基于SIMULINK直接擴頻序列通信系統的設計

1、. 鐵道大學四方學院畢業(yè)設計基于Simulink直接序列擴頻通信系統設計Direct Sequence Spread Spectrum munication SystemsDesign Based on Simulink摘要直接序列擴頻通信系統(DSSS)因其抗干擾性強、隱蔽性好、易于實現碼分多址(CDMA)、抗多徑干擾、直擴通信速率高等眾多優(yōu)點，而被廣泛應用于許多領域中。本文設計了一種基于Simulink的直接序列擴頻通信系統。首先對直接序列擴頻通信系統從應用背景、特點、意義和開展幾個方面進展了研究，然后從直接序列擴頻通信系統的根本理論、根本原理、性能和擴頻通信系統的同步原理等方面闡述了直接

2、序列擴頻通信系統，并對直接擴頻通信系統進展了仿真研究和理論分析，到達了預期的效果。本文從理論上分析了直接序列擴頻通信系統的抗干擾性能。本系統包括信號生成局部、發(fā)送局部、接收局部、調制和解調、加擴與解擴五個局部。并以BPSK系統為例，給出了誤碼率理論分析結果，到達了預期的效果。本文研究的直接序列擴頻通信系統，為以后的頻譜通信系統打下了根底。關鍵詞：直接序列擴頻通信系統MATLAB仿真Simulink模塊仿真AbstractDirect sequence spread spectrum munication system (DSSS) because of its strong anti-inte

3、rference, easy to conceal and easy to realize code division multiple access (CDMA), fight multipath interference, straight e*pansion munication rate higher numerous advantages, is widely used in many fields.This paper introduces a design of Simulink based on the direct sequence spread spectrum munic

4、ation system. First to direct sequence spread spectrum munication system from application background, features, significance and the development of a research, and then from the direct sequence spread spectrum munication system, the basic theory of basic principle, performance and spread spectrum mu

5、nication system of synchronous principle, this paper describes direct sequence spread spectrum munication system, and the directly spread spectrum munication system simulation and theory analysis, achieve the e*pected effect. The paper theoretically analyzes the direct sequence spread spectrum munic

6、ation system of anti-jamming performance. This system includes signal generation part, sending part, receiving part, modulation and demodulation, add e*pansion and solution e*pansion of five parts. And with BPSK system as an e*ample, the theoretical analysis results are ber, achieve the e*pected eff

7、ect. This paper studies the direct sequence spread spectrum munication system, for the following spectrum munication system laid a foundation. Keywords:Direct sequence spread spectrum munication systemSimulink MATLABSimulation . 目錄TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc326669499 第1章緒論 PAGEREF _Toc326669499

8、 h 1 HYPERLINK l _Toc326669500 1.1直接擴頻通信系統的應用背景 PAGEREF _Toc326669500 h 1 HYPERLINK l _Toc326669501 1.2直接擴頻通信系統的意義 PAGEREF _Toc326669501 h 1 HYPERLINK l _Toc326669502 1.3直接擴頻通信系統的特點 PAGEREF _Toc326669502 h 1 HYPERLINK l _Toc326669503 1.4直接擴頻通信系統的開展 PAGEREF _Toc326669503 h 3 HYPERLINK l _Toc326669504

9、 第2章直接擴頻通信系統技術 PAGEREF _Toc326669504 h 4 HYPERLINK l _Toc326669505 2.1直接序列擴頻根本理論 PAGEREF _Toc326669505 h 4 HYPERLINK l _Toc326669506 擴頻通信的理論根底 PAGEREF _Toc326669506 h 4 HYPERLINK l _Toc326669507 擴頻增益和抗干擾容限 PAGEREF _Toc326669507 h 5 HYPERLINK l _Toc326669508 2.2直接序列擴頻的根本原理 PAGEREF _Toc326669508 h 6 H

10、YPERLINK l _Toc326669509 2.3 直接序列擴頻的根本原理 PAGEREF _Toc326669509 h 9 HYPERLINK l _Toc326669510 直擴系統的抗干擾性 PAGEREF _Toc326669510 h 9 HYPERLINK l _Toc326669511 直擴系統的抗截獲性 PAGEREF _Toc326669511 h 10 HYPERLINK l _Toc326669512 直擴碼分多址通信系統 PAGEREF _Toc326669512 h 11 HYPERLINK l _Toc326669513 直擴系統的抗多徑干擾性能 PAGER

11、EF _Toc326669513 h 11 HYPERLINK l _Toc326669514 直擴測距定時系統 PAGEREF _Toc326669514 h 12 HYPERLINK l _Toc326669515 擴頻序列通信系統的同步原理 PAGEREF _Toc326669515 h 12 HYPERLINK l _Toc326669516 第3章基于Simulink的直接序列擴頻通信系統的仿真 PAGEREF _Toc326669516 h 14 HYPERLINK l _Toc326669517 3.1直接序列擴頻通信系統功能模塊的連接及設置 PAGEREF _Toc326669

12、517 h 14 HYPERLINK l _Toc326669518 功能模塊的連接 PAGEREF _Toc326669518 h 14 HYPERLINK l _Toc326669519 直接序列擴頻通信系統功能模塊的連接及設置 PAGEREF _Toc326669519 h 17 HYPERLINK l _Toc326669520 3.2直接序列擴頻通信系統功能的實現 PAGEREF _Toc326669520 h 23 HYPERLINK l _Toc326669521 3.3總結 PAGEREF _Toc326669521 h 28 HYPERLINK l _Toc326669522

13、 第4章直接擴頻通信系統性能分析 PAGEREF _Toc326669522 h 29 HYPERLINK l _Toc326669523 4.1直接序列擴頻系統誤碼率的仿真 PAGEREF _Toc326669523 h 29 HYPERLINK l _Toc326669524 4.2仿真結果分析 PAGEREF _Toc326669524 h 31 HYPERLINK l _Toc326669525 4.3結論 PAGEREF _Toc326669525 h 32 HYPERLINK l _Toc326669526 第5章應用 PAGEREF _Toc326669526 h 33 HYPE

14、RLINK l _Toc326669527 參考文獻 PAGEREF _Toc326669527 h 34 HYPERLINK l _Toc326669528 致 PAGEREF _Toc326669528 h 35 HYPERLINK l _Toc326669529 附錄 PAGEREF _Toc326669529 h 36HYPERLINK l _Toc326669530 附錄A外文資料 PAGEREF _Toc326669530 h 36. 第1章緒論1.1直接擴頻通信系統的應用背景直接序列擴頻技術是當今人們所熟知的擴頻技術之一。這種技術是將要發(fā)送的信息用偽隨機碼(PN碼)擴展到一個很寬

15、的頻帶上去，在接收端，用與發(fā)端擴展用的偽隨機碼對接收到的擴頻信號進展相關處理，恢復出發(fā)送的信息。它是二戰(zhàn)期間開發(fā)的，最初的用途是為軍事通信提供平安保障，是美軍重要的無線通信技術。這種技術使敵人很難探測到信號。即探測到信號，如果不知道正確的編碼，也不可能將噪聲信號重新會變成原始的信號。有關擴頻通信技術的觀點是在1941年由好萊塢女演員Hedy Lamarr 和鋼琴家George Antheil提出的1。十九世紀八十年代才引起關注，將它用于敵對環(huán)境中的無線通信系統。1.2直接擴頻通信系統的意義直接擴頻解決了短距離數據收發(fā)信機如：衛(wèi)星通信系統(GPS)、3G移動通信系統、WLAN和藍牙技術等應用的關

16、鍵問題。擴頻技術也為提高無線電頻率的利用率提供幫助。直接擴頻通信系統具有抗干擾性強、隱蔽性好、易于實現碼分多址、抗多徑干擾、直擴通信速率高、有很強的性能等優(yōu)點2。可見，對直接序列擴頻通信系統的研究具有非常重大的意義。但也有缺乏，直擴系統除了一般通信系統所要求的同步以外，還必須完成偽隨機碼的同步，以便承受機用此同步后的偽隨機碼去對承受信號進展相關解擴。所以，設計一個能夠克制這些缺點的直接擴頻通信系統相當重要。1.3直接擴頻通信系統的特點直序擴頻通信系統的優(yōu)點(1)抗干擾性強抗干擾是擴頻通信主要特性之一，比方信號擴頻寬度為100倍，窄帶干擾根本上不起作用，而寬帶干擾的強度降低了100倍，如要保持原

17、干擾強度，則需加大100倍總功率，這實質上是難以實現的。因信號接收需要擴頻編碼進展相關解擴處理才能得到，所以即使以同類型信號進展干擾，在不知道信號的擴頻碼的情況下，由于不同擴頻編碼之間的不同的相關性，干擾也不起作用。正因為擴頻技術抗干擾性強，美國軍方在海灣戰(zhàn)爭等處廣泛采用擴頻技術的無線網橋來連接分布在不同區(qū)域的計算機網絡。(2)隱蔽性好因為信號在很寬的頻帶上被擴展，單位帶寬上的功率很小，即信號功率譜密度很低，信號淹沒在白噪聲之中，別人難以發(fā)現信號的存在，加之不知擴頻編碼，很難攝取有用信號，而極低的功率譜密度，也很少對于其他電訊設備構成干擾。(3)易于實現碼分多址(CDMA)直擴通信占用寬帶頻譜

18、資源通信，改善了抗干擾能力，是否浪費了頻段呢？其實正相反，擴頻通信提高了頻帶的利用率。正是由于直擴通信要用擴頻編碼進展擴頻調制發(fā)送，而信號接收需要用一樣的擴頻編碼作相關解擴才能得到，這就給頻率復用和多址通信提供了根底。充分利用不同碼型的擴頻編碼之間的相關特性，分配給不同用戶不同的擴頻編碼，就可以區(qū)別不同的用戶的信號，眾多用戶，只要配對使用自己的擴頻編碼，就可以互不干擾地同時使用同一頻率通信，從而實現了頻率復用，使擁擠的頻譜得到充分利用。發(fā)送者可用不同的擴頻編碼，分別向不同的接收者發(fā)送數據。同樣，接收者用不同的擴頻編碼，就可以收到不同的發(fā)送者送來的數據，實現了多址通信，提高了頻譜利用率3。另外，

19、擴頻碼分多址還易于解決隨時增加新用戶的問題。(4)抗多徑干擾無線通信中抗多徑(發(fā)射的信號經多條不同路徑傳播)干擾一直是難以解決的問題，利用擴頻編碼之間的相關特性，在接收端可以用相關技術從多徑信號中提取別離出最強的有用信號，也可把多個路徑來的同一碼序列的波形相加使之得到加強，從而到達有效的抗多徑干擾。(5)直擴通信速率高直擴通信速率可達 2M，8M，11M，無須申請頻率資源，建網簡單，網絡性能好。(6)有很強的性能。對于直擴系統而言，射頻帶寬很寬，譜密度很低，甚至淹沒在噪音中，就很難檢查到信號的存在。由于直擴信號的頻譜密度很低，直擴系統對其它系統的影響就很小。 2、直擴通信系統的缺乏直擴系統除了

20、一般通信系統所要求的同步以外，還必須完成偽隨機碼的同步，以便接收機用此同步后的偽隨機碼去對承受信號進展相關解擴。直擴系統隨著偽隨機碼字的加長，要求的同步精度也就高，因而同步時間就長。1.4直接擴頻通信系統的開展由于它的抗噪聲的特性，直接序列擴頻技術非常適合商業(yè)應用。在容許無線設備公開使用的電磁環(huán)境里，它對其他傳統微波設備造成最小的干擾，同時對附近其他設備有更高的抗擾性。上世紀80年代末，晶體電子技術的先進程度已經足以提供商用的、本錢效益好的直接序列擴頻系統?，F在直擴技術被廣泛應用于包括計算機無線網等許多領域。擴頻技術在開展的初始階段，就已經實現了理論和技術上的重大突破，在此后的開展過程中主要是

21、硬件的改善和性能的提高。隨著移動通信的迅猛開展，目前3G系統由研制開發(fā)逐步進入商用并且向第四代無線多媒體通信飛速開展。根據ITU的標準，世界各大電信公司聯盟均提出了自己的第三代移動通信系統方案，雖然第三代移動通信系統的標準差異很大，但采用碼分多址技術已經達成共識。直擴碼分多址，由于具備通信容量大、能充分利用話音的統計特性、平滑的越區(qū)切換、通信容量的軟特性等優(yōu)點被作為未來移動通信中最具競爭力、最有前景的無線多址接入技術4。無線擴頻通信作為另一種有效的補充通信手段，已在金融系統得到了越來越廣泛的應用。開展到現在，擴頻技術理論和技術都已趨于完善，主要應從系統的角度考慮總體性能，且與其它新技術結合應用

22、。因此，應用的驅動一直是擴頻技術開展的強大動力，未來的無線通信系統，如移動通信、無線局域網、全球個人通信等，擴頻技術必將發(fā)揮重要作用。隨著科技的開展，擴頻技術必將獲得更加廣闊的應用空間。第2章直接擴頻通信系統技術2.1直接序列擴頻根本理論2.1.1擴頻通信的理論根底直接序列(DS：Direct Sequence)擴頻，就是直接用具有高碼率的擴頻碼序列在發(fā)送端去擴展信號的頻譜。在接收端，用一樣的擴頻碼序列去進展解擴，把展寬的擴頻信號復原成原始的信息。人們總是想方設法使信號所占的頻譜盡量窄，以獲得頻率資源利用率的提高。但擴頻通信在發(fā)送端用擴頻碼調制，使信號所占的頻帶寬度遠大于所傳信息必須的帶寬，在

23、接收端采用一樣的擴頻碼進展相關解擴以恢復出所傳信息數據。為什么要用寬頻帶信號來傳輸窄帶信息呢？主要是為了通信的平安可靠性。這可用信息論和抗干擾理論的根本觀點來說明：根據香農()在信息論研究中總結出的信道容量公式，香農公式： (2-1)式中：C-信息的傳輸速率(信道容量)單位；S-信號平均功率 單位W； B-頻帶寬度 單位Hz；N-噪聲平均功率 單位W5。由式(2-1)中可以看出：為了提高信息的傳輸速率C，可以從兩種途徑實現，即加大帶寬B或提高信噪比。換句話說，當信號的傳輸速率C一定時，信號帶寬B和信噪比是可以互換的，即增加信號帶寬可以降低對信噪比的要求，當帶寬增加到一定程度，允許信噪比進一步降

24、低，有用信號功率接近噪聲功率甚至淹沒在噪聲之下也是可能的。擴頻通信就是用寬帶傳輸技術來換取信噪比上的好處?？陆轄柲峥煞蛟谄錆撛诳垢蓴_性理論中得到如下關于信息傳輸過失概率的公式(2-2)此公式指出，過失概率是信號能量與噪聲功率譜密度之比的函數。設信息持續(xù)時間為，或數字信息的碼元寬度為，則信息的帶寬為 (2-3)信號功率S為 (2-4)已調(或已擴頻)信號的寬度為B，則噪聲功率為 (2-5)將式2-3、2-4、2-5代入式2-2，可得(2-6)公式(2-6)指出，過失概率是輸入信號與噪聲功率之比()和信號帶寬與信息帶寬之比()二者乘積的函數，信噪比與帶寬是可以互換的。它同樣指出了用增加帶寬的方法可

25、以換取信噪比上的好處。綜上所述，將信息帶寬擴展100倍，甚至用1000倍以上的帶寬信號來傳輸信息，就是為了提高通信的抗干擾能力，即在強干擾條件下保證可靠平安的通信。這就是擴頻通信的根本思想和理論依據。2.1.2擴頻增益和抗干擾容限擴頻通信系統由于在發(fā)送端擴展了信號頻譜，在接收端解擴復原了信息，這樣的系統帶來的好處是大大提高了抗干擾容限。理論分析說明，各種擴頻系統的抗干擾性能與信息頻譜擴展后的擴頻信號帶寬比例有關。一般把擴頻信號帶寬W與信息帶寬F之比稱為處理增益，即 (2-7)式(2-7)說明了擴頻系統信噪比改善的程度。除此之外，擴頻系統的其他一些性能也大都與有關。因此，處理增益是擴頻系統的一個

26、重要性能指標。系統的抗干擾容限定義如下：(2-8)式(2-8)中：S/N= 輸出端的信噪比， = 系統損耗由此可見，抗干擾容限與擴頻處理增益成正比，擴頻處理增益提高后，抗干擾容限大大提高，甚至信號在一定的噪聲湮沒下也能正常通信。通常的擴頻設備總是將用戶信息(待傳輸信息)的帶寬擴展到數十倍、上百倍甚至千倍，以盡可能地提高處理增益。2.2直接序列擴頻的根本原理所謂直接序列擴頻(DS)，就是直接用具有高速率的擴頻碼序列在發(fā)送端去擴展信號的頻譜。而接收端，用一樣的擴頻碼序列進展解擴，把展寬的擴頻信號復原成原始信息6。圖2-1示出了直擴通信系統的原理方框圖。圖2-1 直擴通信系統的組成框圖信息信碼m(t

27、)BPSK調制載波PN 碼擴頻解調本地PN碼BPSK解調本地載波在發(fā)送端輸入信息碼元，它是二進制數據，圖中為0、1兩個碼元，其碼元寬度為。參加擴頻解調器，圖中為模2加法器，擴頻碼為一個偽隨機碼(PN碼)，記作。偽碼的波形如圖 2-2 中的第(2)個波形，其碼元寬度為，且取。通常在DS系統中，偽碼的速率遠遠大于信碼速率，即，也就是說，偽碼的寬度遠遠小于信碼的寬度，這樣才能展寬頻譜。模2加法器的運算規(guī)則可用下式表示 (2-9)當與符號一樣時，為0；而當與不同時，則為1。的波形如圖2-2所示中的第3個波形。由圖可見，當信碼為0時，與一樣；而當信碼為1時，則為取反既是。顯然，包含信碼的其碼元寬度已變成

28、了，即已進展了頻譜擴展。其擴展處理增益也可用下式表示(2-10)在一定的情況下，假設偽碼速率越高，即偽碼寬度(碼片寬度)越窄，則擴頻處理增益越大。經過擴頻，還要載頻調制，以便信號在信道上有效的傳輸。圖2-2中采用二相相移鍵控方式。調相器可由環(huán)行調制器完成，即將與載頻相乘，輸出為。即(2-11)式(2-11)中，(2-12)因此，經過擴頻和相位調制后的信號為(2-13)由上面討論可知，經過擴頻調制信號可看作只取1的二進制波形，然后對載頻進展調制，這里是采用調相(BPSK)。所謂調制，就是指相乘過程，可采用相乘器，環(huán)行調制器(或平衡調制器)，最后得到的是抑制載波雙邊帶振幅調制信號。這里假定平衡調制

29、器是理想對稱，碼序列取+1、1的概率一樣，即調制信號無直流分量，這樣平衡調制器輸出的已調波中，無載波分量。通過發(fā)射機中推動級、功放和輸出電路加至天線發(fā)射出去。通常載波頻率較高，或者說載波周期較小，它遠小于偽碼的周期，即滿足。但圖2-2中(4)示出的載波波形=寬度為，這是為了便于看清楚一些，否則要在一個期間畫幾十個甚至幾百個正弦波。對于BPSK來說，主要是看清楚已調波與調制信號之間的相位關系。圖2-2中的第(5)個圖為已調波的波形。這里，當為1碼時，已調波與載波取反相；而當為0碼時，取同相。已調波與載波的相位關系如圖2-2中的第(6)個圖所示。接收端的工作原理：假設發(fā)射的信號經過信道傳輸，不出現

30、過失，經過接收機前端電路(包括輸入電路、高頻放大器等)，輸出仍為。這里不考慮信道衰減問題，因為對PSK調制信號而言，重要的是相位問題，這里的假定對分析工作原理是不受影響的。相關器完成相干解調和解擴。接收機中的本振信號頻率與載波相差為一個固定的中頻。假定收端的偽碼(PN)與發(fā)端的PN碼一樣。接收端本地調相情況與發(fā)端相似，這里的調制信號是，即調相器輸出信號的相位僅取決于，當=1時，的相位為；當=0時，的相位為0。信號的相位如圖2-2中(7)所示。相關器的作用在這里可等效為對輸入相關器的、相位進展模2加。對二元制的0、而言，同號模2加為0，異號模2加為。因此相關器的輸出的中頻相位如圖2-2中的(8)

31、所示。然后通過中頻濾波器。濾除不相關的各種干擾，經解調恢復出原始信息。這一過程說明了直擴系統的根本原理和它是怎樣通過對信號進展擴頻與解擴處理從而獲得提高輸出信噪比的好處的。它表達了直擴系統的抗干擾能力。2.3 直接序列擴頻的根本原理2.3.1直擴系統的抗干擾性直擴系統最早應用是在軍事通信中作為很強抗干擾性的通信手段。直擴系統對窄帶干擾、寬帶干擾等，都具有抗干擾能力，其抗干擾能力大小就是前面提出的擴頻處理增益，越大，抗干擾能力就越強。下面就來分析直擴系統抗寬帶干擾和抗窄帶干擾的原理。圖2-3為直擴系統抗寬帶干擾的示意圖。這里的寬帶干擾是泛指的與擴頻信號不相關的，在CDMA通信網中，其它用戶的信號

32、就是一種寬帶干擾。相關處理前，信號頻譜是很寬的，經相關處理后，有用信息被解擴，其功率譜集中于信息帶寬，而寬帶干擾通過相關器，其功率譜密度根本不變。由于解擴后必然連接窄帶濾波器，保證信號能順利通過，對信號頻帶之外的各種干擾起到很大的抑制作用，從而提高了輸出的信噪比。圖2-3直擴系統抗寬帶干擾的示意圖解擴后的有用信號信息帶寬BA有用信號干擾電平白限熱噪聲電平功率頻譜干擾信號 (a)接收機輸入的信號及干擾的功率譜 (b)相關器輸出的信號及干擾的功率譜(b)解擴后的功率譜對單頻或窄帶干擾，直擴系統有很強的抗干擾能力。圖2-4(a)為解擴前的功率譜，窄帶干擾功率很大，由于干擾與本地擴頻碼(PN碼)是不相

33、關的。對干擾來說，相關器起到擴展頻譜的目的，功率譜密度就大大下降，其中對信號有害的干擾分量只A A解擴后的有用信號干擾被擴展頻譜有用信號窄帶干擾信號 (a)未解擴的功率譜b解擴后的功率譜圖2-4直擴系統抗窄帶干擾示意圖有落入信息帶寬局部，從而抑制了大局部干擾。由于有用信號能順利通過窄帶濾波器，因此提高了輸出的信噪比。2.3.2直擴系統的抗截獲性截獲敵方信號的目的在于：(1)發(fā)現敵方信號的存在，(2)確定敵方信號的頻率，(3)確定敵方發(fā)射機的方向。理論分析說明，信號的檢測概率與信號能量與噪聲功率譜密度之比成正比，與信號的頻帶寬度成反比。直擴信號正好具有這兩方面的優(yōu)勢，它的功率譜密度很低，單位時間

34、的能量就很小，同時它的頻帶很寬。因此，它具有很強的抗截獲性。如果滿足直擴信號在接收機輸入端的功率低于或與外來噪聲及接收機本身的熱噪聲功率相比較的條件、則一般接收機發(fā)現不了直擴信號的存在。另外，由于直擴信號的寬頻帶特性，截獲時需要在很寬的頻率圍進展搜索和監(jiān)測，也是困難之一。因此，直擴信號可以用來進展隱藏通信。至于如何發(fā)現敵方直擴信號的存在，和弄清楚其參數，即直擴信號的檢測與估值問題7。2.3.3直擴碼分多址通信系統多址通信系統指的是許多用戶組成的一個通信網，網中任何兩個用戶都可以通信，而且許多對用戶同時通信時互不不擾。應用直擴系統就很容易組成這樣一個多址通信系統(網)。具體的做法是給每一個用戶分

35、配一個PN碼作為地址碼。首先，利用直擴信號中PN碼的相關特性來區(qū)分不同的用戶，每個用戶只能收到其他用戶按其地址碼發(fā)來的信號，此時自相關特性出現峰值，可以判別出是有用信號。對于其他用戶發(fā)來的別的信號，因PN碼不同時互相關值很小，不會被解擴出來。其次，利用直擴信號中頻譜擴展，功率譜密度很低的特性，可以有許多用戶共用同一寬頻帶。此時相互之間干擾很小，可以當作噪聲處理。另外，每個用戶占用的頻寬很窄，相對說來，頻譜利用率也是高的8。實現直擴碼分多址通信值得注意的問題有：1、是要選擇有優(yōu)良互相關特性的碼。一般多采用有二值或三值相關特性的碼作為地址碼。同時還需要有一定的數量。Gold碼就可以作為地址碼來用，

36、它既有較優(yōu)良的相關特性，也有足夠的數量可供選。2、是要注意克制“遠近問題。所謂“遠一近問題指的是距離近的用戶的信號強，它會干擾距離遠的弱信號的接收。解決的方法是采用自動功率控制，自動調節(jié)各用戶的發(fā)射功率，使到達接收機時各用戶信號功率根本相等，也就是滿足接收機輸入端等功率的條件，才能正確地區(qū)分有用信號。3、是同時通話的用戶數，決定于整個網的噪聲水平。因此，直擴碼分多址系統是一種噪聲受限的系統。隨著用戶數的增加，通信質量逐漸變壞。2.3.4直擴系統的抗多徑干擾性能多徑信道就是發(fā)射機和接收機之間電波傳播的路徑不止一條。例如由于大氣層的反射和折射，以及由于建筑物等對電波的反射都是形成多徑信道的原因。不

37、同的傳播路徑使電波在幅度上衰減不同，到達時間的延遲也不同。直擴系統能夠同步鎖定在最強的直達路徑的電波上。其它有延遲到達的電波，由于相關解擴的作用，只起到噪聲干擾的作用。這就是利用PN碼的自相關特性，只要延遲超過半個PN碼時片，其相關值就很小，可作為噪聲來對待。另外，如果采用不同時延的匹配濾波器，把多徑信號別離出來，還可以變害為利，將這些多徑信號在相位上對齊相加，起到增加接收信號能量的作用。因此，直擴系統是一種有效的抗多徑干擾的通信系統。2.3.5直擴測距定時系統直擴系統的開展是從測距開場的。電磁波在空間是以固定的光速傳播的。如果測定了電波傳播的時間，也就測定了距離。用直擴信號來測取和定時有獨特

38、的優(yōu)點。當采用一個較長周期的PN碼序列作為發(fā)射信號、用它于目的地反射回來或轉發(fā)回來的PN碼序列的相位進展比較，即比較兩個碼序列相差的時片數，就可以看出其時間差，也就能換算出發(fā)射機與目的地之間的距離。不難把碼片選得很窄，即碼的鐘速率很高，則可以高精度的測距與定時，根本的分辨率即一個碼片。此外，有了準確的測距的定時系統，不難形成一個準確的定位系統；按照簡單的幾何關系，兩個點的位置(坐標)和距離，及其在*一平面上分別與第三點的距離，也就能確定第三點的坐標位置。2.3.6擴頻序列通信系統的同步原理任何數字通信系統都是離散信號的傳輸，要求收發(fā)兩端信號在頻率上一樣和相位上一致，才能正確地解調出信息。擴頻通

39、信系統也不例外。一個相干擴頻數字通信系統，接收端與發(fā)送端必須實現信息碼元同步、PN碼碼元和序列同步和射頻載頻同步。只有實現了這些同步，直擴系統才能正常的工作。可以說沒有同步就沒有擴頻通信系統。同步系統是擴頻通信的關鍵技術。信息碼元時鐘可以和PN碼元時鐘聯系起來，有固定的關系，一個實現了同步，另一個自然也就同步了。對于載頻同步來說，主要是針對相干解調的相位同步而言。常見的載頻提取和跟蹤的方法都可采用，例如用跟蹤鎖相環(huán)來實現載頻同步。因此，這里我們只需討論PN碼碼元和序列的同步。一般說來，在發(fā)射機和接收機中采用準確的頻率源，可以去掉大局部頻率和相位的不確定性。但引起不確定性的因素如下：1、收發(fā)信機

40、的距離引起傳播的延遲產生的相位差；2、收發(fā)信機相對不穩(wěn)定性引起的頻差；3、收發(fā)信機相對運動引起的多普勒頻移；4、以及多徑傳播也會影響中心頻率的改變。因此，只靠提高頻率源的穩(wěn)定度是不夠的，需要采取進一步提高同步速率和精度的方法。同步系統的作用就是要實現本地產生的PN碼與接收到的信號中的PN碼同步，即頻率上一樣，相位上一致9。同步過程一般說來包含兩個階段：1、接收機在一開場并不知道對方是否發(fā)送了信號，因此，需要有一個搜捕過程，即在一定的頻率和時間圍搜索和捕獲用信號。這一階段也稱為起始同步或粗同步，也就是要把對方發(fā)來的信號與本地信號在相位之差納入同步保持圍，即在PN碼一個時片。2、一旦完成這一階段后

41、，則進入跟蹤過程，即繼續(xù)保持同步，不因外界影響而失去同步。也就是說，無論由于何種因素兩端的頻率和相位發(fā)生偏移，同步系統能加以調整，使收發(fā)信號仍然保持同步。接收信號圖2-5同步系統搜捕和跟蹤原理圖輸出出寬帶濾波器碼跟蹤器PN碼發(fā)生器壓控鐘源搜捕器件解調器如果由于采種原因引起失步，則重新開場新的一輪搜捕和跟蹤過程。因此，整個同步過程是包含搜捕和跟蹤兩個階段閉環(huán)的自動控制和調整過程。圖2-5為同步系統搜捕和跟蹤原理圖，圖中接收到的信號經寬帶濾波器后，在乘法器中與本地PN碼進展相關運算。此時搜捕器件，調整壓控鐘源，調整PN碼發(fā)生器產生的本地脈序列偽重復頻率和相位，以搜捕有用信號。一旦捕獲到有用信號后，

42、則起動跟蹤器件，由其調整壓控鐘源，使本地PN碼發(fā)生器與外來信號保持同步。第3章基于Simulink的直接序列擴頻通信系統的仿真3.1直接序列擴頻通信系統功能模塊的連接及設置3.1.1功能模塊的連接根據仿真系統框圖，用鼠標點擊并移動所需功能模塊到適宜的位置，將鼠標移到有關功能模塊的輸出端(有一個向外的箭頭)，選中該輸出端并移動鼠標到另個功能模塊的輸入端(有個向的箭頭)，移動時出現虛線。到達所需輸入端時，釋放鼠標左鍵，相應的連接線出現，表示該連接已完成。重復上述連接過程，直到完成全部連接，組成仿真系統。1、連接時，應注意以下幾點：1)從功能模塊輸出端連接到另一功能模塊的輸入端，也可從一個功能模塊輸

43、入端反向連接到另一個功能模塊的輸出端；2)一個輸出端連接多個輸入端時，可采用從個功能模塊輸入端連接到另一個功能模塊輸出端的方法，或直接與該功能模塊輸出端的引出線連接。在連接時，可在連接線交點處按下“Shift鍵，再釋放鼠標左鍵；3)移動連接線位置的方法是，選中連接線，在連接線的各轉角處出現小方塊，鼠標選中所需方塊，拖動到適宜位置后釋放鼠標左鍵；4)增加連接線轉折點的方法是，選中連接線，鼠標移到所需增加轉折點處，按下“Shift鍵，點擊鼠標左鍵，移動轉折點到所需位置；5)連接線的復制、粘貼和剪切等操作方法與Windows對應的操作方法一樣； 2、功能模塊的參數設置使用者需設置功能模塊參數后，方可

44、進展仿真操作。不同功能模塊的參數是不一樣的，用鼠標雙擊該功能模塊自動彈出相應的參數設置對話框。圖3-1傳遞函數模型參數設置對話框例如，圖3-1是傳遞函數模型功能模塊的對話框。功能模塊對話框由功能模塊說明和參數設置框組成。功能模塊說明框用于說明該功能模塊使用方法和功能；參數框用于設置該功能模塊的參數。例如傳遞函數參數框由分子和分母多項式兩個編輯框組成，在分子多項式框中，用戶可輸入系統模型的分子多項式，在分母多項式框中，輸入系統模型的分母多項式等10。設置功能模塊的參數后，點擊OK軟鍵進展確認，將設置參數送仿真操作畫面，并關閉對話框。3、仿真系統操作參數設置在仿真操作前，應設置仿真操作的參數。包括

45、仿真器參數和示波器參數的設置。1)仿真器參數設置 點擊圖3-1操作畫面“Simulation下拉式菜單“Simulation Parameters選項，彈出如圖3-2所示的仿真參數設置畫面。共有解算器(Solver)、工作空間輸人輸出(Workspace I/O)、診斷(Diagnostics)、高級屬性(Advanced)和實時工作室(RealTimeWorkshop)等5個頁面。圖3-2仿真器參數設置對話框解算器頁面用于設置仿真開場和終止時間，解算器類型(定步長和變步長兩類)和具體的解算算法、最大最小步長和初始步長、容許誤差(相對和絕對誤差)、輸出方式和精細因子設置等。通常，仿真操作時可根

46、據仿真曲線設置終止時間和最大步長，以便得到較光滑的輸出曲線。工作空間輸入輸出頁面用于將仿真操作窗口的仿真結果送(寫)到MATLAB工作空間，或將數據從工作空間讀到仿真操作窗口。診斷頁面用于對仿真中出現的異常情況進展診斷。高級屬性頁面用于模型參數的在線組態(tài)和優(yōu)化操作。實時工作室頁面用于設置系統目標文件、暫存構成文件和構成命令，建立目錄等11。 2)示波器參數設置 當采用示波器顯示仿真曲線時，需對示波器參數進展設置。示波器有單蹤和雙蹤示波器兩種。單蹤示波器指顯示輸入信號(可以有多個輸入信號)與時間關系的設備，雙蹤示波器指顯示兩個輸入信號之間關系的設備。(1)單蹤示波器參數設置操作 點擊已存在的示波

47、器，彈出如圖3-3所示的單蹤示波器顯示畫面，點擊畫面的圖標“，彈出如圖3-4所示的示波器屬性對話框，分2個頁面。用于設置顯示坐標窗口數、顯示時間圍、標記和顯示頻率或采樣時間等。時間圍應與仿真器終止時間一致，以便最大限度顯示仿真操作數據。鼠標右鍵點擊示波器顯示窗口，從彈出菜單項選擇擇“Autoscale，或直接點擊圖標“，可在響應曲線顯示后自動調整縱坐標圍；從彈出的菜單項選擇擇“Save current a*es settings，或直接點擊圖標“，將當前坐標軸圍的設置數據存儲。此外，還有打印和對*、Y或同時放大或恢復等操作。(2)雙蹤示波器參數設置操作 雙蹤示波器的參數即該功能模塊的參數，有*

48、和Y坐標的圍和采樣時間設置。圖 3-3單蹤示波器顯示畫面圖3-4單蹤示波器屬性對話框3.1.2直接序列擴頻通信系統功能模塊的連接及設置在MATLAB中，用于通信系統仿真的模塊主要由兩大局部構成：通用仿真模塊和專用仿真模塊。它們分別屬于標準仿真子模塊庫和通信子模塊庫。一個典型的Simulink模塊由信源、系統及信宿等三局部組成。他們的關系如圖3-5所示。信源系統信宿圖3-5Simulink模型的典型構造信源提供系統的輸入信號，如常量、正弦波、方波等；系統是對仿真對象的數學抽象，比方是連續(xù)線性系統，還是非連續(xù)線性系統？對輸入信號進展求和，還是對輸入信號進展了一次調制？信宿是接收信號的局部，用戶可以

49、把它送到示波器中顯示出來，或者保存到相應的.mat文件。通信系統仿真的根本步驟如下：1)建立數學模型：根據通信系統的根本原理，將整個系統簡化到源系統，確定總的系統功能，并將各局部功能模塊化，找出各局部之間的關系，畫出系統流程框圖模型。2)仿真系統：根據建立的模型，從SIMULINK 通信模型庫(MATLAB 所提供的munication Toolbo* SIMULINK Block Library)的各個子庫中，將所需要的單元功能模塊拷貝到Untitled 窗口，按系統流程框圖模型連接，組建要仿真的通信系統模型。3)設置、調整參數：參數設置包括運行系統參數設置(如系統運行時間、采樣速率等)和功

50、能模塊運行參數設置(正弦信號的頻率、幅度、初相；低通濾波器的截至頻率、通帶增益、阻帶衰減等)。4)置觀察窗口，分析仿真數據和波形：在系統模型的關鍵點處設置觀測輸出模塊，用于觀測仿真系統的運行情況，以便及時調整參數，分析結果。5)生成新的模塊：對于munication Toolbo* 中沒有的功能模塊，可以根據已掌握的技術生成所需新的子模塊，例如由C 或Fortran 編寫ME* 文件，編譯成DLL 后利用SIMULINK 提供的封裝(Masking)功能封裝或自定義模塊庫，以便隨時調用。下面就對直接序列擴頻通信系統里的擴頻與解擴、BPSK調制、編碼信道AWGN信道進展了Simulink模塊仿真

51、。用到的主要模塊如圖3-6所示圖3-6仿真用到的主要模塊1)Scope將輸入信號在示波器中顯示出來。2)Display將輸入信號以數字的形式顯示出來。3)Error Rate Calculation計算輸入信號的比特或符號錯誤率。4)AWGN channelAWGN信道。5)PN Sequence Generator生成PN序列。6)Bernoulli Binary Generator生成Bernoulli分部二進制數。7)BPSK Demodulator BasbandBPSK解調。8)BPSK Modulator BasbandBPSK調制。1、擴頻與解擴的Simulink仿真圖擴頻模塊包

52、括偽隨機碼生成和相關運算兩個局部。不同的偽隨機碼表示著不同的擴頻方式。常用的偽隨機碼有m序列(最大長度移位存放器序列)、Gold碼序列等。在直序擴頻序列通信系統中，每一用戶都分配到一固定的PN序列，用戶之間的PN序列都是互為正交的，以使得每一用戶不受到其他用戶的干擾。擴頻的過程可以簡而言之為在發(fā)送端用PN碼序列將載有信息的信號擴頻到*個較寬的帶寬上，然后在信道上進展傳輸。解擴過程與擴頻過程完全一樣，也是將輸入解擴模塊的信號用偽隨機碼進展擴頻處理。同時，要求接收端解擴頻用的偽隨機碼與發(fā)送端擴頻用的偽隨機碼不僅碼字一樣，而且相位一樣；否則，將會導致期望用戶的信號自身相互抵消。解擴處理將擴頻后的信號

53、壓縮到信息頻帶，由寬帶信號恢復為窄帶信號；同時，解擴處理的結果也擴展了干擾信號，降低了干擾信號的功率譜密度，使之進入到信息頻帶的功率下降，從而使系統獲得處理增益，提高了系統的抗干擾能力。圖3-7是用戶信息被擴展的框圖。圖3-8是擴頻的仿真模型，圖中一個隨機序列與PN碼序列異或相乘得一個新的序列，使隨機序列的頻譜被擴展。圖3-9的第一個波形輸入的隨機信號的波形，第二個波形是擴頻后的波形，第三個波形是生成的PN碼序列的波形。擴頻后的信息PN碼序列用戶信息圖3-7 擴頻框圖圖3-8擴頻仿真模型圖3-9輸出的PN碼擴頻波形圖2、BPSK調制的Simulink仿真圖BPSK是二進制相移鍵控，在二進制數字

54、調制中，當正弦載波相位隨二進制數字基帶信號離散變化時，則產生BPSK信號。通常用已調信號載波的0和180分別表示二進制數字基帶信號的1和0。理想的BPSK調制可使載波相位瞬時變化180。BPSK信號的調制原理圖如圖3-10所示。 cosct相乘器輸出ebpsk(t)圖3-11BPSK解調原理圖ebpsk(t)開關電路 Stcosct180移相圖3-10BPSK調制原理圖BPSK信號的解調通常都是采用相干解調，解調器原理圖如圖3-11所示，在相干解調過程中需要用到與接收到的BPSK信號同頻同相的相干波。圖3-12是BPSK調制與解調框圖，圖3-13是BPSK調制與解調的Simulink模型，3-

55、14是信源輸入的隨機數字信息的波形，圖3-15是隨機數字信息經BPSK調制后的頻譜圖。隨機數字信息輸出信息BPSK解調信道BPSK調制圖3-12BPSK調制與解調框圖圖3-13BPSK調制與解調模型圖3-14信源產生的隨機序列圖3-15BPSK調制仿真頻譜圖3、編碼信道的Simulink仿真圖在數字通信系統中，編碼器的輸出是*一數字序列，而譯碼器輸入同樣也是一數字序列，它們在一般情況下是一樣的數字序列。因此，從編碼器輸出端到譯碼器輸入端的所有轉換器及傳輸媒質可用一個完成數字序列變換的方框加以概括，這個方框就稱為編碼信道。如圖3-16所示。本設計中采用AWGN作為編碼信道，所謂AWGN信道，是指

56、信號在信道中傳輸時參加了高斯白噪聲，如圖3-17的仿真波形中第一個圖形為輸入信息，第二個波形為參加高斯白噪聲后的波形。圖3-16AWGN信道仿真圖3-17通過 AWGN信道輸出前和輸出后的波形3.2直接序列擴頻通信系統功能的實現假設該系統以BPSK方式調制，數據傳輸率為100bps，擴頻碼片速率為2000，信號通過AGWN信道后受到了頻率為200Hz的正弦信號的干擾，建立系統模型并觀察各個階段信號的波形與頻譜，測試傳輸信號的誤碼率。發(fā)射端的仿真模型如圖3-18所示：圖3-18發(fā)射端仿真模型在上面的模型中Bernoulli Binary Generator即伯努力二進制發(fā)生器，產生的數據流相當于

57、信源，其采樣時間(sample time)設置為1/100，即數據流的傳輸速率為100bps。PN Sequence Generator 用于產生PN序列，設置其采樣時間(sample time)為1/2000，即擴頻碼片速率為2000chip/s。由于相乘時數據流的傳輸速率要與擴頻碼片序列一樣，因此可用Rate Transition 提升數據流的傳輸速率，將其out put sample time設置為1/2000。Unipolar to Bipolar Converter模塊用于將單極性碼變?yōu)殡p極性碼，Bipolar to Unipolar Converter則剛好相反。乘法器輸出的就是擴

58、頻序列。通過示波器Scope1可以觀察原信息序列、PN序列和擴頻序列。為了方便觀察原來信號和擴頻后信號的頻譜變化，我們希望頻譜觀察圍到達8kHz，需要被觀察信號的采樣率到達16000次/s，因此在模型中使用Rate Transition模塊是需要觀測的信號的采樣率到達16000次/s。圖3-19原數據信號的頻譜圖2-20擴頻信號的頻譜圖3-21三路信號的時域波形接收端的仿真模型如圖3-22所示。圖3-22接收端仿真模型其中從解擴開場為接收端。AWGN為高斯白噪聲信道，設置其噪聲的均值為10。正弦信號發(fā)生器產生頻率為200Hz的單頻干擾。PN Sequence Generator為本地PN序列，

59、是與發(fā)射機中的PN序列完全一樣的。從加法器出來的信號即為接收到的信號，其中包含有有用信號，噪聲和干擾，該信號和本地PN序列相乘進展解擴，Scope1頻譜儀中的頻譜就是解擴后的接收信號的頻譜，其中有用信號被復原為窄帶信號，噪聲和干擾的頻譜反而被展寬。利用Error Rate Calculation 模塊對誤碼率進展測試，其中T*為發(fā)送端，R*為接收端，中間參加2個數據碼元的延遲是為了補償接收延遲。BPSK Demodulator Baseband1為BPSK解調器。圖3-23接收到的信號頻譜圖3-24解擴后信號的頻譜圖3-25解調后信號的頻譜圖3-26發(fā)送序列和解調之后的序列結合發(fā)送端擴頻信號的

60、頻譜，可以看到，發(fā)送端信號的功率峰值在接收信號功率峰值之下，說明有用信號淹沒在了噪聲之中，大大增強了抗干擾能力。從解擴后的頻譜可以看出，只有有用信號的頻譜被復原成窄帶信號，其他信號的頻譜反而被展寬。從誤碼率的統計來看，當信號受到200Hz單頻正弦信號和噪聲均值為10的噪聲的干擾時，誤碼率約為0.025，在實際通信中是遠遠達不到要求的。3.3總結對通信系統進展仿真，可以幫助我們更加理解相關技術的原理、特點等相關知識，幫助我們建立起系統的概念，通過將一個個模塊結合起來形成一個系統，可以提高我們搭建系統模型的能力。通過對直接序列擴頻系統的仿真，使我們更加理解了直接序列擴頻的相關原理，對其特點有了更加