dsss直接序列扩频通信系统.doc

此文档收集于网络，如有侵权请联系网站删除一、课题内容直接序列扩频通信系统二进制随机信号+PN码扩频+M-PSK调制+加性高斯白噪声信道+解扩+M-PSK解调+误码率测试+信宿二、设计目的1.综合应用Matlab编程与系统仿真、信号与系统、现代通信原理等多门课程知识，使学生建立通信系统的整体概念；2.培养学生系统设计与系统开发的思想；3.培养学生利用软件进行通信仿真的能力；4.培养学生独立动手完成课题设计项目的能力；5.培养学生查找相关资料的能力。三、设计要求1.个人独立完成该课题；2.对通信系统有整体的较深入的理解，深入理解自己仿真部分的原理的基础，画出对应的通信子系统的原理框图；3.提出仿真方案；4.完成仿真软件的编制；5.仿真软件的演示；6.认真完成并提交详细的设计报告。四、实验条件 计算机、Matlab软件、相关资料、网络五、系统设计一、扩频通信系统发展概述扩频通信(spread spectrum communication)是近几年内迅速发展起来的一种通信技术。在早期研究这种技术的主要目的是为提高军事通信的保密和抗干扰的性能，因此这种技术的开发和应用一直是处于保密状态。美国在20世纪50 年代中期，就开始了对扩频通信的研究，当时主要侧重在空间探测、卫星侦察和军用通信等方面。以后，随着民用通信的频带拥挤日益严重，又由于近代微电子技术、信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的快速发展，与扩频通信有关的器件的成本大大地降低，从而进一步推动了扩频通信在民用领域的发展金额应用，而且也使扩频通信的理论和技术也得到了进一步的发展。目前在军事上，它已经广泛应用于各种战略和战术通信的系统中，成为电子战中反干扰的一种重要的手段。扩频技术在军事应用上的最成功的范例可以以美国和俄国的全球卫星定位系统(GPS和GLONASS)以及美军的联合战术分布系统(JTIDS)为代表；GPS和GLONASS在民用上也都得到了广泛的应用，这些系统的技术基础就是扩频技术。扩频的码分多址技术应用于蜂窝移动通信中时，大大降低了噪声和衰落的影响，同时还避免了复杂的频率分配和时隙划分等技术上的困难，并可以省去保护频带或时隙，极大地提高了蜂窝通信系统中小区的频率复用度，使信号频谱利用率得到提高。1990年1月，国际无线电咨询委员会(CCIR,现为ITUR)在研究未来民用陆地移动通信系统的计划报告中已明确地建议采用扩频通信技术5。美国已制定出了基于CDMA蜂窝技术的IS-95标准，Samsung、Motorola等公司也已相继推出了各自的CDMA移动通信商用实验网已开通运行，并取得了良好的效果。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，而跳频系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而言，跳频系统主要在军事通信中对抗故意干扰，在卫星通信中也用于保密通信，而直扩系统则主要是一种民用技术。面对全世界范围内对移动通信日益增加的要求，CDMA将是无线通信中最主要的多址介入手段。在本世纪，扩频技术将得到更加广泛的应用。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。二、扩频通信的基本概念通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。由于信息在传输过程中受到干扰，收到的信息与发出的信息并不完全相同。可靠性就是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度。因此，可靠性决定于系统抵抗干扰的性能，也就是说，通信系统的可靠性决定于通信系统的抗干扰性能。在模拟通信系统中，传输的可靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。在数字通信系统中，传输的可靠性是用信息传输的差错率来描述的。扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了应用。近年来，扩展频谱通信技术的理论和应用发展非常迅速，在民用通信系统中也得到了广泛的应用。扩频通信是扩展频谱通信的简称。我们知道，频谱是电信号的频域描述。承载各种信息（如语音、图象、数据等）的信号一般都是以时域来表示的，即信息信号可表示为一个时间的函数。信号的时域表示式可以用傅立叶变换得到其频域表示式。频域和时域的关系由式(1-1)确定： (1-1)函数的傅立叶变换存在的充分条件是满足狄里赫莱(Dirichlet)条件，或在区间(-，+)内绝对可积，即必须为有限值。扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息信号无关）扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而到达传输信息目的的通信系统。也就是说在传输同样信息信号时所需要的射频带宽，远远超过被传输信息信号所必需的最小的带宽。扩展频谱后射频信号的带宽至少是信息信号带宽的几百倍、几千倍甚至几万倍。信息已不再是决定射频信号带宽的一个重要因素，射频信号的带宽主要由扩频函数来决定。由此可见，扩频通信系统有以下两个特点：(1) 传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽；(2) 传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常是伪随机（伪噪声）编码信号。以上两个特点有时也称为判断扩频通信系统的准则。扩频通信系统最大的特点是其具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的能力。这里我们先定性地说明一下扩频通信系统具有抗干扰能力的理论依据。扩频通信的基本理论根据是信息理论中香农(CEShannon)的信道容量公式 (1-2)式中：C信道容量，b/s；B信道带宽，Hz；S信号功率，W；N噪声功率，W。香农公式表明了一个信道无差错地传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。令C是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，对(1-2)式进行变换 (1-3)对于干扰环境中的典型情况，当时，用幂级数展开(1-3)式，并略去高次项得 (1-4)或 (1-5)由式(1-4)和(1-5)可看出，对于任意给定的噪声信号功率比，只要增加用于传输信息的带宽B，就可以增加在信道中无差错地传输信息的速率C。或者说在信道中当传输系统的信号噪声功率比下降时，可以用增加系统传输带宽B的办法来保持信道容量C不变。或者说对于任意给定的信号噪声功率比，可以用增大系统的传输带宽来获得较低的信息差错率。若(20dB)，则当时，就可以正常的传送信息，进行可靠的通信了。这就说明了增加信道带宽B，可以在低的信噪比的情况下，信道仍可在相同的容量下传送信息。甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号带宽也能保持可靠的通信。如系统工作在干扰噪声比信号大100倍的信道上，信息速率RC3kb/s，则信息必须在带宽下传输，才能保证可靠的通信。扩频通信系统正是利用这一原理，用高速率的扩频码来扩展待传输信息信号带宽的手段，来达到提高系统抗干扰能力的目的。扩频通信系统的带宽比常规通信系统的带宽大几百倍乃至几万倍，所以在相同信息传输速率和相同信号功率的条件下，具有较强的抗干扰的能力。香农在其文章中指出，在高斯噪声的干扰情况下，在受限平均功率的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。这是因为高斯白噪声信号具有理想的自相关特性，其功率谱密度函数为 - f =0.5%大于等于0.5的取1，小于0.5的取0 x(i)=1;a=a+1; else x(i)=0; endendt=0:N-1;figure(2)%做信息码图subplot(2,1,1)stem(t,x);title(扩频前待发送二进制信息序列);tt=0:349;subplot(2,1,2)l=1:7*N;y(l)=0;for i=1:Nk=7*i-6; y(k)=x(i); k=k+1;y(k)=x(i);k=k+1;y(k)=x(i);k=k+1;y(k)=x(i);k=k+1;y(k)=x(i);k=k+1;y(k)=x(i);k=k+1;y(k)=x(i);ends(l)=0;for i=1:350%扩频后，码率变为100/7*7=100Hz s(i)=xor(L(i),y(i);endtt=0:7*N-1;stem(tt,s);axis(0,350,0,1);title(扩频后的待发送序列码);2）对扩频前后信号进行BPSK调制，观察其时域波形BPSK调制采用2kHz信号cos(2*2000*t)作为载波figure(3)subplot(2,1,2)fs=2000;ts=0:0.00001:3.5-0.00001;%为了使信号看起来更光滑，作图时采样频率为100kHz % ps=cos(2*pi*fs*ts);s_b=rectpulse(s,1000);%将冲激信号补成矩形信号s_bpsk=(1-2.*s_b).*cos(2*pi*fs*ts);%扩频后信号BPSK调制时域波形plot(ts,s_bpsk);xlabel(s);axis(0.07,0.2,-1.2,1.2)title(扩频后bpsk信号时域波形);subplot(2,1,1)s_bb=rectpulse(x,7000);s_bpskb=(1-2.*s_bb).*cos(2*pi*fs*ts);%无扩频信号BPSK调制时域波形plot(ts,s_bpskb);xlabel(s);axis(0.07,0.2,-1.2,1.2);title(扩频前bpsk信号时域波形)可以看出，100/7Hz的无扩频信号每0.07s时由于序列极性变换产生相位变换，100Hz的扩频后调制信号每0.01s由于序列极性变换产生相位变换。3）计算并观察扩频前后BPSK调制信号的频谱对信号采用400000点fft计算，得到频谱figure(4)N=400000;ybb=fft(s_bpskb,N);%无扩频信号BPSK调制频谱magb=abs(ybb);fbb=(1:N/2)*100000/N;subplot(2,1,1)plot(fbb,magb(1:N/2)*2/N);axis(1700,2300,0,0.3);title(扩频前调制信号频谱);xlabel(Hz);subplot(2,1,2)yb=fft(s_bpsk,N);%扩频信号BPSK调制频谱mag=abs(yb);fb=(1:N/2)*100000/N;plot(fb,mag(1:N/2)*2/N);axis(1700,2300,0,0.3);title(扩频后调制信号频谱);xlabel(Hz);如图，扩频前信号主瓣宽度约为2*100/7=28Hz，扩频后，信号频谱展宽，主瓣19002100Hz约为200Hz，为无扩频信号频谱宽度的N=7倍，符合理论推算。4）接收机与本地恢复载波相乘，比较扩频与否的时域波形figure(5)subplot(2,1,1)reb=s_bpskb.*cos(2*pi*fs*ts);%无扩频系统接收信号乘以本地恢复载波信号plot(ts,reb);axis(0.10,0.18,-1.5,1.5);xlabel(t);title(扩频前接收信号乘以恢复载波);subplot(2,1,2)re=s_bpsk.*cos(2*pi*fs*ts);%扩频系统接收信号乘以本地恢复载波信号plot(ts,re);axis(0.10,0.18,-1.5,1.5);xlabel(t);title(扩频后接收信号乘以恢复载波);可以看出，接收信号乘以恢复载波后，已经能大致恢复出信号的变化。同时，无扩频系统符号速率仍然是100/7Hz即0.07s出现符号变化，扩频系统100Hz即0.01s出现符号变化。5）与恢复载波相乘后，观察其频谱变化figure(6)subplot(2,1,1)yreb=fft(reb,N);magreb=abs(yreb);freb=(1:N/2)*100000/N;plot(freb,magreb(1:N/2)*2/N);axis(0,5000,0,0.3);title(扩频前乘以恢复载波后信号频谱);subplot(2,1,2)yre=fft(re,N);magre=abs(yre);plot(freb,magre(1:N/2)*2/N);title(扩频后乘以恢复载波后信号频谱);axis(0,5000,0,0.3); 可以看出，信号乘以频率为2kHz的恢复载波后，在基带和4kHz处存在频谱分量，则下一步需要对信号进行低通滤波。6）仿真观察信号经凯萨尔窗低通滤波后的频谱figure(7)fp=100;fc=200;as=100;ap=1;%衰减100dBfsw=22000;wp=2*fp/fsw;wc=2*fc/fsw;Nw=ceil(as-7.95)/(14.36*(wc-wp)/2)+1;%求凯萨尔窗低通滤波器阶数beta=0.1102*(as-8.7);window=kaiser(Nw+1,beta);b=fir1(Nw,wc,window);bs=abs(freqz(b,1,400000,fsw);subplot(1,1,1)magrel=bs.*magre;plot(freb,magrel(1:N/2)*2/N);title(信号经过凯萨尔窗函数低通滤波);axis(0,200,0,0.2);xlabel(Hz);7）观察解扩后的信号波形、频谱figure(8)subplot(2,1,1)yrel=real(ifft(bs.*yre,400000);jj=rectpulse(M,1000);%扩频信号乘以解扩序列yrej=jj.*yrel(1:350000);plot(ts(1:350000),yrej);xlabel(t);axis(0,4,-0.5,0.5);title(解扩后信号波形);subplot(2,1,2)yj=fft(yrej,N);magj=abs(yj);plot(freb,magj(1:N/2)*2/N);axis(0,500,0,0.2);title(解扩后信号频谱);xlabel(Hz);由于扩频信号与m序列具有良好的相关性，故乘以m序列以后，能基本还原出原信号波形。同时可以看出，频谱已经由扩展带宽再次缩短，还原出原信号频谱。8）比较扩频系统解扩前后信号带宽、信号功率谱figure(9)title(解扩前后信号频偏对比);subplot(2,2,1)plot(freb,magrel(1:N/2)*2/N);axis(0,200,0,0.2);title(解扩前信号频偏);subplot(2,2,3)plot(freb,magj(1:N/2)*2/N);axis(0,200,0,0.2);title(解扩后信号频偏);subplot(2,2,2)yjb=fft(yrel,N);prelb=yjb.*conj(yjb)/N;plot(freb,prelb(1:N/2)*2/N);axis(0,200,0,0.01);title(解扩前信号功率谱);xlabel(Hz);subplot(2,2,4)yj=fft(yrej,N);prel=yj.*conj(yj)/N;plot(freb,prel(1:N/2)*2/N);axis(0,200,0,0.01);title(解扩后信号功率谱);xlabel(Hz);可以清楚看出，解扩前信号主瓣约为100Hz，解扩后恢复为100/7Hz，与发送信息吻合。解扩后信号的频谱被压缩，功率幅度增加，符合理论分析结果。9）对解扩信号进行采样判决figure(10)subplot(2,1,1)for i=1:1:350 ij=i*1000-500; ss(i)=yrej(ij);endstem(ss);title(解扩信号采样);subplot(2,1,2)for i=1:1:350%判决信号算法 if ss(i)0.2 ss(i)=1; elseif ss(i)-0.2 ss(i)=-1; else ss(i)=0; endendfor i=1:1:50 ij=7*i-6; if ss(ij)=0 ss(ij)=ss(ij+4); endendfor i=1:1:348 if ss(i)=0command n.& vt. 命令；指令；掌握 ss(i)=ss(i+2);magica