[通信工程电子信息工程信息工程论文]直接序列扩频通信系统仿真设计

[通信工程电子信息工程信息工程论文]直接序列扩频通信系统仿真设计内容摘要：

单频及窄带干扰、脉冲干扰以及多径干扰等。 本文主要讨论加性白噪声干扰。 扩频信号在传输过程中，必然会 受到噪声干扰，这种干扰一般为加性高斯白噪声（ AWGN）或带限白噪声。 设噪声的单边功率谱密度为 n0，经混频后为带限白噪声，带宽为扩频信号带宽 B0，谱密度仍为 n0，故相关器输入噪声功率为 Ni = n0Bc 由上面分析可知，相关器输出噪声功率  dGNaIW n )(39。 210 式中 ， Wa为信息带宽（ Wa =2π Ba）。 考虑到 Ba Bc，只考虑 fI附近的噪声功率，则 )(InG近似为 Kn0 ，其中 K为与调制方式有关的常数。 对 PSK调制， K＝；对 MSK 调制， K＝。 所以 aa BKnWKnN 000 21   由于解扩前后信息量不变，因此处理增益为 信源 扩频 调制 高放 混频 解扩 PN 码 载波 本振 PN 码 解调 同步 13 KGKBBNNG Pacipn  0 即直扩系统对白噪声干扰的处理增益为 KGP 上述结论是否意味着扩频系统具有抗白噪声的能力，而且是否具有随伪码速率的增加，其抗白噪声的能力也随之增加的性能，因此它是否相对于不扩频的窄带系统可以提高通信距离，或者可以降低发射功率呢。 答案是否定的。 由于处理增益表征的是相关器处理信号所获得的信噪比增益，并不是度量不 同类型通信系统性能的标准。 因此不能把扩频处理增益与衡量不同系统性能的“制度增益”或“系统增益”相混淆。 衡量扩频系统与非扩频系统性能好坏的标准是，在信息传输速率相同的条件下，扩频系统解扩后的中频信噪比 sSNR)( 与非扩频系统的中频信噪比 nsSNR)( 之比 Gs，即制度增益。 对于非扩频系统，因为没有扩频与解扩过程，所以也不会有处理增益，但中频信噪比与扩频系统相同，即 Gs=1。 这也就是说，就白噪声而言，把窄带系统改为宽带系统并不会带来好处，或者说， 直扩系统不能抗白噪声。 实际上，由扩频系统不可避免地存在着伪码同步误差，故扩频系统的性能比非扩频系统还要差一些。 伪随机序列 在扩频系统中，信号频谱的扩展是通过扩频码实现的。 扩频系统的性能与扩频码的性能有很大关系，对扩频码通常提出下列要求：易于产生；具有随机性；扩频码应该具有尽可能长的周期，使干扰者难以从扩频码的一小段中重建整个码序列；扩频码应该具有双值自相关函数和良好的互相关特性，以利于接收时的捕获和跟踪，以及多用户检测。 从理论上说，用纯随机序列去扩展频谱是最理想的，例如高斯白噪声，但在接收机中为 了解扩应当有一个同发送端扩频码同步的副本，因此实际上只能用伪随机或伪噪声序列作为扩频码。 伪随机序列具有貌似噪声的性质，但它又是周期性有规律的，易于产生和处理。 扩频码中应用最广的是 m序列，又称最大长度序列，其他还有 Gold 序列、 L序列和霍尔序列等。 14 m 序列 m序列是最长线性移位寄存器序列，是由移位寄存器加反馈后形成的。 m序列是伪随机序列中最重要的一种，其易于实现，具有优良的自相关特性，在直扩通信系统中用于扩展要传递的信号。 它的产生如图 116 所示。 c0 c1 c2 „„ cr1 cr 输出 图 116 反馈移位寄存器 图 116 中 ani(i=1,2,3,„„ ,r) 为移位寄存器中每位寄存器的状态，取值为 1或者 0； ci(i=1,2,3,„„ ,r) 为对应于第 i 位寄存器的反馈系数。 当 ci=0 时，表示无反馈，将反馈线断开。 当 ci=1 时，表示有反馈，将反馈线连接起来，注意在此结构中必须保证 c0=c1=1。 在把 m序列作为扩频码时，每一个码元有一定的宽度 ， 设为 1。 下面推导码元宽度为时扩频码的相关函数。 设二元脉冲序列码元宽度为 1，幅度为 +1 和 1的概率各为 1/2，所有脉冲幅度值相互独立。 脉冲波形起始时间为 T， T 在 0 到 T之间均匀分布。 任取两个时刻 t1 和 t2，且 0t1t2Tc。 当延时 )1,2,1,0(k  pkT c 时， m序列的自相关函数为： an1 an2 an(r1) anr 15 0,10,1)( ptr )1,2,1,0(k  pkT c 当 cT 时 ， t1 和 t2 可以在同一脉冲区间内，也可以在相邻两个脉冲区间内。 设 A 代表 t1 、 t2 落在同一脉冲区间内的事件，即 (t1 ,t2) 内没有脉冲沿的事件。 m序列扩频码功率谱是周期函数，它的自相关函数也是同周期的周期函数，相应的功率密度谱就是线状谱，相邻的谱线间隔为 pTc。 由于序列波形是幅度恒定的矩形波，因而具有恒定的功率，除零频率分量外，各谱线强度与序列长度1/p2 成反比。 零频率分量的强度为 p2,与序列的长度成反比。 m序列扩频码功率谱密度的包络由码元宽度 决定，而与序列周期 pTc 无关。 这说明传输 m序列随机信号的频带宽度决定于码元宽度。 m序列的特点如下： （ 1）均衡性 以 N 为周期的序列 中包含 2N1 个 1和 2N11 个 0， 1和 0的个数基本相同（ 1比 0的数目多一个）。 这一性质很重要，因为码序列或码序列调制信号中的直流分量将决定于码的均衡性，另外由于载波抑制度决定于调制信号的对称性，当用一个码序列去调制载波时， 01 均衡性将限制可达到的载波抑制度。 （ 2）游程分布 把一个序列中取值相同的那些相继元素合称为一个游程。 一般来说，在 m序列中，长度为 1 的游程占游程总数的 1/2；长度为 2 的游程占游程总数 1/4；长度为 3 的占 1/8… ，即长度为 k 的游程占游程总数的 2k ，其中 1kr2。 （ 3）移位相加性 一个序列与其经过 m次延迟移位产生的另一序列模 2 加，得到的仍然是原序列的 m次延迟移位序列。 （ 4）周期性 m序列的周期为 N=2r1， r 为反馈移位寄存器 的级数。 （ 5）伪随机性 m序列的各个性质与随机序列的基本性质很相似，所以通常认为 m序列属于一种常用的伪随机序列。 16 （ 6）相关特性 m序列的自相关函数只有两种取值（ 1 和 1/N）。 Gold 序列 虽然 m 序列具有很好的伪随机性和相关特性，且使用简单，但是 m序列的个数相对较少，很难满足作为系统地址码的要求。 Gold 码继承了 m序列的许多优点，而可用码的个数又远大于 m序列，是一种良好的码型。 Gold 码是 R. Gold 提出的用优选对的复合码，所谓 m序列优选对，是指在 m序列集中，其互相关函数最大值的绝对 值小于某个值的两条 m序列。 而 Gold 码是由两个长度相同、速率相同、但码字不同的 m序列优选对模 2 加后得到的，具有良好的自相关性及互相关特性。 因为一对序列优选对可产生 2r+1 条 Gold 码，所以 Gold 码的条数远远大于 m 序列。 Gold 码具有三值互相关函数，其值为 ： ]2)([1,1),(p1  rtpprt   的倍数为偶数但不是 为奇数）（ 4,21 ,21)(,12 )1(r rrtp rrr 当 r为奇数时， Gold 码族中约有 50%的码序列归一化相关函数值为 1/p。 当r为偶数但又不是 4的倍数时，约有 75%的码序列归一化互相关函数值为 1/p Gold 码的自相关函数也是三值函数，但是出现的频率不同。 另外，同族 Gold码的互相关函数是三值，而不同族之间的互相关函数是多值函数。 产生 Gold 码可以有两种方法，一种是将对应于优选对的两个移位寄存器串联成 2r 级的线性移位寄存器；另一种方法是将两个移位寄存器并联后模 2相加。 虽然 Gold 码比 m 码性能优越，但是在本次仿真仍采用 m序列，主要由于 m产生相比而言简单，再加上仿真的数据不是很大。 17 第 三 章 直接序列扩频通信系统仿真 仿真流程图 为了更加清楚的演示整个仿真过程，故画出仿真流程 图，如下图所示： 信息码 加噪声后信号未经过调制的仿真 流程图 信息码 产生信源 产生 PN 码 扩频 调制 解调 解扩 产生噪声 产生信源 产生 PN 码 扩频 解扩 产生噪声 18 加噪声后信号 经过调制的仿真 流程图 具体 分工： 本人主要 负责： PN 码和噪声的产生及解调，解扩的仿真。 张超 同学 主要 负责： 信源的产生及扩频，调制的仿真。 共同负责： 误码率 的仿真及分析。 先 设计无噪声的 直扩系统 信息码的频率设为 10kHz，采样频率设为 8MHz。 假设信源信息码的总长度为30个信息码内含 8MHz/10kHz＝ 800个采样点。 通过 sign函数 ， 30个（ 0， 1）区间内的随机数变成 30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 24000个采样点，程序如下： %产生信号 code_length=30。 %信息码元个数 N=1:code_length。 rand(39。 seed39。 ,0)。 x=sign(rand(1, code_length))。 %信息码 for i=1:30 s((1+(i1)*800):i*800)=x(i)。 %每个信息码元内含 fs/f=800 个采样点 figure(1) plot(s) %信息码图形 grid on。 title(39。 信源信息码 39。 )。 xlabel(39。 t39。 )。 end 生成的信息码的波形图如图 1 所示 ： 19 图 1 伪随机序列 PN码 频率设为 1MHz，信息码频率为 10kHz，所以每个信息码内包含 1MHz/10kHz＝ 100个伪码。 通过调用一个产生 m 序列的子函数 mgen，与一个长度为 30 100 的循环，就得到了伪随机序列 PN 码。 程序如下： %产生伪随机码 length=100*30。 %伪码频率 1MHz,每个信息码内含 1MHz/10kHz=100 个伪码 x_code=sign(mgen (19,8,length))。 %伪随机码 for i=1:3000 w_code((1+(i1)*8):i*8)=x_code(i)。 %每个伪码码元内含 8 个采样点 figure(2) plot(w_code) %伪随机码 波 形 grid on。 title(39。 伪随机码 39。 )。 xlabel(39。 t39。 )。 end 生成的 伪随机码 放大后截取部分波形 如图 2 所示 ： 20 图 2 将信息码 s的 24000个采样点与 PN 码 w_code 的 24000 个点对应相乘，就得到了扩频码。 程序如下： %扩频 k_code=s.*w_code。 %k_code 为扩频码 figure(3) plot(k_code) %扩频 码 波 形 grid on。 title(39。 扩频码 39。 )。 xlabel(39。 t39。 )。 生成的 扩频码 放大后截取部分波形 如图 3 所示 ： 21 图 3 2PSK调制。 先要产生载波，一个载波周期内含八个采样点，经过 3000 次循环，生产 24000 个对载波的采样点，然后与扩频码 k_code 对应点相乘，就得到了 2PSK调制后的波形。 放大后截取部分波形如图 4所示。 程序如下： %调制 fs=20e6。 f0=30e6。 for i=1:3000 AI=2。