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直接序列扩频通信系统.doc

发布时间：2022-06-10 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.15M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    【摘要】直接序列扩频通信系统（DS-CDMA）因其抗干扰性强、 隐蔽性好、易于实现码分多址（CDMA
    1. 引言
    1．1 直序扩频系统的应用背景:
    1．2 直序扩频系统的特点:
    1.3 直扩系统的发展
    2．CDMA数字蜂窝移动通信的介绍
    2．1 CDMA简介
    2.1.1CDMA技术背景
    2.1.2．几种常见的CDMA技术。
    2.1.3 CDMA的特点：
    2.2 CDMA通信技术的基本原理
    2.2.1 CDMA通信技术的基础
    2.2.2 CDMA通信技术的基本原理
    2.3 CDMA的应用前景
    3． 扩频码序列
    3.1 码序列的相关性
    3.2 m序列
    3.3 GoId码序列
    4． 直接序列扩频通信技术
    4.1直接序列扩频的概念及理论基础
    4.1.1 直接序列扩频的概念
    4.1.2 扩频通信的理论基础
    4.1.3扩频增益和抗干扰容限
    4.2直接序列扩频的基本原理
    4.3  直扩系统的性能
    4.3.1 直扩系统的抗干扰性
    4.3.2 直扩信号的抗截获性
    4.3.3 直扩码分多址通信系统
    4.3.4 直扩系统的抗多径干扰性能
    4.3.5 直扩测距定时系统
    4.4扩频序列通信系统的同步原理
    5. 直接序列扩频通信系统的MATLAB仿真
    5.1 MATLAB的基本操作
    5.2 Simulink仿真技术
    5.2.1 Simulink窗口环境
    5.2.2功能模块的连接及设置
    5.2.3 Simulink对通信系统的仿真
    2）Display——将输入信号以数字的形式显示出来。
    3）Error Rate Calculation——计算输入信号的比特或符号错误率。
    4）AWGN channel——AWGN信道。
    5）PN Sequence Generator——生成PN序列。
    6）Bernoulli Binary Generator——生成Bernoulli分部二进制数。
    7）BPSK Demodulator Basband ——BPSK解调。
    8）BPSK Modulator Basband——BPSK调制
    1 .扩频与解扩的Simulink仿真图
    在数字通信系统中，编码器的输出是某一数字序列，而译码器输入同样也是一数字序列，它们在一般情况下是相同
    5.3 MATLAB源程序设计
    【参考文献】
    【致 谢】
    【附录】
    英文文献
    中文文献
    中北大学分校学士学位论文 【摘要】直接序列扩频通信系统（DS-CDMA）因其抗干扰性强、 隐蔽性好、 易于实现码分多址（CDMA）、抗多径干扰、直扩通信速率高等众多优点，而被 广泛应用于许多领域中。针对频通信广泛的应用，本文用 MATLAB 工具箱中的 SIMULINK 通信仿真模块和 MATLAB 函数对直接序列扩频通信系统进行了分析和仿 真，使其更加形象和具体。 I
    中北大学分校学士学位论文 目 录 【摘要】 ...................................................................... I 【ABSTRACT】 .................................................... 错误！未定义书签。 1.引言 ........................................................................ 1 1.1 直序扩频系统的应用背景 ...................................................1 1.2 直序扩频系统的特点 .......................................................2 1.3 直扩系统的发展 ...........................................................3 2．CDMA 数字蜂窝移动通信的介绍 ................................................. 4 2.1 CDMA 简介 ................................................................ 4 2.1.1 CDMA 技术背景 ........................................................ 4 2.1.2 几种常见的 CDMA 技术 .................................................. 4 2.1.3 CDMA 的特点 .......................................................... 4 2.2 CDMA 通信技术的基本原理 ................................................. 5 2.2.1 CDMA 通信技术的基础 .................................................. 5 2.2.2 CDMA 通信技术的基本原理 .............................................. 6 2.3 CDMA 的应用前景 .......................................................... 6 3. 扩频码序列 ................................................................. 7 3.1 码序列的相关性 ...........................................................7 3.2 M 序列 ................................................................... 9 3.3 GoId 码序列 ............................................................. 11 4．直接序列扩频通信技术 ...................................................... 13 4.1 直接序列扩频的概念及理论基础 ............................................ 13 4.1.1 直接序列扩频的概念 .................................................. 13 4.1.2 扩频通信的理论基础 .................................................. 13 4.1.3 扩频增益和抗干扰容限 ................................................ 14 4.2 直接序列扩频的基本原理 ..................................................15 4.3 直扩系统的性能 ........................................................ 18 4.3.1 直扩系统的抗干扰性 .................................................. 18 II
    中北大学分校学士学位论文 4.3.2 直扩信号的抗截获性 .................................................. 19 4.3.3 直扩码分多址通信系统 ................................................ 19 4.3.4 直扩系统的抗多径干扰性能 ............................................ 20 4.3.5 直扩测距定时系统 .................................................... 20 4.4 扩频序列通信系统的同步原理 .............................................. 20 5. 直接序列扩频通信系统的 MATLAB 仿真 ......................................... 21 5.1 MATLAB 的基本操作 ...................................................... 22 5.2 Simulink 仿真技术 ...................................................... 23 5.2.1 Simulink 窗口环境 ................................................... 23 5.2.2 功能模块的连接及设置 ................................................ 24 5.2.3 Simulink 对通信系统的仿真 ........................................... 27 5.3 MATLAB 源程序设计 ...................................................... 32 【参考文献】 ................................................................. 40 【致 谢】 ................................................................... 41 【附录】 ..................................................................... 42 英文文献 ................................................................... 42 中文文献 ................................................................... 46 III
    中北大学分校学士学位论文 1. 引言 1．1 直序扩频系统的应用背景: 直接序列扩频(DSSS— Direct Sequence Spread Spectrum)技术是当今人们所熟知的扩频 技术之一。这种技术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。 它是二战期间开发的，最初的用途是为军事通信提供安全保障, 是美军重要的无线保密 通信技术。这种技术使敌人很难探测到信号。即便探测到信号，如果不知道正确的编码，也 不可能将噪声信号重新汇编成原始的信号。有关扩频通信技术的观点是在 1941 年由好莱坞女 演员 Hedy Lamarr 和钢琴家 George Antheil 提出的。基于对鱼雷控制的安全无线通信的思 路，他们申请了美国专利#2.292.387。不幸的是，当时该技术并没有引起美国军方的重视， 直到十九世纪八十年代才引起关注，将它用于敌对环境中的无线通信系统。 直序扩频解决了短距离数据收发信机、如：卫星定位系统(GPS)、3G 移动通信系统、WLAN (IEEE802.11a, IEEE802.11b, IEE802.11g)和蓝牙技术等应用的关键问题。扩频技术也为提高 无线电频率的利用率(无线电频谱是有限的因此也是一种昂贵的资源)提供帮助。 直序扩频通信系统的工作原理如图1-1所示。 在发端输入的数字信号信息，先由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展 宽信号的频谱，扩频码序列一般采用 PN 码。展宽后的信号再调制到射频发送出去。调制多 采用 BPSK、DPSK、MPSK 等调制方式。 在接收端收到的信号进行解调（一般采用相干解调）。然后由本地产生的与发端相同的 扩频码序列去相关解扩。恢复成原输入的信息输出。 信息 扩 频 射频调制 伪 码 射频发生器 信息 扩频解调 解调 本地伪码 本地射频 发生器 图 1-1 扩频通信工作原理 1
    由此可见，—般的扩频通信系统都要进行两次调制和相应的解调。一次调制为扩频调制， 中北大学分校学士学位论文 二次调制为射频调制，以及相应的解扩和射频解调。 与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。 1．2 直序扩频系统的特点: 1.直序扩频通信系统的优点： 1）抗干扰性强 抗干扰是扩频通信主要特性之一，比如信号扩频宽度为 100 倍，窄带干扰基本上不起作 用，而宽带干扰的强度降低了 100 倍，如要保持原干扰强度，则需加大 100 倍总功率，这实 质上是难以实现的。因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到，所以即使以同类 型信号进行干扰，在不知道信号的扩频码的情况下，由于不同扩频编码之间的不同的相关性， 干扰也不起作用。正因为扩频技术抗干扰性强，美国军方在海湾战争等处广泛采用扩频技术 的无线网桥来连接分布在不同区域的计算机网络。 2）隐蔽性好 因为信号在很宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低，信 号淹没在白噪声之中，别人难以发现信号的存在，加之不知扩频编码，很难拾取有用信号， 而极低的功率谱密度，也很少对于其他电讯设备构成干扰。 3）易于实现码分多址（CDMA） 直扩通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，是否浪费了频段？其实正相反， 扩频通信提高了频带的利用率。正是由于直扩通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号 接收需要用相同的扩频编码作相关解扩才能得到，这就给频率复用和多址通信提供了基础。 充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性，分配给不同用户不同的扩频编码，就可以区 别不同的用户的信号，众多用户，只要配对使用自己的扩频编码，就可以互不干扰地同时使 用同一频率通信，从而实现了频率复用，使拥挤的频谱得到充分利用。发送者可用不同的扩 频编码，分别向不同的接收者发送数据； 同样，接收者用不同的扩频编码，就可以收到不同 的发送者送来的数据，实现了多址通信，提高了频谱利用率。另外，扩频码分多址还易于解 决随时增加新用户的问题。 4）抗多径干扰 无线通信中抗多径（发射的信号经多条不同路径传播）干扰一直是难以解决的问题，利 用扩频编码之间的相关特性，在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用 信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干 扰。 5）直扩通信速率高 直扩通信速率可达 2M，8M，11M，无须申请频率资源，建网简单，网络性能好。 6）有很强的保密性能。 对于直扩系统而言，射频带宽很宽，谱密度很低，甚至淹没在噪音中，就很难检查到信 号的存在。由于直扩信号的频谱密度很低，直扩系统对其它系统的影响就很小。 2.直扩通信系统的不足： 2
    直扩系统除了一般通信系统所要求的同步以外，还必须完成伪随机码的同步，以便接受 机用此同步后的伪随机码去对接受信号进行相关解扩。直扩系统随着伪随机码字的加长，要 中北大学分校学士学位论文 求的同步精度也就高，因而同步时间就长。 1.3 直扩系统的发展 由于它的抗噪声的特性，直接序列扩频技术非常适合商业应用。在容许无线设备公开使 用的电磁环境里，它对其他传统微波设备造成最小的干扰，同时对附近其他设备有更高的抗 扰性。上世纪 80 年代末，晶体电子技术的先进程度已经足以提供商用的、成本效益好的直接 序列扩频系统。现在直扩技术被广泛应用于包括计算机无线网等许多领域。扩频技术在发展 的初始阶段，就已经实现了理论和技术上的重大突破，在此后的发展过程中主要是硬件的改 善和性能的提高。 随着移动通信的迅猛发展，目前 3G 系统由研制开发逐步进入商用并且向第四代无线多媒 体通信飞速发展。根据 ITU 的标准，世界各大电信公司联盟均提出了自己的第三代移动通信 系统方案，虽然第三代移动通信系统的标准差异很大，但采用码分多址技术已经达成共识。 直扩码分多址，由于具备通信容量大、能充分利用话音的统计特性、平滑的越区切换、通信 容量的软特性等优点被作为未来移动通信中最具竞争力、最有前景的无线多址接入技术。无 线扩频通信作为另一种有效的补充通信手段,已在金融系统得到了越来越广泛的应用。 发展到现在，扩频技术理论和技术都已趋于完善，主要应从系统的角度考虑总体性能， 且与其它新技术结合应用。因此，应用的驱动一直是扩频技术发展的强大动力，未来的无线 通信系统，如移动通信、无线局域网、全球个人通信等，扩频技术必将发挥重要作用。 随着科技的发展，扩频技术必将获得更加广阔的应用空间。 3
    中北大学分校学士学位论文 2．CDMA 数字蜂窝移动通信的介绍 2．1 CDMA 简介 2.1.1CDMA 技术背景 CDMA 的英文全称为（Code Division Multiple Access），中文意思是码分多址。它是基 于 IS-95 标准（双模宽带扩谱蜂窝系统的移动台—基站兼容标准）的数字移动电话系统。CDMA 是根据现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等要求而设 计的一种移动通讯技术。它是 20 世纪 60 年代由美国高通公司（QUALCOMM）开发的移动 通信技术，最早用于军事领域。与使用时分多路的 GSM 技术不同，CDMA 并不给每一个通 话者分配一个确定的频率，而是让每一个通信都使用全部的频率，使大量用户能够共享同一 个无线频率。 CDMA 系统是以扩频调制技术和码分 多址接入技术为基础的数字蜂窝移动通信 f 系统。它为每个用户分配各自特定的地址 码，利用公共信道来传输信息。它的地址 码通过相互间的正交性进行区别。也就是 说，每个用户有自己的地址码，地址码彼 此之间是互相独立、互相不影响的。由于 有不同的地址码来区分用户，所以对频率、 时间和空间没有特定的限制，在这些方面 通信是可以重叠的。CDMA 的示意图如 2-1 所示，用户信号是用 Ci 来区分的。 2.1.2．几种常见的 CDMA 技术。 码 Ci 图 2-1 CDMA 的示意图 t 1. N－CDMA：窄带码分多址系统，在美国又称为 IS－95。由高通公司创立，具有大容 量、小蜂窝半径、运用宽波技术和特殊密码主题的特点，1993 年被电信产业协会采用。 2. B－CDMA：宽带码分多址系统，包括 W－CDMA、CDMA2000 和 TD－SCDMA，它 们分别是欧洲、美国（高通）和中国（大唐电信与西门子合作）所提出并开发的第三代移动 通信标准。 3. CDMAOne：流行于日本的一个品牌，是应用 IS―95 CDMA 技术的数字蜂窝通信系 统。 4. CDMAPCS： CDMA 个人通讯服务系统。与运行在 800MHz 的 CDMA 进行比较，具 有系统容量大、收费低，适用于人口稠密地区等特点。 2.1.3 CDMA 的特点： 1.系统容量大：理论上，CDMA 移动网的容量比模拟网大 20 倍。实际要比模拟网大 10 倍，比 GSM 要大 4-5 倍。 4
    中北大学分校学士学位论文 2. 系统容量配置灵活：这是由 CDMA 的原理决定的。CDMA 是一个自扰系统， 所有 移动用户都占用同一个带宽和频率，传输信号之间就会有干扰。这就好像系统的带宽是一间 大房子，所有的人都将进入这个大房子。如果他们使用不同的语言, 他们就可以清楚地听到 同伴的声音，而其他人的谈话在他们听来只是干扰。我们可以不断地增加用户直到整个背景 噪音限制住我们的通话。如果能控制住用户的信号强度, 在保持通话的质量同时，我们就可 以容纳更多的用户。 3.CDMA 系统的软切换和自动跟踪多径信号技术，降低切换时通话中断的可能性，这 便于用户在移动中进行通话和数据传输。 4.频率规划简单：用户按不同的序列码区分，所以不相同 CDMA 载波可在相邻的小区 内使用，网络规划灵活，扩展简单。 5.话音质量好：CDMA 系统话音质量很高，其通话质量已经接近了固定电话的效果。 6.接通率高：CDMA 的扩频技术和频率复用技术，充分利用信道容量，提高了网络接 通率。 7.保密性好：CDMA 系统中的通话保护措施可提供最佳的保密特性，防止通信过程中 被窃听和手机密码被盗。 8.发射功耗小：CDMA 系统的发射功率非常小，最大只有 200 毫瓦，正常通话时仅需 0. １毫瓦，因此移动电话功耗小，无线辐射能量低。所以又被称为“绿色手机”。 9.支持多种业务：CDMA 采用宽带技术，支持短消息、语音信箱、自动漫游、呼叫转 移、呼叫等待、三方会谈、主叫号码显示、传真和数据通信等多项业务 2.2 CDMA 通信技术的基本原理 2.2.1 CDMA 通信技术的基础 CDMA 系统是以扩频调制技术和码分多址接入技术为基础的数字蜂窝移动通信系统。目 前扩频通信系统可分为： 1. 直接序列（DS）扩频 所谓直接序列扩频（DS：Ddirect Sequence），就是使用具有高码率的扩频序列，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。 2. 跳频（FH）扩频 跳频（FH：Frequence Hopping），它是用一定的码序列进行选择的多频率频移键控。也 就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变。 3. 跳时（TH） 跳时（TH：Time Hopping）是使发射信号在时间轴上跳变。我们先把时间轴分成许多时 片，在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。即：用一定的码序列进行选择的 多时片的时移键控。 4. 线性调频（Chirp） 如果发射的射频脉冲信号脉冲在一个周期内，其载频的的频率做线性变化，则称为线性 调频。因为其频率在较宽的频带内变化，信号的频带也被展宽了。这种扩频调制方式主要用 在雷达中，在通信中也有应用。 5
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