基于MATLAB的扩频与调频通信系统仿真

1、实 验 报 告课程名称：现代通信原理实验任课教师：李波实验名称：基于MATLAB的扩频和跳频通信系统仿真研究年级：13级 专业：控制工程 姓名：李义 学号：12013002346日期：2013年10月10日云南大学信息学院一、 实验目的根据通信理论知识熟练的运用MATLAB进行直序列扩频和跳频扩频的仿真研究。二、 实验内容1.Matlab/simulink通信系统仿真。2.用matlab实现直序列扩频和跳频扩频。三、 实验平台硬件平台：笔记本电脑软件平台：windows7操作系统、Matlab R2013a四、 扩展频谱通信知识1理论基础通信技术和通信理论的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠

2、性这两个基本问题开展的。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。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。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，决定于通信系统的抗干扰性。在模拟通信系统中

3、，传输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，传输可靠性是用差错率来衡量的。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。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(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(-，+)绝对可积，即必须为有限值。扩展频谱通信系统是

4、指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息码无关）扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，再利用相应的手段将其压缩，从而获取传输信息的通信系统。也就是说在传输同样信息时所需要的射频带宽，远远超过被传输信息所必需的最小的带宽。扩频后射频信号的带宽至少是信息带宽的几十倍、几百倍甚至几万倍。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。由上述可见，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

5、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的山农（CEShannon）信道容量公式： (1-2)式中C为信道容量(bit/s)，W为信道带宽(Hz)，S为信号功率(W)，N为噪声功率(W)。山农公式表明了一个信道无误差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，对式(1-2)用幂级数展开，并略去高次项得 (1-4)或 (

6、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W，理论上就可以增加在信道中无误差地传输的信息率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W的办法来保持信道容量C不变。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。扩频通信系统正是利用这一原理，用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目的。扩频通信系统的带宽比常规通信体制大几百倍乃至几万倍，所以在相同信噪比的条件下，具有较强的抗干扰的能力。山农指出，在高斯噪声的干扰下，在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

7、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，其功率谱为 - f (1-6)它的自相关函数为 (1-7)其中：t为时延， (1-8)白噪声的自相关函数具有函数的特点，说明它具有尖锐的自相关特性。但是对于白噪声信号的产生、加工和复制，迄今为止仍存在着许多技术问题和困难。然而人们已经找到一些易于产生又便于加工和控制的伪噪声码序列，它们的统计特性逼近于高斯白噪声的统计特性。伪噪声序列的理论在本书以后的章节要专门讲述，这里仅简略引用其统计特性，借以说明扩频通信系统的实质。假设某种伪噪声序列的周期(长度)为N，且码元都是二元域上的元素。一个周期(长度)为N，码元为的伪噪声二元序列的归

8、一化自相关函数为 (1-9)式中，1，2，3，。当伪噪声序列周期(长度)N取足够长或N时，式(1-9)可简化为 (1-10)比较式(1-7)和式(1-10)，看出它们比较接近，当序列周期(长度)足够长时，式(1-10)就逼近式(1-7)。伪噪声序列具有和白噪声类似的统计特性，也就是它逼近于高斯信道要求的最佳信号形式。用伪噪声码扩展待传输基带信号频谱的扩频通信系统，优于常规通信体制。2实现方法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。直接序列

9、扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum，DS-SS）跳频扩频（FrequencyHoppingSpreadSpectrum，FH-SS）跳时扩频（TimeHoppingSpreadSpectrum，TH-SS）直接序列扩频系统采用高码速率的直接序列（DirectSequence，DS），伪随机码在发端进行扩频，在收端用相同的码序列去进行解扩，然后将展宽的扩频信号还原成原始信息。所谓跳频是指发送信号的载波按照某一随机跳变图样在跳变，跳频信号具有时变、伪随机的载频。跳频扩频系统在很多方面类似于将带宽为多个用户划分为多个信道的FDMA系统。在某个时间点上，某一用户的跳频信号只

10、占用单个频率信道。跳频扩频系统和FDMA系统的区别在于：跳频信号在很短的周期间隔内改变载频。跳频系统又分为快跳频和慢跳频两种。如果信号跳频的速率等于或接近于符号速率，则该系统称为快跳频系统；如果信号跳频的速率低于符号速率，则称为慢跳频系统。跳时是使发射信号在时间轴上跳变。先把时间轴分成许多时片，在一帧内的哪个时片发射信号由扩频码序列进行控制。由于用了很窄的时片去发送信号，所以信号的频谱被展宽了，达到了扩频的效果。图4-1为扩频系统的模型框图。图4-2 为理想扩展频谱系统波形。s(t)数据源编码器m序列发生器发射机射频振荡器and(t)c(t)cos(2pf0t+j)中频滤波器VCOm序列发生器

11、射频滤波器R(t)r(t)v(t)至数据检测器2cos2p(f0+fIF+)t+(b)接收系统(a)发射系统图4-1扩频系统模型图Tb(a) d(t)+1 -1Tb(e) d(t) +1 -1s(t)=d(t)c(t)cos2pf0t+j(t)(d) s(t)(b) c(t)+1-1Tc(c) d(t)c(t) +1-1图4-2 理想扩展频谱系统波形早在50年代，哈尔凯维奇()已从理论上证明：要克服多径衰落干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式应该是具有白噪声统计特性的信号形式。采用伪噪声码的扩频函数逼近白噪声的统计特性，因而扩频通信系统又具有抗多径干扰的能力。现在我们以直接序列扩频通信系统为例

12、，来研究扩频通信系统的基本原理。它的原理方框图如图1-1所示。图4-1(a)是发射系统方框图，图4-1(b)是接收系统方框图。信源产生的信息流通过编码器输出二进制码流。二进制码流中所含的两个符号的先验概率相同，均为，且两个符号相互独立，其波形图如图4-2(a)所示，二进制数字信号与一个高速率的二进制伪噪声码的波形（如图4-2(b)所示，伪噪声码为m序列）相乘，得到如图4-2(c)所示的复合信号，这就扩展了传输信息的带宽。一般伪噪声码的速率是Mb/s的量级，有的甚至达到几百Mb/s。而待传输的信息流经编码器编码后的码速率较低，如数字话音信号一般为1632kb/s，这就扩展了调制信号的带宽。扩频后

13、的复合信号对载波进行调制(直接序列扩频一般采用PSK调制)，然后通过发射机和天线送入信道中传输。发射机输出的扩频信号用表示，如图4-2(d)所示。扩频信号的带宽取决于伪噪声码的码速率。在PSK调制的情况下，射频信号的带宽等于伪噪声码速率的2倍，而几乎与数字信息流的码速率无关。以上处理过程就达到了扩展数字信息流频谱的目的。Rcf0fffBbfIFfIFBb多径信号窄带干扰白噪声白噪声有用信号有用信号多径信号多径信号窄带干扰有用信号白噪声窄带干扰(a) 接收机输入(b) 混频器输出(c) 中频滤波器输出 图4-3 扩频接收机中频滤波器输出频谱在接收端用一个和发射端同步的伪噪声码所调制的本地振荡信号

14、，与接收到的进行相关处理。相关处理是将两个信号相乘，然后求其数学期望(均值)，或求两个信号瞬时值相乘的积分。当两个信号完全相同时(或相关性很好)，得到最大的相关峰值，经数据检测器恢复发射端的信号。若信道中存在着干扰，这些干扰包括窄带干扰、人为瞄准式干扰、单频干扰、多径干扰和码分多址干扰，它们和有用信号同时进入接收机，如图4-3(a)所示。图4-3中，为伪噪声码速率，为射频频率，为中频频率，为被基带数字信息调制的已调波信号的带宽。由于窄带噪声和多径干扰与本地扩频信号不相关，所以在进行相关处理时被削弱，实际上干扰信号和本地扩频信号相关处理后，其频带被扩展，也就是干扰信号的能量被扩展到整个传输频带之

15、内，降低了干扰信号的电平(单位频率内的能量)，如图4-3(b)所示。由于相关器后的中频滤波器通频带很窄，所以中频滤波器只输出被基带信号调制的中频信号和落在滤波器通频带内的那部分干扰和噪声，而绝大部分的干扰和噪声能量被中频滤波器滤除，这样就大大地改善了系统的输出信噪比，如图4-3(c)所示。关于这一特性，我们将在扩频通信系统的性能分析一章中作进一步分析。为了对扩频通信系统的这一特性有一初步了解，我们以解扩前后信号功率谱密度示意图来说明这一问题。假设有用信号的功率为，码分多址干扰信号的功率，多径干扰信号的功率，其他进入接收机的干扰和噪声的功率。再假设所有信号的功率谱是均匀分布在的带宽之内。解扩前的

16、信号功率谱见图4-4中的(a)，图中各部分的面积都相等，为。解扩后的信号功率谱见图4-4中的(b)，各部分的面积保持不变。通过相关解扩后，有用信号的频带被压缩在很窄的带宽内，能无失真的通过中频滤波器(滤波器2Rc2RcBb(a) 解扩前(b) 解频后有用信号多址信号多径信号噪声有用信号多址信号多径信号噪声图4-4 解扩前后信号功率谱密度示意图的带宽为）)。其它信号因和本地扩频码无关，频带没有被压缩，进入中频滤波器的能量很少，大部分能量落在中频滤波器的通带之外，被中频滤波器滤除了。我们可以定性的看出，解扩前后的信噪比发生了显著的改变。五、 直接序列扩展频谱1实现方法 时钟源 乘法器 调制器 发射

17、机 载波 发生器 伪码 产生器 混频器 本地 振荡器 时钟源 伪 码 产生器 调制器 解调器 中频 放大器数据数据在实际的码分多址系统中，直接序列扩频方式得到了广泛的认可和应用，现以直接序列扩频系统为例说明扩频通信的实现方法。图5-1直接序列扩频系统原理图由直扩序列扩频系统原理图可以看出，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

18、复出所传输的信息。图 5-2为 直接序列扩频各点波形。图 5-2 直接序列扩频各点波形2建立系统仿真模型基于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、频谱分析和性能分析等，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5-3为基于MATLAB/Simulink的扩频通信系统仿真模型。图5-3仿真模型图5-4加性高斯白噪声模块子系统其中子系统的统计模块说明：在Simulink中，没有单独实现统计的计数器模块，需要自行创建，计数子系统的设计如图5-5。

19、参数设置如5-6.图5-5计数模型实现框图图5-6计数器设置信源：随机整数发生器（Random 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，采样时间、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。扩频与解扩：PN序列生成器模块（PNSequence Generator）作为伪随机码产生器，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。调制与解调：使用二相相移键控PSK方式进行调制、解调。调制由正弦载波与双极性扩频码直接相乘实现，采用相干解调法进行解调。信道：传输信

20、道为加性高斯白噪声信道。在加性高斯白噪声信道模块中，可进行信号功率和信噪比的设置。误码计算：误码计算由误码仪实现，误码仪在通信系统中的主要任务是评估传输系统的误码率，它具有两个输入端口：第一个端口（Tx）接收发送方的输入信号，第二个端口(Rx)接收接收方的输入信号。3仿真以及运行情况在给出下列仿真的条件下，观察仿真运行情况。信息速率20b/s，幅度为1；伪随机序列采用10级，传输速率为200b/s的m序列；载波频率10KHz；信号功率为1W，信噪比30dB；仿真时间设为2s。在这样的仿真条件下，理论上可获得10倍的扩频增益。图5-7是系统扩频解扩的仿真结果。上图为信源，中图为扩频码，下图为信宿

21、。从图5-7可见，信源和信宿相同，误码率小于5%，基于MATLAB/Simulink所设计的仿真系统满足扩频通信系统的软件仿真要求。图5-7系统扩频解扩的仿真结果4扩频增益与输出信噪比设置信息速率和伪随机序列传输速率，在扩频增益10和50的情况下，不断改变信噪比的大小，从而得到扩频增益、误码率和信噪比的关系如图5-8。从图5-8可以看到，在相同误码率下，扩频增益越大，输出端信噪比越大，并且随着系统要求的提高，增大扩频增益，输出端信噪比会得到更大的好处。图5-8不同扩频增益下误码率仿真曲线六、跳频扩展频谱1. 原理跳频技术是扩频技术的一种。跳频，即载波频率在伪随机码控制下随机跳变，因此跳频系统可

22、以看做是载频按照一定规律变化的多频频移键控（MFSK）。跳频扩展频谱通信系统是频率跳变扩展频谱通信系统的简称，更确切地说应叫做“多频、选码和频移键控通信系统”。它是用二进制伪随机码序列去离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变。跳变系统可供随机选取的频率数通常是几千到个离散频率。每次移频是根据伪随机码决定的。频率跳变扩展频谱通信系统的系统模型参见图6-1。 调制器 频率 合成器 伪码 产生器 混频器 时钟源 伪 码 产生器 频率 合成器 解调器 中频 放大器数据数据 时钟源图6-1 跳频通信系统模型频率跳变扩展频谱通信系统主要由伪随机码产生器和频率合成器两部分

23、组成。快速响应的频率合成器是频率跳变扩展频谱通信系统的关键部件。频率跳变扩频通信系统发信机的发射频率，在一个预定的频率集内由伪随机码序列控制频率合成器(伪)随机的由一个跳到另一个。收信机中的频率合成器也按照相同的顺序跳变，产生一个和发射频率只差一个中频的本振频率，经混频后得到一个频率固定的中频信号。这一中频信号经放大后送到解调器解调，恢复出传输的信息。在频率跳变扩频通信系统中，控制频率跳变的指令码(伪随机码)的速率，没有直接序列扩频通信系统中的伪随机码速率高，一般为每秒几十跳到几万跳，根据频率跳变的速度，可以将频率跳变系统分为慢频率跳变系统和快频率跳变系统两种。假设数据调制采用频移键控调制，T

24、是一个信息比特宽度，每秒数据调制器输出2L个频率中的一个。每隔秒系统输出信号的射频频率跳变到一个新的频率上。若，这样的频率跳变系统称为慢频率跳变系统。现举例说明慢频率跳变系统的工作过程，参见图6-2。图6-2中，L=2，。数据调制器根据二进制码选择4个频率中的一个，即每隔秒数据调制器从4个频率中选择1个。频率合成器有，个频率可供跳变，每传送2个符号或4个比特后跳变到一个新的频率。发送信号在收信机中同本地振荡信号进行下变频，本振频率的集合为，下变频后的中频信号频率集中在宽度为的频带中。TcTs时间T0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1

25、 0 0 1 1 1 0 0 WdWdWS频率图6-2 慢频率跳变系统频率跳变示意在慢频率跳变系统中，频率的跳变速度比数据调制器输出符号的变化速度慢。若在每个数据符号中，射频输出信号的频率跳变多次，这样的频率跳变系统就叫做快频率跳变系统。图6-3给出了快频率跳变系统输出射频信号的频率。在图6-3中，k=3。TcTs时间0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 WdWdWS频率图6-3 快频率跳变系统频率跳变示意图2. 蓝牙跳频技术蓝牙跳频技术，是实现蓝牙扩谱的关键技术。ISM频段是对所有无线电系统都开放的频段，使用ISM频段的系统容易受干扰。蓝牙跳频系统，

26、使得系统所传输的信号工作在一个很宽的频带上，传统的窄带干扰只能影响到扩频信号的一小部分，这使得信号不容易受到其它无线电波和信号的影响，从而更加稳定。另外，如果在一个频道上遇到干扰，就可以迅速跳到可能没有干扰的另一个频道上工作，从而加强了信号的可靠性和安全性。蓝牙跳频通信系统包括：信号传输部分、信号接收部分、频谱分析部分、误码分析部分。蓝牙跳频通信系统信号传输主要包含两个部分：信号序列产生和在跳频频率上映射该序列。蓝牙跳频通信系统信号接收部分利用相同的随机跳频序列将接收信号进行解调，按照预处理的逆序进行解调，包含FH-CPM Demulator子系统和Dis-assemble Packet子系统

27、两个子系统。发送端在时钟控制下，伪码发生器产生伪随机序列去控制频率合成至生成跳频载波系列，称做跳频图案。跳频通信系统的原理框图见图6-1。图中接收端的预调制滤波器是一种中心频率随信号跳频式样而同步跳变的窄带滤波器（通频带允许所需信号通过），目的在于增加接收机的时间选择性，减少强干扰对接收机可能引起的阻塞现象。 接收的跳频载波序列若与本地产生的跳频序列图案一致，则经混频后可得到一个固定的中频信号，再经解调获得输出。若外来跳频图案与本地图案不一致，则得不到一个固定的中频信号，解调后只是一些噪声而得不到有用的输出。因此时间同步是跳频通信的关键技术。 调制方式可根据跳频信号的特征进行选择。在跳频系统中

28、不宜采用对相位要求严格的调制方式。因为在跳频通信系统中，接收机的本地载波要做到与外来信号的载波在相位上保持相干是很困难的。因此，宜用非相干检测方式。频率合成器是跳频通信系统的重要组成部分。频率合成器的性能将制约跳频速率。对频率合成器的要求是跳频速率快、杂散电平低和功耗小。频率合成器进行频率跳变时，一般有2个阶段：一个是过渡期（暂态时间），一个是滞留期（稳态时间）。要求过渡期尽量的要短，以实现高速转换。3. 仿真模型蓝牙跳频通信系统仿真模型图如下所示： 图6-4 蓝牙跳频通信系统仿真模型图 蓝牙跳频通信系统包括四个部分：蓝牙跳频通信系统信号传输部分、蓝牙跳频通信系统信号接收部分、蓝牙跳频通信系统

29、频谱分析部分、蓝牙跳频通信系统误码分析部分。图6-5 蓝牙跳频通信系统信号传输部分蓝牙跳频通信系统信号传输主要包含两个部分：信号序列产生和在跳频频率上映射该序列。信号产生采用Bernoulli随机信号生成模块产生帧采样率为10、采样时间为1.5e-6的随机信号。信号经预处理在1600/s的跳频上进行映射。图6-6 FH-CPM Modulaor子系统跳频调制方式采用FH-CPM制式调制，输入int1将原始信号进行CPM调制得到脉冲长度为1的Binary符号序列，在另一输入端将跳频速率为1600/s的跳频信号进行M-FSK调制，得到-39MHZ39MHZ的跳频序列，将二者相乘得到输出信号进入传输

30、信道。图6-7 蓝牙跳频通信系统信号接收部分蓝牙跳频通信系统信号接收部分利用相同的随机跳频序列将接收信号进行解调，按照预处理的逆序进行解调，包含FH-CPM Demulator子系统和Dis-assemble Packet子系统两个子系统。FH-CPM Demulator子系统如图6-8所示，图6-8 FH-CPM Demulator子系统输入int1是经传输信道接收的扩频信号。输入int2是随机序列产生器输入的随机跳频序列，该序列与发送端保持同步，经M-FSK调制后与int1中的扩频信号相乘再进行M-FSK解调，得到输出out1。Dis-assemble Packet子系统如图6-9所示，图6-9 Dis-assemble Packet子系统由于经信道传输产生延迟，因此在Dis-assemble Packet