基于MATLAB的擴(kuò)頻與調(diào)頻通信系統(tǒng)仿真

1、實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱：現(xiàn)代通信原理實(shí)驗(yàn)任課教師：李波實(shí)驗(yàn)名稱：基于MATLAB的擴(kuò)頻和跳頻通信系統(tǒng)仿真研究年級(jí)：13級(jí) 專業(yè)：控制工程 姓名：李義 學(xué)號(hào)：12013002346日期：2013年10月10日云南大學(xué)信息學(xué)院一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康母鶕?jù)通信理論知識(shí)熟練的運(yùn)用MATLAB進(jìn)行直序列擴(kuò)頻和跳頻擴(kuò)頻的仿真研究。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.Matlab/simulink通信系統(tǒng)仿真。2.用matlab實(shí)現(xiàn)直序列擴(kuò)頻和跳頻擴(kuò)頻。三、 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件平臺(tái)：筆記本電腦軟件平臺(tái)：windows7操作系統(tǒng)、Matlab R2013a四、 擴(kuò)展頻譜通信知識(shí)1理論基礎(chǔ)通信技術(shù)和通信理論的研究，是圍繞著通信系統(tǒng)的有效性和可靠

2、性這兩個(gè)基本問題開展的。所以，有效性和可靠性是設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。有效性，是指通信系統(tǒng)傳輸信息效率的高低。這個(gè)問題是討論怎樣以最合理、最經(jīng)濟(jì)的方法傳輸最大數(shù)量的信息。在模擬通信系統(tǒng)中，多路復(fù)用技術(shù)可提高系統(tǒng)的有效性。顯然，信道復(fù)用程度越高，系統(tǒng)傳輸信息的有效性就越好。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，因此傳輸?shù)挠行允怯脗鬏斔俾蕘砗饬康??？煽啃?，是指通信系統(tǒng)可靠地傳輸信息。由于信息在傳輸過程中受到干擾，收到的與發(fā)出的信息并不完全相同?？煽啃跃褪怯脕砗饬渴盏叫畔⑴c發(fā)出信息的符合程度。因此，可靠性決定于系統(tǒng)抵抗干擾的性能，也就是說，決定于通信系統(tǒng)的抗干擾性。在模擬通信系統(tǒng)中

3、，傳輸可靠性是用整個(gè)系統(tǒng)的輸出信噪比來衡量的。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，傳輸可靠性是用差錯(cuò)率來衡量的。擴(kuò)展頻譜通信由于具有很強(qiáng)的抗干擾能力，首先在軍用通信系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。近年來，擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)的理論和應(yīng)用發(fā)展非常迅速。擴(kuò)頻通信是擴(kuò)展頻譜通信的簡稱。我們知道，頻譜是電信號(hào)的頻域描述。承載各種信息(如語音、圖象、數(shù)據(jù)等)的信號(hào)一般都是以時(shí)域來表示的，即表示為一個(gè)時(shí)間的函數(shù)。信號(hào)的時(shí)域表示式可以用傅立葉變換得到其頻域表示式)。頻域和時(shí)域的關(guān)系由(1-1)確定： (1-1)函數(shù)的傅立葉變換存在的充分條件是滿足狄里赫萊(Dirichlet)條件，或在區(qū)間(-，+)絕對(duì)可積，即必須為有限值。擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)是

4、指待傳輸信息的頻譜用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)（與待傳輸?shù)男畔⒋a無關(guān)）擴(kuò)展后成為寬頻帶信號(hào)，送入信道中傳輸，再利用相應(yīng)的手段將其壓縮，從而獲取傳輸信息的通信系統(tǒng)。也就是說在傳輸同樣信息時(shí)所需要的射頻帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被傳輸信息所必需的最小的帶寬。擴(kuò)頻后射頻信號(hào)的帶寬至少是信息帶寬的幾十倍、幾百倍甚至幾萬倍。信息已不再是決定射頻信號(hào)帶寬的一個(gè)重要因素，射頻信號(hào)的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)來決定。由上述可見，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)有以下兩個(gè)特點(diǎn)：(1) 傳輸信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被傳輸?shù)脑夹畔⑿盘?hào)的帶寬；(2) 傳輸信號(hào)的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)決定，此擴(kuò)頻函數(shù)通常是偽隨機(jī)(偽噪聲)編碼信號(hào)。以上兩個(gè)特點(diǎn)有時(shí)也稱為判斷擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的準(zhǔn)

5、則。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是其具有很強(qiáng)的抗人為干擾、抗窄帶干擾、抗多徑干擾的能力。這里我們先定性地說明一下擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具有抗干擾能力的理論依據(jù)。擴(kuò)頻通信的基本理論根據(jù)是信息理論中的山農(nóng)（CEShannon）信道容量公式： (1-2)式中C為信道容量(bit/s)，W為信道帶寬(Hz)，S為信號(hào)功率(W)，N為噪聲功率(W)。山農(nóng)公式表明了一個(gè)信道無誤差地傳輸信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于傳輸信息的信道帶寬之間的關(guān)系。令C是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，對(duì)(1-2)式進(jìn)行變換 (1-3)對(duì)于干擾環(huán)境中的典型情況，當(dāng)時(shí)，對(duì)式(1-2)用冪級(jí)數(shù)展開，并略去高次項(xiàng)得 (1-4)或 (

6、1-5)由式(1-4)和(1-5)可看出，對(duì)于任意給定的噪聲信號(hào)功率比，只要增加用于傳輸信息的帶寬W，理論上就可以增加在信道中無誤差地傳輸?shù)男畔⒙蔆?；蛘哒f在信道中當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信號(hào)噪聲功率比下降時(shí)，可以用增加系統(tǒng)傳輸帶寬W的辦法來保持信道容量C不變。對(duì)于任意給定的信號(hào)噪聲功率比，可以用增大系統(tǒng)的傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯(cuò)率。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)正是利用這一原理，用高速率的擴(kuò)頻碼來達(dá)到擴(kuò)展待傳輸?shù)臄?shù)字信息帶寬的目的。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)通信體制大幾百倍乃至幾萬倍，所以在相同信噪比的條件下，具有較強(qiáng)的抗干擾的能力。山農(nóng)指出，在高斯噪聲的干擾下，在限平均功率的信道上，實(shí)現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號(hào)是具有

7、白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)。這是因?yàn)楦咚拱自肼曅盘?hào)具有理想的自相關(guān)特性，其功率譜為 - f (1-6)它的自相關(guān)函數(shù)為 (1-7)其中：t為時(shí)延， (1-8)白噪聲的自相關(guān)函數(shù)具有函數(shù)的特點(diǎn)，說明它具有尖銳的自相關(guān)特性。但是對(duì)于白噪聲信號(hào)的產(chǎn)生、加工和復(fù)制，迄今為止仍存在著許多技術(shù)問題和困難。然而人們已經(jīng)找到一些易于產(chǎn)生又便于加工和控制的偽噪聲碼序列，它們的統(tǒng)計(jì)特性逼近于高斯白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性。偽噪聲序列的理論在本書以后的章節(jié)要專門講述，這里僅簡略引用其統(tǒng)計(jì)特性，借以說明擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)。假設(shè)某種偽噪聲序列的周期(長度)為N，且碼元都是二元域上的元素。一個(gè)周期(長度)為N，碼元為的偽噪聲二元序列的歸

8、一化自相關(guān)函數(shù)為 (1-9)式中，1，2，3，。當(dāng)偽噪聲序列周期(長度)N取足夠長或N時(shí)，式(1-9)可簡化為 (1-10)比較式(1-7)和式(1-10)，看出它們比較接近，當(dāng)序列周期(長度)足夠長時(shí)，式(1-10)就逼近式(1-7)。偽噪聲序列具有和白噪聲類似的統(tǒng)計(jì)特性，也就是它逼近于高斯信道要求的最佳信號(hào)形式。用偽噪聲碼擴(kuò)展待傳輸基帶信號(hào)頻譜的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，優(yōu)于常規(guī)通信體制。2實(shí)現(xiàn)方法擴(kuò)頻通信與一般的通信系統(tǒng)相比，主要是在發(fā)射端增加了擴(kuò)頻調(diào)制，而在接收端增加了擴(kuò)頻解調(diào)的過程，擴(kuò)頻通信按其工作方式不同主要分為直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)、跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)、跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)、線性調(diào)頻系統(tǒng)和混合調(diào)頻系統(tǒng)。直接序列

9、擴(kuò)頻（DirectSequenceSpreadSpectrum，DS-SS）跳頻擴(kuò)頻（FrequencyHoppingSpreadSpectrum，F(xiàn)H-SS）跳時(shí)擴(kuò)頻（TimeHoppingSpreadSpectrum，TH-SS）直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)采用高碼速率的直接序列（DirectSequence，DS），偽隨機(jī)碼在發(fā)端進(jìn)行擴(kuò)頻，在收端用相同的碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，然后將展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始信息。所謂跳頻是指發(fā)送信號(hào)的載波按照某一隨機(jī)跳變圖樣在跳變，跳頻信號(hào)具有時(shí)變、偽隨機(jī)的載頻。跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)在很多方面類似于將帶寬為多個(gè)用戶劃分為多個(gè)信道的FDMA系統(tǒng)。在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，某一用戶的跳頻信號(hào)只

10、占用單個(gè)頻率信道。跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)和FDMA系統(tǒng)的區(qū)別在于：跳頻信號(hào)在很短的周期間隔內(nèi)改變載頻。跳頻系統(tǒng)又分為快跳頻和慢跳頻兩種。如果信號(hào)跳頻的速率等于或接近于符號(hào)速率，則該系統(tǒng)稱為快跳頻系統(tǒng)；如果信號(hào)跳頻的速率低于符號(hào)速率，則稱為慢跳頻系統(tǒng)。跳時(shí)是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變。先把時(shí)間軸分成許多時(shí)片，在一幀內(nèi)的哪個(gè)時(shí)片發(fā)射信號(hào)由擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行控制。由于用了很窄的時(shí)片去發(fā)送信號(hào)，所以信號(hào)的頻譜被展寬了，達(dá)到了擴(kuò)頻的效果。圖4-1為擴(kuò)頻系統(tǒng)的模型框圖。圖4-2 為理想擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)波形。s(t)數(shù)據(jù)源編碼器m序列發(fā)生器發(fā)射機(jī)射頻振蕩器and(t)c(t)cos(2pf0t+j)中頻濾波器VCOm序列發(fā)生器

11、射頻濾波器R(t)r(t)v(t)至數(shù)據(jù)檢測(cè)器2cos2p(f0+fIF+)t+(b)接收系統(tǒng)(a)發(fā)射系統(tǒng)圖4-1擴(kuò)頻系統(tǒng)模型圖Tb(a) d(t)+1 -1Tb(e) d(t) +1 -1s(t)=d(t)c(t)cos2pf0t+j(t)(d) s(t)(b) c(t)+1-1Tc(c) d(t)c(t) +1-1圖4-2 理想擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)波形早在50年代，哈爾凱維奇()已從理論上證明：要克服多徑衰落干擾的影響，信道中傳輸?shù)淖罴研盘?hào)形式應(yīng)該是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)形式。采用偽噪聲碼的擴(kuò)頻函數(shù)逼近白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，因而擴(kuò)頻通信系統(tǒng)又具有抗多徑干擾的能力。現(xiàn)在我們以直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)為例

12、，來研究擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本原理。它的原理方框圖如圖1-1所示。圖4-1(a)是發(fā)射系統(tǒng)方框圖，圖4-1(b)是接收系統(tǒng)方框圖。信源產(chǎn)生的信息流通過編碼器輸出二進(jìn)制碼流。二進(jìn)制碼流中所含的兩個(gè)符號(hào)的先驗(yàn)概率相同，均為，且兩個(gè)符號(hào)相互獨(dú)立，其波形圖如圖4-2(a)所示，二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)與一個(gè)高速率的二進(jìn)制偽噪聲碼的波形（如圖4-2(b)所示，偽噪聲碼為m序列）相乘，得到如圖4-2(c)所示的復(fù)合信號(hào)，這就擴(kuò)展了傳輸信息的帶寬。一般偽噪聲碼的速率是Mb/s的量級(jí)，有的甚至達(dá)到幾百M(fèi)b/s。而待傳輸?shù)男畔⒘鹘?jīng)編碼器編碼后的碼速率較低，如數(shù)字話音信號(hào)一般為1632kb/s，這就擴(kuò)展了調(diào)制信號(hào)的帶寬。擴(kuò)頻后

13、的復(fù)合信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制(直接序列擴(kuò)頻一般采用PSK調(diào)制)，然后通過發(fā)射機(jī)和天線送入信道中傳輸。發(fā)射機(jī)輸出的擴(kuò)頻信號(hào)用表示，如圖4-2(d)所示。擴(kuò)頻信號(hào)的帶寬取決于偽噪聲碼的碼速率。在PSK調(diào)制的情況下，射頻信號(hào)的帶寬等于偽噪聲碼速率的2倍，而幾乎與數(shù)字信息流的碼速率無關(guān)。以上處理過程就達(dá)到了擴(kuò)展數(shù)字信息流頻譜的目的。Rcf0fffBbfIFfIFBb多徑信號(hào)窄帶干擾白噪聲白噪聲有用信號(hào)有用信號(hào)多徑信號(hào)多徑信號(hào)窄帶干擾有用信號(hào)白噪聲窄帶干擾(a) 接收機(jī)輸入(b) 混頻器輸出(c) 中頻濾波器輸出 圖4-3 擴(kuò)頻接收機(jī)中頻濾波器輸出頻譜在接收端用一個(gè)和發(fā)射端同步的偽噪聲碼所調(diào)制的本地振蕩信號(hào)

14、，與接收到的進(jìn)行相關(guān)處理。相關(guān)處理是將兩個(gè)信號(hào)相乘，然后求其數(shù)學(xué)期望(均值)，或求兩個(gè)信號(hào)瞬時(shí)值相乘的積分。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)完全相同時(shí)(或相關(guān)性很好)，得到最大的相關(guān)峰值，經(jīng)數(shù)據(jù)檢測(cè)器恢復(fù)發(fā)射端的信號(hào)。若信道中存在著干擾，這些干擾包括窄帶干擾、人為瞄準(zhǔn)式干擾、單頻干擾、多徑干擾和碼分多址干擾，它們和有用信號(hào)同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)，如圖4-3(a)所示。圖4-3中，為偽噪聲碼速率，為射頻頻率，為中頻頻率，為被基帶數(shù)字信息調(diào)制的已調(diào)波信號(hào)的帶寬。由于窄帶噪聲和多徑干擾與本地?cái)U(kuò)頻信號(hào)不相關(guān)，所以在進(jìn)行相關(guān)處理時(shí)被削弱，實(shí)際上干擾信號(hào)和本地?cái)U(kuò)頻信號(hào)相關(guān)處理后，其頻帶被擴(kuò)展，也就是干擾信號(hào)的能量被擴(kuò)展到整個(gè)傳輸頻帶之

15、內(nèi)，降低了干擾信號(hào)的電平(單位頻率內(nèi)的能量)，如圖4-3(b)所示。由于相關(guān)器后的中頻濾波器通頻帶很窄，所以中頻濾波器只輸出被基帶信號(hào)調(diào)制的中頻信號(hào)和落在濾波器通頻帶內(nèi)的那部分干擾和噪聲，而絕大部分的干擾和噪聲能量被中頻濾波器濾除，這樣就大大地改善了系統(tǒng)的輸出信噪比，如圖4-3(c)所示。關(guān)于這一特性，我們將在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的性能分析一章中作進(jìn)一步分析。為了對(duì)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的這一特性有一初步了解，我們以解擴(kuò)前后信號(hào)功率譜密度示意圖來說明這一問題。假設(shè)有用信號(hào)的功率為，碼分多址干擾信號(hào)的功率，多徑干擾信號(hào)的功率，其他進(jìn)入接收機(jī)的干擾和噪聲的功率。再假設(shè)所有信號(hào)的功率譜是均勻分布在的帶寬之內(nèi)。解擴(kuò)前的

16、信號(hào)功率譜見圖4-4中的(a)，圖中各部分的面積都相等，為。解擴(kuò)后的信號(hào)功率譜見圖4-4中的(b)，各部分的面積保持不變。通過相關(guān)解擴(kuò)后，有用信號(hào)的頻帶被壓縮在很窄的帶寬內(nèi)，能無失真的通過中頻濾波器(濾波器2Rc2RcBb(a) 解擴(kuò)前(b) 解頻后有用信號(hào)多址信號(hào)多徑信號(hào)噪聲有用信號(hào)多址信號(hào)多徑信號(hào)噪聲圖4-4 解擴(kuò)前后信號(hào)功率譜密度示意圖的帶寬為）)。其它信號(hào)因和本地?cái)U(kuò)頻碼無關(guān)，頻帶沒有被壓縮，進(jìn)入中頻濾波器的能量很少，大部分能量落在中頻濾波器的通帶之外，被中頻濾波器濾除了。我們可以定性的看出，解擴(kuò)前后的信噪比發(fā)生了顯著的改變。五、 直接序列擴(kuò)展頻譜1實(shí)現(xiàn)方法 時(shí)鐘源 乘法器 調(diào)制器 發(fā)射

17、機(jī) 載波 發(fā)生器 偽碼 產(chǎn)生器 混頻器 本地 振蕩器 時(shí)鐘源 偽 碼 產(chǎn)生器 調(diào)制器 解調(diào)器 中頻 放大器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)在實(shí)際的碼分多址系統(tǒng)中，直接序列擴(kuò)頻方式得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用，現(xiàn)以直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)為例說明擴(kuò)頻通信的實(shí)現(xiàn)方法。圖5-1直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)原理圖由直擴(kuò)序列擴(kuò)頻系統(tǒng)原理圖可以看出，在發(fā)射端，信源輸出的信號(hào)與偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼進(jìn)行模2加，產(chǎn)生一速率與偽隨機(jī)碼速率相同的擴(kuò)頻序列，然后再用擴(kuò)頻序列去調(diào)制載波，這樣得到已擴(kuò)頻調(diào)制的射頻信號(hào)。在接收端，接收到的擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)高放和混頻后，用與發(fā)射端同步的偽隨機(jī)序列對(duì)擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，將信號(hào)的頻帶恢復(fù)為信息序列的頻帶，然后進(jìn)行解調(diào)，恢

18、復(fù)出所傳輸?shù)男畔?。圖 5-2為 直接序列擴(kuò)頻各點(diǎn)波形。圖 5-2 直接序列擴(kuò)頻各點(diǎn)波形2建立系統(tǒng)仿真模型基于MATLAB /Simulink所建立的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型,能夠反映擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作過程,可進(jìn)行波形觀察、頻譜分析和性能分析等，同時(shí)能根據(jù)研究和設(shè)計(jì)的需要擴(kuò)展仿真模型，實(shí)現(xiàn)以擴(kuò)頻通信為基礎(chǔ)的現(xiàn)代通信的模擬仿真，為系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的平臺(tái)。圖5-3為基于MATLAB/Simulink的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型。圖5-3仿真模型圖5-4加性高斯白噪聲模塊子系統(tǒng)其中子系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)模塊說明：在Simulink中，沒有單獨(dú)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)的計(jì)數(shù)器模塊，需要自行創(chuàng)建，計(jì)數(shù)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖5-5。

19、參數(shù)設(shè)置如5-6.圖5-5計(jì)數(shù)模型實(shí)現(xiàn)框圖圖5-6計(jì)數(shù)器設(shè)置信源：隨機(jī)整數(shù)發(fā)生器（Random Integer generator）作為仿真系統(tǒng)的信源，隨機(jī)整數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生二進(jìn)制隨機(jī)信號(hào)，采樣時(shí)間、初始狀態(tài)可自由設(shè)置，從而滿足擴(kuò)頻通信系統(tǒng)所需信源的要求。擴(kuò)頻與解擴(kuò)：PN序列生成器模塊（PNSequence Generator）作為偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器，擴(kuò)頻過程通過信息碼與PN碼進(jìn)行雙極性變換后相乘加以實(shí)現(xiàn)。解擴(kuò)過程與擴(kuò)頻過程相同，即將接收的信號(hào)用PN碼進(jìn)行第二次擴(kuò)頻處理。調(diào)制與解調(diào)：使用二相相移鍵控PSK方式進(jìn)行調(diào)制、解調(diào)。調(diào)制由正弦載波與雙極性擴(kuò)頻碼直接相乘實(shí)現(xiàn)，采用相干解調(diào)法進(jìn)行解調(diào)。信道：傳輸信

20、道為加性高斯白噪聲信道。在加性高斯白噪聲信道模塊中，可進(jìn)行信號(hào)功率和信噪比的設(shè)置。誤碼計(jì)算：誤碼計(jì)算由誤碼儀實(shí)現(xiàn)，誤碼儀在通信系統(tǒng)中的主要任務(wù)是評(píng)估傳輸系統(tǒng)的誤碼率，它具有兩個(gè)輸入端口：第一個(gè)端口（Tx）接收發(fā)送方的輸入信號(hào)，第二個(gè)端口(Rx)接收接收方的輸入信號(hào)。3仿真以及運(yùn)行情況在給出下列仿真的條件下，觀察仿真運(yùn)行情況。信息速率20b/s，幅度為1；偽隨機(jī)序列采用10級(jí)，傳輸速率為200b/s的m序列；載波頻率10KHz；信號(hào)功率為1W，信噪比30dB；仿真時(shí)間設(shè)為2s。在這樣的仿真條件下，理論上可獲得10倍的擴(kuò)頻增益。圖5-7是系統(tǒng)擴(kuò)頻解擴(kuò)的仿真結(jié)果。上圖為信源，中圖為擴(kuò)頻碼，下圖為信宿

21、。從圖5-7可見，信源和信宿相同，誤碼率小于5%，基于MATLAB/Simulink所設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)滿足擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的軟件仿真要求。圖5-7系統(tǒng)擴(kuò)頻解擴(kuò)的仿真結(jié)果4擴(kuò)頻增益與輸出信噪比設(shè)置信息速率和偽隨機(jī)序列傳輸速率，在擴(kuò)頻增益10和50的情況下，不斷改變信噪比的大小，從而得到擴(kuò)頻增益、誤碼率和信噪比的關(guān)系如圖5-8。從圖5-8可以看到，在相同誤碼率下，擴(kuò)頻增益越大，輸出端信噪比越大，并且隨著系統(tǒng)要求的提高，增大擴(kuò)頻增益，輸出端信噪比會(huì)得到更大的好處。圖5-8不同擴(kuò)頻增益下誤碼率仿真曲線六、跳頻擴(kuò)展頻譜1. 原理跳頻技術(shù)是擴(kuò)頻技術(shù)的一種。跳頻，即載波頻率在偽隨機(jī)碼控制下隨機(jī)跳變，因此跳頻系統(tǒng)可

22、以看做是載頻按照一定規(guī)律變化的多頻頻移鍵控（MFSK）。跳頻擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)是頻率跳變擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)的簡稱，更確切地說應(yīng)叫做“多頻、選碼和頻移鍵控通信系統(tǒng)”。它是用二進(jìn)制偽隨機(jī)碼序列去離散地控制射頻載波振蕩器的輸出頻率，使發(fā)射信號(hào)的頻率隨偽隨機(jī)碼的變化而跳變。跳變系統(tǒng)可供隨機(jī)選取的頻率數(shù)通常是幾千到個(gè)離散頻率。每次移頻是根據(jù)偽隨機(jī)碼決定的。頻率跳變擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)的系統(tǒng)模型參見圖6-1。 調(diào)制器 頻率 合成器 偽碼 產(chǎn)生器 混頻器 時(shí)鐘源 偽 碼 產(chǎn)生器 頻率 合成器 解調(diào)器 中頻 放大器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 時(shí)鐘源圖6-1 跳頻通信系統(tǒng)模型頻率跳變擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)主要由偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器和頻率合成器兩部分

23、組成?？焖夙憫?yīng)的頻率合成器是頻率跳變擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。頻率跳變擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)信機(jī)的發(fā)射頻率，在一個(gè)預(yù)定的頻率集內(nèi)由偽隨機(jī)碼序列控制頻率合成器(偽)隨機(jī)的由一個(gè)跳到另一個(gè)。收信機(jī)中的頻率合成器也按照相同的順序跳變，產(chǎn)生一個(gè)和發(fā)射頻率只差一個(gè)中頻的本振頻率，經(jīng)混頻后得到一個(gè)頻率固定的中頻信號(hào)。這一中頻信號(hào)經(jīng)放大后送到解調(diào)器解調(diào)，恢復(fù)出傳輸?shù)男畔?。在頻率跳變擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，控制頻率跳變的指令碼(偽隨機(jī)碼)的速率，沒有直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的偽隨機(jī)碼速率高，一般為每秒幾十跳到幾萬跳，根據(jù)頻率跳變的速度，可以將頻率跳變系統(tǒng)分為慢頻率跳變系統(tǒng)和快頻率跳變系統(tǒng)兩種。假設(shè)數(shù)據(jù)調(diào)制采用頻移鍵控調(diào)制，T

24、是一個(gè)信息比特寬度，每秒數(shù)據(jù)調(diào)制器輸出2L個(gè)頻率中的一個(gè)。每隔秒系統(tǒng)輸出信號(hào)的射頻頻率跳變到一個(gè)新的頻率上。若，這樣的頻率跳變系統(tǒng)稱為慢頻率跳變系統(tǒng)?，F(xiàn)舉例說明慢頻率跳變系統(tǒng)的工作過程，參見圖6-2。圖6-2中，L=2，。數(shù)據(jù)調(diào)制器根據(jù)二進(jìn)制碼選擇4個(gè)頻率中的一個(gè)，即每隔秒數(shù)據(jù)調(diào)制器從4個(gè)頻率中選擇1個(gè)。頻率合成器有，個(gè)頻率可供跳變，每傳送2個(gè)符號(hào)或4個(gè)比特后跳變到一個(gè)新的頻率。發(fā)送信號(hào)在收信機(jī)中同本地振蕩信號(hào)進(jìn)行下變頻，本振頻率的集合為，下變頻后的中頻信號(hào)頻率集中在寬度為的頻帶中。TcTs時(shí)間T0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1

25、 0 0 1 1 1 0 0 WdWdWS頻率圖6-2 慢頻率跳變系統(tǒng)頻率跳變示意在慢頻率跳變系統(tǒng)中，頻率的跳變速度比數(shù)據(jù)調(diào)制器輸出符號(hào)的變化速度慢。若在每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)中，射頻輸出信號(hào)的頻率跳變多次，這樣的頻率跳變系統(tǒng)就叫做快頻率跳變系統(tǒng)。圖6-3給出了快頻率跳變系統(tǒng)輸出射頻信號(hào)的頻率。在圖6-3中，k=3。TcTs時(shí)間0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 WdWdWS頻率圖6-3 快頻率跳變系統(tǒng)頻率跳變示意圖2. 藍(lán)牙跳頻技術(shù)藍(lán)牙跳頻技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙擴(kuò)譜的關(guān)鍵技術(shù)。ISM頻段是對(duì)所有無線電系統(tǒng)都開放的頻段，使用ISM頻段的系統(tǒng)容易受干擾。藍(lán)牙跳頻系統(tǒng)，

26、使得系統(tǒng)所傳輸?shù)男盘?hào)工作在一個(gè)很寬的頻帶上，傳統(tǒng)的窄帶干擾只能影響到擴(kuò)頻信號(hào)的一小部分，這使得信號(hào)不容易受到其它無線電波和信號(hào)的影響，從而更加穩(wěn)定。另外，如果在一個(gè)頻道上遇到干擾，就可以迅速跳到可能沒有干擾的另一個(gè)頻道上工作，從而加強(qiáng)了信號(hào)的可靠性和安全性。藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)包括：信號(hào)傳輸部分、信號(hào)接收部分、頻譜分析部分、誤碼分析部分。藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸主要包含兩個(gè)部分：信號(hào)序列產(chǎn)生和在跳頻頻率上映射該序列。藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)信號(hào)接收部分利用相同的隨機(jī)跳頻序列將接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，按照預(yù)處理的逆序進(jìn)行解調(diào)，包含F(xiàn)H-CPM Demulator子系統(tǒng)和Dis-assemble Packet子系統(tǒng)

27、兩個(gè)子系統(tǒng)。發(fā)送端在時(shí)鐘控制下，偽碼發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列去控制頻率合成至生成跳頻載波系列，稱做跳頻圖案。跳頻通信系統(tǒng)的原理框圖見圖6-1。圖中接收端的預(yù)調(diào)制濾波器是一種中心頻率隨信號(hào)跳頻式樣而同步跳變的窄帶濾波器（通頻帶允許所需信號(hào)通過），目的在于增加接收機(jī)的時(shí)間選擇性，減少強(qiáng)干擾對(duì)接收機(jī)可能引起的阻塞現(xiàn)象。 接收的跳頻載波序列若與本地產(chǎn)生的跳頻序列圖案一致，則經(jīng)混頻后可得到一個(gè)固定的中頻信號(hào)，再經(jīng)解調(diào)獲得輸出。若外來跳頻圖案與本地圖案不一致，則得不到一個(gè)固定的中頻信號(hào)，解調(diào)后只是一些噪聲而得不到有用的輸出。因此時(shí)間同步是跳頻通信的關(guān)鍵技術(shù)。 調(diào)制方式可根據(jù)跳頻信號(hào)的特征進(jìn)行選擇。在跳頻系統(tǒng)中

28、不宜采用對(duì)相位要求嚴(yán)格的調(diào)制方式。因?yàn)樵谔l通信系統(tǒng)中，接收機(jī)的本地載波要做到與外來信號(hào)的載波在相位上保持相干是很困難的。因此，宜用非相干檢測(cè)方式。頻率合成器是跳頻通信系統(tǒng)的重要組成部分。頻率合成器的性能將制約跳頻速率。對(duì)頻率合成器的要求是跳頻速率快、雜散電平低和功耗小。頻率合成器進(jìn)行頻率跳變時(shí)，一般有2個(gè)階段：一個(gè)是過渡期（暫態(tài)時(shí)間），一個(gè)是滯留期（穩(wěn)態(tài)時(shí)間）。要求過渡期盡量的要短，以實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換。3. 仿真模型藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)仿真模型圖如下所示： 圖6-4 藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)仿真模型圖 藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)包括四個(gè)部分：藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸部分、藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)信號(hào)接收部分、藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)

29、頻譜分析部分、藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)誤碼分析部分。圖6-5 藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸部分藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸主要包含兩個(gè)部分：信號(hào)序列產(chǎn)生和在跳頻頻率上映射該序列。信號(hào)產(chǎn)生采用Bernoulli隨機(jī)信號(hào)生成模塊產(chǎn)生幀采樣率為10、采樣時(shí)間為1.5e-6的隨機(jī)信號(hào)。信號(hào)經(jīng)預(yù)處理在1600/s的跳頻上進(jìn)行映射。圖6-6 FH-CPM Modulaor子系統(tǒng)跳頻調(diào)制方式采用FH-CPM制式調(diào)制，輸入int1將原始信號(hào)進(jìn)行CPM調(diào)制得到脈沖長度為1的Binary符號(hào)序列，在另一輸入端將跳頻速率為1600/s的跳頻信號(hào)進(jìn)行M-FSK調(diào)制，得到-39MHZ39MHZ的跳頻序列，將二者相乘得到輸出信號(hào)進(jìn)入傳輸

30、信道。圖6-7 藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)信號(hào)接收部分藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)信號(hào)接收部分利用相同的隨機(jī)跳頻序列將接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，按照預(yù)處理的逆序進(jìn)行解調(diào)，包含F(xiàn)H-CPM Demulator子系統(tǒng)和Dis-assemble Packet子系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)。FH-CPM Demulator子系統(tǒng)如圖6-8所示，圖6-8 FH-CPM Demulator子系統(tǒng)輸入int1是經(jīng)傳輸信道接收的擴(kuò)頻信號(hào)。輸入int2是隨機(jī)序列產(chǎn)生器輸入的隨機(jī)跳頻序列，該序列與發(fā)送端保持同步，經(jīng)M-FSK調(diào)制后與int1中的擴(kuò)頻信號(hào)相乘再進(jìn)行M-FSK解調(diào)，得到輸出out1。Dis-assemble Packet子系統(tǒng)如圖6-9所示，圖6-9 Dis-assemble Packet子系統(tǒng)由于經(jīng)信道傳輸產(chǎn)生延遲，因此在Dis-assemble Packet