扩频通信系统的设计.doc
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DesignandImplementationofSpreadSpectrumCommunicationSystemBasedonMATLAB
Abstract:
Thespreadspectrumcommunicationsystemistoexpandthespectrumofthebasebandsignaltoaverywidefrequencyband,andthentransmittedtheupcomingsentinformationaremodulatedwithapseudo-randomcode(spreadingsequence:
SpreadSequence).Wetransmittheinformationafterrealizingspreadspectrum,thereceivingsideusesthesameencodingdemodulationandrelatedhandling,restoretheoriginaldata.Inthispaper,weresearchtheDesignandImplementationofDirectSequenceSpreadSpectrum(DirectSequenceSpreadSpectrum).ThepaperrealizestheDirectSequenceSpreadSpectrum(DSSS)throughresearchingthetheoreticalbasisoftheDirectSequenceSpreadSpectrum(DSSS)andtheworkingmethods.
Inthecontextoftherapiddevelopmentofwirelesscommunication,inthispaper,fortheapplicationofspreadspectrumtechnologyinthesignaltransmission,theuseoftheMATLABtechnicalrealizeacompletespreadspectrumcommunicationsystem.Itisdividedintospreading,despreading,thesimulationmodule,throughrepeatedtests,inthecaseoflowbiterrorrate,itrealizesgoodfunctionofthesystemofspreadspectrum.Fortheinterferenceinsignaltransmission,thispapermakeaspecificinterferencemeasurementandanalysis,throughtheBERsimulationcurvestoanalysethevalidityofdirectsequencespreadspectrumintheinhibitionofsignalinterference.
Keyword:
DirectSequenceSpreadSpectrum;Thedespreading;BER;Sinusoidalinterference;Narrow-bandinterference.
Classification:
TN914.42
目次
摘要 I
目次 III
1绪论 1
1.1引言 1
1.2扩频通信的历史背景 2
1.2.1扩频通信的应用 2
1.2.2扩频通信的研究历史 2
1.3扩频通信的基本原理 3
1.4本论文的安排 4
2扩频通信系统的设计方案 5
2.1扩频通信系统的特点 5
2.2扩频方式的选择 5
2.2.1直接序列扩频系统 5
2.2.2跳频扩频系统 7
2.2.3跳时系统 9
2.2.4宽带线性调频 10
2.3典型扩频系统的优缺点比较 10
2.4扩频与解扩模块的实现 11
2.5噪声与干扰模块的选择与实现 13
2.5.1信道噪声的选择与实现 13
2.5.2信道干扰的选择与实现 14
2.6差错计数器模块的实现 15
2.7直扩系统的程序编译 15
3程序仿真过程分析 16
3.1MATLAB仿真软件简介 16
3.2直扩系统的仿真思路 16
3.3.1直扩系统抗正弦干扰仿真 16
3.3.2直扩系统抗窄带干扰仿真 18
4仿真结果及其分析 19
4.1 抗正弦干扰仿真结果及分析 19
4.2抗窄带干扰仿真及结果分析 21
5总结 22
参考文献 23
附录A 25
作者简历 29
学位论文数据集 30
III
中国计量学院本科毕业设计(论文)
1绪论
1.1引言
扩频技术是从20世纪50年代的中期开始发展起来的,但是在80年代初期的时候,军事通信和安全通信仍然是扩频通信的主要应用方向。
随着人与人之间的沟通渠道的高速发展及全球卫星定位系统(GPRS)的应用,扩频通信的使用者人数成指数增长,目前已经突破一亿五千万用户。
无线通信在当今时代已经成为了电信行业用户最多的部门,它历经十几年的发展与演变,已经成为了21世纪中最具有发展潜力的领域[1]。
扩频通信技术在未来的几十年中的应用也成为了群众所关心的内容。
它起初的应用包括军事反干扰、抗多径干扰系统、导航以及其它很多方面。
在第二次世界大战的时候形成了扩频通信技术的最初构想。
在战争开始的阶段,信号的干扰与反干扰战就成为了信息战的主流,信息战可以中断敌方的指挥,使得对方延误战机并可以使得敌方的火力无法精确攻击。
在这次战争之后,使得国家之间渐渐意识到了信息战的重要性并得出了“最好的抗干扰方案就是自己做出好的工程设计并尽可能的扩展信号工作频率”的结论。
在这段时期出现了扩频通信的思路:
假如可以使得传输信号带宽的增大,那么敌方就无法必须也要加大干扰信号的带宽,像窄带信号干扰就无法对我方有用信号实施干扰。
另一方面,导航系统中高精度测距也需要直接序列扩频系统的支持。
直到五十年代的中期,真正实用的扩频通信系统才被开发出来。
位于美国的马萨诸塞州的林肯实验室研发的扩频通信系统F9C-A/Rake被公认为第一个成功的扩频通信系统,该系统的研发过程中第一次提出了瑞克的概念[3]。
与此同时,第一个跳频扩频通信系统BLADES也在这段时期研制成功,在该系统中第一次利用移位寄存序列实现纠错编码。
在此期间,喷气实验室(JPL)在其空间任务中完成了伪码产生器的设计以及跟踪环路的设计。
在早起的年代,人们的眼界比较狭隘,扩频通信都只是用于战争,这种状况到了80年代中期才得到改变。
美国联邦通信委员会(FCC)于1985年5月发布了扩频通信可以被应用于民用之中[6]。
从此,扩频通信技术被广泛应用在大众的生活之中。
直接序列扩频系统是一个基本的扩频通信系统,它多用于移动通讯系统之中,其中包括信源的调制、扩频、解扩、解调、接受,五个模块。
本文将详细说明五个模块的作用并进行模拟实验。
1.2扩频通信的历史背景
1.2.1扩频通信的应用
在集成电路高速发展的背景下,微处理技术被更多的应用在集成电路的研发之中,这使得扩频通信技术被广泛应用于航天、通信、导航、雷达、定位、电子对抗、测试系统及移动通信等各个领域。
扩频通信之所以能在军用和民用中得到迅速地发展,其中最主要的两个原因是扩频信号有利于提高频谱利用率和实现码分多址。
在移动通信中,FDMA、TDMA容易受到带宽的限制,CDMA受干扰限制。
在扩频通信中是以付出牺牲频带带宽的代价,来提高抗干扰性能。
如果让许多用户共用一个频带,频带利用率将被迅速地提高。
在扩频通信中最重要的一环就是扩频码序列的扩频调制,扩频调制就是利用各种码序列的特性进行扩频与解扩,就是利用不同码型的扩频码序列良好的易于分离性,在接受段利用不同码型之间的区别进行解扩处理,这样就可以区别出来自不同用户的有用信号并且可以实现在多位用户在同一频带上进行通话。
这种方法与利用频带实现分割时间或分割实现多址通信的概念是相同的,利用不同的码型进行分割,这种方式成为称为扩频CDMA。
这种方式虽然频带比较宽,如果分配到每个用户头上,实际的频带利用率是非常高的。
除了增加频带利用率之外,采用扩频CDMA技术,组网、增加保密性和解决新用户随机入网也成为了扩频CDMA技术的应用方面。
扩频通信如今的瓶颈在于PN码率的提高,如何用更高的PN码率进行扩频调制是当今扩频通信技术的关键所在,当今使用的CMOS器件最大的时片率可达70Mchip/s,砷化镓器件可以达到惊人2Gchip/s的时片率;而跳频系统的限制在于频率的高速跳变且没有大量干扰信号的产生。
究竟能有多少用户重叠在同一频带上,通过分配频带或制定法规来提高频带利用率。
扩频通信肯定是蕴藏着无限的潜力的,在未来将会被应用在日常生活的每一个角落。
1.2.2扩频通信的研究历史
在早期研究这种技术的主要目的是为提高军事通信的保密和抗干扰性能,因此这种技术的开发和应用一直是处于保密状态。
美国很早就开始了对扩频通信的研究,当时主要侧重在军用和航天等方面。
以后,随着民用通信的频带拥挤日益加重,又由于近代微电子技术、信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的高速发展,与扩频通信有关的器件的成本极大地降低,不但进一步推动了扩频通信在民用领域的发展与应用[4],而且扩频通信的理论和技术也得到了长足的进步。
目前在军事上,扩频通信已经广泛应用于各种战略和战术通信的系统中,成为电子信息战中干扰对抗的一种重要的手段。
扩频技术在军事应用上的最成功的范例可以说是美国和俄国的全球卫星定位系统(GPS[5]和GLONASS)以及美军的联合战术分布系统(JTIDS)为代表;GPS和GLONASS在民用上也都得到了广泛的应用,这些系统的技术基础就是扩频技术。
扩频的码分多址技术[6]应用于蜂窝移动通信中时,大大降低了噪声和衰落的影响,同时还避免了复杂的频率分配和时隙划分等技术上的困难,并可以省去保护频带或时隙,极大地提高了蜂窝通信系统中小区的频率复用度,使信号频谱利用率得到提高。
1990年1月,国际无线电咨询委员会(CCIR,现为ITUR)在研究未来民用陆地移动通信系统的计划报告中已确凿地建议使用扩频通信技术[7]。
美国已制定出了基于CDMA蜂窝技术的IS-95标准,Samsung、Motorola等公司也已相继推出了各自的CDMA移动通信商用实验网已开通运行,并取得了良好的效果。
1.3扩频通信的基本原理
扩频通信技术可概括如下:
“扩频通信技术是一种信息传输方式,其信号所占有的频带带宽远大于所传信息传输所需的最小带宽;扩展频带是通过独立的码序列用编码及调制的方法来实现的,与所传信息数据无关;在接收端则用编码和调制时同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”。
扩频通信的基本特点,是传输信号所占用的频带宽度(W)远大于初始信息本身所需的最小带宽(B),其比值称为处理增益(Gp)。
总之,利用频带展宽来传输信息就是为了防止对方的信号干扰。
以上内容就是扩频通信的理论依据和基本思想。
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。
信息论中信道容量的公式(香农公式)为:
………………………(1.1)
公式1.1中:
C为信道容量(即极限传输速率),B为频带宽度,S为信号功率,N为噪声功率。
信道容量公式说明,在传输速率一定的条件下,频带宽度和信噪比P可以互换,可以通过降低信噪比来增加频带宽度,虽然信噪比的降低使得信号的质量减小但是频谱的扩大使得信号更难被干扰,这就是扩频通信的基础。
扩频通信的一个重要参数是扩频增益,能反映了系统抗干扰能力的强弱,是对信噪比改善程度的度量,定义为接收机相关器输出信噪比和输入信噪比之比,即
…………………………(1.2)
公式1.2中:
Rs为扩频码的传输速率,Bs为扩频码的带宽,Rd为信息数据的传输速率,Bd为信息数据的带宽。
按照扩展频谱的方式不同,现有的扩频通信系统可分为直接序列(DS)扩频、跳频(FH)、跳时(TH)、线性调频(chirp)以及上述几种方式的组合[10]。
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码也被称之为伪随机序列,具有随机产生序列的某些关键随机性。
其中最常见的伪随机序列是m序列。
扩频通信的一般调制方式采用频率调制(FM)或相位调制(PM)的方式来进行信号调制,在码分多址通信中,其调制采用BPSK、DPSK、QPSK、MPSK等方式。
在本文中选用最常用BPSK(二相移相键控)进行扩频调制。
1.4本论文的安排
本课题研究的内容是扩频通信的设计与实现,重点研究扩频通信实现的理论基础、设计方法以及抗干扰特性,将数字信号通过扩频、加干扰、解扩、接收、回复原始数字信号,通过比对计算误码率。
用MATLAB编程语言进行模拟与仿真,实现扩频通信系统并得出扩频通信系统的在不同条件下的抗干扰能力。
全文共分为五章,第一章简要概括了扩频通信系统的基础知识,分析了扩频通信技术的特点、背景,并介绍了扩频通信系统的基本原理。
第二章针对课题研究的重点详细介绍了扩频通信系统的四种实现方法,比较四种方式的优缺点,并且选择其中一种方法进行实现,并进行原理的可行性分析。
第三章介绍仿真过程,用MATLAB编程语言实现仿真程序,画出信噪比与误码率的仿真曲线。
并通过函数调用,计算不同条件下扩频通信系统的误码率。
第四章对实现的扩频通信系统做总结,针对不同条件下误码率的值和误码率与信噪比的关系进行了分析。
第五章对本论文的编写情况进行总结以及展望扩频通信未来的发展前景。
2扩频通信系统的设计方案
2.1扩频通信系统的特点
扩频通信抗干扰能力强,干扰又分为三种,一是电子干扰,二是多径干扰,三是抗衰落能力。
抗电子干扰能力强因为,扩频通信带宽较宽,只要接收端在解扩时能保持其带宽性,恢复后的初始信号将不会受到大的干扰。
抗多径干扰是因为解扩时的分集接收技术可以使接收端收到其中最有用的信号部分,这样可消除无线通信中多径干扰造成的信号衰落现象。
抗衰落能力强是因为扩频通信的信号频谱很宽,衰落只会导致其中频谱极小一部分衰落,而不会使整个信号产生畸变。
同时扩频通信还具有保密性好、码分复用可实现多址通信、易于多媒体通信组网等特点。
2.2扩频方式的选择
在实际应用中,扩频通信有四种基本工作方式:
分别是直接序列扩频系统(DirectSequenceSpreadSpectrumSystem)、跳频扩频系统、跳时扩频系统、宽带线性调频。
上述几种基本类型扩频系统,在实际应用中有时很难满足需要,由两种或两种以上的扩频方式组合起来的扩频系统可以具有两种扩频方式的优点且克服单一系统的缺点,达到任何一种方式所不及的特性。
以下将详细介绍每种扩频系统的过程及原理。
2.2.1直接序列扩频系统
直接序列扩频系统(DirectSequenceSpreadSpectrumSystem)又被称为伪噪声系统,通常简称为直扩系统(DS系统),它是在发送端用一组伪随机序列码去调制载波,进行扩展频谱,就是用一个数码滤远离信息带宽的数字序列进行调制,在接收端用在本地相同的伪随机码序列进行解调。
它是目前最典型应用最广泛的一种扩展频谱系统[3]。
最简单的扩频形式是180°二项键控(BPSK)调制。
可以用载波和一个取值为±1的伪随机序列函数的乘积来表示,调制框图如图2.1所示。
信息调制
扩频码字
扩频调制
射频调制
射频
本地
射频
解扩
变频
信息解调
本地
扩频码
信息
信息
图2.1扩频通信原理图
若二进制信息为d(t),取值为±1,伪随机序列C(t)的码元宽度为,假设序列长度为p,带宽为的高速二进制信息取值为±1。
信息数据d(t)调制伪随机序列C(t)由异或门实现,被调序列d(t)C(t)具有与伪随机序列C(t)同样的功率谱密度。
载波调制器是一个模拟的乘法器,对被调序列d(t)C(t)与载波相乘,得到二次调制后的发射信号:
……………………………(2.1)
式中,P为恒包络数据调制载波功率;为角频率;为随机相位。
假如完全不考虑传输时延的情况,发射信号S(t)在无失真信道中进行传输,在接收端,传输信号和某种类型的干扰或高斯噪声被一同接收,那么到达接收机的信号:
…………………(2.2)
然后用与发射端相同的伪随机码与U(t)进行再调制的相关运算,完成解扩处理,解扩器的信号输出分量为:
……………(2.3)
其中仍然为噪声,为本地伪码与接收伪码之间的相差,如果=0即本地PN码与接收PN码同步,,则上式为:
…………………(2.4)
式中为一般BPSK信号,通常把去掉扩频码序列的过程称为解扩频过程,这就是一个完整的直接序列扩频系统的扩频、解扩过程。
2.2.2跳频扩频系统
跳频扩频通信系统是频率跳变扩展频谱通信系统(FrequencyHoppingSpreadSpectrumCommunicationSystems,FH-SS)的简称,或更简单地称为跳频通信系统。
它是用二进制伪随机码序列去离散地控制射频载波振荡器的输出频率,使发射信号的频率随伪随机码序列的变化而变化。
跳频系统可供随机选取的频率数通常可以取到几千到220个离散频率,在这么多的离散频率中,每次输出哪一个都是由伪随机码决定的。
跳频扩频通信系统的简化方框图参见图2.2。
时钟源
乘法器
调制器
发射机
载波
发生器
伪码
发生器
混频器
本地
振荡器
时钟源
伪码
发生器
调制器
解调器
中频
滤波器
数据
数据
图2.2频率跳变扩频通信系统简化方框图
跳频扩频通信系统与常规通信系统相比较,其中最大的区别在于发射处的载波发生器和接收处的本地振荡器。
在常规通信系统中这二者输出信号的频率是固定不变的,然而在跳频通信系统中这二者输出信号的频率是跳变的。
跳频通信系统的关键部件是能够快速响应的频率合成器。
跳频扩频通信系统的发射频率能够在一个预定的频率集内由伪随机码序列控制频率合成器地由一处跳到另一处。
在接收机中的频率合成器也按照同样的顺序进行跳变,产生的一个接收信号频率和一个中频频率的参考信号,混频后得到一个频率稳定的中频信号,以上过程称为对跳频信号的解跳。
解跳后的中频信号放大后送到解调器进行解调,传输的信号就恢复了。
跳频系统中伪随机码的速率要比直扩系统中的伪随机码速率高。
在跳频系统中输出信号的频率的改变速率就是扩频伪随机码的速率,因此扩频伪随机码的速率也称为跳频速率。
可以依据跳频速率的不同,可以将跳频系统分为慢跳系统和快跳系统两种。
假设数据调制采用二进制频移键控调制,Tb是一个信息码元比特宽度,每Tb秒数据调制器输出两个频率中的一个。
每隔Tc秒系统输出信号的射频频率跳变到一个新的频率上。
若Tc>Tb,这样的频率跳变系统称为频率慢跳变系统。
现举例说明频率慢跳变系统的工作过程,参见图2.3。
0
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
1
1
Bb
0
1
Tc
时间
Tb
Bb
BRF
频率
0
0
1
1
1
0
f1
f2
f3
f4
f5
f6
f7
f8
图2.3频率慢跳变系统频率跳变示意图
Tb
Tc
时间
Bb
BRF
频率
1
1
0
1
0
0
1
Bb
f1
f2
f3
f4
f5
f6
f7
f8
f9
f10
f11
f12
f13
f14
f15
f16
图2.4频率快跳变系统频率跳变示意图
图2.3中,,,。
数据调制器根据二进制数据信号选择两个频率中的一个,即每隔秒数据调制器从两个频率中选择一个。
频率合成器有8个频率{,,,,,,,}可供跳变,每传送3个比特后跳变到一个新的频率。
该频率跳变信号在收信机中同本地参考振荡信号进行下变频,参考本振频率的集合为{,,,,,,,},下变频后的中频信号集中在频率为、宽度为的频带中。
在频率慢跳变系统中,频率的跳变速度比数据调制器输出符号的变化速度慢。
若在每个数据符号中,射频输出信号的频率跳变多次,这样的频率跳变系统就叫做频率快跳变系统。
在图2.4中,,频率合成器有16个频率{,,,,,,,,,,,,,,,},,。
2.2.3跳时系统
发射时间跳变(TimeHopping,TH)的通信系统也是一种扩频通信技术,它是用扩频序列去控制发送数据的时刻和时间的长短,时分多址(TDMA)通信是它的主要应用方面。
跳时系统与跳频系统的区别在于,跳频系统中,伪码控制的是发送数据的频率;跳时系统中伪码是负责控制发送数据的时间。
在跳时系统中,将数据码的持续时间分成几段时隙,在某个时隙由伪码控制发送数据,持续时间的长短也由伪码来控制,那么数据在短的时隙中就是以较高的峰值功率来进行传输,可见,时间跳变的实质就是脉位调制(PPM),只不过脉冲的位置是由伪码来决定的。
图2.5为跳时系统的原理框图。
存储器
伪码
开关
调制器
载波
伪码
解调器
开关
存储器
载波
数据输出
数据输入
图2.5跳时系统原理框图
在发送端,伪码负责控制开关的开启,把缓冲储存器中暂存的输入数据以突发方式调制到高频载波上并发射,高频载波调制可采用二相(BPSK)或四相(QPSK)调制,这样可以节省带宽。
2.2.4宽带线性调频
线性调频又称为CHIRP系统,是一种不需要用伪码序列调制的扩频调制技术,其特点是发射脉冲信号载波频率在信息脉冲持续周期内作线性变化,其瞬间频率随时间线性变换而变化,载波频率在脉冲起始与终止时刻的频率差为
……………………………(2.5)
式中,为脉冲起始时刻的频率;为脉冲终止时刻的频率;为瞬时频率变化范围;为线性调制后的带宽。
线性调频信号用匹配滤波器来解调。
它由色散延迟线DDL构成,这种延迟线对信号高频成分延迟时间长,对低频成分延迟时间短,这样频率由高变低的载波信号通过匹配滤波器后,各种频率成分几乎同时输出,这些信号的成分叠加在了一起,形成了对脉冲时间的压缩,使得输出信号的幅度增加、能量集中,这样,有用信号就被检测出来了,而与滤波器不匹配的干扰信号在时间上没有得到压缩,这就完成了和直接序列扩频及跳频系统类似的过程,从而获得处理增益。
色散延迟线或调频脉冲匹配滤波器压缩扫频信号,通常是线性压缩。
线性调频主要用于雷达系统中,短波通信中也有应用。
2.3典型扩频系统的优缺点比较
典型扩频系统的优缺点如表2.1所示,由于宽带线性调频并不会单独使用,经常与其它几种扩频方式混合进行使用,所以宽带线性调频不在此表中。
表2.1三种扩频系统的优缺点
扩频方式
优点
缺点
直序扩频
1.调制设计简单
2.通信隐蔽性
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