中原工學(xué)院通信專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)報(bào)告---參考模板.docx

摘 要 MATLAB是一種用于科學(xué)計(jì)算的高性能語言。它可將計(jì)算、可視化和程序設(shè)計(jì)集成在一個(gè)非常容易使用的環(huán)境中。MATLAB是一個(gè)交互系統(tǒng)，它的基本數(shù)據(jù)元素是數(shù)組，尤其適合解決用矩陣和向量組織數(shù)據(jù)的科學(xué)技術(shù)計(jì)算問題。此次課設(shè)就是利用MATLAB軟件編寫程序?qū)崿F(xiàn)卷積編碼和Viterbi譯碼的算法，并且實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻與解擴(kuò)，從而得出信噪比與誤碼率之間的關(guān)系。關(guān)鍵詞 卷積 擴(kuò)頻 信噪比 誤碼率前 言擴(kuò)頻通信是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中新的通信方式，它具有較強(qiáng)的抗干擾、抗衰落和抗多徑性能，頻譜利用率高。擴(kuò)頻信號(hào)是不可預(yù)測(cè)的、偽隨機(jī)的寬帶信號(hào)，其帶寬遠(yuǎn)大于要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)(信息)帶寬，同時(shí)接收機(jī)中必須有與寬帶載波同步的副本。在發(fā)端輸人的信息先調(diào)制形成數(shù)字信號(hào)，然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號(hào)以展寬信號(hào)的頻譜，展寬后的信號(hào)再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。在接收端收到的寬帶射頻信號(hào)，變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)，再經(jīng)信息解調(diào)，恢復(fù)成原始信息輸出。通信系統(tǒng)都要進(jìn)行3次調(diào)制和相應(yīng)的解調(diào)。一次調(diào)制為信息調(diào)制。與一般通信系統(tǒng)比較，多了擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)部分。擴(kuò)頻通信具備如下特征：(1)數(shù)字傳輸方式；(2)傳輸信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)大于被傳信息帶寬；(3)帶寬的展寬，是利用與被傳信息無關(guān)的函數(shù)(擴(kuò)頻函數(shù))對(duì)被傳信息的信元重新進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)的；(4)接收端用相同的擴(kuò)頻函數(shù)進(jìn)行相關(guān)解調(diào)(解擴(kuò))，求解出被傳信息的數(shù)據(jù)。用擴(kuò)頻函數(shù)(也稱偽隨機(jī)碼)調(diào)制和對(duì)信號(hào)相關(guān)處理是擴(kuò)頻通信有別于其他通信的兩大特點(diǎn)。設(shè)計(jì)題目：基于卷積編碼的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)一 設(shè)計(jì)目的鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)際通信系統(tǒng)的能力，為學(xué)生走向工作崗位處理本專業(yè)方向的各種實(shí)際問題打好基礎(chǔ)，做到學(xué)以致用。具體到本次設(shè)計(jì)：1、學(xué)習(xí)通信中的糾錯(cuò)編碼技術(shù)及其主要應(yīng)用；2、掌握擴(kuò)頻通信原理技術(shù)及其特點(diǎn)，了解其在通信系統(tǒng)中特別是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)所采用的碼分多址（CDMA）技術(shù)中的應(yīng)用；3、學(xué)會(huì)用MATLAB軟件方法設(shè)計(jì)一般通信系統(tǒng)；4、學(xué)習(xí)CDMA手機(jī)的信息處理過程，掌握其基帶電路主要組成部分和工作原理及功能；模擬CDMA手機(jī)的信息處理過程。完成基帶電路主要組成部分的軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)并評(píng)估系統(tǒng)的可靠性。二 設(shè)計(jì)任務(wù) 1、建立CDMA手機(jī)處理信息的卷積編碼擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 2、軟件實(shí)現(xiàn)卷積編碼和Viterbi譯碼的算法 3、軟件實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻與解擴(kuò) 4、評(píng)估卷積編碼擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的可靠性三 設(shè)計(jì)內(nèi)容模擬CDMA手機(jī)的信息處理過程，完成基帶電路主要組成部分的軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)并評(píng)估系統(tǒng)的可靠性。1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框圖圖1 卷積編碼擴(kuò)頻通信系統(tǒng)軟件仿真平臺(tái)總體設(shè)計(jì)框圖2.、總體設(shè)計(jì)框圖中各模塊的實(shí)現(xiàn)(1) 數(shù)據(jù)源：隨機(jī)產(chǎn)生1，-1的二進(jìn)制數(shù)據(jù)(2) 卷積編碼： 將數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)經(jīng)卷積編碼輸出。 選定卷積編碼器，如碼率、生成矩陣、約束長(zhǎng)度等。(3) m序列發(fā)生器：產(chǎn)生擴(kuò)頻中用到的m序列(4) 擴(kuò)頻與解擴(kuò)： 將編碼輸出與擴(kuò)頻碼相乘，即完成擴(kuò)頻；將擴(kuò)頻后的信號(hào)（疊加有噪聲）與擴(kuò)頻碼相乘，即為解擴(kuò)。(5) Viterbi譯碼：為卷積碼的譯碼算法(6) 可靠度評(píng)估：用誤碼率（BER）指標(biāo)，計(jì)算公式為：判決數(shù)據(jù)接收端發(fā)射端數(shù)據(jù)源 比較兩個(gè)數(shù)據(jù) 3，設(shè)計(jì)原理3.1 卷積碼概述數(shù)字通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，不可避免地會(huì)在接收端產(chǎn)生差錯(cuò)，為了降低誤碼率，通常采用前向糾錯(cuò)編碼(分組碼或卷積碼)的方法來糾正在傳輸過程中產(chǎn)生的誤碼。卷積編碼是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中最為常用的信道編碼方式，它可以大大提高在加性高斯白噪聲情況下的抗噪聲能力，被廣泛用于衛(wèi)星通信和空間無線通信上。3.1.1卷積編碼的原理 卷積碼(又稱連環(huán)碼)，是由伊萊亞斯(P.Elis)提出的一種非分組碼。它把k比特信息段編成n比特的碼組，該碼組不僅同當(dāng)前的k比特信息段有關(guān)，而且還同前面的(N-1)個(gè)信息段有關(guān)聯(lián)(N為大于1的整數(shù))。通常，把卷積碼記作(n,k,N)，其中k為輸入碼元數(shù)，n為輸出碼元數(shù)，N為約束長(zhǎng)度，表示編碼器的存儲(chǔ)器級(jí)數(shù)。卷積編碼屬于信道編碼，主要用來糾正碼元的隨機(jī)差錯(cuò)，它是以犧牲效率來?yè)Q取可靠性，利用增加監(jiān)督位，進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。卷積碼編碼器是一個(gè)由k個(gè)輸入端、n個(gè)輸出端，且具有(N-1)或m節(jié)移位寄存器構(gòu)成的有限狀態(tài)記憶系統(tǒng)，通常稱為時(shí)序網(wǎng)絡(luò)，其原理如圖2所示。 圖2卷積碼編碼器原理圖 通常卷積碼的編碼器由K級(jí)（每級(jí)K比特）的移位寄存器和n個(gè)線性代數(shù)函數(shù)發(fā)生器（這里是模2加法器）組成。需要編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)串行輸入移位寄存器，每次移入K比特?cái)?shù)據(jù)。每個(gè)K比特的輸入序列對(duì)應(yīng)一個(gè)n比特的輸出序列。因此卷積碼的編碼效率定義為。參數(shù)K被稱作卷積碼的約束長(zhǎng)度，它表示當(dāng)前的n比特輸出序列與多少個(gè)K比特輸入序列有關(guān)系，同時(shí)也是一個(gè)決定編碼復(fù)雜程度的重要參數(shù)。3.1.2、描述卷積碼的方法描述卷積編碼的方法之一是給出其生成矩陣。一般說來卷積碼的生成矩陣是一個(gè)半無限矩陣，因?yàn)檩斎胄蛄惺前霟o限長(zhǎng)度的。另一種描述卷積碼的方法是用一組n個(gè)矢量-稱為卷積碼的生成多項(xiàng)式來表示。對(duì)應(yīng)于n個(gè)代數(shù)函數(shù)發(fā)生器（這里是模2加法器）與移位寄存器的連接方式，我們得到n個(gè)生成多項(xiàng)式，這里是n個(gè)長(zhǎng)度為 的矢量。某個(gè)矢量的第1個(gè)元素為1，表示寄存器相應(yīng)的位置與該矢量對(duì)應(yīng)的模2加法器相連；反之，如果該元素為0，則表示寄存器相應(yīng)的位置與該矢量對(duì)應(yīng)的模2加法器不連接。3.1.3CDMA手機(jī)卷積碼編碼器 CDMA系統(tǒng)是在擴(kuò)頻通信基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的無線通信系統(tǒng)，其反向信道(又稱上行信道)是由手機(jī)發(fā)射，基站接收。為了提高反向信道信號(hào)的抗干擾能力，采用碼率為1/3的卷積編碼器，即輸入一個(gè)碼元,編碼器相應(yīng)輸出3個(gè)碼元。約束長(zhǎng)度為9，即前后9個(gè)碼元有關(guān)聯(lián)。因此,它包含8級(jí)移位寄存器和3個(gè)模2加法器,電路組成如圖3所示。 圖3CDMA手機(jī)卷積編碼器由圖3可知，該編碼器是一個(gè)(3,1,9)卷積編碼器,即k=1(1個(gè)輸入端)、n=3(3個(gè)輸出端)、N=9(8級(jí)移位寄存器)。 若輸入信息序列為:U=(u0u1u2),則對(duì)應(yīng)輸出為3個(gè)碼字序列：C0=(c(0)0c(0)1c(0)2),C1=(c(1)0c(1)1c(1)2),C2=(c(2)0c(2)1c(2)2). 其相應(yīng)編碼方程可寫為：C0=U*G(0),C1=U*G(1),C2=U*G(2). 式中“*”表示卷積運(yùn)算,G(0),G(1)和G(2)表示編碼器的3個(gè)沖激響應(yīng)。編碼輸出可由輸入信息序列U和編碼器的3個(gè)脈沖沖激響應(yīng)的卷積得到,故稱卷積碼。由于編碼器有8級(jí)寄存器,所以沖激響應(yīng)至多可持續(xù)到9位,圖2所示卷積碼編碼器的3個(gè)沖激響應(yīng)可寫成：G(0)=(101101111),G(1)=(110110011),G(2)=(111001001)1 若輸入信息序列為:U=(10001)，則C0=(10001)*(101101111)=(1011110011111), C1=(10001)*(110110011)=(1101010000011), C2=(10001)*(111001001)=(1110101011001).經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換,最后輸出的碼字為:C=(111011101110101110001000101101100110111)。3.1.4.維特比譯碼(1)Viterbi譯碼原理簡(jiǎn)述卷積碼是1955年埃里亞斯(Elias)最早提出，1957年伍成克拉夫(Wozencraft)提出了一種有效譯碼方法，即序列譯碼。1963年梅西(Massey)提出了一種性能稍差，但比較實(shí)用的門限譯碼方法，由于這一實(shí)用性進(jìn)展使卷積碼從理論走向?qū)嵱没６?967年維特比(Viterbi)提出了最大似然譯碼法。它對(duì)存儲(chǔ)器級(jí)數(shù)較小的卷積碼的譯碼很容易實(shí)現(xiàn)，人們后來稱它為維特比算法或維特比譯碼，并被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代通信中。卷積碼的 Viterbi 譯碼是根據(jù)接收碼字序列尋找編碼時(shí)通過網(wǎng)格圖最佳路徑的過程 ，找到最佳路徑即完成了譯碼過程 ，并可以糾正接收碼字中的錯(cuò)誤比特。所謂“最佳”，是指最大后驗(yàn)條件概率：P( C/ R) = maxj P ( Cj/ R) ，一般來說，信道模型并不使用后驗(yàn)條件概率，因此利用Beyes公式，根據(jù)信道特性得出結(jié)論maxj P ( Cj/ R) 與maxj P ( R/ Cj) 等價(jià)?？紤]到在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中往往采用對(duì)數(shù)形式的運(yùn)算，以求降低運(yùn)算量，并且為求運(yùn)算值為整數(shù)加入了修正因子 a1、 a2。經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化之后可以得出得出，尋找最佳路徑，就變成尋找最大分支路徑量度。(2)Viterbi譯碼流程根據(jù)接收碼符號(hào)計(jì)算出相應(yīng)的分支量度值；進(jìn)入某一狀態(tài)的分支量度與其前狀態(tài)路徑量度累加求和；比較到達(dá)當(dāng)前狀態(tài)的新的路徑量度的大小，選擇最大者作為新的狀態(tài)路徑量度存儲(chǔ)起來，并保存與此路徑對(duì)應(yīng)的碼字；對(duì)所有狀態(tài)都實(shí)施上述加、比、選運(yùn)算；在每一譯碼時(shí)刻，滿足延時(shí)就從 256 條留存路徑中，選擇路徑量度最大的一條路徑作為譯碼數(shù)輸出；進(jìn)入下一譯碼時(shí)刻，重復(fù)以上步驟，直至譯碼結(jié)束。(3) 對(duì)譯碼算法及實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化由于卷積碼譯碼的復(fù)雜度隨著約束長(zhǎng)度的增加以非線性方式迅速增加，在實(shí)際應(yīng)用中卷積碼的實(shí)際應(yīng)用性能往往受限于存儲(chǔ)器容量和系統(tǒng)運(yùn)算速度，尤其是對(duì)約束長(zhǎng)度比較大的卷積碼。為了在有限的硬件或軟件資源條件下保證系統(tǒng)較高的譯碼性能，需要對(duì)算法進(jìn)行留存路徑更新算法優(yōu)化。3.2 擴(kuò)頻通信3.2.1 擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)擴(kuò)頻通信的基本特點(diǎn)是傳輸信號(hào)所占用的頻帶寬度(W)遠(yuǎn)大于原始信息本身實(shí)際所需的最小(有效)帶寬(DF)，其比值稱為處理增益Gp，其中 Gp = W/DF。眾所周知，任何信息的有效傳輸都需要一定的頻率寬度，為了充分利用有限的頻率資源，增加通路數(shù)目，人們廣泛選擇不同調(diào)制方式，采用寬頻信道(同軸電纜、微波和光纖等)和壓縮頻帶等措施，同時(shí)力求使傳輸?shù)拿浇橹袀鬏數(shù)男盘?hào)占用盡量窄的帶寬。因現(xiàn)今使用的電話、廣播系統(tǒng)中，無論是采用調(diào)幅、調(diào)頻或脈沖編碼調(diào)制制式，Gp值一般都在十多倍范圍內(nèi)，統(tǒng)稱為“窄帶通信”，而擴(kuò)頻通信的Gp值，高達(dá)數(shù)百、上千，稱為 “寬帶通信”。 而考慮到擴(kuò)頻通信的可行性，是從信息論和抗干擾理論的基本公式中引伸而來的。 信息論中關(guān)于信息容量的仙農(nóng)(Shannon)公式為： C WLog2(1十P/N) . (1)式中：C指信道容量(用傳輸速率度量) ，W指信號(hào)頻帶寬度 ，P指信號(hào)功率 ，N指白噪聲功率。公式(1)說明，在給定的傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比PN是可以互換的。即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比PN(SN)情況下，傳輸信息.擴(kuò)展頻譜換取信噪比要求的降低，正是擴(kuò)頻通信的重要特點(diǎn)，并由此為擴(kuò)頻通信的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 擴(kuò)頻通信可行性的另一理論基礎(chǔ)，為柯捷爾尼可夫關(guān)于信息傳輸差錯(cuò)概率的公式。公式說明了對(duì)于一定帶寬 DF的信息而言，用Gp值較大的寬帶信號(hào)來傳輸，可以提高通信抗干擾能力，保證強(qiáng)干擾條件下，通信的安全可靠。 總之，我們用信息帶寬的100倍，甚至1000倍以上的寬帶信號(hào)來傳輸信息，就是為了提高通信的抗干擾能力，即在強(qiáng)干擾條件下保證可靠安全地通信。這就是擴(kuò)展頻譜通信的基本思想和理論依據(jù)。 擴(kuò)頻通信主要特點(diǎn)易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率 無線頻譜十分寶貴，雖然從長(zhǎng)波到微波都得到了開發(fā)利用，仍然滿足不了社會(huì)的需求。在窄帶通信中，主要依靠波道劃分來防止信道之間發(fā)生干擾。為此，世界各國(guó)都設(shè)立了頻率管理機(jī)構(gòu)，用戶只能使用申請(qǐng)獲準(zhǔn)的頻率。 擴(kuò)頻通信發(fā)送功率極低(1 - 650mW)，采用了相關(guān)接收這一高技術(shù)，且可工作在信道噪聲和熱噪聲背景中，易于在同一地區(qū)重復(fù)使用同一頻率， 也可與現(xiàn)今各種窄道通信共享同一頻率資源。所以，在美國(guó)及世界絕大多數(shù)國(guó)家，擴(kuò)頻通信不需申請(qǐng)頻率，任何個(gè)人與單位可以無執(zhí)照使用。 抗干擾性強(qiáng)，誤碼率低 擴(kuò)頻通信在空間傳輸時(shí)所占有的帶寬相對(duì)較寬，而收端又采用相關(guān)檢測(cè)的辦法來解擴(kuò)，使有用寬帶信息信號(hào)恢復(fù)成窄帶信號(hào)，而把非所需信號(hào)擴(kuò)展成寬帶信號(hào)，然后通過窄帶濾波技術(shù)提取有用的信號(hào)。這祥，對(duì)于各種干擾信號(hào)，因其在收端的非相關(guān)性，解擴(kuò)后窄帶信號(hào)中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干擾性強(qiáng)。 隱蔽性好，對(duì)各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小 由于擴(kuò)頻信號(hào)在相對(duì)較寬的頻帶上被擴(kuò)展了，單位頻帶內(nèi)的功率很小，信號(hào)湮沒在噪聲里，一般不容易被發(fā)現(xiàn)，而想進(jìn)一步檢測(cè)信號(hào)的參數(shù)(如偽隨機(jī)編碼序列)就更加困難，因此說其隱蔽性好。 再者，由于擴(kuò)頻信號(hào)具有很低的功率譜密度，它對(duì)目前使用的各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小。 易于實(shí)現(xiàn)碼分多址擴(kuò)頻通信提高了抗干擾性能，但付出了占用頻帶寬的代價(jià)。 如果讓許多用戶共用這一寬頻帶，則可大為提高頻帶的利用率。由于在擴(kuò)頻通信中存在擴(kuò)頻碼序列的擴(kuò)頻調(diào)制，充分利用各種不同碼型的擴(kuò)頻碼序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，在接收端利用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò)，則在分配給不同用戶碼型的情況下可以區(qū)分不同用戶的信號(hào)，提取出有用信號(hào)。這樣一來，在一寬頻帶上許多對(duì)用戶可以同時(shí)通話而互不干擾。 直擴(kuò)通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能力，是否浪費(fèi)了頻段？其實(shí)正相反，擴(kuò)頻通信提高了頻帶的利用率。正是由于直擴(kuò)通信要用擴(kuò)頻編碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制發(fā)送，而信號(hào)接收需要用相同的擴(kuò)頻編碼作相關(guān)解擴(kuò)才能得到，這就給頻率復(fù)用和多址通信提供了基礎(chǔ)。充分利用不同碼型的擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性，分配給不同用戶不同的擴(kuò)頻編碼，就可以區(qū)別不同的用戶的信號(hào)，眾多用戶，只要配對(duì)使用自己的擴(kuò)頻編碼，就可以互不干擾地同時(shí)使用同一頻率通信，從而實(shí)現(xiàn)了頻率復(fù)用，使擁擠的頻譜得到充分利用。發(fā)送者可用不同的擴(kuò)頻編碼，分別向不同的接收者發(fā)送數(shù)據(jù)；同樣，接收者用不同的擴(kuò)頻編碼，就可以收到不同的發(fā)送者送來的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了多址通信。美國(guó)國(guó)家航天管理局（NASA）的技術(shù)報(bào)告指出：采用擴(kuò)頻通信提高了頻譜利用率。另外，擴(kuò)頻碼分多址還易于解決隨時(shí)增加新用戶的問題。 抗多徑干擾 在無線通信的各個(gè)頻段，長(zhǎng)期以來，多徑干擾始終是一個(gè)難以解決的問題之一。在以往的窄帶通信中，采用兩種方法來提高抗多徑干擾的能力： 一是把最強(qiáng)的有用信號(hào)分離出來，排除其他路徑的干擾信號(hào)，即采用分集接收技術(shù)；二是設(shè)法把不同路徑來的不同延遲、不同相位的倍號(hào)在接收端從時(shí)域上對(duì)齊相加，合并成較強(qiáng)的有用信號(hào)，即采用梳狀濾波器的方法。 這兩種技術(shù)在擴(kuò)頻通信中都易于實(shí)現(xiàn)。利用擴(kuò)頻碼的自相關(guān)特性，在接收端可以用相關(guān)技術(shù) 從多徑信號(hào)中提取和分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，或把多個(gè)路徑來的同一碼序列的波形相加合成使之得到加強(qiáng)，這相當(dāng)于梳狀濾波器的作用。另外，采用頻率跳變擴(kuò)頻調(diào)制方式的擴(kuò)頻系統(tǒng)中，由于用多個(gè)頻率的信號(hào)傳送同一個(gè)信息，實(shí)際上起到了頻率分集的作用。 能精確地定時(shí)和測(cè)距 適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務(wù) 擴(kuò)頻通信一般都采用數(shù)字通信、碼分多址技術(shù)，適用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，適合于數(shù)據(jù)和圖象傳輸。 安裝簡(jiǎn)便，易于維護(hù) 3.2.2 擴(kuò)頻通信的實(shí)現(xiàn)方法一個(gè)典型通信系統(tǒng)框圖如圖4所示：圖4 典型通信系統(tǒng)框圖圖5 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)一般原理框圖擴(kuò)頻通信系統(tǒng)一般原理框圖如圖5所示，在發(fā)端輸入的信息先經(jīng)信息調(diào)制形成數(shù)字信號(hào)，然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號(hào)以展寬信號(hào)的頻譜。展寬后的信號(hào)再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。 一、擴(kuò)頻解擴(kuò)工作過程在接收端收到的寬帶射頻信號(hào)，變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)。再經(jīng)信息解調(diào)、恢復(fù)成原始信息輸出。由此可見，般的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)都要進(jìn)行三次調(diào)制和相應(yīng)的解調(diào)。一次調(diào)制為信息調(diào)制，二次調(diào)制為擴(kuò)頻調(diào)制，三次調(diào)制為射頻調(diào)制，以及相應(yīng)的信息解調(diào)、解擴(kuò)和射頻解調(diào)。 與一般通信系統(tǒng)比較，擴(kuò)頻通信就是多了擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)部分。 二、擴(kuò)頻通信的幾種工作方式 按照擴(kuò)展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可為直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum) 所謂直接序列(DS-Direct Scquency)擴(kuò)頻，就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜。而在收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息。跳變頻率(Frequency Hopping)工作方式，簡(jiǎn)稱跳頻(FH)方式 另外一種擴(kuò)展信號(hào)頻譜的方式稱為跳頻(FHFrequency Hopping)。所謂跳頻，比較確切的意思是：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變，所以稱為跳頻。 跳變時(shí)間(Time Hopping)工作方式，簡(jiǎn)稱跳時(shí)(TH)方式 與跳頻相似，跳時(shí)(THTime Hopping)是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變。首先把時(shí)間軸分成許多時(shí)片。在一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)片發(fā)射信號(hào)由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制?？梢园烟鴷r(shí)理解為：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多時(shí)片的時(shí)移鍵控。 由于采用了窄得很多的時(shí)片去發(fā)送信號(hào)，相對(duì)說來，信號(hào)的頻譜也就展寬了。在發(fā)端，輸入的數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)起來，由擴(kuò)頻碼發(fā)生器的擴(kuò)頻碼序列去控制通斷開關(guān)，經(jīng)二相或四相調(diào)制后再經(jīng)射頻調(diào)制后發(fā)射。在收端，由射頻接收機(jī)輸出的中頻信號(hào)經(jīng)本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列控制通斷開關(guān)，再經(jīng)二相或四相解調(diào)器，送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和再定時(shí)后輸出數(shù)據(jù)。只要收發(fā)兩端在時(shí)間上嚴(yán)格同步進(jìn)行，就能正確地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。 寬帶線性調(diào)頻(Chirp Modulation)工作方式，簡(jiǎn)稱Chirp方式 各種混合方式 在上述幾種基本的擴(kuò)頻方式的基礎(chǔ)上，可以組合起來，構(gòu)成各種混合方式。本次設(shè)計(jì)采用直接序列擴(kuò)頻。所謂直接序列(DS)擴(kuò)頻，就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜。而在收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息。信號(hào)在射頻信道傳輸過程中必然受到各種外來信號(hào)的干擾。因此，在收端，進(jìn)入接收機(jī)的除有用信號(hào)外還存在干擾信號(hào)。假定干擾為功率較強(qiáng)的窄帶信號(hào)，寬帶有用信號(hào)與干擾信號(hào)同時(shí)經(jīng)變頻至中心頻率為中頻fI輸出。不言而喻，對(duì)這一中頻寬帶信號(hào)必須進(jìn)行解擴(kuò)處理才能進(jìn)行信息解調(diào)。 解擴(kuò)實(shí)際上就是擴(kuò)頻的反變換，通常也是用與發(fā)端相同的調(diào)制器，并用與發(fā)端完全相同的偽隨機(jī)碼序列對(duì)收到的寬帶信號(hào)再一次進(jìn)行二相相移鍵控。 再一次的相移鍵控正好把擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)成相移鍵控前的原始信號(hào)。從頻譜上看則表現(xiàn)為寬帶信號(hào)被解擴(kuò)壓縮還原成窄帶信號(hào)。這一窄帶信號(hào)經(jīng)中頻窄帶濾波器后至信息解調(diào)器再恢復(fù)成原始信息。但是對(duì)于進(jìn)入接收機(jī)的變窄帶干擾信號(hào)，在收端調(diào)制器中同樣也受到偽隨機(jī)碼的雙相相移鍵控調(diào)制，它反而使窄帶干擾變成寬度干擾信號(hào)。由于干擾信號(hào)頻譜的擴(kuò)展，經(jīng)過中頻窄帶通濾波作用，只允許通帶內(nèi)的干擾通過，使干擾功率大為減少。由此可見，接收機(jī)輸入端的信號(hào)與噪聲經(jīng)過解擴(kuò)處理，使信號(hào)功率集中起來通過濾波器，同時(shí)使干擾功率擴(kuò)散后被濾波器大量濾除，結(jié)果便大大提高了輸出端的信號(hào)噪聲功率比。擴(kuò)頻解擴(kuò)過程可示意如圖7所示。圖7擴(kuò)頻解擴(kuò)過程示意圖這一過程說明了直擴(kuò)系統(tǒng)的基本原理和它是怎樣通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻與解擴(kuò)處理從而獲得提高輸出信噪比的好處的。它體現(xiàn)了直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾能力。 綜上所述，直擴(kuò)系統(tǒng)的特點(diǎn)是： a頻譜的擴(kuò)展是直接由高碼率的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行調(diào)制而得到的。 b.擴(kuò)頻碼序列多采用偽隨機(jī)碼，也稱為偽噪聲(PN)碼序列。 c.擴(kuò)頻調(diào)制方式多采用BPSK或QPSK等幅調(diào)制。擴(kuò)頻和解擴(kuò)的調(diào)制解調(diào)器多采用平衡調(diào)制器，制作簡(jiǎn)單又能抑制載被。d.模擬信息調(diào)制多采用頻率調(diào)制(FM)，而數(shù)字信息調(diào)制多采用脈沖編碼調(diào)制(PCM)或增量調(diào)制(DM)。 e.接收端多采用產(chǎn)生本地偽隨機(jī)碼序列對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，或采用匹配濾波器來解擴(kuò)信號(hào)。 f.擴(kuò)頻和解擴(kuò)的偽隨機(jī)碼序列應(yīng)有嚴(yán)格的同步，碼的搜捕和跟蹤多采用匹配濾波器或利用偽隨機(jī)碼的優(yōu)良的相關(guān)特性在延遲鎖定環(huán)中實(shí)現(xiàn)。 g.一般需要用窄帶通濾波器來排除干擾，以實(shí)現(xiàn)其抗干擾能力的提高。 3.2.3.解擴(kuò) (1)概述正如在一般的窄帶通信中，已調(diào)信號(hào)在接收端都要進(jìn)行解調(diào)來恢復(fù)所傳的信息。在擴(kuò)頻通信中接收端則用與發(fā)送端相同的擴(kuò)頻碼序列與收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，恢復(fù)所傳的信息。換句話說，這種相關(guān)解調(diào)起到解擴(kuò)的作用。即把擴(kuò)展以后的信號(hào)又恢復(fù)成原來所傳的信息。這種在發(fā)端把窄帶信息擴(kuò)展成寬帶信號(hào)，而在收端又將其解擴(kuò)成窄帶信息的處理過程，會(huì)帶來一系列好處。弄清楚擴(kuò)頻和解擴(kuò)處理過程的機(jī)制，是理解擴(kuò)頻通信本質(zhì)的關(guān)鍵所在。(2)原理分析在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，一般采用相關(guān)檢測(cè)或匹配濾波的方法來解擴(kuò)。 所謂相關(guān)檢測(cè)，是指當(dāng)你想檢測(cè)出所需要的有用信號(hào)，有效的方法是在本地產(chǎn)生一個(gè)相同的信號(hào)，然后用它與接收到的信號(hào)對(duì)比，求其相似性。換句話說，就是用本地產(chǎn)生的相同的信號(hào)與接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，其中相關(guān)函數(shù)最大的就最可能是所要的有用信號(hào)。 基本的擴(kuò)頻過程就是在收端產(chǎn)生與發(fā)端完全相同的PN碼，對(duì)收到的擴(kuò)頻信號(hào)，在平衡調(diào)制器中再一次進(jìn)行二相相移鍵控調(diào)制。可以看出發(fā)端相移鍵控調(diào)制后的信號(hào)在收端又被恢復(fù)成原來的載波信號(hào)。當(dāng)然一個(gè)必要的條件是本地的PN碼信號(hào)的相位必須和收到的相移后的信號(hào)在相移點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，才能正確地將相移后的信號(hào)再翻轉(zhuǎn)過來。由此可見，收發(fā)兩端信號(hào)的同步十分重要。 (3)解擴(kuò)過程平衡調(diào)制器把收到的展寬的信號(hào)解擴(kuò)成信息調(diào)制的載波。最后經(jīng)帶通濾波器輸出。以上所述就是所謂的相關(guān)解擴(kuò)過程。通常為了處理方便，大多在中頻進(jìn)行。也就是接收到的擴(kuò)頻信號(hào)，先在變頻器中先變換到中頻，再進(jìn)入到平衡調(diào)制器中解擴(kuò)。其后接中頻帶通濾波器輸出。有時(shí)為了避免強(qiáng)干擾信號(hào)從平衡調(diào)制器的輸入端繞過它而泄漏到輸出端去，可以來用外差相關(guān)解擴(kuò)。本地產(chǎn)生的PN碼先與本地振蕩器產(chǎn)生的與接收信號(hào)差一個(gè)中頻信號(hào)的本地振蕩信號(hào)在下面一個(gè)平衡調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生本地參考信號(hào)。它是一個(gè)展寬了的信號(hào)。然后，此本地參考信號(hào)與接收的信號(hào)在上面一個(gè)平衡調(diào)制器調(diào)制成中頻輸出信號(hào)。這時(shí)平衡調(diào)制器實(shí)際上起的是混頻器的作用。由于它的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)不同，也就不會(huì)發(fā)生強(qiáng)干擾信號(hào)直接繞過去的泄漏了。并且后面還有一個(gè)中頻帶通濾波器，可以起到濾除干擾的作用。(4)效果分析及實(shí)現(xiàn)方法相關(guān)解擴(kuò)過程對(duì)擴(kuò)頻通信至關(guān)重要。正是這一解擴(kuò)過程大大提高了系統(tǒng)的抗擾能力。 相關(guān)解擴(kuò)在性能上固然很好，但總是需要在接收端產(chǎn)生本地PN碼。這一點(diǎn)有時(shí)帶來許多不方便。例如，解決本地信號(hào)與接收信號(hào)的同步問題就很麻煩，還不能做到實(shí)時(shí)把有用信號(hào)檢測(cè)出來。因?yàn)槠ヅ錇V波和相關(guān)檢測(cè)的作用在本質(zhì)上是一樣的，我們可以用匹配濾波器來解擴(kuò)直擴(kuò)信號(hào)。 所謂匹配濾波器，就是與信號(hào)相匹配的濾波器，它能在多種信號(hào)或干擾中把與之匹配的信號(hào)檢測(cè)出來。對(duì)于視頻矩形脈沖序列來說，無源匹配濾波器就是抽頭延遲線上加上加法累加器。有時(shí)稱為橫向?yàn)V波器。4，心得體會(huì)不知不覺已經(jīng)到了大四期末，按照教學(xué)安排，我們進(jìn)行了最后一次課程設(shè)計(jì)，此次課程設(shè)計(jì)內(nèi)容是用MATLAB軟件編寫程序，并實(shí)現(xiàn)卷積編碼和Viterbi譯碼的算法，并且實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻與解擴(kuò)，從而得出信噪比與誤碼率之間的關(guān)系。在大一時(shí)候接觸過MATLAB，但是當(dāng)時(shí)只是知道該軟件是一款相當(dāng)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)語言，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，經(jīng)過為期三周的課設(shè)讓我們對(duì)MATLAB有了進(jìn)一步的了解和認(rèn)識(shí)。在第一周，劉老師先講解了課設(shè)的相關(guān)背景知識(shí)。在接下來的時(shí)間里，我們就開始自己操作軟件，編寫程序。說實(shí)話專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)不是很扎實(shí)，而且之前沒有接觸過MATLAB語言，要用一門新語言編寫程序并實(shí)現(xiàn)仿真很困難。于是在老師的推薦下去圖書館借閱了參考書，請(qǐng)教老師，編寫模塊.最終課設(shè)有了一些進(jìn)展。在編寫過程中，出現(xiàn)了一系列錯(cuò)誤，請(qǐng)教同學(xué)，咨詢徐老師，一個(gè)一個(gè)解決，功夫不負(fù)有心人，在程序成功運(yùn)行出結(jié)果看到對(duì)比曲線心中十分高興。在運(yùn)行程序-提示錯(cuò)誤-解決錯(cuò)誤總結(jié)原因的過程中，再次意識(shí)到做工程，各個(gè)方面都要考慮到，尤其是那種細(xì)節(jié)的錯(cuò)誤，更要得到重視。最后幾天我們更是弄懂了每一個(gè)程序，將每個(gè)程序進(jìn)行仿真，分析誤碼率與信噪比之間的關(guān)系，同時(shí)將每個(gè)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析性能，得出結(jié)論，最后順利的通過了驗(yàn)收，完成了大學(xué)的最后一此課程設(shè)計(jì)。5，參考文獻(xiàn)【1】興雯等.擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004.【2】蓉,李署堅(jiān). 擴(kuò)頻通信技術(shù)J. 無線電工程, 2001,(S1) . 【3】淑君,柳鐸. 淺談擴(kuò)頻通信技術(shù)及其應(yīng)用J. 山東電子, 2004,(01) . 【4】孟令彪. 無線擴(kuò)頻通信技術(shù)述略J. 商場(chǎng)現(xiàn)代化, 2004,(15) . 1998,(06) . 【6】徐明元，邵玉斌.matlab仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用M.西安電子科技大學(xué)出版社，2001【7】郭海燕，畢紅軍.MATLAB在偽隨機(jī)碼的生成及仿真中的應(yīng)用J.計(jì)算機(jī)仿真，21(3),2004.36，附錄程序一：本程序未加卷積碼，未加擴(kuò)頻（文件名DS0）EN = input( 請(qǐng)輸入信噪比（用分貝表示）: );L= input( 請(qǐng)輸入數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度(= 信息比特?cái)?shù) + 尾比特?cái)?shù), 默認(rèn)值: 400) : );if isempty(L) L = 400;endferrlim=input(請(qǐng)輸入程序終止的幀錯(cuò)誤數(shù),默認(rèn)值: 15 : );if isempty(ferrlim) ferrlim = 15;end c=-1 -1 -1 1 1 1 1 -1 1 -1 1 1 -1 -1 1;N=length(c);g=1 0 1;1 1 1;k0=1;for j=1:length(EN); errs(j) = 0; nferr(j) = 0; nframe = 0; while nferr(j)ferrlim nframe = nframe + 1; tem=rand(1,L); for i=1:L if tem(i)=0 Db(i)=1; else Db(i)=0; end end err=length(find(Db=d); if err0 nferr(j)=nferr(j)+1; end errs(j) = errs(j) + err; if rem(nframe,3)=0 | nferr(j)=ferrlim % Bit error rate ber(j) = errs(j)/nframe/(L);% Frame error rate fer(j) = nferr(j)/nframe;% Display intermediate results in process fprintf(* Eb/N0 = % 5.2f db *n, EN(j);fprintf(Frame size = %d, rate 1/%d. n, L, 2);fprintf(%d frames transmitted, %d frames in error.n, nframe, nferr(j); fprintf(%8.4e , ber(j); fprintf(n); fprintf(%8.4e , fer(j); fprintf(n);fprintf(*nn); end% Save intermediate results end%whileend %nENsemilogy(EN,ber,.);end 程序二：本程序無卷積，擴(kuò)頻周期L=15（文件名為DS1）EN = input( 請(qǐng)輸入信噪比（用分貝表示）: );L=input(請(qǐng)輸入數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度(=信息比特?cái)?shù)+尾比特?cái)?shù),默認(rèn)值: 400):);ferrlim=input( 請(qǐng)輸入程序終止的幀錯(cuò)誤數(shù), 默認(rèn)值: 15 : );if isempty(ferrlim) ferrlim = 15;end if isempty(L) L = 400;endc=-1 -1 -1 1 1 1 1 -1 1 -1 1 1 -1 -1 1;N=length(c);g=1 0 1;1 1 1;k0=1;for j=1:length(EN); errs(j) = 0; nferr(j) = 0; nframe = 0; while nferr(j)ferrlim nframe = nframe + 1; tem=rand(1,L); for i=1:L if tem(i)=0 Db(i)=1; else Db(i)=0; end end err=length(find(Db=d); if err0 nferr(j)=nferr(j)+1; end errs(j) = errs(j) + err;if rem(nframe,3)=0 | nferr(j)=ferrlim% Bit error rate ber(j) = errs(j)/nframe/(L);% Frame error rate fer(j) = nferr(j)/nframe;% Display intermediate results in process fprintf(*Eb/N0=%5.2f db *n, EN(j); fprintf(Frame size = %d, rate 1/%d. n, L, 2); fprintf(%d frames transmitted, %d frames in error.n, nframe, nferr(j); fprintf(%8.4e , ber(j); fprintf(n); fprintf(%8.4e , fer(j); fprintf(n);fprintf(*nn); end% Save intermediate results end%whileend %nEN semilogy(EN,ber,.); end程序三：本程序無卷積，擴(kuò)頻周期L=31（文件名為DS2）EN = input( 請(qǐng)輸入信噪比（用分貝表示）: );L=input(請(qǐng)輸入數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度(=信息比特?cái)?shù)+尾比特?cái)?shù),默認(rèn)值: 400):);ferrlim=input( 請(qǐng)輸入程序終止的幀錯(cuò)誤數(shù), 默認(rèn)值: 31: );if isempty(ferrlim) ferrlim = 31;end if isempty(L) L = 400;endc=-1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 ;N=length(c);g=1 0 1;1 1 1;k0=1;for j=1:length(EN); errs(j) = 0; nferr(j) = 0; nframe = 0; while nferr(j)ferrlim nframe = nframe + 1; tem=rand(1,L); for i=1:L if tem(i)=0 Db(i)=1; else Db(i)=0; end end err=length(find(Db=d); if err0 nferr(j)=nferr(j)+1; end errs(j) = errs(j) + err;if rem(nframe,3)=0 | nferr(j)=ferrlim% Bit error rate ber(j) = errs(j)/nframe/(L);% Frame error rate fer(j) = nferr(j)/nframe;% Display intermediate results in process fprintf(*Eb/N0=%5.2f db *n, EN(j); fprintf(Frame size = %d, rate 1/%d. n, L, 2); fprintf(%d frames transmitted, %d frames in error.n, nframe, nferr(j); fprintf(%8.4e , ber(j); fprintf(n); fprintf(%8.4e , fer(j); fprintf(n);fprintf(*nn); end% Save intermediate results end%whileend %nEN semilogy(EN,ber,.); end程序四 ：本程序包含卷積，擴(kuò)頻周期L=15EN = input( 請(qǐng)輸入信噪比（用分貝表示）: );L= input( 請(qǐng)輸入數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度(= 信息比特?cái)?shù) + 尾比特?cái)?shù), 默認(rèn)值: 400) : );if isempty(L) L = 400;endferrlim=input( 請(qǐng)輸入程序終止的幀錯(cuò)誤數(shù), 默認(rèn)值: 15 : );if isempty(ferrlim) ferrlim = 15;end c=-1 -1 -1 1 1 1 1 -1 1 -1 1 1 -1 -1 1; % 產(chǎn)生m序列N=length(c);g=1 0 1;1 1 1;k0=1; % 卷積生成矩陣for j=1:length(EN); errs(j) = 0; % 賦初值 nferr(j) = 0; nframe = 0; while nferr(j)ferrlim nframe = nframe + 1; tem=rand(1,L); for i=1:L %判決生成單極性序列d(t) if tem(i)=0 %判決生成擴(kuò)頻后的序列Db(t)Db(i)=1; else Db(i)=0; end endDd,survivor_state,cumulated_metric=viterbi(g,k0,Db); %viterbi譯碼 err=length(find(Dd=d); %比較Db與d if err0 nferr(j)=nferr(j)+1; end errs(j) = errs(j) + err; if rem(nframe,3)=0 | nferr(j)=ferrlim% Bit error rate ber(j) = errs(j)/nframe/(L);% Frame error rate fer(j) = nferr(j)/nframe;% Display intermediate results in process fp