直接序列扩频通信系统的MATLAB仿真毕业论文.docx
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直接序列扩频通信系统的MATLAB仿真毕业论文
直接序列扩频通信系统的MATLAB仿真毕业论文
摘要
直接扩频序列调制是用速率很高的伪噪声码序列与信息码序列模二相加后(波形相乘)得带复合码序列,用复合码序列去制载波相位,从而获得直接扩频序列信号的。
直接扩频通信具有低截获概率、抗干扰能力强以及易于实现码分多址等优点,在抗干扰通信及民用移动通信中都得到了广泛的应用。
先阐述了扩频通信的基本原理、主要性能指标及其工作特点,然后根据香农定理在抗下扰理论,借助工具箱和仿真算法,建立了直接序列扩频通信系统仿真模型。
通过分析无干扰时的误码率仿真曲线与理论计算值,证明了所建仿真模型的正确性。
在MATLAB程序仿真部分,主要分为6大部分,分别为主函数,发送模块,接收模块,AWNG信道,Walsh函数和差错计数器。
通过主函数对各个子函数的调用,实现4个用户的随机数据的发送和接收,同时生成前4个用户在整个传输过程中的各种波形变化图,并对系统信噪比与误码率关系进行分析。
扩频通信是通信的一个重要分支和信道通信系统的发展方向。
扩频技术具有抗干扰能力强,保密性好,易于实现多址通信等优点,因此该技术越来越受到人们的重视,这也是选择本次课题研究的原因所在。
关键词:
直接序列扩频信号,通信,MATLAB
ABSTRACT
Direct-sequencespreadspectrumtransmitters(DS-SS)useaperiodicalpseudo-randomsequence(PNsequence)tomodulatethebasebandsignal,andexploitthemodulatedsignaltocontrolthephaseofcarrierwave.BecauseDSsignalsshowmanyadvantagessuchasanti-jammingcapability.lowprobabilityofinterception.multipleaccesscapabilityandsoon.directsequencespreadspectrumsignalshavebeenwidelyappliedforsecurecommunicationsandmobilecommunicationsknownasCodeDivisionMultipleAccessSystem.
Thisthesisexpoundsthebasicprinciplesofspreadspectrumcommunication,andthenarticlemainlyactsaccordingtotheShannontheorem.withtheaidofmatlabtoolbox.ithasestablishedthedirectsequencespreadspectrumcommunicationssystemsimulationmodelwhichdoesnothavewhenthedisturbancethroughtheanalysiscorrorratesimulationcurveandtheorypredictedvalue,hadprovenconstructsthesimulationmodeltheaccuracy.
IntheMATLABsimulationpart,mainlydividesintosixparts,respectivelyisgivenprioritytofunction,sendingmodule,receivingmodule,AWNGchannel,Walshfunctionanderrorcounter.Throughthemainfunctionofeachfunctioncall,realizefouruserrandomdatasendingandreceiving,atthesametimegeneratebeforefourusersthroughoutthevariouswaveformvariationintheprocessoftransmission,andtherelationshipbetweensignaltonoiseratioandbiterrorrateofthesystemwereanalyzed.
Spreadspectrumcommunicationisanimportantbranchofcommunicationandchanneldevelopmentdirectionofcommunicationsystem.Spreadspectrumtechnologyhasthefeaturessuchasstronganti-jammingcapability,thesecrecygood,theadvantagesofeasytorealizemultipleaccesscommunication,thereforethetechnologymoreandmoregettheattentionofpeople,thisisalsowhychoosethistopicresearch.
第一章绪论
人类社会进入到了信息社会,通信现代化是人类社会进入信息时代的重要标志。
怎样在恶劣的环境条件下保证通信有效地、准确地、迅速地进行,是当今通信工作者所面临的一大课题。
扩展频谱通信是现代通信系统中的一种新兴的通信方式,其较强的抗干扰、抗衰落和抗多径性能以及频谱利用率高、多址通信等诸多优点越来越多的为人们所认识,并被广泛的应用于军事通信和民用通信的各个领域,从而推动了通信事业的迅速发展。
扩频通信,即(SpreadSpectrumCommunication)扩展频谱通信,它与光纤通信、卫星通信,一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。
扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码(扩频序列:
SpreadSequence)调制,实现频谱扩展后再传输;接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理,恢复原始信息数据。
这种通信方式与常规的窄道通信方式是有区别的:
首先,信息在频谱扩展后形成宽带传输;其次,相关处理后恢复成窄带信息数据。
在扩展频谱系统中,伪随机序列起着很重要的作用。
在直扩系统中,用伪随机序列将传输信息扩展,在接收时又用它将信号压缩,并使干扰信号功率扩散,提高了系统的抗干扰能力;伪随机序列性能的好坏直接关系到整个系统性能的好坏,是一个至关重要的问题。
扩频信号的接收一般分为两步进行,即解扩与解调,这是关系到系统性能优劣的关键。
解扩是在伪随机码同步的情况下,通过对接收信号的相关处理从而获得处理增益,提高解跳器输入端的信噪比,使系统的误码性能得以改善。
解扩与解调的顺序一般是不能颠倒的,通常是先进行解扩后再进行解调,这是因为在未解扩之前的信噪比是很低的,一般的解调方法很难实现。
正是由于这些技术的应用,使扩频通信有如下的优点:
(1)具有较强的抗干扰能力。
这种能力的大小与处理增益成正比。
(2)具有很强的隐蔽性和抗窃听的能力。
扩频信号的谱密度很低,可使信号淹没在噪声之中。
(3)具有选址能力,可实现码分多址。
扩频系统本来就是一种码分多址通信系统。
(4)抗衰落,特别是抗频率选择性好。
直序信号的频谱很宽,一小部分衰落对整个信号的影响不大。
(5)抗多径干扰。
利用伪随机码的相关特性,只要多径时延超过伪随机码的一个切谱,通过相关处理后可消除这种干扰影响。
(6)高精度测量等。
利用直扩系统伪随机码的相关特性,可完成精度很高的测距和定位。
正是由于扩频通信技术具有上述优点,自50年代中期美国军方便开始研究,一直为军事通信所独占,广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。
直到80年代初才被应用于民用通信领域。
为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源,各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术,扩频技术于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。
第二章MATLAB仿真工具
2.1MATLAB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。
2.1.1MATLAB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。
2.1.2MATLAB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。
2.2SIMULINK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。
2.2.1Simulink基本操作
运行Simulink方式有三种:
(1)在MATLAB的命令窗口直接键入“Simulink”;
(2)单击MATLAB工具条上的Simulink图标;
(3)在MATLAB菜单上选择File-New-Model。
选择第3种方式运行后会显示Simulink模块库浏览器以及新建模型窗口,Simulink模块库包括:
(1)Sourccs:
输入源模块;
(2)Sinks:
接收模块;
(3)Continuous:
连续系统模块;
(4)Discrete:
离散系统模块;
(5)Signals&Systems:
信号与系统模块;
(6)Math:
数学运算模块。
新建模型窗口是Windows的一个标准窗口,用户可用鼠标拖入
Simulink模块库浏览器中的模块,用户可以用鼠标对模块进行修改或设置各模块的参数。
2.2.2系统仿真步骤
(1)根据系统图,在窗口中绘制仿真框图。
(2)根据实验要求设置各环节系数。
将鼠标移至欲修改的单元上,双击鼠标左键,Windows将弹出对话框供用户修改该环节的参数,不同环节的对话框略有不同,对话框由若干个编辑框和按钮组成,在编辑框内输入希望的参数,然后按OK按钮确认修改的参数或Cancel按钮取消修改。
2.2.3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。
第三章扩频通信系统
3.1扩展频谱通信的定义
所谓扩展频谱通信,可简单表述如下:
“扩频通信技术是一种信息传输方式,其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽;频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成,用编码及调制的方法来实现的,与所传信息数据无关;在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。
”
这一定义包含了以下三方面的意思:
(1)信号的频谱被展宽了。
(2)采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。
(3)在接收端用相关解调来解扩。
3.2扩频通信的理论基础
长期以来,人们总是想法使信号所占领谱尽量的窄,以充分利用十分宝贵的频谱资源。
为什么要用这样宽频带的信号来传送信息呢?
简单的回答就是主要为了通信的安全可靠。
扩频通信的基本特点,是传输信号所占用的频带宽度(W)远大于原始信息本身实际所需的最小(有效)带宽(∆F),其比值称为处理增益Gp。
众所周知,任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度,如话音为1.7—3.1kHz,电视图像则宽到数兆赫。
为了充分利用有限的频率资源,增加通路数目,人们广泛选择不同调制方式,采用宽频信道(同轴电缆、微波和光纤等),和压缩频带等措施,同时力求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽。
因现今使用的电话、广播系统中,无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式,Gp值一般都在十多倍范围内,统称为“窄带通信”。
而扩频通信的Gp值,高达数百、上千,称为“宽带通信”。
扩频通信的可行性,是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。
信息论中关于信息容量的香农(Shannon)公式为:
(3-1)
式中:
C---信道容量(用传输速率度量)
W---信号频带宽度
P---信号功率
N---白噪声功率
式(3-1)说明,在给定的传输速率C不变的条件下,频带宽度W和信噪比P/N是可以互换的。
即可通过增加频带宽度的方法,在较低的信噪比P/N(S/N)情况下,传输信息。
扩展频谱换取信噪比要求的降低,正是扩频通信的重要特点,并由此为扩频通信的应用奠定了基础。
总之,我们用信息带宽的100倍,甚至1000倍以上的宽带信号来传输信息,就是为了提高通信的抗干扰能力,即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。
这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。
3.3扩频通信的主要性能指标
处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。
(1)处理增益G也称扩频增益(SpreadingGain)它定义为频谱扩展前的信息带宽∆F与频带扩展后的信号带宽W之比:
(3-2)
在扩频通信系统中,接收机作扩频解调后,只提取伪随机编码相关处理后的带宽为∆F信息,而排除掉宽频带W中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。
因此,处理增益G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。
(2)抗干扰容限
是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力,定义为:
(3-3)
其中:
---抗干扰容限
---处理增益
---信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比
---接收系统的工作损耗
由此可见,抗干扰容限
与扩频处理增益
成正比,扩频处理增益提高后,抗干扰容限大大提高,甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。
通常的扩频设备总是将用户信息(待传输信息)的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍,以尽可能地提高处理增益。
3.4扩频通信的主要特点
(1)抗干扰性强,误码率低
扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽,而收端又采用相关检测的办法来解扩,使有用宽带信息信号恢复成窄带信号,而把非所需信号扩展成宽带信号,然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。
这祥,对于各种干扰信号,因其在收端的非相关性,解扩后窄带信号中只有很微弱的成份,信噪比很高,因此抗干扰性强。
扩频通信的抗干扰如图3-1。
图3-1扩频系统抗干扰频谱示意图
从图3-1可以看出,对于脉冲干扰,由于在信号的接收过程中,它是一个被一次“模二相加”过程,可以看成是一个被扩频过程,其带宽将被扩展,而有用信号却是一个被二次"模二相加"过程,是一个解扩过程,其信号被恢复(压缩)后,保证高于干扰。
由于扩频系统这一优良性能,其误码率很低,正常条件下可达
,最差条件下也可达
,抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点。
(2)易于同频使用,提高了无线频谱利用率
用户只能使用申请获得的频率,依靠频道划分来防止信道之间发生干扰。
由于扩频通信采用了相关接收这一高技术,信号发送功率极低,且可工作在信道噪声和热噪声背景中,易于在同一地区重复使用同一频率,也可以与现今各种窄带通信共享同一频率资源。
(3)抗多径干扰
在无线通信中,抗多径干扰问题一直是难以解决的问题,利用扩频编码之间的相关特性,在接收端可以用淹没中提取出来,在目前商用的通信系统中,扩频通信是唯一能够工作于负信噪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。
(4)可以实现码分多址
扩频通信提高了抗干扰性能,但付出了占用频带宽的代价。
如果让许多用户共用这一宽频带,则可大为提高频带的利用率。
由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制,充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性,在接收端利用相关检测技术进行解扩,则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号,提取出有用信号。
这样一来,在一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。
(5)隐蔽性好,对各种窄带通信系统的干扰很小
由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了,单位频带内的功率很小,信号湮没在噪声里,一般不容易被发现,而想进一步检测信号的参数(如伪随机编码序列)就更加困难,因此说其隐蔽性好。
再者,由于扩频信号具有很低的功率谱密度,它对目前使用的各种窄带通信系统的干扰很小。
(6)扩频通信是数字通信,特别适合数字话音和数据同时传输,扩频通信自身具有加密功能,保密性强,便于开展各种通信业务。
扩频通信容易采用码分多址、语音压缩等多项新技术,更加适用于计算机网络以及数字化的话音、图像信息传输。
(7)扩频通信绝大部分是数字电路,设备高度集成,安装简便,易于维护,也十分小巧可靠,便于安装,便于扩展,平均无故障率时间也很长。
(8)扩频设备一般采用积木式结构,组网方式灵活,方便统一规划,分期实施,利于扩容。
3.5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
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