數(shù)字信號(hào)處理課設(shè)-二進(jìn)制擴(kuò)頻通信系統(tǒng)

1、 一引言擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信（SpreadSpectrumCommunication）,它與光纖通信，衛(wèi)星通信，一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時(shí)代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。擴(kuò)頻通信技術(shù)自50年代中期美國(guó)軍方便開(kāi)始研究，一直為軍事通信所獨(dú)占，廣泛應(yīng)用于軍事通信、電子對(duì)抗以及導(dǎo)航測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域。直到80年代初才被應(yīng)用于民用通信領(lǐng)域。為了滿足日益增長(zhǎng)的民用通信容量的需求和有效地利用頻譜資源，各國(guó)都紛紛提出在數(shù)字峰窩移動(dòng)通信、衛(wèi)星移動(dòng)通信和未來(lái)的個(gè)人通信中采用擴(kuò)頻技術(shù)，擴(kuò)頻技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于蜂窩電話、無(wú)繩電話、微波通信無(wú)線數(shù)據(jù)通信、遙測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警等系統(tǒng)中。二概述序列擴(kuò)頻系統(tǒng)（DS,DirectSequenc

2、e）又稱(chēng)為序列調(diào)制系統(tǒng)或偽噪聲系統(tǒng)（PN系統(tǒng)），簡(jiǎn)稱(chēng)為直擴(kuò)系統(tǒng)，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)。直擴(kuò)系統(tǒng)是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)（PN）序列擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上去，在接收端，用與發(fā)送端擴(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。干擾信號(hào)由于與偽隨機(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（干）比，達(dá)到抗干擾的目的。一種典型的擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)如圖1所示。圖1典型擴(kuò)展頻譜系統(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

3、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)。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)。數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸與模擬通信相似，要使某一數(shù)字信號(hào)在帶限信道中傳輸，就必須用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制。對(duì)于大多數(shù)的數(shù)字傳輸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于數(shù)字基帶信號(hào)往往具有豐富的低頻成分，而實(shí)際的通信信道又具有帶通特性，因此，必須用數(shù)字信號(hào)來(lái)調(diào)制某一較高頻率的正弦或脈沖載波，使已調(diào)信號(hào)

4、能通過(guò)帶限信道傳輸。這種用基帶數(shù)字信號(hào)控制高頻載波，把基帶數(shù)字信號(hào)變換為頻帶數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為數(shù)字調(diào)制。那么，已調(diào)信號(hào)通過(guò)信道傳輸?shù)浇邮斩?，在接受端通過(guò)解調(diào)器把頻帶數(shù)字信號(hào)還原成基帶數(shù)字信號(hào)，這種數(shù)字信號(hào)的反變換稱(chēng)為數(shù)字解調(diào)。通常，我們把數(shù)字調(diào)制與解調(diào)合起來(lái)稱(chēng)為數(shù)字調(diào)制，把包括調(diào)制和解調(diào)過(guò)程的傳輸系統(tǒng)叫做數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸系統(tǒng)。三.MATLAB中擴(kuò)頻通信系統(tǒng)介紹擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)理論基礎(chǔ)擴(kuò)頻通信的基本理論是根據(jù)信息論中的Shannon公式.即C=BlO92(l+S/N)(1)式中：c為系統(tǒng)的信道容量(bit/s)：B為系統(tǒng)信道帶寬(Hz)；S為信號(hào)的平均功率；N為噪聲功率。Shannon公式表明

5、了一個(gè)系統(tǒng)信道無(wú)誤差地傳輸信息的能力跟存在于信道中的信噪比(sin)以及用于傳輸信息的系統(tǒng)信道帶寬(B)之間的關(guān)系。該公式說(shuō)明了兩個(gè)最重要的概念：一個(gè)是在一定的信道容量的條件下，可以用減少發(fā)送信號(hào)功率、增加信道帶寬的辦法達(dá)到提高信道容量的要求：一個(gè)是可以采用減少帶寬而增加信號(hào)功率的辦法來(lái)達(dá)到。擴(kuò)頻增益是擴(kuò)頻通信的重要參數(shù)，它反應(yīng)了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾能力的強(qiáng)弱.其定義為接收機(jī)相關(guān)器輸出信噪比和接收機(jī)相關(guān)器輸入信噪比之比，即式中，S；和So分別為接收機(jī)相關(guān)器輸入、輸出端信號(hào)功率；N；和No分別為相關(guān)器的輸入、輸出端干擾功率；Rs為偽隨機(jī)碼的信息速率，&為基帶信號(hào)的信息速率；B。為頻譜擴(kuò)展后的信號(hào)帶

6、寬，Bd頻譜擴(kuò)展前的信號(hào)帶寬。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(guò)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)?，F(xiàn)以直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)為例說(shuō)明擴(kuò)萬(wàn)方數(shù)據(jù)仿真技術(shù)頻通信的實(shí)現(xiàn)方法。圖1為直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的原理框圖圖1戢序列擴(kuò)蘇獅期接收 四通過(guò)MATLAB編程實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制擴(kuò)頻通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟編寫(xiě)程序生成調(diào)制器模塊，將已生成的二進(jìn)制數(shù)字1映射為M個(gè)連續(xù)+1的序列和將一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字0映射為M個(gè)連續(xù)-1的序列。由此，M個(gè)連續(xù)+1代表一個(gè)矩形脈沖的采樣形式。編寫(xiě)程序生成噪聲發(fā)生器，它產(chǎn)生一

7、個(gè)范圍在(-a,a)上均勻分布數(shù)的序列，每一個(gè)噪聲樣本被加到對(duì)應(yīng)的信號(hào)樣本上。編寫(xiě)程序生成解調(diào)器模塊，將來(lái)自信道接收到的這個(gè)M個(gè)受到噪聲污損的序列+1或-1相加。檢測(cè)器將解調(diào)器的輸出與零做比較，如果輸出大于0就判決為1，如果輸出小于0就判決為0。如果檢測(cè)器的輸出與從發(fā)射器傳送的比特不一致，就被計(jì)數(shù)器計(jì)為1個(gè)差錯(cuò)。提高部分調(diào)制器的輸出乘上一個(gè)M位的偽隨機(jī)序列(用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生等概的1序列),解調(diào)器輸入乘以同一個(gè)偽隨機(jī)序列。傳輸信道受到加性噪聲和一個(gè)單頻正弦噪聲的干擾。假定正弦噪聲幅度大于M。用和不用偽隨機(jī)序列執(zhí)行該仿真系統(tǒng)，對(duì)不同M值(如M=50,100,500,1000)測(cè)量差錯(cuò)率，并比較不

8、同系統(tǒng)的效果。程序仿真1直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真第一步，先采用較少的碼元數(shù)搭建直擴(kuò)系統(tǒng),編寫(xiě)程序生成調(diào)制器模塊設(shè)信源信息碼的總長(zhǎng)度為20，每個(gè)信息碼內(nèi)含50個(gè)采樣點(diǎn)。通過(guò)sign,rand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50次，共生成1000個(gè)采樣點(diǎn)，然后得到了調(diào)制后的波形。m=50;code_length=20;%信息碼元個(gè)數(shù)N=1:code_lengthrand(seed,0);x=sign(rand(1,code_length)-0.5);%信息碼%產(chǎn)生在-1到=+1之間的隨機(jī)數(shù)fori=1:20s(l

9、+(i-l)*m):i*m)=x(i);%每個(gè)信息碼元內(nèi)含m個(gè)采樣點(diǎn)end生成的信息碼的波形圖如圖所示。調(diào)制器-110.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.801002003004005006007008009001000codelength*m第二步，編寫(xiě)程序生成噪聲發(fā)生器先要產(chǎn)生載波，一個(gè)載波周期內(nèi)含50個(gè)采樣點(diǎn)，經(jīng)過(guò)20次循環(huán)，生產(chǎn)1000個(gè)對(duì)載波的采樣點(diǎn)，然后與噪聲noise對(duì)應(yīng)點(diǎn)相加，就得到了加燥后的波形。a=1noise=(rand(1,m*code_length)-0.5)*a*2;tran=noise+s;解調(diào)器第三步，編寫(xiě)程序生成解調(diào)器解調(diào)相當(dāng)于調(diào)制的逆過(guò)程，

10、將來(lái)自信道接收到的這個(gè)M個(gè)受到噪聲污損的序列+1或-1相加進(jìn)行解調(diào)。程序如下：fori=1:20d(i)=sign(sum(tran(1+(i-1)*m):i*m);end10.80.60.40.2度0幅-0.2-0.4-0.6-0.8-102468101214161820codelength第四步，檢測(cè)器將解調(diào)器的輸出與零做比較如果輸出大于0就判決為1，如果輸出小于0就判決為0fori=1:20if(d(i)0)z(i)=0;elsez(i)=1;enden 第五步，計(jì)算誤碼率利用函數(shù)調(diào)用，進(jìn)行誤碼率計(jì)算，如果檢測(cè)器的輸出與從發(fā)射器傳送的比特不一致，就被計(jì)數(shù)器計(jì)為1個(gè)差錯(cuò)。count=0;f

11、ori=1:20if(x(i)=d(i)count=count+1;endendrate=count/code_length;%figure(5)%stem(rate);clearall;closeall;clc;m=50;code_length=20;fora=0:50rate(a+1)=jct(m,20,a);end2加隨機(jī)序列后序列進(jìn)行擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真第一步，搭建擴(kuò)頻系統(tǒng),編寫(xiě)程序生成加偽隨機(jī)序列調(diào)制器設(shè)信源信息碼的總長(zhǎng)度為20,每個(gè)信息碼內(nèi)含8個(gè)采樣點(diǎn)。通過(guò)sign,rand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

12、碼采樣8次,共生成160個(gè)采樣點(diǎn),調(diào)制器的輸出乘上一個(gè)M位的偽隨機(jī)序列(用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生等概的1序列)程序如下：m=8;code_length=20;%信息碼元個(gè)數(shù)N=1:code_length;rand(seed,0);x=sign(rand(1,code_length)-0.5);%信息碼%產(chǎn)生在-1到=+1之間的隨機(jī)數(shù)fori=1:20s(l+(i-l)*m):i*m)=x(i);%每個(gè)信息碼元內(nèi)含m個(gè)采樣點(diǎn)%調(diào)制x_code=sign(rand(1,m)-0.5);%把0,1序列碼變換為-1,1調(diào)制碼w_code(l+(i-l)*m):i*m)=s(l+(i-l)*m):i*m).*

13、x_code;%每個(gè)偽碼碼元內(nèi)含8個(gè)采樣點(diǎn)end020406080100120140160codelength*m第二步，搭建擴(kuò)頻系統(tǒng),編寫(xiě)程序生成加偽隨機(jī)序列解制器解調(diào)器輸入乘以同一個(gè)偽隨機(jī)序列。傳輸信道受到加性噪聲和一個(gè)單頻正弦噪聲的干擾。假定正弦噪聲幅度大于M。%加sin噪聲t=0:m*code_length-1;p=(m+1)*sin(4*pi/m*t);a=1;noise=(rand(l,m*code_length)-0.5)*2*a;%噪聲調(diào)幅干擾receive=w_code+noise+p;%加性噪聲和一個(gè)單頻正弦噪聲的干擾%解調(diào)fori=1:20d(i)=sign(sum(re

14、ceive(1+(i-1)*m):i*m).*x_code);%解調(diào)器輸入乘以同一個(gè)偽隨機(jī)序列end加偽隨機(jī)序列解制codelength*m第三步，用和不用偽隨機(jī)序列執(zhí)行該仿真系統(tǒng)利用函數(shù)調(diào)用，進(jìn)行誤碼率計(jì)算，如果輸出與從發(fā)射器傳送的比特不一致，就被計(jì)數(shù)器計(jì)為1個(gè)差錯(cuò)。對(duì)不同M值測(cè)量差錯(cuò)率，并比較不同系統(tǒng)的效果。%檢波fori=1:20if(d(i)0)z(i)=-1;elsez(i)=1;endendcount=0;fori=1:20ifx(i)=z(i)%如果檢測(cè)器的輸出與從發(fā)射器傳送的比特不一致，就被計(jì)數(shù)器計(jì)為1個(gè)差錯(cuò)。count=count+1;endendrate=count/cod

15、e_length;%求誤碼率%對(duì)函數(shù)進(jìn)行調(diào)用clearall;closeall;clc;a=100;form=1:1000;rate(m)=tgt(m,20,a);rate1(m)=jct(m,20,a);endfigure(1)subplot(211)plot(rate1);title(不加偽隨機(jī)序列執(zhí)行仿真系統(tǒng))xlabel(m);ylabel(誤碼率)；subplot(212)plot(rate)title(加偽隨機(jī)序列執(zhí)行仿真系統(tǒng))xlabel(m);ylabel(誤碼率)；不加偽隨機(jī)序列執(zhí)行仿真系統(tǒng)率碼誤1002003004005006007008009001000807060率碼誤

16、m加偽隨機(jī)序列執(zhí)行仿真系統(tǒng)0.80.60.40.2001002003004005006007008009001000m分析：經(jīng)過(guò)比較可以看出加偽隨機(jī)序列后生成的誤碼率相對(duì)于不加偽隨機(jī)序列要小，且變化幅度小，所以加偽隨機(jī)碼序列穩(wěn)定程序1)基礎(chǔ)題functionrate=jct(m,code_length,a)%clearall;closeall;clc;%m=50;%code_length=20;%信息碼元個(gè)數(shù)%N=1:code_length;rand(seed,0);x=sign(rand(1,code_length)-0.5);%信息碼%產(chǎn)生在-1到=+1之間的隨機(jī)數(shù)fori=1:20s(l

17、+(i-l)*m):i*m)=x(i);%每個(gè)信息碼元內(nèi)含m個(gè)采樣點(diǎn)end%figure(1);%stem(s);%title(調(diào)制器)%xlabel(code_length*m);ylabel(幅度);%加噪聲%a=1noise=(rand(1,m*code_length)-0.5)*a*2;tran=noise+s;%figure(2)%stem(tran);%title(噪聲發(fā)生器)%xlabel(code_length*m);ylabel(幅度);%解調(diào)fori=1:20d(i)=sign(sum(tran(1+(i-1)*m):i*m);end%figure(3)%stem(d);%

18、title(解調(diào)器)%xlabel(code_length);ylabel(幅度);%第四步fori=1:20if(d(i)0)z(i)=0;elsez(i)=1;endend%figure(4)%stem(z);%title(檢測(cè)器)%xlabel(code_length);ylabel(幅度)；count=0;fori=1:20if(x(i)=z(i)count=count+1;endendrate=count/code_length;%figure(5)%stem(rate);clearall;closeall;clc;m=50;code_length=20;fora=0:50rate(

19、a+1)=jct(m,20,a);endfigure(1)plot(rate);title(錯(cuò)誤率)xlabel(a);ylabel(誤碼率);codlength*m截圖：E010020030040050060070080090010odlength*m改變a值M=502)提高題functionrate=tgt(m,20,a)%clearall;closeall;clc;%產(chǎn)生偽隨機(jī)碼%m=8;%code_length=20;%信息碼元個(gè)數(shù)%N=1:code_length;rand(seed,0);x=sign(rand(1,code_length)-0.5);%信息碼%產(chǎn)生在-1到=+1之間

20、的隨機(jī)數(shù)fori=1:20s(l+(i-l)*m):i*m)=x(i);%每個(gè)信息碼元內(nèi)含m個(gè)采樣點(diǎn)%調(diào)制x_code=sign(rand(1,m)-0.5);%把0,1序列碼變換為-1,1調(diào)制碼w_code(1+(i-1)*m):i*m)=s(1+(i-1)*m):i*m).*x_code;%每個(gè)偽碼碼元內(nèi)含8個(gè)采樣點(diǎn)end%figure(1)%stem(w_code);%title(加偽隨機(jī)序列調(diào)制)%xlabel(code_length*m);ylabel(幅度)；%加sin噪聲t=0:m*code_length-1;p=(m+1)*sin(pi/20*t);a=1;noise=(ran

21、d(l,m*code_length)-0.5)*2*a;%噪聲調(diào)幅干擾receive=w_code+noise+p;%解調(diào)fori=1:20d(i)=sign(sum(receive(1+(i-1)*m):i*m).*x_code);end%figure(2)c=s.*receive;%stem(c);%title(加偽隨機(jī)序列解制)%xlabel(code_length*m);ylabel(幅度)；fori=1:20if(d(i)0)z(i)=-1;elsez(i)=1;endendcount=0;fori=1:20ifx(i)=z(i)count=count+1;endendrate=co

22、unt/code_length;clearall;closeall;clc;a=100;form=1:1000;rate(m)=tgt(m,20,a);rate1(m)=jct(m,20,a);endfigure(1)subplot(211)plot(rate1);title(不加偽隨機(jī)序列執(zhí)行仿真系統(tǒng))xlabel(m);ylabel(誤碼率);subplot(212)plot(rate);title(加偽隨機(jī)序列執(zhí)行仿真系統(tǒng))xlabel(m);ylabel(誤碼率);截圖：一題截圖：codelength*m二題截圖：不加偽隨機(jī)序列執(zhí)行仿真系統(tǒng)m分析：總體思路：要進(jìn)行誤碼率的計(jì)算，需要分兩步進(jìn)行，即抽樣和判決。假設(shè)信源信息碼長(zhǎng)度為M,每個(gè)信息碼包含N個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)，貝y,先從第一個(gè)信息碼的N個(gè)采樣點(diǎn)中，隨機(jī)抽取i個(gè)，判斷是否全為1,或全為一1,這樣就確定了此信息碼為1還是一1;以同樣的方法對(duì)輸出的信息碼再做一次，最后將兩個(gè)信息碼的判斷結(jié)果進(jìn)行比較，不同就記錄下來(lái)，進(jìn)行累加，相同則進(jìn)行下一次循環(huán)。M