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直接序列扩频通信系统的设计与实现.doc

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：4.33M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    第1章 绪论
    1.1背景
    1.2目的和意义
    1.3主要内容
    第2章 直接扩频通信系统的理论基础
    2.1直接序列扩频的概念及理论基础
    2.1.1直接序列扩频的概念
    2.1.2扩频通信的理论基础
    2.1.3直接序列扩频的基本原理
    2.1.4 m序列
    2.2 直扩系统的性能
    2.2.1直扩系统的抗干扰性
    2.2.2直扩信号的抗截获性
    第3章 直接序列扩频通信系统的MATLAB仿真
    3.1 matlab简介
    3.2设计思路及模型抽象
    3.3系统仿真流程图
    3.3.1发射机
    3.3.1接收机
    3.4 matlab仿真关键程序及实现
    3.4.1工具设计
    3.4.2 m序列
    3.4.3系统主程序实现
    3.5结果分析
    3.4.1无白噪声通信系统
    3.4.1高斯白噪声信道系统分析
    第4章 结束语
    参考文献
    附件:
    直接序列扩频通信系统的设计与实现 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。本设计中首先 首先对于直接扩频及 PSK 调制解调基本原理进行研究，实际包括抽样定理、快速傅里叶变换 FFT、 数字滤波器原理等。然后对系统进行抽象建模，并完成各部分功能描述及实现算法研究。接着完成 系统程序编写，程序主要包含两类：系统设计和工具设计。其中主要包含随机源信号生成，m 序列 生成，直接扩频，PSK 调制，高斯白噪声信道，带通滤波，PSK 解调，低通滤波，抽样量化，解扩， 抽样，各频谱及波形图绘制，误码率计算等部分。最后根据需求设置参数，运行程序，对于实验结 果进行分析。 关键词：DS扩频；Matlab仿真；PSP调制解调； I
    目 录 第 1 章 绪论 ..................................................................... 1 1.1 背景 ....................................................................... 1 1.2 目的和意义 ................................................................. 1 1.3 主要内容 ................................................................... 2 第 2 章 直接扩频通信系统的理论基础 ............................................... 3 2.1 直接序列扩频的概念及理论基础 ............................................... 3 2.1.1 直接序列扩频的概念 .................................................................................................................... 3 2.1.2 扩频通信的理论基础 .................................................................................................................... 3 2.1.3 直接序列扩频的基本原理 ............................................................................................................ 4 2.1.4 M 序列............................................................................................................................................7 2.2 直扩系统的性能 ............................................................ 10 2.2.1 直扩系统的抗干扰性 .................................................................................................................. 10 2.2.2 直扩信号的抗截获性 .................................................................................................................. 10 第 3 章 直接序列扩频通信系统的 MATLAB 仿真 ..................................... 11 3.1 MATLAB 简介 ..............................................................11 3.2 设计思路及模型抽象 ........................................................ 12 3.3 系统仿真流程图 ............................................................ 13 3.3.1 发射机.......................................................................................................................................... 14 3.3.1 接收机.......................................................................................................................................... 14 3.4 MATLAB 仿真关键程序及实现 ................................................15 3.4.1 工具设计...................................................................................................................................... 15 3.4.2 M 序列..........................................................................................................................................18 3.4.3 系统主程序实现 .......................................................................................................................... 19 3.5 结果分析 .................................................................. 22 3.4.1 无白噪声通信系统 ...................................................................................................................... 22 3.4.1 高斯白噪声信道系统分析 .......................................................................................................... 26 第 4 章 结束语 .................................................................. 30 参考文献 ....................................................................... 31 附件: .......................................................................... 32 II
    成都学院（成都大学）课程设计报告 第 1 章 绪论 1.1 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。 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，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 目的和意义 本文所选课题为直接序列扩频通信系统的设计和仿真，直接扩频通信系统具有以下优点和不足。 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 1
    成都学院（成都大学）课程设计报告 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）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。 4）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。 本设计为掌握利用计算机来加深对所学知识的理解和掌握，通过 MATLAB/Simulink 仿真平台， 运用所学的理论和方法进行仿真、解决问题。探究直接扩频通信系统的性能及痛惜各部分信号的波 形和频率特征。 1.3 主要内容 （1） 对于直接扩频及 PSK 调制解调基本原理进行研究，实际包括抽样定理、快速傅里叶变换 FFT、数字滤波器原理等。 （2） 对系统进行抽样建模，并完成各部分功能描述及实现算法研究。 （3） 程序编写，包括主系统函数，各部分子系统函数及工具设计。其中主要包含随机源信号 生成，m 序列生成，直接扩频，PSK 调制，高斯白噪声信道，带通滤波，PSK 解调，低通滤波，抽 样量化，解扩，抽样，各频谱及波形图绘制，误码率计算等部分。 （4） 设置参数，运行程序，对于实验结果进行分析。 2
    成都学院（成都大学）课程设计报告 第 2 章 直接扩频通信系统的理论基础 2.1 直接序列扩频的概念及理论基础 2.1.1 直接序列扩频的概念 所谓直接序列(DS：Direct Sequence)扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩 展信号的频谱。而在接收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信 息。 2.1.2 扩频通信的理论基础 长期以来，人们总是想方设法使信号所占的频谱尽量窄，以充分提高十分宝贵的频率资源利用 率。但扩频通信在发送端用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽，在接 收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复出所传信息数据。为什么要用宽频带信号来传输窄带信 息呢？主要是为了通信的安全可靠性。这可用信息论和抗干扰理论的基本观点来说明： 根据香农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出的信道容量公式，香农公式： C B  log (1 2  )S N （2-1） 式中：C--信息的传输速率（信道容量） 单位 b/s； S--信号平均功率单位 W； B--频带宽度 单 位 Hz； N--噪声平均功率 单位 W。 由式中可以看出： 为了提高信息的传输速率 C，可以从两种途径实现，既加大带宽 B 或提高信噪比 S/N。换句话 说，当信号的传输速率 C 一定时，信号带宽 B 和信噪比 S/N 是可以互换的，即增加信号带宽可以降 低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率 甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处。 柯捷尔尼可夫在其潜在抗干扰性理论中得到如下关于信息传输差错概率的公式 p e    f  E n 0    （2-2） 此公式指出，差错概率 Pe 是信号能量 E 与噪声功率谱密度 0n 之比的函数。设信息持续时间为 3
    T，或数字信息的码元宽度为 T，则信息的带宽 Bm 为 成都学院（成都大学）课程设计报告 信号功率 S 为 mB  S  1 T 1 T 已调（或已扩频）信号的宽度为 B，则噪声功率为 N n B 0 将式（4-3）~（4-5）代入式（4-2），可得 P e  f    ST N  B     f    S B N B  m （2-3） （2-4） （2-5） （2-6）    上面公式指出，差错概率 Pe 是输入信号与噪声功率之比（S/N）和信号带宽与信息带宽之比 （B/Bm）二者乘积的函数，信噪比与带宽是可以互换的。它同样指出了用增加带宽的方法可以换取 信噪比上的好处。 综上所述：将信息带宽扩展 100 倍，甚至用 1000 倍以上的带宽信号来传输信息，就是为了提高 通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全的通信。这就是扩频通信的基本思想和理论依 据。 2.1.3 直接序列扩频的基本原理 所谓直接序列扩频（DS），就是直接用具有高速率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。 而接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信息。图 2-1 示出了直接 扩频通信系统的原理方框图 4
    成都学院（成都大学）课程设计报告 图 2-1 直扩通信系统的组成框图 图 2-2 直扩通信系统的主要相位或波形 如图 2-2 在发送端输入信息码元 m（t），它是二进制数据，图中为 0、1 两个码元，其码元宽度 为 bT 。加入扩频解调器，图中为模 2 加法器，扩频码为一个伪随机码（PN 码），记作 p（t）。伪码 的波形如图 2-2 中的第（2）个波形，其码元宽度为 pT ，且取 T b 16 T p 。通常在 DS 系统中，伪码 的速率 pR 远远大于信码速率 mR ，即   c t    m t    p t R p R ，也就是说，伪码的宽度 pT 远 m 5
    成都学院（成都大学）课程设计报告 远小于信码的宽度 bT ，即 p T T ，这样才能展宽频谱。模 2 加法器的运算规则可用下式表示 b   c t    m t    p t （2-7） 当 m（t）与 p（t）符号相同时，c（t）为 0；而当 m（t）与 p（t）不同时，则为 1。c（t）的 波形如图 4-2 所示中的第（3）个波形。由图可见，当信码 m（t）为 0 时，c（t）与 p（t）相同；而 当信码 m（t）为 1 时，则 c（t）为 p（t）取反既是。显然，包含信码的 c（t）其码元宽度已变成了 pT ，即已进行了频谱扩展。其扩展处理增益也可用下式表示 G p  T 10lg b T p （2-8） 在 bT 一定的情况下，若伪码 速率越高，即伪码宽度（码片宽度） pT 越窄，则扩频处理增益越 大。 经过扩频，还要载频调制，以便信号在信道上有效的传输。图中采用二相相移键控方式。调相 器可由环行调制器完成，即将 c（t）与载频 cosA t 相乘，输出为  1s 1  t 。即   s t 1    c t A cos t 1 （2-9） 式中，   c t 1 ( ) 0; m t   ， 1 ( ) 1; m t      因此，经过扩频和相位调制后的信号   1s t 为   t s 1    Ac t cos t  1 A     cos t  1 cos t A  1 （2-10） （2-11） 由上面讨论可知，经过扩频调制信号 c（t）可看作只取  1 的二进制波形，然后对载频进行调 制，这里是采用调相（BPSK）。所谓调制，就是指相乘过程，可采用相乘器，环行调制器（或平衡 调制器），最后得到的是抑制载波双边带振幅调制信号。这里假定平衡调制器是理想对称，码序列取 +1、 1 的概率相同，即调制信号无直流分量，这样平衡调制器输出的已调波中，无载波分量。   1s t 6
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