始相位的相关运算。本地伪码的相位递进不是一个码片一个码片地进行，而是一次步进M个码片。这样，一个伪码周期内，对所有可能相位的检测最多需要时间。

匹配滤波捕获原理

数字匹配滤波器的基本结构如下图所示。主要由三部分组成：移位寄存器、乘法器和多输入加法器组成，这是一个类似于FIR数字滤波器的结构。

在数字匹配滤波器中，以静止的本地PN码序列作为累加器的系数，相关过程相当于接收信号滑过本地序列，每一时刻产生一个相关结果，当滑到两个序列相位对齐时，必有一个相关峰值输出，检测到这个相关峰值，并同时启动另一个预先设置好的PN码序列发生器，那么此PN码序列必定与接收序列同步。

匹配滤波器结构图

串行捕获和匹配滤波结合捕获系统

系统如下图所示，采用较短积分时间的匹配滤波器作为前级辅助捕获单元，借以快速 跳过非同步态．采用具有较长积分时间的串行捕获相关器作为后级捕获单元，以减少虚警概率，实现可靠序列相位捕获．这样系统所需的硬件资源则较匹配滤波的方法大大减少，从而在资源有限的条件下，实现了长周期序列的快速捕获，缩短了同步时间．

当序列周期m很大时，此捕获系统的平均捕获时间远小于单次系统的平均捕获时间。随着伪码周期的增加，这种优点更加明显。

仿真程序及截图

code_length=20; %信息码元个数 N=1:code_length; rand('seed',0);

x=sign(rand(1,code_length)-0.5); %信息码 for i=1:20

s((1+(i-1)*800):i*800)=x(i); %每个信息码元内含fs/f=800个采样点 end

生成的信息码的波形图如图1所示。

图1 信源信息码

%产生伪随机码，调用的mgen函数见附录

length=100*20; %伪码频率5MHz,每个信息码内含5MHz/50kHz=100个伪码 x_code=sign(mgen(19,8,length)-0.5); %把0,1序列码变换为-1,1调制码 for i=1:2000

w_code((1+(i-1)*8):i*8)=x_code(i); %每个伪码码元内含8个采样点 end

生成的PN码波形如图2所示。

%扩频

k_code=s.*w_code; %k_code为扩频码

扩频码如图3所示。

图2 PN码

图3 扩频码

%调制 fs=20e6; f0=30e6; for i=1:2000 AI=2; dt=fs/f0;

n=0:dt/7:dt; %一个载波周期内采样八个点 cI=AI*cos(2*pi*f0*n/fs);

signal((1+(i-1)*8):i*8)=k_code((1+(i-1)*8):i*8).*cI; end

PSK调制后的波形如图4所示。

图4 PSK调制后的波形

%解调 AI=1; dt=fs/f0;

n=0:dt/7:dt; %一个载波周期内采样八个点 cI=AI*cos(2*pi*f0*n/fs); for i=1:2000

signal_h((1+(i-1)*8):i*8)=signal((1+(i-1)*8):i*8).*cI; end

解调后的波形如图5所示。

图5 解调后的波形

%解扩

jk_code=signal_h.*w_code; %低通滤波

wn=5/10000000; %截止频率wn=fn/(fs/2),这里的fn为信息码(扩频码)的带宽5M b=fir1(16,wn);

H=freqz(b,1,16000);

signal_d=filter(b,1, jk_code);

解扩并滤波后的波形如图6所示。

图6 解扩并滤波后的波形

从图形整体看，解扩出来的信息码与信源信息码基本相同。输入与输出对比如图7所示。

图7 输入与输出对比

附录： %mgen.m

function[out]=mgen(g,state,N) gen=dec2bin(g)-48; M=length(gen);

curState=dec2bin(state,M-1)-48; for k=1:N

out(k)=curState(M-1);

a=rem(sum(gen(2:end).*curState),2); curState=[a curState(1:M-2)]; end

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o9rt.html