直接扩频通信系统仿真

1、目录目录引言引言.11.直接扩频通信概述直接扩频通信概述.11.1 基本原理.21.2 扩频通信的主要特点.21.3 扩频通信的方式.31.4 直接序列扩频通信系统.31.5 伪随机序列-M序列.42.SYSTEM VIEW 软件仿真软件仿真.72.1 SYSTEM VIEW动态软件简介.72.2 直接扩频通信系统仿真（无噪声情况） .8系统模型及主要模块参数.8主要输出点波形.10结束语结束语.11参考文献参考文献.13致谢致谢.15摘要摘要本设计首先介绍了直接序列扩频基本原理，比较详细的论述了 m 序列的相关理论，第二部分用 System View 软件进行了系统仿真，得到了系统主要输出点

2、波形，并对其进行了分析。关键词：关键词：扩频 ；m 序列；二进制移相键控；抗干扰AbstractThe basal principle of DSSS is introduced and the theory of m sequences including the generation method and the correlation properties is discussed in detail. briefly in the first chapter of the thesis. In the second chapter, the DSSS simulation system

3、 is built and the waveforms of a variety of output points are presented and analysed. KeyWords:Spreading spectrum;m sequence;BPSK; Anti-jamming直接扩频通信系统仿真直接扩频通信系统仿真引言引言随着高技术的飞速发展，电子技术在军事武器装备中的核心支撑作用越来越明显，特别是现代战争更加剧了电磁领域的对抗。电子战越来越受到各国政府和军方的重视，不惜投入大量的人力物力，对电子对抗技术进行研究，以便在电子战中取得优势，进而取得战争胜利。扩展频谱通信是现代通信系统中

4、的一种新兴的通信方式，其较强的抗干扰、抗衰落和抗多径性能及频谱利用率高，多址通信等诸多优点越来越为人们所认识，并被广泛地应用于军事通信和民用通信的各个领域，从而推动了通信事业的迅速发展。但是扩频通信的使用给电子干扰带来了巨大的困难，如何有效的干扰扩频通信成为取得现代电子战胜利的关键1。在这样的背景下，本课题主要对扩频通信中最常用的直扩通信系统进行干扰效能评估和仿真，包括常规大功率单干扰和新型低功率分布式干扰。1.直接直接扩频通信概述扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)具有多址接入、低截获概率特性、抗干扰特性和强保密性等特点，在军事通信、移动通信和情报系统中

5、得到广泛的应用。本章主要是介绍扩频通信尤其是直扩通信系统的基本原理和抗干扰能力，并构建扩频通信系统仿真平台。1.1 基本原理基本原理扩展频谱系统是指发送的信号被展宽到一个很宽的频带上，这一频带比要发送的信息带宽宽得多，在接收端通过相关接收，将信号恢复到信息带宽的一种系统，简称为扩频系统或SS (Spread Spectrum)系统2。由扩展频谱系统的定义，我们发现要实现扩频技术所使用的系统比常规系统的复杂度要高的多，付出的代价是昂贵的，能得到什么好处呢?可以从香农(Shannon)定理中找到扩频技术的理论基础3。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

6、量)为:C=Wlog2(1+P/N) （1-1）这个公式指示出：如果信息传输速率 C 不变，则带宽 W 和信噪比 P/N 是可以互换的，就是说增加带宽就可以在较低的信噪比的情况下以相同的信息率来可靠的传输信息，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，仍然保持可靠的通信，也就是可以用扩频方法以宽带传输信息来换取信噪比上的好处。这就是扩频通信的基本思想和理论依据。1.2 扩频通信的主要特点扩频通信的主要特点1）抗干扰能力强4，5对于干扰信号而言，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，相应地增加了相关器输出端的信干比，因此具有较强的抗

7、干扰能力。2）可行多址通信4，5扩频通信本身就是多址通信，即扩频多址，用不同的扩频码构成不同的网，虽然扩频系统占用了很宽的频带，完成信息的传输，但是，很强的多址能力保证了它的高频谱利用率。3）安全保密4，5扩频系统发射的信号谱密度低，近似于噪声，有些系统可在-20-15dB信噪比条件下工作，对方很难测出信号的参数，从而达到安全保密通信的目的。4）抗多径4，5扩频技术本身具有很强的抗多址能力，只要条件满足一定的条件，就可达到抗干扰甚至可以利用多径能量来提高系统性能的目的。1.3 扩频通信的方式扩频通信的方式扩频系统包括下面几种扩频方式:1)直接序列扩频，记为DS (Direct Sequence

8、)；2)跳频，记为FH (Frequency Hopping)；3)跳时，记为TH (Time Hopping)；4)线性调频，记为Chirp。除了上面四种基本方式外，还有这些扩频方式的组合方式，如FH/DS，TH/DS，FH/TH等6。本论文主要是针对直接序列扩频系统干扰性能的研究，下面对其进行简单介绍。1.4 直接序列扩频通信系统直接序列扩频通信系统直接序列扩频系统是将要发送的信息用伪随机(PN)序列扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的信息7。图1-1是直扩系统的组成原理框图。 信源扩频PN码调制振荡器a(t)s(t)

9、c(t)d(t)0f高放混频解扩解调本振PN码同步)(1tr)(1tr)(ta1f)(tc图1-1直扩系统组成框图由信源输出的信号。a(t)是码元持续时间为Ta的信息流，伪随机码产生器产生的伪随机码为。c(t)每一伪随机码码元宽度或切普(chip)宽度为Tc。将信息码a(t)和c(t)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,然后再进行解调，恢复出所传输的信息a(t)

10、，从而完成信息的传输。对于千扰和噪声，由于和伪随机序列不相关，在相关解扩器的作用下，相当于进行了一次扩频。从而千扰和噪声的频谱被扩展，其谱密度降低，这样就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使调制解调器的输入信噪比和信干比提高，提高系统的抗千扰能力。1.5 伪随机序列伪随机序列-m 序列序列在扩频系统中，信号的频谱扩展是通过扩频码实现的，扩频码对整个系统的性能起着决定性的作用。系统的抗干扰、抗噪声、抗衰落、抗截获、信息的隐蔽和保密、多址通信以及实现同步与捕获等都是与扩频码的设计密切相关的8。能满足上述要求的扩频编码应具有如下理想特性:1）伪随机码应必需具有尖锐的自相关函数，而互相关函数应接近

11、于零；2）具有足够长的码周期，以确保抗侦破、抗干扰的要求；3）有足够多的独立地址数，以实现码分多址的要求；4）工程上易于产生、加工、复制和控制。理论上白噪声具有瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽频带内都是均匀的。它具有优良的相关特性，但是至今无法实现对白噪声放大、调制、检测、同步及控制等。因此，我们必需选用类似于带限白噪声统计特性的伪随机码信号来逼近它，并用做扩频系统的扩频码。m序列是最长线性移位寄存器序列，是伪随机序列中最重要的一种。这种序列易于产生，有优良的自相关特性9-12。它的产生是由移位寄存器加反馈形成的，其结构如图1-2所示。1a2a3a1rara0c1c2c1rcrc输出图1-2反

12、馈移位寄存器结构Am序列的性质序列的性质主要有以下几点:1）序列的平衡性：m 序列一个周期中“1”的个数比“0” 多 1，且 1 的个数为2n-1，0 的个数为 2n-1-1。2）移位可加性：某个 m 序列同相移为任意值的同一 m 序列的模 2 和是另一相移的 m 序列。 3）在周期为 p=2 -1 的 m 序列中，总共有 2个游程，有一个长度为 n 的n1n1 游程，一个长度为 n-1 的 0 游程。Bm 序列信号的产生序列信号的产生1）序列多项式与特征多项式设线性移位寄存器产生的序列为 a =a ,a ,a ,n012定义以二元有限域的元素 a (n=0,1,2,)为系数多项式叫序列多项式

13、。n G(x)= a +a x+a2x2+ = (模 2 加) （1-2）010nnnxa式中 a 取 0，1 两个值，符号 x 的幂次表示序列元素的位置。n若 r 级线性移位寄存器的初始状态为 a,a,ar1r1且满足线性反馈逻辑 a =c a+c a+c a (模 2 加) （1-3）n11n22nrrn可得序列多项式 G(x)与反馈逻辑函数关系： G(x)= （1-4）riiirxcc11如果把模 2 加法器反馈到第一级的连线c =1 考虑进去，式 2-12 的分母就是0反馈逻辑。令 F(x)=1+= （1-5）riiixc1riiixc0为特征多项式。因 c =1,所以上式变为 r G

14、(x)=1/F(x) （1-6）上式说明序列多项式是特征多项式的倒数。知道了特征多项式，通过长除就可以求出 G(x).2）本原多项式设 F(x)=,c =1,c =1 是 F 域上的特征多项式，以 G(F)代表由特征多riiixc00r2项式所产生的所有非零序列的集合。于是 G(F)中之非零序列均为 m 序列的充要条件是 F(x)为 F 上的本原多项式。2所谓本原多项式是指 F(x)是不可约的，F(x)可整除 1+x ，p=2 -1，F(x)除不pr尽 1+x ，qp.q 在实际应用时，常常是根据需要确定所要求的码长，有 p=2 -1 确定移位寄r存器的级数 r，查本原多项式表，确定 F(x)

15、，由 F(x)就可以决定线性移位寄存器的反馈连线。2.System View 软件仿真软件仿真2.1 System View 动态软件简介动态软件简介System View 是 ELANIX 公司推出的一个用于现代工程与科学系统设计、模拟的动态系统分析工具，是一个功能强大、有多种用途的工具平台，它有大量可供选择的库可以构成各种复杂系统，它还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统数据及波形。System View 特别适合于无线电话（GSM，CDMA，FDMA，TDMA）和无绳电话，寻呼机和调制解调器以及卫星通信（GPS，DBS，LEOS）设计。它主要由系统设计和系统分析两大部分组成，在系

16、统设计中 System View 提供了信号源图符库、算子图符库、函数图符库、信号接受图符库。在系统分析中 System View 设置了信号接受器图符库，作为分析的窗口，为时域和频域的波形与数值分析提供了方便的途径。这是由于这些库中提供的大量完成具体功能的图符单元，使复杂的系统设计和模拟变得易于实现13-15。2.2 直接扩频通信系统仿真（无噪声情况）直接扩频通信系统仿真（无噪声情况）2.2.1 系统模型及主要模块参数系统模型如下图所示：图 2-1 直接扩频通信系统（无噪声情况）此系统主要模块参数如下，一、发送部分1）(Token 1)为信息码发生器，主要参数如下：Source: PN Se

17、q Amp =1v Offset =0v Rate = 2e+3 Hz2）(Token 2)为 m 序列发生器，它的时钟信号是 128K 的脉冲信号，所以产生的 m 序列速率为 128K，主要参数如下：Comm: PN Gen Reg Len = 7 Taps = 6- 7 True = 1 False =-1 Rate = 128e+33）(Token 3)为异或门，信息码和 m 序列通过它来产生扩频信号，它的输出信号为双极性的二进制信号，主要参数如下：Operator: XORThreshold = 500.e-3 True = 1 False = -14）(Token 5)为正弦波发生器

18、，主要参数如下：Source: SinusoidAmp =1v Freq=1e+6 Hz Phase =0 deg 5）(Token 6)为平衡调制器，它是一乘法器。二、接收部分1）(Token 9)为接收滤波器，它是一带通滤波器，主要参数如下：Operator: Linear SysLow Fc = 850e+3 Hz Hi Fc = 1.15e+6 Hz2）(Token 10)为解调器，它是一乘法器。3）(Token 11)为本地载波信号，和发送端的载波信号参数相同。4）(Token 18)为解扩器，它是一乘法器。5）(Token 19)为本地 m 序列发生器，它发送端的 m 序列参数相同

19、。6）(Token 12)为低通滤波器，主要参数如下：Operator: Linear SysFc = 2.2e+3 Hz7）(Token 13 及 14)为抽样保持模块，主要参数如下：Operator: SamplerRate = 4e+3 Hz8）(Token 15)为比较器，主要参数如下：Operator: CompareComparison = True Output =1v False Output =-1vA Input =采样保持模块输出 B Input =参考电平2.2.2 主要输出点波形为了更清晰的表现，此系统工作过程，故把主要点的波形进行了比较。如下所示：1）调制以前的信号

20、与解调后信号比较：图 2-2 调制前后信号如上图所示，上面的波形为调制前即扩频后的信号，下面的波形为解调后即解扩前的信号。2）调制后的信号功率谱密度。图 2-3 调制后信号功率谱密度因扩频后的信号频率为 128KHz，载波频率为 1MHz，两个频率相差很大，调制后信号在时域上不便于观察，划出此信号功率谱密度，此图同样能反映调制后信号特性。如图中所示，中心频率为 1MHz，第一个零点分别在 1MHz+128K和 1MHz-128K 处，因此可以看出，载波信号为 1MHz，调制信号为 128K，也就是扩频后的信号。3）发送波形、低通滤波输出波形、接收波形比较：图 2-4 发送波形、低通滤波器输出波

21、形、接收波形如上图所示，第一个波形为发送信号，第二个波形为接收端低通滤波器输出信号，第三个波形为恢复出的信号。它和发送信号有一段时延。结束语结束语 直接序列扩频通信系统是一个复杂的通信系统，凭个人能力无法完成如此繁重的工作，从本设计目的出发，作者只是从实验的角度完成了一个功能实现演示系统。现在也已经有了专门的扩频通信芯片，考虑到本设计目的，作者并没有采用此芯片，系统各个部分电路都是用最基本的数字及模拟电路设计完成，并最终实现了其功能。直接扩频系统，在发送端的设计一般都采用先扩频后调制，既先用扩频码和信息码进行模 2 运算，产生扩频信号，然后用此信号去调制载波，采用二相移频键控（BPSK）方式。

22、而在接收端为了恢复出原信号，也要分两步进行，可以先解扩后解调，也可以先解调后解扩。但为了和发送端相对应，本设计采用后者，但在解扩之前不能把解调器输出信号恢复成数字信号。通过这次毕业设计，作者收益颇丰。参考文献参考文献1沈允春.扩谱技术.北京：国防工业出版社，1995:126-175.2 查光明、熊贤祚.扩频通信.西安：西安电子科技大学出版社，1999:1-200.3 曾兴雯，刘乃安，孙献璞.扩展频谱通信及其多址技术,西安:西安电子科技大学出版社，2004:32-182.4 郭晋祥，陈小昊，李艳萍.扩频通信基本工作原理及其组网应用.山西电力技术，1999(4):5-8.5 :154-159.6 :461-464.7 WeiHua Zhuang. Modeling and Analysis for the GPS Pseudo-Range Observable. IEEETransactions on Aerospace and Electronic