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数字信号处理课程设计
直接序列扩频通信系统的设计与实现
摘要:
本文介绍了直接序列扩频通信技术,利用Matlab/Simulink对直接序列扩频系统进行仿真,并且对仿真的结果做了详细的讲解分析。
针对扩频通信广泛的应用,用Matlab工具箱中的Simulink通信仿真模块和Matlab函数对直接序列扩频通信系统进行分析和仿真是快速有效的设计方法,可以很快的解决问题。
Matlab通信工具箱的Simulink仿真模块和Matlab函数,形成一个包含运算函数和仿真模块的集合体,可以用来进行通信方面的研究、开发、系统的设计以及心痛的仿真。
且模块可供直接使用,并允许修改,使用起来十分方便,因而完全可以满足使用者设计和运算的需要。
本文根据扩频通信的原理,利用Matlab提供的可视化仿真工具Simulink建立了扩频通信原理的系统仿真模型合与直序扩频通信系统的仿真模型。
关键词:
Simulink;扩频通信;误码率
目录
第1章引言1
1.1扩频通信的应用以及仿真的意义1
1.2扩频通信的背景2
1.3扩频通信的特点2
第2章直接序列扩频通信技术4
2.1直接序列扩频的基本原理4
2.2直接序列扩频通信系统的工作原理4
2.3频谱扩展的实现和直接序列扩频4
2.3.1扩频码5
2.3.2码序列的相关性5
2.3.3m序列5
2.3.4m序列的性质6
2.4扩频通信特征6
2.5直接序列扩频系统的同步分析6
2.6直接序列扩频的抗多径效应性能分析7
2.7应用缺陷7
第3章MATLAB/SIMULINK简介9
3.1MALTAB的简介9
3.1.1MATLAB产生的历史背景9
3.1.2MATLAB的语言特点和开发环境10
3.2Simulink的简介11
3.2.1启动系统仿真11
第4章基于Simulink直接序列扩频通信系统的设计与实现12
4.1直接序列扩频通信系统的工作原理12
4.1.1扩频通信工作原理12
4.1.2扩频通信的性能分析12
4.2直接序列扩频通信的扩频和解扩过程的简单说明14
4.3基于SimuLink的仿真实现15
4.3.1直接序列扩频通信系统发射机与接收机的设计15
4.3.2仿真模型功能块说明及相关参数设置16
4.3.3仿真结果18
第5章实验结论与心得23
参考文献24
第1章引言
1.1扩频通信的应用以及仿真的意义
目前,我国的电网中一用的通信方式主要有明线、电力线载波、电缆和新型的一点多址微波等。
然而,在传输运动数据以及通信方面却显不足,可靠性、适用性差,甚至投资很高。
由于无线扩频通信技术传输方式独特,抗干扰性强,保密性好,数据传输速率高,传输距离远,维护简单方便,数、话并传互相不影响,可以在无呼损的条件下提供足够电网需要的数字电话和数字传输通道,对运动数据传输可以直接使用数字接口(不需要调制解调器),误码率低;另外,其使用的低功率无线频率不需要许可证,所以深受电力用户的青睐。
随着信息技术的发展,通信技术变得越来越复杂,技术更新的周期也越来越短。
对于大部分学者,特别是我们学生来说,在学习通信技术时,若对每个系统都要实体研究是不现实的。
此时通信系统的仿真对我们来说是必不可少的,通过建立相应的通信系统的模型,对其进行仿真,可以使我们把琐碎的知识联系在一起,形成一个个通信系统的概念,还可以让我们对各个知识点的原理有更加深刻的理解和掌握。
仿真是衡量系统性能的工具,它通过仿真模型的仿真结果来判断原系统的性能从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考。
通过仿真,可以降低新系统失败的可能性,防止对系统中某些功能部件造成过盈的负载,优化系统的整体性能,因此,仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法。
Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件功能包,它让用户把精力从编程转向模型的构造,为用户省去了许多重复的代码编写工作;Simulink的每个模块对用户而言都是透明的,用户只须知道模块的输入、输出以及模块的功能,而不必管模块内部是怎么实现的,于是留给用户的事情就是如何利用这些模块来建立模型以完成自己的仿真任务,这让用户在仿真的过程当中把更多的精力放在用模块建立所需要的模型上,从而节约了很多时间和精力;至于Simulink的各个模块在运行时是如何执行,时间是如何采样,事件是如何驱动等细节性问题,用户可以不去关心,正是由于Simulink具有这些特点,所以它被广泛的应用在通信仿真中。
1.2扩频通信的背景
由于它的抗噪声的特性,直接序列扩频技术非常适合商业应用。
在容许无线设备公开使用的电磁环境里,它对其他传统微波设备造成最小的干扰,同时对附近其他设备有更高的抗扰性。
上世纪80年代末,晶体电子技术的先进程度已经足以提供商用的、成本效益好的直接序列扩频系统。
现在直扩技术被广泛应用于包括计算机无线网等许多领域。
扩频技术在发展的初始阶段,就已经实现了理论和技术上的重大突破,在此后的发展过程中主要是硬件的改善和性能的提高。
随着移动通信的迅猛发展,目前3G系统由研制开发逐步进入商用并且向第四代无线多媒体通信飞速发展。
根据ITU的标准,世界各大电信公司联盟均提出了自己的第三代移动通信系统方案,虽然第三代移动通信系统的标准差异很大,但采用码分多址技术已经达成共识。
直扩码分多址,由于具备通信容量大、能充分利用话音的统计特性、平滑的越区切换、通信容量的软特性等优点被作为未来移动通信中最具竞争力、最有前景的无线多址接入技术。
无线扩频通信作为另一种有效的补充通信手段,已在金融系统得到了越来越广泛的应用。
发展到现在,扩频技术理论和技术都已趋于完善,主要应从系统的角度考虑总体性能,且与其它新技术结合应用。
因此,应用的驱动一直是扩频技术发展的强大动力,未来的无线通信系统,如移动通信、无线局域网、全球个人通信等,扩频技术必将发挥重要作用。
随着科技的发展,扩频技术必将获得更加广阔的应用空间。
1.3扩频通信的特点
(1)抗干扰性强
抗干扰是扩频通信主要特性之一,比如信号扩频宽度为100倍,窄带干扰基本上不起作用,而宽带干扰的强度降低了100倍,如要保持原干扰强度,则需加大100倍总功率,这实质上是难以实现的。
因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到,所以即使以同类型信号进行干扰,在不知道信号的扩频码的情况下,由于不同扩频编码之间的不同的相关性,干扰也不起作用。
(2)隐蔽性好
因为信号在很宽的频带上被扩展,单位带宽上的功率很小,即信号功率谱密度很低,信号淹没在白噪声之中,别人难以发现信号的存在,加之不知扩频编码,很难拾取有用信号,而极低的功率谱密度,也很少对于其他电讯设备构成干扰。
(3)易于实现码分多址(CDMA)
直接序列扩频通信系统占用宽带频谱资源通信,改善了抗干扰能力,是否浪费了频段?
其实正相反,扩频通信提高了频带的利用率。
正是由于直接序列扩频通信系统要用扩频编码进行扩频调制发送,而信号接收需要用相同的扩频编码作相关解扩才能得到,这就给频率复用和多址通信提供了基础。
充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性,分配给不同用户不同的扩频编码,就可以区别不同的用户的信号,众多用户,只要配对使用自己的扩频编码,就可以互不干扰地同时使用同一频率通信,从而实现了频率复用,使拥挤的频谱得到充分利用。
发送者可用不同的扩频编码,分别向不同的接收者发送数据。
(4)抗多径干扰
无线通信中抗多径(发射的信号经多条不同路径传播)干扰一直是难以解决的问题,利用扩频编码之间的相关特性,在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号,也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强,从而达到有效的抗多径干扰。
(5)速率高
直接序列扩频通信系统速率可达2M,8M,11M,无须申请频率资源,建网简单,网络性能好。
(6)有很强的保密性能。
对于直接序列扩频通信系统而言,射频带宽很宽,谱密度很低,甚至淹没在噪音中,就很难检查到信号的存在。
由于直接序列扩频通信系统信号的频谱密度很低,直接序列扩频通信系统对其它系统的影响就很小。
第2章直接序列扩频通信技术
2.1直接序列扩频的基本原理
所谓直接序列扩频(DS),就是直接用具有高速率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。
而接收端,用相同的扩频码序列进行解扩,把展宽的扩频信号还原成原始信息。
发射的信号经过信道传输,在接收端,由于信道中的干扰,接受到的信号有有用信号、多径干扰信号、窄带干扰信号、宽带干扰等。
扩频解调器实际上是一个相关器,扩频信号通过相关器后干扰信号(包括多径干扰、窄带干扰、宽带干扰)由于这些干扰与本地伪随机码(PN码)不相关,接受机解扩对它们相当于一次扩频,将干扰和噪声的频谱展宽,降低了功率谱密度,然后通过中频滤波器,滤除不相关的各种干扰,从而大大降低了进入信号通频带内的干扰功率,经解调恢复出原始信息,这使解调器的输入信噪比得到提高,从而提高了系统的抗干扰能力。
2.2直接序列扩频通信系统的工作原理
图2-1扩频通信工作原理框图
2.3频谱扩展的实现和直接序列扩频
频谱的扩展是用数字化方式实现的。
在一个二进制码位的时段内用一组新的多位长的码型予以置换,新码型的码速率远远高出原码的码速率,由傅立叶分析可知新码型的带宽远远高出原码的带宽,从而将信号的带宽进行了扩展。
这些新的码型也叫伪随机(PN)码,码位越长系统性能越高。
通常,商用扩频系统PN码码长应不低于12位,一般取32位,军用系统可达千位。
2.3.1扩频码
为扩频通信常用的扩频码主要有PN序列、GOLD序列、WALSH码和OVSF码。
PN码即伪噪声
序列也称之为伪随机序列,是用确定性方法产生的序列,但它却近似具有随机产生序列所希望的某些关键随机特性。
其中最常见的伪随机序列是m序列。
使用m序列对信息序列进行扩频如图3所示。
2.3.2码序列的相关性
在扩展频谱通信中需要用高码率的窄脉冲序列。
这是指扩频码序列的波形而言。
并未涉及码的结构和如何产生等问题。
那么究竟选用什么样的码序列作为扩频码序列呢?
它应该具备哪些基本性能呢?
现在实际上用得最多的是伪随机码,或称为伪噪声(PN)码。
这类码序列最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。
因为噪声具有完全的随机性,也可以说具有近似于噪声的性能。
但是,真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生的。
我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能,故称为伪随机码或PN码。
为什么要选用随机信号或噪声性能的信号来传输信息呢?
许多理论研究表明,在信息传输中各种信号之间的差别性能越大越好。
这样任意两个信号不容易混淆,也就是说,相互之间不易发生干扰,不会发生误判。
理想的传输信息的信号形式应是类似噪声的随机信号,因为取任何时间上不同的两段噪声来比较都不会完全相似。
用它们代表两种信号,其差别性就最大。
2.3.3m序列
m序列是最长线性移位寄存器序列的简称。
它是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。
由于m序列容易产生、规律性强、有许多优良的性能,在扩频通信中最早获得广泛的应用。
m序列可由二进制线性反馈移位寄存器产生。
它主要由n个串联的寄存器、移位脉冲产生器和模2加法器组成。
图中第i级移存器的状态ai表示,ai=0或ai=1,i=整数。
反馈线的连接状态用ci表示,ci=1表示此线接通(参加反馈),ci=0表示此线断开。
由于反馈的存在,移存器的输入端受控地输入信号。
不难看出,若初始状态为全“0”,则移位后得到的仍为全“0”,因此应避免出现全“0”状态,又因为n级移存器共有2n-1种可能的不同状态,除全“0”状态外,剩下2n-1种状态可用。
每移位一次,就出现一种状态,在移位若干次后,一定能重复出现前某一状态,其后的过程便周而复始了。
反馈线位置不同将出现不同周期的不同序列,我们希望找到线性反馈的位置,能使移存器产生的序列最长,即达到周期P=2n-1。
m序列在扩展频谱及码分多址技术中有着广泛的应用,并在m序列基础上还能够成其它码序列,因此无论从m序列直接应用还是从掌握伪随机序列基本理论而言,应该熟悉m序列的产生及其主要特性
2.3.4m序列的性质
(1)在m序列码中,码元为“1”的数目和码元为“0”的数目只相差1个。
在P=2
-1周期中,码元为“1”的出现2
次,码元为“0”的出现2
-1次,即“0”比“1”少出现1次。
这是由于在m序列中不允许出现全零状态的缘故。
(2)m序列中,一个周期内长度为1(单个“0”或单个“1”)游程占总游程数的一半,长度为2的游程(即“00”或“11连符)占总游程的1/4,长度为3(即000或111符)占总游程的1/8……只要1个包含n个“1”的游程,也只有一个包含n-1个“0”的游程。
一般m序列中,游程总数为2
-1,n是移位寄存器级数。
游程长度为K的游程出现的比例为
=1/
,而1≤K≤n-2,此外还有一个长度为n的“1”游程和长度为n-1的“0”游程。
(3)一个周期长的序列与其循环移位序列远位比较,相同码的位数与不相同码的位数相差l位。
2.4扩频通信特征
(1)是一种数字传输方式。
(2)带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息进行调制实现的。
(3)在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调,还原出被传信息。
2.5直接序列扩频系统的同步分析
任何数字通信系统都是离散信号的传输,要求收发两端信号在频率上相同和相位上一致,才能正确地解调出信息,直接序列扩频通信系统也不例外。
一个相干扩频数字通信系统,接收端与发送端必须实现信息码元同步、PN码码元和序列同步和射频载频同步。
只有实现了这些同步,直扩系统才能正常的工作。
可以说没有同步就没有扩频通信系统。
同步系统是直扩通信的关键技术,同步系统的作用就是要实现本地产生的PN码与接收到的信号中的PN码同步,即频率上相同,相位上一致。
同步过程一般说来包含两个阶段:
(1)接收机在一开始并不知道对方是否发送了信号,因此,需要有一个搜捕过程,即在一定的频率和时间范围内搜索和捕获用信号,这一阶段也称为起始同步或粗同步,也就是要把对方发来的信号与本地信号在相位之差纳入同步保持范围内。
(2)一旦完成这一阶段后,则进入跟踪过程,即继续保持同步,不因外界影响而失去同步。
也就是说,无论由于何种因素两端的频率和相位发生偏移,同步系统能加以调整,使收发信号仍然保持同步。
因此,整个同步过程,包含捕获和跟踪两个过程。
(1)PN码的捕获
捕获的作用就是在频率和时间(相位)不确定的范围内捕获有用的PN码信号使本地PN码信号与其同步。
滑动相关捕获法是一种最简单、最实用的捕获方法,下面是滑动相关搜捕法设计方法。
(2)PN码的跟踪
同步系统完成捕获过程后,同步系统转入跟踪状态。
所谓跟踪,是使本地码的相位一直随接受到的伪随机码相位改变,与接受到的伪随机码保持较精确的同步。
跟踪环路不断校正本地序列的时钟相位,是本地序列的相位变换与接受信号相位变换保持一致,实现对接受信号的相位锁定,是同步误差尽可能小,正常接受扩频信号。
跟踪是闭环运行的,当两端相位出现差别后,环路能根据误差大小自动调整,减小误差,因此同步系统多采用锁相技术。
2.6直接序列扩频的抗多径效应性能分析
多径干扰是一种在通信中,尤其是移动通信中常见的且影响很严重的干扰,它属于乘性干扰。
多径干扰是由于电波在传播过程中遇到各种反射体(如电离层,对流层,高山和建筑物等)引起的反射或散射,在接收端收到的直接路径信号与反射路径信号产生的群反射信号之间的随机干涉形成的。
2.7应用缺陷
(1)频道数减少:
当采用跳频/扩频体制时,为获得足够大的处理增益,系统占用带宽太大,这就减少了可供跳频的信道数。
(2)带宽增大:
系统带宽太大,进入接收机前端的干扰信号增多
(3)信息量增大:
要得到有效的抗多径和利用多径的能力,扩频码片必须足够窄,信息比特必须足够宽,而后者又限制了信息传输速率的提高。
为了解决系统占用频带过宽、外部干扰增多和传输速率受限的矛盾,当前各国大多采用多进制扩频技术,相对有效的解决这些问题。
第3章MATLAB/SIMULINK简介
3.1MALTAB的简介
MATLAB是美国MathWorks公司生产的一个为科学和工程计算专门设计的交互式大型软件,是一个可以完成各种精确计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。
它集图示和精确计算于一身,在应用数学、物理、化工、机电工程、医药、金融和其他需要进行复杂数值计算的领域得到了广泛应用。
它不仅是一个在各类工程设计中便于使用的运算工具,而且也是一个在数学、数值分析和工程计算等课程教学中的优秀的教学工具,在世界各地的高等院校中十分流行,在各类工业应用中更有不俗的表现。
MATLAB可以在几乎所有的PC机和大型计算机上运行,适用于Windows、UNIX等多种系统平台。
3.1.1MATLAB产生的历史背景
MATLAB名称是由两个英文单词Ma~ix和Laboratory的前两个字母组成。
20世纪70年代后期,美闺新墨阳哥大学计算机系主任Cleve.Moler教授为了便于教学,减轻学生编写Fortran程序的负担,为两个矩阵运算软件包Linpack和Eispack编写了接口程序,这也许就算MATLAB的第一个版本。
1984年,在JackLittlc(也称JohnLittlc)的建议推动下,由Littlc、Molcr、StevcBangcrt二人合作,成立rMathWorks公司,同时把MATLAB正式推向市场。
从那时开始,MATLAB的源代码采用C语音编写,除加强了原有的数值计算能力外,还增加了数据图形的可视化功能。
1993年,MathWorks公司推出了MATLAB的4.0版本,系统平台由DOS改为Windows,推出了功能强大的、可视化的、交互环境的用于模拟非线性动态系统的工具Simulink,第一次成功开发出了符号计算工具包SymbolicMathToolbox1.0,为MATLAB进行实时数据分析、处理和硬件开发而推出了与外部直接进行数据交换的组件,为MATLAB能融科学计算、图形可视、文字处理于一体而制作了Notebook,实现了MATLAB与人型文字处理软件Word的成功对接。
至此,MathWorks便MATLAB成为国际控制界公认的标准计算软件。
1997年,MathWorks公司推出了MATLAB的5.0版本,紧接着产生了5.1、5.2版本,至J999年MATLAB发展到5.3版本。
MATLAB拥有了更丰富的数据类型和结构,更好的面向对缘的快速精美的图形界面,更多的数学和数据分析资源,MATLAB工具也达到了25个,几乎涌盖了整个科学技术运算领域。
在大部分学生里,应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教材都把MATLAB作为必不可少的内容。
在国际学术界,MATLAB被确认为最准确可靠的科学计算标准软件,在许多国际一流的学术刊物上都可以看到MATLAB在各个领域里的应用。
3.1.2MATLAB的语言特点和开发环境
MATLAB作为一种科学计算的高级语之所以受欢迎,就是因为它有十富的函数资源和工具箱资源,编群人员可以根据自己的需要选择函数,而无需再去编写大量繁琐的程序代码,从而减轻了编程人员的工作负担。
被称为第四代编程语言的MATLAB最大的特点就是简洁开放的程序代码和直观实用的开发环境。
具体地说MATLAB主要有以下特点:
(1)库函数资源丰富
数百种席函数大大减轻了用户予程序的编写工作量,也避免了一些不必要的错误,吲而刖广也不必担心程序的可靠性问题。
(2)语言精炼,代码灵活
MATLAB的编程语言符合人们的思维习惯,对代码的书写也没有特别严格的控制,语言精炼,程序的亢余度非常小。
(3)运算符多而灵活
MATLLAB的内核是用C语言编写的,它为用户广提供了和C语言一样多的运算符,用户运用这些运算符可以使程序更加简炼。
(4)面向对象,控制功能优良
MATLAB在5.x各版本中优化了数据结构.使得程序的结构化控制更精良,面向对象的功能更加友善。
特别是当前的7.0版,在可视化编程方面比以前的版本又有了更大的提高,使界面编程更方便、自由。
(5)程序设计自由
MATLAB7.0版支持长变量名达到63个字符,用户可以不对矩阵进行预定义就使用,变量和数组的应用也有了很大的扩展,这为用户编写程序提供了更大的自由度,使编程更加简单、方便。
(6)图形功能强大
在很多程序语言中,绘制图形是一件很麻烦的事情。
但在MATLAB中,只需调用相应的绘图函数即可,既方便义迅速。
随着硬件的发展和MATLAB7.0推出,MATLAB的图形功能更好,可视化编程能力得到更进一步的提高。
(7)程序的兼容性好
MATLAB可以在各种PC机、大型计算机和各种操作系统上运行。
(8)源代码开放
MATLAB的最重要的特点是源代码的开放性,除了内部函数,所有的MATLAB核心文件和工具箱文什都完全开放,都可读可改。
用户对源文件修改就可以生成适合自己的源代码文件。
(9)形形色色的工具箱
凡有工具箱的软件大都分为两大部分,就是核心部分和形形色色的工具箱。
MATLAB有数百个核心内部函数,数十个形形色色的工具箱。
工具箱大致可以分为两大类,—类是学科性工具箱,另一类是功能性工具箱。
学科性工具箱大都涵盖了本学科所有的已有的基本概念和基本运算,大都十分专业。
如符号数学工具箱,简直就是一个高等数学、工程数学解题器。
极限、导数、微分、积分、级数运算与展开、微分方程求解、Laplace变换等应有尽有。
还有控制系统、信号处理、模糊逻辑、神经网络、小波分析、统计:
优化、金融预测等工具箱,无一不是非常优秀的运算-具。
这些工具箱都可以添加自己根据需要编写的函数,用户可以不断更新自己的工具箱,使之更适合于自己的研究和计算。
3.2Simulink的简介
SIMULINK是MATLAB软件的扩展,它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包,它与MATLAB语言的主要区别在于,其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入,其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建,而非语言的编程上。
所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块,用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能,而不必考察模块内部是如何实现的,通过对这些摹本模块的调用,再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型(以.dml文件进行存取),进而进行仿真与分析。
SIMULINK已经成为在动态系统建模和仿真方面应用最广泛的软件包之一,确切地说,它是对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。
它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统。
3.2.1启动系统仿真
通过菜单启动系统仿真或通过工具栏起动系统仿真,这时Windows将弹出一曲线窗口显示仿真曲线。
第4章基于Simulink直接序列扩频通信系统的设计与实现
4.1直接序列扩频通信系统的工作原理
4.1.1扩频通信工作原理
扩频通信工作原理如图3-1所示。
图4-1扩频通信工作原理图
在发端输入的数字信号信息,先由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱,扩频码序列一般采用PN码。
展宽后的信号再调制到射频发送出去。
调制多采用BPSK、DPSK、MPSK等调制方式。
在接收端收到的信号进行解调(一般采用相干解调)。
然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。
恢复成原输入的信息输出。
4.1.2扩频通信的性能分析
扩频通信的可行性是从信息论和抗
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