1扩频通信及Matlab仿真1.docx

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1扩频通信及Matlab仿真1

扩频通信及Matlab仿真

目录

一、摘要………………………………………………………………...3

二、数字通信原理……………………………………………………..4

三、衰落信道与抗衰落技术…………………………………………..5

四、多址通行…………………………………………………………..6

五、扩频通信原理……………………………………………………..6

六、直接序列扩频通信………………………………………………..8

七、基于matlab的直接序列扩频仿真………………………………10

八、结束语……………………………………………………………..13

九、参考书目…………………………………………………………..14

十、致谢…………………………………………………………………15

摘要

扩频通信即扩展频谱通信，它与光纤通信、卫星通信一同被誉为信息时代的三大高技术通信传输方式。

扩频通信技术自50年代中期美国军方开始研究，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，扩频技术现已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。

本文根据扩频通信的原理，利用MATALB对扩频通信中最常用的直扩通信系统进行了仿真。

数字通信原理：

1）所谓数字通信就是利用数字传输技术来进行的通信。

它包括对模拟信号的编码和调制，传输媒介以及对数字信号的解调和解码。

2）典型的数字通信系统模型如图1-1：

图1-1

信源：

信息的来源一般是模拟信号。

信源编码：

模拟信号转变为数字信号；信号压缩处理；信号的高效率编码。

信道编码：

检错、纠错编码，提高信号抗干扰能力；信息加密，防止信息被窃取。

调制变换：

波形编码，信号调制，使基带信号适合在特定的道中传输。

传输媒介：

有线、无线信道，网络交互设备。

解调、信道译码、信源译码：

对信号作上述处理相反对变换。

信宿：

信息的最终传输目的地

衰落信道与抗衰落技术：

1）衰落信道的产生：

无线通信是基于电磁波在空间中的传播来实现信息的传递的。

无线信道的电波传播特性与电波传播的环境密切相关。

电波环境主要包括：

地形地貌、各种建筑物、气候气象、电磁干扰、移动体的运动速度和工作频段等。

因此在实际应用中不可避免的产生衰落信道。

2）衰落信道主要包括：

阴影衰落和多径衰落。

3）抗衰落技术主要包括：

①空间分集技术

②Rake接收方式

③信道交织技术

④多载波传输技术

⑤信道均衡技术

⑥扩频通信技术等等

多址通行：

1）信道分割原理：

信道复用是在两点之间的信道中同时传送互不干扰的多个相互独立的用户信号，而多址通信则是在多点之间实现互不干扰的多方通信。

信道分割原理的数学基础是信号的正交分割原理，即先赋予各个信号不同的特征，然后根据每个信号特征之间的差别来区分信号，从而实现互不干扰的通信。

2）多址通信主要包括：

频分多址（FDMA）

时分多址（TDMA）

码分多址（CDMA）

空分多址（SDMA）

3）利用多址通信可以很好的节约频谱资源，有效的利用信道的带宽。

扩频通信原理：

1）虽然多址通信可以很好的节约频谱资源，有效的利用信道的带宽。

但是在实际的传输过程当中，信道的干扰是非常严重的。

因此我们引进了扩频通信技术来改善信号在传输过程中的干扰以及保密问题。

2）扩频通信指的就是扩展频谱通信技术。

它是一种非常重要的抗干扰通信技术，目前已被广泛应用在军事与民用通信系统中。

它与光纤通信、卫星通信一同被誉为信息传输时代的三大高新技术通信方式。

3）扩展频谱通信系统是指待传输带基带信号用某个特定的扩频函数（与基带信号无关）扩展频谱后成为宽频带信号，然后再进行传输的一种系统。

待传输的基带信号就是信源发出的数字信号。

特定的扩频函数通常选用各种伪随机序列（扩频码），其码元传输速率远大于基带信号速率，因而和基带信号相乘后扩展了基带信号的带宽。

它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。

4）扩频通信的理论依据是香农公式：

C=Blog2（1+S/N）

式中，C为信道容量，B为信道带宽，S/N为信道输出信噪比（从发射机发出的信号噪声功率比）。

根据此定理，当信道容量C一定时，信号带宽B和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。

扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。

5）在实际应用中，扩频通信的基本工作方式有四种：

1.直接序列扩频（DirectSequenceSpreadsSpectrum）工作方式，简称（DS）方式。

2.跳变频率（FrequencyHopping）工作方式，简称（FH）方式

3.跳变时间（TimeHopping）工作方式，简称（TH）方式。

4.宽带线性调频（ChirpModulation）工作方式，简称（Chirp）方式。

上述四种工作方式是最基本的工作方式，最常用的是直扩方式和调频方式两种。

但在实际通信系统中，仅仅采用单一工作方式不能达到所希望的性能是，往往采用两种或两种以上的工作方式的混合形式。

6）本文主要讲述直接序列扩频通信的工作方式。

7）扩频通信常用的伪随机码：

常用的伪随机码主要有m序列、GOLD序列、WALSH码和OVSF码，其中最常见的是m序列。

GOLD码是m序列的复合码，是由2个码长相等，码时钟速率相同的序列优选对模2加构成，每改变2个序列相对位移就可得到一个新的GOLD序列。

GOLD序列具有良好的自、互相关特性，且地址数远远大于m序列地址数，结构简单，易于实现，在工程上得到较为广泛的应用。

WALSH函数是一种非正弦的完备正交函数系，具有理想的互相关特性，两两之间的互相关函数为0，亦即它们是正交的，因而在码分多址通信中，WALSH函数可以作为地址码使用，在IS-95中，正向传输信道就使用了64阶WALSH函数。

OVSF码是一种正交可变扩频因子码，保证在不同时隙上的不同扩频因子的扩频码正交，而在每个时隙上可使用的码的数目不固定，与每个物理信道的数据速率和扩频因子有关，OVSF码在TD-SCDMA系统中得到了广泛使用。

8）扩频通信的技术优点：

扩频通信之所以得到重视和发展，并成为近代通信主要研究和发展的方向，是因为它具有其它通信系统不能与之相比的独特性能。

1）抗同频干扰性能好。

接收机采用相关运算只接收PN码相同的扩频信号，对所有载波频率相同的信号或干扰具有很强的抑制能力。

2）良好的抗衰落性能。

一般信道中的衰落是有频率选择性的，不会对宽频带的扩频信号接收产生太大的影响。

3）抗多径干扰能力强。

由于扩频系统中采用的PN码具有很好的自相关性，互相关性很弱，不同的路径传输来的信号能容易地被分离开，并在时间和相位上重新对齐，形成几路信号功率的叠加，从而改善了接收系统的性能，增加了系统的可靠性。

直接序列扩频通信：

直接序列扩频，就是直接用高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱，在收端用相同的扩频码去解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的基带信号。

典型的直接序列扩频系统框图如图1-2

图1-2

典型的直扩系统频谱图：

如图1-3

图1-3

基于matlab的直接序列扩频仿真；

信息码的频率设为50kHz，采样频率设为40MHz。

假设信源信息码的总长度为20，则每个信息码内含40MHz/50kHz＝800个采样点。

通过sign函数，把20个（0，1）区间内的随机数变成20个只用“1”与“－1”表示的信息码，而后再通过一个循环，对每一个信息码采样800次，共生成16000个采样点，每个点之间的间隔为0.025μs。

伪随机码频率设为5MHz，信息码频率为50kHz，所以每个信息码内包含5MHz/50kHz＝100个伪码。

通过调用一个产生m序列的子函数mgen.m，与一个长度为20×100的循环，就得到了伪随机序列PN码。

sign（x）：

符号函数 （Signum function）。

当x<0时，sign（x）=-1； 

当x=0时，sign（x）=0; 

当x>0时，sign（x）=1。

程序如下：

>>code_length=20;%信息码元个数

>>N=1:

code_length;

>>rand（'seed',0）;

>>x=sign（rand（1,code_length）-0.5）;%信息码

>>fori=1:

20

s（（1+（i-1）*800）:

i*800）=x（i）;%每个信息码元内含fs/f=800个采样点

end

>>%产生伪随机码

>>length=100*20;%伪码频率5MHz,每个信息码内含5MHz/50kHz=100个伪码

>>x_code=sign（mgen（19,8,length）-0.5）;%把0,1序列码变换为-1,1调制码

>>fori=1:

2000

w_code（（1+（i-1）*8）:

i*8）=x_code（i）;%每个伪码码元内含8个采样点

end

>>%扩频

>>k_code=s.*w_code;%k_code为扩频码

>>%调制

>>fs=20e6;

>>f0=30e6;

>>fori=1:

2000

AI=2;

dt=fs/f0;

n=0:

dt/7:

dt;%一个载波周期内采样八个点

cI=AI*cos（2*pi*f0*n/fs）;

signal（（1+（i-1）*8）:

i*8）=k_code（（1+（i-1）*8）:

i*8）.*cI;

end

>>%解调

>>AI=1;

>>dt=fs/f0;

>>n=0:

dt/7:

dt;%一个载波周期内采样八个点

>>cI=AI*cos（2*pi*f0*n/fs）;

>>fori=1:

2000

signal_h（（1+（i-1）*8）:

i*8）=signal（（1+（i-1）*8）:

i*8）.*cI;

end

>>%解扩

>>jk_code=signal_h.*w_code;

>>%低通滤波

>>wn=5/10000000;%截止频率wn=fn/（fs/2）,这里的fn为信息码（扩频码）的带宽5M

>>b=fir1（16,wn）;

>>H=freqz（b,1,16000）;

>>signal_d=filter（b,1,jk_code）;

-------------------------------------------------------------------------------------------------------

%mgen.m

function[out]=mgen（g,state,N）

gen=dec2bin（g）-48;

M=length（gen）;

curState=dec2bin（state,M-1）-48;

fork=1:

N

out（k）=curState（M-1）;

a=rem（sum（gen（2:

end）.*curState）,2）;

curState=[acurState（1:

M-2）];

end

-------------------------------------------------------------------------------------------------------

仿真结果如图1-4、1-5、1-6

图1-4PN码的仿真波形

图1-4

图1-5扩频码的仿真波形：

图1-5

图1-6输入与输出的对比

图1-6

结束语：

扩频通信以其较强的抗干扰、抗衰落、抗多径性能而成为第三代通信的核心技术，本文阐述了直接序列扩频通信的理论基础和实现方法，并利用MATLAB建立了直扩通信系统的仿真模型。

随着社会通信事业的迅猛发展，扩展频谱技术的应用大有潜力可以挖掘，尤其在民用中的地位也将越来越显著

本论文是在移动通信原理与系统课程张浩亮老师的悉心关怀和亲切指导下完成的。

张老师严谨的科学态度，渊博的学识，幽默风趣的教学风格，对学生无微不至的关心和指导，以及伟大的人格魅力都深深地感染和激励着我。

从课程的开始到论文的完成，张老师都给予了我各方面极大的帮助。

在此，谨向尊敬的张老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！

。

参考书目：

1）樊昌信、曹丽娜，《通信原理》第六版，国防工业出版社2006

2）黎洪松，《数字通信原理》西安电子科技大学出版社2005

3）啜钢、王文博、常永宇、全庆一，《移动通信原理与系统》第二版，北京邮电大学出版社2005

4）邵保华.软件无线电在扩频通信发射中的应用研究[D].哈尔滨工程大学，2004

5）张蕾，郑实勤.基于MATLAB的直接序列扩频通信系统性能仿真分析研究[J].电气传动自动化，2007年第3期.

6）查光明，熊贤祚.扩频通信[M].西安电子科技大学出版社，1990