擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗噪聲性能仿真分析

1、擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗噪聲性能研究摘 要裝訂線擴(kuò)頻通信技術(shù)(簡(jiǎn)稱擴(kuò)頻通信)是一種新興的高科技通信技術(shù)，具有大容量、抗干擾、低截獲功率等特點(diǎn)以及可實(shí)現(xiàn)碼分多址(CDMA)等優(yōu)點(diǎn)，在軍事和民用通信系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用，并成為下一代移動(dòng)通信的技術(shù)基礎(chǔ)。在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，直序擴(kuò)頻的應(yīng)用最為廣泛。本文首先介紹擴(kuò)頻通信的基本原理及組成，論述了直序擴(kuò)頻通信的基本原理，重點(diǎn)分析了直擴(kuò)通信系統(tǒng)的抗噪聲性能，最后利用MATLAB的M語(yǔ)言進(jìn)行編程、仿真，建立了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型，結(jié)合仿真結(jié)果分析了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗噪聲性能。關(guān)鍵詞：直接序列擴(kuò)頻通信 抗干擾 偽隨機(jī)序列 仿真ABSTRACTSpread spectr

2、um communication is a sort of new high-tech communication technique, it has a number of internal advantages, such as large capacity, interference immunity, low probability of intercept, code division multiple access(CDMA)etc ,which make it get broad applications in civilian as well as military envir

3、onments, and become the technical groundwork of next generation mobile communications, Direct sequencing spread-spectrum was widely used. The basic principles and composition of spread spectrum communication was introduced, and the basic principle of direct sequence spread spectrum communication was

4、 studied, focusing then the performance of anti noise of direct sequence spread spectrum communication system was analysed, finally the M language programming of MATLAB was used for programming and simulation, a spread spectrum communication system simulation model was established, and the performan

5、ce of anti noise of spread spectrum communication system performance was analysed based on simulation results.Key words: Direct Sequence Spread Spectrum System (DSSS) Anti Interference Pseudo random Sequence Simulation目 錄摘 要I一 引言1二 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)概述22.1 擴(kuò)展頻譜通信的定義22.2 擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)22.3 擴(kuò)頻通信的主要性能指標(biāo)32.4 擴(kuò)頻通信的主要特點(diǎn)4三

6、 直擴(kuò)通信系統(tǒng)原理基礎(chǔ)63.1 直擴(kuò)通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介63.2 偽隨機(jī)序列的產(chǎn)生原理73.2.1 m碼序列的產(chǎn)生原理73.2.2 GOLD碼序列的產(chǎn)生原理83.3 直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法83.4 PSK調(diào)制93.5 擴(kuò)頻信號(hào)的解調(diào)10四 直擴(kuò)通信系統(tǒng)的抗噪聲性能分析114.1 直擴(kuò)通信系統(tǒng)的抗噪聲性能114.2 直擴(kuò)通信系統(tǒng)抗噪聲性能仿真12五 結(jié)論21參考文獻(xiàn)22附 錄23一 引言擴(kuò)展頻譜通信具有很強(qiáng)的抗干擾性能，其多址能力、保密、抗多徑等功能也倍受人們的關(guān)注，被廣泛地應(yīng)用于軍事通信和民用通信中。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)利用了擴(kuò)展頻譜技術(shù)，將信號(hào)擴(kuò)展到很寬的頻帶上，在接收端對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理即帶寬壓縮

7、，恢復(fù)成窄帶信號(hào)。對(duì)干擾信號(hào)而言，由于與擴(kuò)頻信號(hào)不相關(guān)，則被擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上，使之進(jìn)入信號(hào)通頻帶內(nèi)的干擾功率大大降低，相應(yīng)增加了相關(guān)器輸出端的信號(hào)/干擾比，對(duì)大多數(shù)人為干擾而言，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)都具有很強(qiáng)的對(duì)抗能力。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)由于其優(yōu)越的性能得到廣泛的應(yīng)用，具有優(yōu)越的抗噪聲性能。本文通過(guò)對(duì)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的建模分析，對(duì)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗噪聲性能進(jìn)行研究。二 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)概述2.1 擴(kuò)展頻譜通信的定義所謂擴(kuò)展頻譜通信，可簡(jiǎn)單表述如下：“擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有效頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬2；頻帶的擴(kuò)展是通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的碼序列來(lái)完成，用編碼及調(diào)制的方法來(lái)實(shí)

8、現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)；在接收端則用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)”。這一定義包含了以下三方面的意思：信號(hào)的頻譜被展寬了。采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制的方式來(lái)展寬信號(hào)頻譜。在接收端用相關(guān)解調(diào)來(lái)解擴(kuò)。2.2 擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)長(zhǎng)期以來(lái)，人們總是想使信號(hào)所占頻譜盡量窄，以充分利用十分寶貴的頻譜資源。為什么要用這樣寬頻帶的信號(hào)來(lái)傳送信息呢？簡(jiǎn)單的回答就是主要為了通信的安全可靠。 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。眾所周知，任何信息的有效傳輸都需要一定的頻率寬度，如話音為1.7-3.1kHz，電視

9、圖像則寬到數(shù)兆赫。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(wú)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”。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(lái)的。 信息論中關(guān)于信息容量的香農(nóng)(Shannon)公式為： (2-1)式中：C - 信道容量(用傳輸速率度量) W - 信號(hào)頻帶寬度 P - 信號(hào)功率 N - 白噪聲功率 式

10、(2-1)說(shuō)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(guò)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)。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(lái)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)3。2.3 擴(kuò)頻通信的主要性能指標(biāo)處理增益和抗干擾容限是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的兩個(gè)重要性能指標(biāo)。 處理增益G也稱擴(kuò)頻增益(Spreading Gain) 它定義為頻譜擴(kuò)展前的信息帶寬DF與

11、頻帶擴(kuò)展后的信號(hào)帶寬W之比： (2-2)在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，接收機(jī)作擴(kuò)頻解調(diào)后，只提取偽隨機(jī)編碼相關(guān)處理后的帶寬為DF 的信息，而排除掉寬頻帶W中的外部干擾、噪音和其地用戶的通信影響。因此，處理增益G反映了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)信噪比改善的程度?？垢蓴_容限是指擴(kuò)頻通信系統(tǒng)能在多大干擾環(huán)境下正常工作的能力，定義為： (2-3)其中：- 抗干擾容限- 處理增益 - 信息數(shù)據(jù)被正確解調(diào)而要求的最小輸出信噪比 - 接收系統(tǒng)的工作損耗由此可見(jiàn)，抗干擾容限與擴(kuò)頻處理增益成正比，擴(kuò)頻處理增益提高后，抗干擾容限大大提高，甚至信號(hào)在一定的噪聲湮沒(méi)下也能正常通信。通常的擴(kuò)頻設(shè)備總是將用戶信息(待傳輸信息)的帶寬擴(kuò)展到數(shù)十倍、

12、上百倍甚至千倍，以盡可能地提高處理增益。2.4 擴(kuò)頻通信的主要特點(diǎn)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(lái)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(guò)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)4。易于同頻使用，提高了無(wú)線頻譜利用率用戶只能使用申請(qǐng)獲得的頻率，依靠頻道劃分來(lái)防止信道之間發(fā)生干擾。由于擴(kuò)頻通信采用了相關(guān)接收這一高技術(shù)，信號(hào)發(fā)送功率極低，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，也可以與

13、現(xiàn)今各種窄帶通信共享同一頻率資源。抗多徑干擾在無(wú)線通信中，抗多徑干擾問(wèn)題一直是難以解決的問(wèn)題，利用擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性，在接收端可以用淹沒(méi)中提取出來(lái)，在目前商用的通信系統(tǒng)中，擴(kuò)頻通信是唯一能夠工作于負(fù)信噪相關(guān)技術(shù)從多徑信號(hào)中提取分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，也可把多個(gè)路徑來(lái)的同一碼序列的波形相加使之得到加強(qiáng)，從而達(dá)到有效的抗多徑干擾?？梢詫?shí)現(xiàn)碼分多址擴(kuò)頻通信提高了抗干擾性能，但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

14、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(lái)，在一寬頻帶上許多對(duì)用戶可以同時(shí)通話而互不干擾。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(méi)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(shuō)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。擴(kuò)頻通信是數(shù)字通信，特別適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸，擴(kuò)頻通信自身具有加密功能，保密性強(qiáng)，便于開(kāi)展各種通信業(yè)務(wù)。擴(kuò)頻通信容易采用碼分多址、語(yǔ)音壓縮等多項(xiàng)新技術(shù)，更加適用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)字化的

15、話音、圖像信息傳輸。擴(kuò)頻通信絕大部分是數(shù)字電路，設(shè)備高度集成，安裝簡(jiǎn)便，易于維護(hù)，也十分小巧可靠，便于安裝，便于擴(kuò)展，平均無(wú)故障率時(shí)間也很長(zhǎng)。擴(kuò)頻設(shè)備一般采用積木式結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)方式靈活，方便統(tǒng)一規(guī)劃，分期實(shí)施，利于擴(kuò)容。三 直擴(kuò)通信系統(tǒng)原理基礎(chǔ)3.1 直擴(kuò)通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介直接序列擴(kuò)頻是高安全性高抗擾性的一種無(wú)線序列型號(hào)傳輸方式，英文全稱Direct Sequence Spread Spectrum，簡(jiǎn)稱直擴(kuò)方式（DS方式）。直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)（Direct Sequence Spread System，DSSS）簡(jiǎn)稱直擴(kuò)系統(tǒng)，是目前應(yīng)用最廣泛的擴(kuò)頻系統(tǒng)。早起的一些軍事領(lǐng)域的研究發(fā)明，例如全球定位系

16、統(tǒng)（Global Position System，GPS）、航天飛機(jī)通信用的跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)等都是直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)例。直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)序列擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上去。在接收端，用與發(fā)射端擴(kuò)展用的相同的偽隨機(jī)序列對(duì)接收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，恢復(fù)出原來(lái)的信息。由于干擾信息與偽隨機(jī)序列不相關(guān)，在接收端被擴(kuò)展，使落入信號(hào)頻帶內(nèi)的干擾信號(hào)功率大大降低，從而提高了系統(tǒng)的輸出信噪比，達(dá)到抗干擾的目的。直接序列擴(kuò)頻通過(guò)利用高速率的擴(kuò)頻序列在發(fā)射端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展開(kāi)的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原來(lái)的信號(hào)。直接序列擴(kuò)頻技術(shù)在軍事通信和機(jī)密工業(yè)中

17、得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在甚至普及到一些民用的高端產(chǎn)品，例如信號(hào)基站、無(wú)線電視、蜂窩手機(jī)、無(wú)線嬰兒監(jiān)視器等，是一種可靠安全的工業(yè)應(yīng)用方案5。直接序列擴(kuò)頻擴(kuò)頻通信的工作原理如圖3-1所示6。信源信源編碼信道編碼載波調(diào)制信息輸 出信源譯碼信道譯碼解擴(kuò)頻符號(hào)解調(diào)擴(kuò)頻調(diào)制信道圖3-1 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)框圖它主要由原始信息、信源編譯碼、信道編譯碼（差錯(cuò)控制）、載波調(diào)制與解調(diào)、擴(kuò)頻調(diào)制與解擴(kuò)頻和信道六大部分組成。信源編碼的目的是去掉信息的冗余度，壓縮信源的數(shù)碼率，提，高信道的傳輸效率。差錯(cuò)控制的目的是增加信息在信道傳輸中的冗余度，使其具有檢錯(cuò)或糾錯(cuò)能力，提高信道傳輸質(zhì)量。調(diào)制部分是為使經(jīng)信道編碼后的符號(hào)能在適

18、當(dāng)?shù)念l段傳輸，如微波頻段，短波頻段等。擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)是為了某種目的而進(jìn)行的信號(hào)頻譜展寬和還原技術(shù)7。與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)不同的是，在信道中傳輸?shù)氖且粋€(gè)寬帶的低譜密度的信號(hào)。3.2 偽隨機(jī)序列的產(chǎn)生原理直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)是目前廣泛應(yīng)用的一種擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)。美國(guó)的國(guó)際衛(wèi)星通信系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)都是直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)采用直接序列擴(kuò)頻信號(hào)體制。下面就從偽隨機(jī)碼序列(m序列和GOLD碼序列)的產(chǎn)生原理、調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生原理幾方面來(lái)說(shuō)明直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的產(chǎn)生原理。3.2.1 m碼序列的產(chǎn)生原理偽隨機(jī)碼序列是一種具有類似白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的編碼信號(hào)，通常作為擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)展碼。M碼序列是移位寄存器序

19、列8。M碼序列可以由移位寄存器加反饋產(chǎn)生，如圖3-2所示。圖3-2 n級(jí)反饋移位寄存器的結(jié)構(gòu)Cn是每個(gè)移位寄存器的初值，可以是1或0，An是第n級(jí)移位寄存器的反饋系數(shù)，An=0時(shí)表示無(wú)反饋，反饋線斷開(kāi)：An=1時(shí)表示有反饋，反饋線相連。這種結(jié)構(gòu)的A0和An必須有反饋，否則n級(jí)最長(zhǎng)線性反饋移位寄存器將簡(jiǎn)化為n-1級(jí)最長(zhǎng)線性反饋移位寄存器。采用不同的反饋邏輯，即An的不同取值將產(chǎn)生不同的移位寄存序列。N級(jí)最長(zhǎng)線性反饋移位寄存器的周期為2n-1，n為移位寄存器的級(jí)數(shù)。3.2.2 GOLD碼序列的產(chǎn)生原理由于m碼序列具有的移位寄存序列不能滿足擴(kuò)頻系統(tǒng)碼分多址的要求9，因此實(shí)際采用的地址由2個(gè)長(zhǎng)度和速率

20、相同的m碼序列優(yōu)選對(duì)模2相加得到GOLD碼序列。GOLD碼序列產(chǎn)生的移位寄存序列為2n+1個(gè)。GOLD碼序列可以通過(guò)2個(gè)m碼序列優(yōu)選對(duì)串聯(lián)產(chǎn)生，如圖3-3所示。圖3-3 有2個(gè)n=6的m碼序列優(yōu)選對(duì)串聯(lián)產(chǎn)生的GOLD碼序列由2個(gè)n=6的m碼序列優(yōu)選對(duì)串聯(lián)組成1個(gè)n=12的移位寄存器序列(GOLD碼序列)不是最長(zhǎng)線性移位寄存器序列。根據(jù)Cn和Dn(n+16)的不同取值產(chǎn)生的GOLD碼序列總共為26+1=65條。3.3 直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的調(diào)制分為擴(kuò)頻調(diào)制和載波調(diào)制兩部分。擴(kuò)頻調(diào)制為信息碼和擴(kuò)展碼模2相加，這里為了簡(jiǎn)單，采用m序列作為擴(kuò)展碼調(diào)制信息碼，信息碼用全0代替進(jìn)行擴(kuò)

21、頻調(diào)制。當(dāng)信息碼為全0時(shí)，擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)即原來(lái)的m碼序列10。擴(kuò)展碼的設(shè)計(jì)碼速率為4MHz，擴(kuò)頻調(diào)制產(chǎn)生的擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)即m碼序列存為ds.wfm。要注意的是，實(shí)際擴(kuò)頻調(diào)制時(shí)，由于信息碼和擴(kuò)展碼速率不同，需要對(duì)信息碼波形進(jìn)行水平擴(kuò)展，擴(kuò)展的倍數(shù)約等于擴(kuò)展碼速率與信息碼速率的比值。載波調(diào)制為擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)與載波相乘，要注意的是擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行反相鍵控時(shí)，要求擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)必須為1、-1兩種狀態(tài)，另外，由于擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)的碼速率和載波頻率不同，載波調(diào)制時(shí)需要對(duì)擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行水平擴(kuò)展(expand)，擴(kuò)展的倍數(shù)約等于載波頻率與擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)速率的比值。應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)存在兩

22、點(diǎn)不足，一是輸出頻率是中頻，不能進(jìn)行射頻調(diào)制；二是擴(kuò)頻信號(hào)的副瓣沒(méi)有抑制，儀器內(nèi)置的數(shù)字濾波器頻率上限為50MHz，因此不能直接利用儀器內(nèi)置的數(shù)字濾波器對(duì)載波為50MHz以上的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)濾波。因此任意波形發(fā)生器在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要和其他測(cè)試儀器配合完成射頻調(diào)制過(guò)程，另外需要單獨(dú)使用帶通濾波器進(jìn)行濾波。3.4 PSK調(diào)制由于直擴(kuò)基帶信號(hào)采用雙極性NRZ波形，因此實(shí)際上直擴(kuò)基帶信號(hào)與正弦載波相乘就是PSK調(diào)制。載波、數(shù)據(jù)與PN碼三者之間都是相乘關(guān)系11，相乘次序的變化不影響結(jié)果，因此實(shí)際發(fā)送的設(shè)備中可以是先將數(shù)據(jù)進(jìn)行PSK調(diào)制得到窄帶的射頻信號(hào)，再進(jìn)行擴(kuò)頻，同樣接收設(shè)備也可能是先解擴(kuò)，再進(jìn)

23、行PSK解調(diào)。如圖3-4所示。圖3-4 PSK調(diào)制與解調(diào)利用二進(jìn)制PSK的一個(gè)二進(jìn)制信息序列的傳輸問(wèn)題。信息的速率是比特區(qū)間是?？捎眯诺朗牵?。在調(diào)制器中，按照PN碼的變化形式，以每秒W次的速度，偽隨機(jī)地將載波相位移項(xiàng)，將信號(hào)的帶寬擴(kuò)展到。這樣所得到的以調(diào)信號(hào)稱為直接序列(DS)擴(kuò)頻信號(hào)。3.5 擴(kuò)頻信號(hào)的解調(diào)信號(hào)解調(diào)按圖3-5完成。接收信號(hào)首先乘以在接收機(jī)的PN碼序列發(fā)生器產(chǎn)生的波形的復(fù)本12，它是與接收信號(hào)中的PN碼同號(hào)的。這一運(yùn)算稱為(頻譜)解擴(kuò)，因?yàn)樵诮邮斩顺艘缘男Ч褪菍⒃诎l(fā)送端的擴(kuò)頻運(yùn)算解開(kāi)。據(jù)此有 （3-1）上式中因有對(duì)全部，。所得信號(hào)占有帶寬為(近似)，它就是載有信息信號(hào)的帶寬。

24、因此，對(duì)解擴(kuò)信號(hào)而言，這個(gè)解調(diào)器就是常規(guī)互相關(guān)器或匹配濾波器。因?yàn)樵摻庹{(diào)器具有和解擴(kuò)信號(hào)相同的帶寬，所以在解調(diào)器上使信號(hào)受到污損的僅是那些位于接收信號(hào)的信息帶寬以內(nèi)的加性噪聲。采樣器PN信號(hào)發(fā)生器接收信號(hào)r(t)c(t)時(shí)鐘信號(hào)去檢測(cè)器圖3-5 DS擴(kuò)頻信號(hào)的解調(diào)四 直擴(kuò)通信系統(tǒng)的抗噪聲性能分析4.1 直擴(kuò)通信系統(tǒng)的抗噪聲性能直擴(kuò)系統(tǒng)最重要的應(yīng)用就是在軍事通信中作為一種具有抗干擾性的通信手段。在實(shí)際應(yīng)用中遇到的干擾主要有：白噪聲干擾或?qū)拵г肼暩蓴_、部分頻帶噪聲干擾、單頻及窄帶干擾、脈沖干擾以及多徑干擾等。本文主要討論加性白噪聲干擾13。擴(kuò)頻信號(hào)在傳輸過(guò)程中，必然會(huì)受到噪聲干擾，這種干擾一般為加

25、性高斯白噪聲（AWGN）或帶限白噪聲。設(shè)噪聲的單邊功率譜密度為，經(jīng)混頻后為帶限白噪聲，帶寬為擴(kuò)頻信號(hào)帶寬，譜密度仍為，故相關(guān)器輸入噪聲功率為： （4-1）相關(guān)器輸出噪聲功率： （4-2）式中，為信息帶寬（）?？紤]到，只考慮附近的噪聲功率，則近似為，其中K為與調(diào)制方式有關(guān)的常數(shù)。對(duì)PSK調(diào)制，K=0.903；對(duì)MSK調(diào)制，K=0.995。所以 （4-3）由于解擴(kuò)前后信息量不變，因此處理增益為 （4-4）即直擴(kuò)系統(tǒng)對(duì)白噪聲干擾的處理增益為Gp /K。上述結(jié)論是否意味著擴(kuò)頻系統(tǒng)具有抗白噪聲的能力，而且是否具有隨偽碼速率的增加，其抗白噪聲的能力也隨之增加的性能，因此它是否相對(duì)于不擴(kuò)頻的窄帶系統(tǒng)可以提高

26、通信距離，或者可以降低發(fā)射功率呢？答案是否定的14。在AWGN信道中，采用二進(jìn)制PSK的DS擴(kuò)頻系統(tǒng)的差錯(cuò)概率與一般的(未擴(kuò)頻)二進(jìn)制PSK的差錯(cuò)概率相同的，即 （4-5）另外，如果干擾是如上面公式給出的正弦型的，其功率為，那么差錯(cuò)概率(近似)為 （4-6）于是干擾功率降低了擴(kuò)頻信號(hào)帶寬倍的因子。在這種情況下，可以不管AWGN(假設(shè)可以忽略)，即。如果考慮信道中的AWGN，則差錯(cuò)概率可表示為 （4-7）由于處理增益表征的是相關(guān)器處理信號(hào)所獲得的信噪比增益，并不是度量不同類型通信系統(tǒng)性能的標(biāo)準(zhǔn)。因此不能把擴(kuò)頻處理增益與衡量不同系統(tǒng)性能的“制度增益”或“系統(tǒng)增益”相混淆。衡量擴(kuò)頻系統(tǒng)與非擴(kuò)頻系統(tǒng)性

27、能好壞的標(biāo)準(zhǔn)是，在信息傳輸速率相同的條件下，擴(kuò)頻系統(tǒng)解擴(kuò)后的中頻信噪比(SNR)s與非擴(kuò)頻系統(tǒng)的中頻信噪比(SNR)NS之比GS，即制度增益。對(duì)于非擴(kuò)頻系統(tǒng)，因?yàn)闆](méi)有擴(kuò)頻與解擴(kuò)過(guò)程，所以也不會(huì)有處理增益，但中頻信噪比與擴(kuò)頻系統(tǒng)相同，即GS=1。這也就是說(shuō)，就白噪聲而言，把窄帶系統(tǒng)改為寬帶系統(tǒng)并不會(huì)帶來(lái)好處，或者說(shuō)，直擴(kuò)系統(tǒng)不能抗白噪聲。實(shí)際上，由擴(kuò)頻系統(tǒng)不可避免地存在著偽碼同步誤差，故擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能比非擴(kuò)頻系統(tǒng)還要差一些15。4.2 直擴(kuò)通信系統(tǒng)抗噪聲性能仿真（1）直擴(kuò)通信系統(tǒng)建模第一步，先采用較少的碼元數(shù)搭建直擴(kuò)系統(tǒng)信息碼的頻率設(shè)為50kHz，采樣頻率設(shè)為40MHz。假設(shè)信源信息碼的總長(zhǎng)度為

28、20，則每個(gè)信息碼內(nèi)含40MHz/50kHz=800個(gè)采樣點(diǎn)。通過(guò)sign函數(shù)，把20個(gè)（0,1）區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)數(shù)變成20個(gè)只用“1”與“-1”表示的信息碼，而后再通過(guò)一個(gè)循環(huán)，對(duì)每一個(gè)信息碼采樣800次，共生成16000個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)之間的間隔為0.025s。生成的信息碼的波形圖如圖4-1所示。圖4-1 信息碼波形偽隨機(jī)碼頻率設(shè)為5MHz，信息碼頻率為50kHz，所以每個(gè)信息碼內(nèi)包含5MHz/50kHz= 100個(gè)偽碼。通過(guò)調(diào)用一個(gè)產(chǎn)生m序列的子函數(shù)generate_m，與一個(gè)長(zhǎng)度為20×100的循環(huán)，就得到了偽隨機(jī)序列PN碼。生成的PN碼波形經(jīng)放大后，如圖4-2所示。圖4-2 偽

29、碼（PN）局部放大圖將信息碼s的16000個(gè)采樣點(diǎn)與PN碼w_code的16000個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)相乘，就得到了擴(kuò)頻碼?；谂c上圖同樣的原因，我們也是放大截取了部分圖形，如圖4-3所示。PSK調(diào)制。先要產(chǎn)生載波，一個(gè)載波周期內(nèi)含八個(gè)采樣點(diǎn)，經(jīng)過(guò)2000次循環(huán)，生產(chǎn)16000個(gè)對(duì)載波的采樣點(diǎn)，然后與擴(kuò)頻碼k_code對(duì)應(yīng)點(diǎn)相乘，就得到了PSK調(diào)制后的波形。放大后截取部分波形如圖4-4所示。圖4-3 擴(kuò)頻碼示意圖圖4-4 PSK調(diào)制后的波形解調(diào)相當(dāng)于調(diào)制的逆過(guò)程，產(chǎn)生與載波同頻同相的本振，再通過(guò)低通濾波器，去掉高頻分量，為下一步解擴(kuò)做好了準(zhǔn)備。接下來(lái)進(jìn)行解擴(kuò)。由于PSK調(diào)制在解擴(kuò)時(shí)要求偽碼同步，故需要進(jìn)行

30、捕獲與跟蹤。因?yàn)樵诓东@與跟蹤時(shí)，僅僅是對(duì)一個(gè)信息碼內(nèi)同步性的峰值做分析，并以此作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，所以還是不可避免地存在偽碼同步誤差，故解調(diào)出來(lái)的信息碼很難與原信息碼做到完全一致。從圖形整體看，二者基本相同，如圖4-5所示。圖4-5 輸入輸出對(duì)比（2）噪聲調(diào)幅干擾廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程: （4-8）稱為噪聲調(diào)幅干擾。其中，調(diào)制噪聲Un(t)為零均值，方差為，在區(qū)間-Uo,分布的廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，為0,2均勻分布，且為與Un(t)獨(dú)立的隨機(jī)變量，Uo、j為常數(shù)。第二步，噪聲調(diào)幅干擾。信息碼元增加到100個(gè)。擴(kuò)頻碼的產(chǎn)生與上述程序類似，這里不再重復(fù)。信息碼增加到100個(gè)，采樣點(diǎn)數(shù)不變，則總點(diǎn)數(shù)增加到80000

31、個(gè)。wgn(1,80000,3)為高斯白噪聲，noise為調(diào)幅噪聲，與同樣點(diǎn)數(shù)的載波相乘后加到調(diào)制好的擴(kuò)頻碼上。圖4-6為加入了調(diào)幅噪聲后的傳輸波形，當(dāng)然也是經(jīng)過(guò)放大的。經(jīng)解調(diào)與過(guò)程（同前）后，輸出的擴(kuò)頻碼與信源信息碼存在偏差，如圖4-7所示。圖4-6 加入調(diào)幅噪聲后的傳輸波形圖4-7 調(diào)幅干擾輸出與輸入波形對(duì)比（3）噪聲調(diào)頻干擾廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程： （4-9）稱為噪聲調(diào)頻干擾，其中調(diào)制噪聲u(t)為零均值、廣義平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程，為0,2均勻分布，且與u(t)相互獨(dú)立的隨機(jī)變量，Uj為噪聲調(diào)頻信號(hào)的幅度，j為噪聲調(diào)頻信號(hào)的中心頻率，KFM為調(diào)頻斜率。放大后的傳輸波形如圖4-8所示。圖4-8 加入調(diào)

32、頻噪聲后的傳輸波形加入了噪聲后，同樣，經(jīng)過(guò)解調(diào)和濾波后，（程序同前）得到輸出碼與原信息碼存在較大差異，主要是因?yàn)榻鈹U(kuò)時(shí)本地碼不可避免地存在不同步現(xiàn)象，出現(xiàn)了大量毛刺。如圖4-9所示。圖4-9 調(diào)頻干擾輸入與輸出波形對(duì)比（4）相關(guān)干擾相關(guān)干擾是指一直擴(kuò)系統(tǒng)受到其它網(wǎng)的擴(kuò)頻信號(hào)的干擾。本文采用與搭建直擴(kuò)系統(tǒng)同樣的方式產(chǎn)生另一擴(kuò)頻信號(hào)，作為相關(guān)干擾源，通過(guò)子程序產(chǎn)生，波形如圖4-10所示。圖4-10 相關(guān)干擾源的信息碼其信息碼速率為10kHz，采樣頻率為10MHz，碼元個(gè)數(shù)為80，則每個(gè)信息碼內(nèi)包含10MHz/10kHz=1000個(gè)采樣點(diǎn)。偽碼頻率為1MHz，則每個(gè)信息碼內(nèi)包含1MHz/10kHz=100個(gè)偽碼，每個(gè)偽碼內(nèi)包含10個(gè)采樣點(diǎn)。PN碼局部放大如圖4-11所示。圖4-11 相關(guān)干擾源的偽碼信息碼與偽碼對(duì)應(yīng)點(diǎn)相乘所得到的擴(kuò)頻碼如圖4-12所示。圖4-12 相關(guān)干擾源的擴(kuò)頻碼擴(kuò)頻碼經(jīng)過(guò)與載波相乘后得到的PSK調(diào)制波形如圖4-13所示。值得一提的是，因?yàn)楸戎鞒绦蛑械男畔⒋a的采樣點(diǎn)多，所以從PSK 調(diào)制波形上看，子程序要比主程序的調(diào)制波形更完整。把相關(guān)噪聲加到信道中：圖4-13 相關(guān)干擾源在PSK調(diào)制后的波形局部放大傳輸信號(hào)的波形局部放大如圖4-14所示。最后結(jié)果的局部放大如圖4-15所示。圖4-14 加入相關(guān)干擾后的傳輸波形局部放大圖4-15 加入相關(guān)干擾后的輸入與輸出