扩频通信系统的建模仿真与频谱分析

1、目录第一章绪论.11.1扩频通信系统简介 .11.2扩频通信开展综述.11.2.1扩频技术的历史.11.2.2扩频技术的现状.21.2.3扩频技术的未来展望.21.3课题研究意义和研究内容.2第二章扩频通信系统.32.1扩频通信技术根本原理 .32.2目前常用的扩频通信系统 .32.2.1直接序列扩频系统原理.32.2.2跳频扩频系统原理.52.2.3直扩/跳频扩频系统原理 .6第三章扩频通信系统的仿真实现.83.1MATLAB软件的相关知识.83.1.1 MATLAB简介.83.1.2 Simulink简介.93.2扩频通信系统的仿真模型 .93.2.1基于Simulink的直接序列扩频通信

2、系统的仿真.3.2.2基于Simulink的跳频扩频通信系统的仿真 .103.3扩频通信系统的仿真结果及分析.113.3.1直接序列扩频系统 .113.3.2跳频扩频系统.15第四章 扩频通信系统的特点和用途.184.1直扩系统的特点和用途.184.2跳频系统的特点和用途.194.3混合扩频系统的特点和用途 .19结论.20主要参考文献.21致谢.22-1 -第一章绪论1.1扩频通信系统简介扩频通信系统具备3个主要特征： 载波是一种不可预测的， 或称之为伪随机的宽带 信号；载波的带宽比调制数据的带宽要宽得多；接收过程是通过将本地产生的宽带载 波信号的复制信号与接收到的宽带信号相关来实现的。频谱

3、扩展的方式主要有以下几种：直序扩频DS-SS使用高速伪随机码对要传输的低 速数据进行扩频调制；跳频系统那么利用伪随机码控制载波频率在一个更宽的频带内变化； 跳时那么是数据的传输时隙是伪随机的；线性调频系统中的频率扩展那么是一个线性变化的过 程。几种方式组合的混合系统也经常得到应用衡量扩频系统最重要的一个指标就是扩频增益，乂称为处理增益。正是因为扩频系统 本身具有的特征使其性能具有一系列的优势：低截获概率；抗干扰能力强；高精度 测距；多址接入；保密性强。也正是这些特性使其获得了广泛的应用。1.2扩频通信开展综述1.2.1扩频技术的历史扩频通信系统是在50年代中期产生的，其最初的应用包括军事抗干扰

4、通信、导航系 统、抗多径实验系统以及其它方面。真正实用的扩频通信系统是在50年代中期开展起来的。麻省理工学院林肯实验室开发的扩频通信系统F9C-A/Rake系统被公认为第一个成功 的扩频通信系统，在该系统的研制过程中，首次提出了瑞克RAKEg收的概念并成功应用， 该系统也是第一个真正实用的宽带通信系统。一直到80年代初期，扩频通信的概念都只是在军事通信系统中得到应用，这种状况到了80年代中期才得到改变。美国联邦通信委 员会FCC丁1985年5月发布了一份关丁将扩频技术应用到民用通信的报告。从此，扩 频通信技术获得了更加广阔的应用空间。扩频技术最初在无绳中获得成功应用，因为当时已经没有可用的频段

5、供无绳使用，而扩频通信技术允许与其它通信系统共用频段，所以扩频技术在无绳的通信系 统中获得了其在民用通信系统中应用的第一次成功经历。而真正使扩频通信技术成为当今 通信领域研究热点的原因是码分多址CDMA的应用。90年代初，在第一代模拟蜂窝通 信系统的根底上，出现了PCS研究的热潮。随着PCS以及蜂窝移动通信的开展，CDMAi术已经成为不可或缺的关键技术。扩频通信技术也在民用通信中找到更为广阔的应用空间 而关丁CDMAfc术的研究热潮也一直延续到现在。1.2.2扩频技术的现状2扩频技术由丁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

6、频系统与直扩系统 那么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成心干扰，在卫星通信中也用丁保密通信，而直扩系统那么主要是一种民 用技术。对跳频系统的分析，现在仍集中在其对抗各种干扰的性能方面， 如对抗局部 边带干扰以及多频干扰等。而直扩系统，即DS-CDMAC统，在移动通信系统中的 应用那么成为扩频技术的主流。欧洲的GSM标准和北美的以CDM破术为根底的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。而在目前所有提议的第三代移动通信系统3G标准中都采用了某种形式的CDMA0此CDMA技术成为目前扩频技术中研究最多的对象。1.2.3扩频技术的未来

7、展望从扩频技术的历史可以看出，每一次技术上的大开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。3G设计的目标主要是支持多媒体业务的高速数据传输，因此其研究主要集 中在新标准和新硬件的开发。而对丁3G以后的开展，不同的研究者有不同的观 点。但是从用户的观点看，4G应该具备以下的主要特征：最大的灵活性，应该能够满足在任何时间和地点，通过任何设备都可以实现通信； 降低本钱，4G在实现比3G的传输速率高12个数量级的同时，还应该使本

8、钱降为3G时的1/10或1/100;个性化和综合化的业务，不仅仅是保证每个人都能通过一个终 端进行通信，而要在人周围的家庭、办公室以及热点地区建立一个通用的信息环 境，使每个人都可以根据需要以各种方式获得信息。1.3课题研究意义和研究内容本课题的研究意义主要在丁：在扩频通信系统开展的越来越快，也被人们越 来越认可的情况下，我们来研究基丁MATLAB扩频通信系统的建模仿真与频谱分 析是十分必要的。采用扩频通信系统，有抑制抗干扰能力强，信号的功率谱密度 低，信号便丁隐蔽和隐藏，可实现随意选址能力的码分多址的通信， 可进行高分 辨率的测距的优势。本文先介绍扩频系统的开展状况，得到扩频技术在现代通信

9、系统中应用是很广泛的，在目前正高速开展的3G通信中得到应有，并且会受到未来4G技术的宵睐。用MATLAB/Simulink对直接序列扩频系统和跳频扩频系统 进行仿真，通过建模仿真和频谱分析到达进一步了解扩频通信系统的目的，具有3一定的实用价值。本论文主要研究扩频通信系统的分类及各类的建模仿真与频谱分析，其研究内容主要有：1、进行扩频通信系统的简要介绍和两种具体的扩频通信系统的工作原理的介 绍。2、介绍MATLAK Simulink模块的特点，然后对直接序列扩频系统和跳频扩频 系统进行了仿真和结果分析。3、 简要介绍几种扩频通信系统的特点和用途。第二章扩频通信系统2.1扩频通信技术根本原理扩频通

10、信系统的理论根底是仙农定理C = WLog2(1 S / N)(公式1)式中：C 信道容量，W 传输带宽，S/N 信号功率/噪声功率。在信息速率一定时，可以用不同的信号带宽和响应的信噪比来实现传输，即信号带宽越宽那么传信噪比可以越低，甚至在信号被噪声淹没的情况下也可以实现可靠 通信。因此，将信号的频谱扩展，那么可以实现低信噪比传输，并且可以保证信号 传输有较好的抗干扰性和较高的保密性。2.2目前常用的扩频通信系统主要有直接序歹0扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)系统，跳频扩频(FH-SS系统，跳时扩频(TH-SS系统，直扩/调频系统等方式.2.2.1直接序列

11、扩频系统原理直接序列扩频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。直扩系统的原理框图如图2-1所示：4a(t) _ d(t) _ s(t)信源-fc-扩频-调制*kc(t)foPN码振荡(a)发射端(b)接收端图2-1直扩系统组成框图图2-1为直扩系统的组成原理框图。在发送端，由信源输出的信号a(t)是码元持续时间Ta的信息流，伪随机码产生器产生的伪随机码为c(t),每一伪随机 码元宽度为Tc,将信码a(t)与伪随机码c(t)进行模二加，产生一速率与伪随机速 率相同的扩频序列，

12、然后再用扩频序列去调制载波，这样就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，用与发端同步的伪随机 序列对中频的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a(t)的频带，即为中频调制信号；然后再进行解扩，恢复出所传输的信息a(t)，从而完 成信息的传输。直扩系统的主要性能指标：直扩系统的两个重要的抗干扰指标是处理增益和 干扰容限。(1)处理增益：在扩频系统中，传输信号在扩频和解扩的扩频过程中，扩频 系统的抗干扰性能得到提高，这种扩频处理得到的好处，就称之为扩频系统的处 理增益。其定义为接收机处理器输出与输入信噪比的比值，即输出信噪比与输入信噪比的比值，即G

13、p =输入信噪比/输出信噪比=(So/No)/(Si/Ni)5(公式1)一般用分贝表示，为Gp =10Log (So/No)/(Si/ Ni)(公式2)对丁直扩系统，解扩器的输出信号功率不变，但对丁干扰信号而言，由丁解 扩过程相当丁干扰信号的扩展过程，干扰功率被分散到很宽的频带上，进入解调 器输入端的干扰功率相对解扩器输入端下降很大,即干扰功率在解扩前后发生了 变化。因此，对丁直扩系统而言，器处理增益就是干扰功率减小的倍数。(2)干扰容限：所谓干扰容限，是指在保证系统正常工作地条件下，接收机 能够承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数，用Mj表示，有Mj =Gp -Ls (So/ No)dB(公

14、式3)式中，Ls为系统内部损耗；(So/No)为系统工作时要求的最小输出信噪比，即 相关器的输出信噪比或解调器的输入信噪比；Gp为系统的处理增益。干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能抵抗的极限干扰强度， 即只有当干 扰机的干扰功率超过干扰容限后， 才能对扩频系统形成干扰。因而，干扰容限往 往比处理增益能更确切地反映系统的抗干扰能力。2.2.2跳频扩频系统原理跳频也是一种扩频方式，跳频系统的载频受一伪随机码的控制， 不断地、随 机地跳变，可看成载频按照一定规律变化的多频频移键控(MFSK。与直扩系统 相比较，跳频系统中的伪随机序列并不直接传输， 而是用来选择信道。跳频系统 从20世纪60年代后期

15、开始，开展便非常迅速。跳频系统的原理框图如图2-2所 示：(a)发送端6(b)接收端图2-2跳频系统组成框图图2-2所示，在发送端，用信源产生的信息流a (t)去调制频率合成器产生的 载频，得到射频信号。频率合成器产生的载频伪随机码的控制， 按一定规律跳变。 跳频系统的解跳多采用非相干解调，因而调制方式多用FSK ASK等可进行非相干解调的调制方式。在接收端，接收到得信号与干扰经高放滤波后送至混频器。 接收机的本振信号也是一频率跳变信号，发端的本振和收端的本振的跳变规律是 相同的，两个合成器产生的频率相对应，但对应的频率有一频率差为fi,正好为接收机的中频。只要收发双方的伪随机码同步，就可使收

16、发双方的跳频源一一频 率合成器产生的跳变频率同步，经混频器后，就可得到一不变的中频信号，然后 对此中频信号进行解调，就可恢复出发送的信息。而对丁干扰信号而言，由丁不 知道跳频频率的变化规律，与本地的频率合成器产生的频率不相关，因此，不 进入混频器后面的中频通道，不能对跳频系统形成干扰，这样就到达了抗干扰的 目的。在这里，混频器实际上担当了解跳器的角色，只要收发双方同步，就可将 频率跳变信号转换成为一固定频率(中频)的中频信号。2.2.3直扩/跳频扩频系统原理跳频和直扩系统都具有很强的抗干扰能力， 是用得最多的两种扩频技术。将 两种有机的结合起来，可以大大改善系统性能，提高抗干扰能力。直扩 /跳

17、频混 合系统的组成框图如图2-3所示：7(b)接收端图2-3直扩/跳频系统的组成框图调制(a)发送端8图2-3的图(a)中，需要发送的信号首先被伪随机码1扩频，然后去调制伪 随机码的2控制的频率合成器产生的跳变频率，被放大后发送出去。接收端首先 进行解跳，得到一固定中频的直扩信号，然后进行解扩，送至解调器，将传送的 信号恢复出来。在这里用了两个伪随机码，一个用丁直扩，一个用丁控制频率合 成器。一般用丁直扩的伪随机码的速率比用丁跳频的伪随机码的速率要高得多。采用直扩/跳频混合扩频技术，有利丁提高系统的抗干扰性能。干扰机要有 效地干扰直扩/跳频系统，需要同时满足两个条件：频率要跟上跳变频率的变 化

18、；干扰电平必须超过直扩系统的干扰容限。由此可见，采用直扩/跳频混合扩频系统后，提高了系统的抗干扰能力，更 能满足系统抗干扰的要求，而且将跳频系统和直扩系统的优点集中起来， 克服了 单一扩频方式的缺乏。如直扩系统对同步的要求高，“远一一近效应影响大， 这些缺乏是跳频系统的优点；跳频系统在抗选择性衰落、抗多径等方面的能力不 强，直扩系统正好弥补了他的缺乏。这样，把直扩和跳频相结合，使系统更加完 善、功能更强，提高了系统的保密程度，给敌方的窃听、截获设置了更多的障碍。第三章扩频通信系统的仿真实现3.1 MATLAEB件的相关知识3.1.1 MATLAB简介MATLAB所有Math-Works公司产品

19、的基石，它包括了数值计算，2D和3D图形，语句以及单一使用环境下的语言能力。MATLAEM备卓越的数值计算能力， 还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB勺根本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学工程中常用的形式十分 相似，故用MATLAB解算问题要比用C语言完全不同的是简捷得多。MATLABS更直观的，符合人们思维习惯的代码，代替了C语言的冗长代码。MATLAB合用户带来的是最直观，最简洁的程序开发环境。Matlab语言有如下特点：(1)编程效率高它是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语言编写程 序，且比Basic、Fortran和C

20、等语言更加接近我们书写计算公式的思维方式， 用Matlab编写程序犹如在演算纸上排歹U出公式与求解问题。因此,Matlab语言9也可通俗地称为演算纸式科学算法语言由丁它编写简单，所以编程效率高，易学易懂。(2)用户使用方便Matlab语舌是一种解释执行的语言 (在没被专门的工具编译之前)，它灵 活、方便，其调试程序手段丰富，调试速度快，需要学习时间少。人们用任何一 种语言编写程序和调试程序一般都要经过四个步骤：编辑、编译、连接以及执行和调试。各个步骤之间是顺序关系，编程的过程就是在它们之间作瀑布型的循环。Matlab语言与其它语言相比，较好地解决了上述问题，把编辑、编译、连接和 执行融为一体。

21、它能在同一画面上进行灵活操作快速排除输入程序中的书写错 误、语法错误以至语意错误，从而加快了用户编写、修改和调试程序的速度，可 以说在编程和调试过程中它是一种比VB还要简单的语言。(3)扩充能力强高版本的Matlab语言有丰富的库函数， 在进行复杂的数学运算时可以直接 调用，而且Matlab的库函数同用户文件在形成上一样，所以用户文件也可作为Matlab的库函数来调用。因而，用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新 的库函数，以便提高Matlab使用效率和扩充它的功能。(4)语句简单，内涵丰富Matlab语言中最根本最重要的成分是函数，其一般形式为a, 6, c, =fun (d,e, f,)

22、，即一个函数由函数名，输入变量d, e, f,和输出变量a, b, c,组成，同一函数名F,不同数目的输入变量(包括无输入变量) 及不同数目的输出变量，代表着不同的含义(有点像面向对象中的多态性。 这不 仅使Matlab的库函数功能更丰富， 而大大减少了需要的磁盘空间， 使得Matlab编写的M文件简单、短小而高效。(5)高效方便的矩阵和数组运算Matlab语言象Basic、Fortran和C语言一样规定了矩阵的算术运算符、 关系运算符、逻辑运算符、条件运算符及赋值运算符，而且这些运算符大局部可 以毫无改变地照搬到数组问的运算，有些如算术运算符只要增加“就可用丁 数组问的运算，另外，它不需定义

23、数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门 的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问 题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比较的。在此根底 上，高版本的Matlab已逐步扩展到科学及工程计算的其它领域。因此，不久的 将来，它一定能名符其实地成为“万能演算纸式的科学算法语言。(6)方便的绘图功能Matlab的绘图是十分方便的，它有一系列绘图函数(命令)，例如线性坐 标、对数坐标，半对数坐标及极坐标，均只需调用不同的绘图函数(命令),在 图上标出图题、XY轴标注，格(栅)绘制也只需调用相应的命令，简单易行。 另外，在调用绘图函数时调整自变量可绘出不变颜

24、色的点、线、复线或多重线。 这种为科学研究着想的设计是通用的编程语言所不及的。总之，Matlab语言的10设计思想可以说代表了当前计算机高级语言的开展方向。我们相信，在不断使用中，读者会发现它的巨大潜力。3.1.2 Simulink简介MATLAE一种数学应用软件，经过多年的开展，开发了包括通信系统在内 的多个工具箱，成为目前科学研究和工程应用最广泛的软件包之一。Simulink是MATLAB的一种可视化仿真工具，是一种基丁MATLAE勺框图 设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用丁线性 系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连

25、续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速 率系统， 也就是系统中的不同局部具有不同的采样速率。 为了创立动态系统模 型， Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口 GUI，这个创立过 程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式， 而且用户可以立即看到系统的仿真结果。3.2扩频通信系统的仿真模型3.2.1基丁Simulink的直接序列扩频通信系统的仿真利用Matlab中的Simulink对直扩系统进行仿真，直接序列扩展频谱通信系 统的仿真图如图3-1所示。11图3-1直接序列扩频通信系统仿真模型系统简介：图3-1中，发射机子系统“

26、CDM/Trans. ，信道由“AWGChannel模块、采样率为2000次/秒的300Hz离散正弦波源以及加法器模块组成。 接收机 的本地PN序歹0由和发射机中完全相同参数的“PNSequenceGenerator 模块和 单双极性转换模块构成，其同步的双极性伪随机码送入解扩器乘法器中与接收信号相乘进行解扩，然后送入BPSK解调器等效基带模型进行解调和解码。由 丁解扩信号的采样率为2000次/秒， 而BPSK基带数据信号速率为100bps,其采样 率亦为100次/秒，故BPSK解调器中应设置“Samples per symbol参数为20。BPSK解调输出是单极性的二进制数据，经过单双极性变

27、换并进行升速率采样后 送入频谱仪观察功率谱。接收机中以“Bernoulli Binary Generator 产生同发 送数据的数据流，并延迟2个数据码元宽度以补偿接收延时，然后比照接收解调 数据流，显示数据波形并统计误码率。3.2.2基丁Simulink的跳频扩频通信系统的仿真利用Matlab中的Simulink对跳频系统进行仿真，跳频扩展频谱通信系统的 仿真图如图3-2所示。PM StqmnciMphrloCo-fitrterScopt2Rffte Tnansilj。莅Unrt Dela gptctrumsoopti12B AHbjndS图3-2跳频扩频通信系统仿真模型系统简介： 该系统届

28、丁一个慢跳频扩频系统。 跳频输出信号带宽约为50*32 = 1600H乙其等效低通信号频率变化范围为-800Hz到800H乙为了使仿真观测频谱 范围到达-2000Hz至U2000H乙信号采样率应设计为4000次/秒。所以每一个传输 数据码元的仿真采样点数为40点。跳频速率为50跳/秒，故每跳持续时间为0.02秒，对应的采样点数为80点。伪随机码采用m序列，也可采用Gold序列。将伪 随机码中每5bit转换为一个0到31的随机整数，以控制跳频载波的输出频率。 由丁假设接收机伪随机码是理想同步的，且信道没有时延，在模型中可直接用发送方的伪随机码作为接收机恢复的伪随机序歹0。3.3扩频通信系统的仿真

29、结果及分析3.3.1直接序列扩频系统直接扩频传输系统频谱仿真结果：图3-3是原始信息的频谱,图3-4是扩频后的信号频谱13图3-3原始信息频谱图3-4扩频后的信号频谱14比照图3-3和图3-4可知， 数据信号的带宽约100HZ其功率峰值为20dB，而扩频输出信 号带宽为2KHZ带宽 展宽了约20倍，其功率 下降到约7dB处。图3-5经信道传输后的频谱15图3-6解扩输出信号频谱图3-5为信息经信道传输后的频谱，比照图3-4和图3-5可知，信息经信道传输后，信号被叠加了噪声和干扰。图3-6为解扩后的信息频谱，由图可知，解扩后，原来被展宽的信号频谱将 被收缩成带宽为100Hz的BPSK调制信号，而

30、单频正弦干扰以及噪声信号将被解 扩器进行频谱扩展。16照图3-7解调后的信号频谱图3-9直扩系统的误码率Display17结果分析：AWGM言道中噪声 方差设置为10。可 见，经过信道传输 并添加单频干扰 后，扩频信号被淹 没在噪声和干扰 之中。解扩后，原 来被展宽的信号 频谱将被收缩成 带宽为100H力勺BPSK调制信号，而单频正弦干扰以及噪声信号将被解扩器进行频谱扩展。在方差为10的零均值加性高斯白噪声，以及幅度为1的100Hz单频干扰 下，该扩频系统的传输错误比特率仿真结果约为0.026。如图3-9所示。3.3.2跳频扩频系统跳频扩频传输系统频谱仿真结果：图3-10是信息经调制后输出的频

31、谱，图3-11是跳频扩频后的信号频谱。图3-10信息经调制后输出的频谱18比照图3-10和图3-11可知，数据信号的带宽约100HZ其功率峰值为20d B ,而跳频扩频输出信号带宽为1600HZ左右，带宽展宽了约15倍，其功率下降到约4dB处。图3-11跳频扩频后的信号频谱图3-12经信道传输后的频谱19图3-13跳频解跳输出信号的频谱图3-12为信息经信道传输后的频谱，由图可知，信息经信道传输后信号被叠加了噪声和干扰。图3-13为信息经解跳输出 的信号频谱，信 号被恢复。20o.ooosggg图3-15跳频系统的误码率由图3-15可知，该系统的误码率是很低的。第四章扩频通信系统的特点和用途4.1直扩系统的特点和用途主要特点：(1)具有较强的抗干扰能力。扩频系统通过相关接收，将干扰功率扩展到很宽 的频带上去，使进入信号的频带内的干扰功率大大降低， 提高了解调器输入端的 信干比，从而提高了系统的抗干扰能力。这种能力的大小与处理增益成正比。(2)具有很强的隐蔽性和抗侦查、抗窃听、抗侧向的能力。扩频信号的谱密度 很低，使信号淹没在噪声之中， 不易被敌方截取、 侦察、 侧向和窃听。 直扩系统 可在-15-10dB乃至更低的信噪比条件下工作。(3)具有选址能力，可实现码分多址。扩频系统本来是一种码分多址通信系统。 用不同的码可以组成不同的网，组网能力强，其频谱利用率并不因占有的频