基于matlab的直扩通信系统仿真

基于matlab的直扩通信系统仿真内容摘要：

tSM G L d BN   () 上式中， jM 表示抗干扰容限， pG 为系统扩频处理增益， ()outSN则为信息数据正确解调而要求的最小输出信噪比， sL 为接收机系统内部工作损耗。 干扰容限的实际意义在于它反映了扩频系统接收机能在何种强度的干扰环境下正常工作的能力和可以抵抗极限干扰的强度。 因此，干扰容限往往比扩频处理增益更能确切反映系统的抗干扰能力。 三、干扰门限 干扰容限是建立在较为理想的工作环境下的参数指标，而实际中的通信系统往往更为复杂：系统的非线性特性和伪随机码的跟踪误差都会引起信噪比的损失，导致通信质量的下降；且在输入信号信噪比很低时存在门限效应（输入信噪比降低到一个特定的数值后，输出信噪比出现急剧恶化的现象）。 定义：系统输出信噪比比大输入信噪比下的输出信噪比下降 1dB时的 ()inSN为 ―门限信噪比 ‖，定义系统实际允许输入的输入干扰电平为 ―干扰门限 ‖。 设系统输入干扰功率为 J，用 JS 代换（ ）中的干扰容限 jM ， 整理可得： 重庆邮电大学本科 毕业设计（论文） 6 ( ) [ ( ) ]o u t p s inSJG L d BNS   （ ） 故在设计扩频接收机时，还应使干扰门限有如下关系： [ ( ) ] [ ( ) ] = 1 dp s in o u tJSG L BSN  设 计 值 输 出 值 （ ） 实际系统均存在干扰门限，通过合理设计和器械的而优化可以把门限点搬移至系统正常工作区域外，消除影响。 四、射频带宽 直接序列扩频通信系统中还有一项很关键的参数就是系统的射频带宽，其将直接影响系统性能，系统带宽和传送的信息速率决定了直扩系统的扩频处理增益，也决定了系统的抗干扰能力。 在任何情况下，直扩通信系统的射频带宽都几乎严格地是所用扩频码速率的函数。 在采用 BPSK 方式时，系统的射频带宽为扩频码传输速率的 2 倍。 实际系统中，在确定直接序列带宽时，必须考虑功率损失 、 处理增益 、 待传信息速率及系统抗干扰能力的要求。 第四节 扩频通信技术现状 3G 通信强势袭来，扩频通信不可或缺。 这其中，以码捕获技术和多用户检测（ MUD）技术代表了目前扩频技术研究的现状。 同步的实现是直扩系统中一个关键问题。 只有实现伪码同步才有可能实现直接序列扩频通信的各种优点。 目前对码捕获的研究主要集中在对周期较长的码实现捕获的问题，也即快速捕获问题。 以往采用的串行捕获方法简单易实现，但捕获速度不能满足求，而并行捕获方案系统复杂度很高，因此研究目标就是实现码捕获时间性能和系统复杂度中间的折中，利用一些新的搜索算法进一步改进这些系统的性能成为研究的热点。 限制 CDMA 系统容量的是来自其他用户的多址干扰，而多用户检测技术能够利用这些多址干扰来改善接收 机的性能，是一种提高系统容量的有效方法。 传统的 CDMA 接收机是由一系列单用户检测器组成，每个检测器都是与特定扩频码对应的相对应的相关器，把来自其他用户的干扰当成加性噪声，因此当用户数量增加时，其性能急剧下降。 最优的多用户接收机可以解决这个问题带来的不利影响，与此同时，其复杂度随用户数量成指数增长，故在世纪通信系统中几乎不重庆邮电大学本科 毕业设计（论文） 7 可能实现。 不言而喻，这样寻找在性能和复杂度之间折中的次最优多用户检测器成为研究的热点。 由此可见，扩频技术自身的理论和技术都已趋于完善，其再一次实现大发展的机遇存在于与其他新技术的结合之中。 展望未来，第四代移动通信系统（ 4G）的驱动无疑会使扩频技术传输高速数据的能力得到更大的扩展。 第五节 本章小结 本章主要介绍了扩频通信概况，主要内容包括了扩频通信的历史背景和发展历程，以及在各个领域的应用；扩频通信的理论基础香农公式的介绍；现有扩频通信的几种基础分类和简单介绍；扩频通信的几项基本性能参数以及当代通信发展方向和扩频通信面临的挑战。 从实际运用角度阐述了扩频通信的基本知识概念，为直接序列扩频技术的介绍做一个铺垫。 重庆邮电大学本科 毕业设计（论文） 8 第二章 直接序列扩频通信 第一节 直接序列扩频原理及调制 过程 一、直接序列扩频基本原理 直接序列扩频，顾名思义就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。 而在接收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。 扩展频谱的特性取决于所采用的扩频码序列的码型和码片速率。 为了获得具有近似噪声的频谱，采用伪噪声（ PN）序列作为扩频系统的扩频码。 为了实现简单，我们这里选择采用易产生和复制的 m序列作为 PN 码调制信息码进行扩频调制。 如下图所示： 图 直接序列扩频原理框图 如上图所示，左边部分为发射端，右边部分为接收端。 信源发出数字信号 a(t)与高速扩频码 c(t)相乘得到频谱展宽信号 d(t)，再经过频率为 Cf 的高频载波调制就得到高频的宽频带信号 s(t)， s(t)通过无线传输到达接收端。 接收端处通过高频放大器对信号 s(t)进行接收个放大，接收端的本振可以产生高频载波，其产生的本振信号的频率为 Lf ，且有  LC ff 中频。 接收端产生的与发送端同步的扩频码 )(39。 tc 与本振信号相乘得到 )(39。 te ， )(39。 te 再与 s(t)相乘后经过低通滤波器得到信号 )(39。 tr ， )(39。 tr 再经过信息解调就可恢复出原始信号 )(39。 ta。 如下图是BPSK 调制的直扩信号各阶段波形图。 重庆邮电大学本科 毕业设计（论文） 9 图 直接序列扩频过程各部分波形图 这一过程说明了直扩系统的基本原理 ，以及 它是怎样通过对信号进行扩频与解扩处理 ， 从而达到提高输出信噪比的目的。 二、 直扩系统的调制方式 扩频通信系统信息的传输，是把信源输出的数字信号调制到伪随机码序列中，含有原始信号信息的伪随机序列经高频载波进行调制后由发射端发出。 在直接序列扩频系统中，对高频载波通常采用的调制方式是对载波进行相移键控。 用的最多的是二进制相移键控（ BPSK），较为复杂的有四相移相键控（ QPSK）和最小频移键控（ MSK）等，本设计中选用 BPSK 调制方式。 由于直扩基带信号采用双极性 NRZ 波形，因此实际上直扩基带信号与正弦载波相乘就是 PSK 调制。 载波、数据与 PN 码三者之间都是相乘关系，相乘次序的变化不影响结果，因此实际发送的设备中可以是先将数据进行 PSK 调制得到窄带的射频信号，再进行扩频，同样接收设备也可能是先解扩，再进行 PSK 解调。 本设计中采用先扩频调制后载波调制的方式，接收端同理。 如 图 所示。 利用二进制 PSK 的一个二进制信息序列的传输问题。 信息的速率是 sbR 比特区间是 1bTR。 可用信道是  HzBC ， CBR。 在调制器中，按照 PN 码的变化形式，以每秒 W 次的速度，伪随机地将载波相位移项，将信号的带宽扩展到  HzBW C。 这样所得到的以调信号称为直接序列 (DS)扩频信号。 重庆邮电大学本科 毕业设计（论文） 10 判决输出 取样脉冲 载波基准 PSK 波形 相乘输出 低滤输出 图 BPSK 调制过程各部分波形图 三、直扩系统的解扩调制 扩频信号一般分两步解调，首先是对扩频信号解调，一般采用相关检测的方法进行接扩，也可采用匹配滤波器的方法进行解扩。 在直扩系统中，常用信号的相干性来检测淹没在噪声中的有用信号。 所谓信号的相干性，就是指信号的某个特定标记 (如振幅、频率、相位等 )在时间坐标上有规定的时间关系，我们把具有这种性质的信号称为相干信号。 由于相干信号具有这样的特性，就可以对相干信号与噪声 (或干扰 )的混合波形进行某种时域的运算，然后再根据某种法则进行判断，从而把原来的相干信号与噪声 (或干扰 )加以分离。 如图所示，设信号为 s(t),噪声为 n(t),则信号与噪声的混合波形为 r(t)。 r(t)=s(t)+n(t) （ ） 图 相干检测原理框图 相干检测的基础是互相关运算。 主要就是用一个与 s(t)有密切相干关系的本地参考信号 )(tsr 与 r(t)相乘后的积分。 如下图（相干检测原理图）所示，本地参考信号 )(tsr 与信号 s(t)频率相同，相位相干。 其中，相乘器可以用鉴相器来实现，滤波器 低通滤波器 S ( t ) n ( t ) Sr ( t ) 重庆邮电大学本科 毕业设计（论文） 11 低通滤波器起到积分的作用。 相干检测中还有一个很重要的部分就是本地参考信号。 本地参考信号由锁相环路产生。 如下图 （相干参考信号产生原理图）所示： 相位比较 低通滤波器压控振荡器r ( t )Sr ( t ) 图 锁相环路原理框图 用一个与输入信号频率相近的振荡器，把它的相位与输入信号相位作比较（可以用鉴相器实现），将获得的误差电压称为误差信号，误差信号经过滤波平滑后在作用于振荡器，以此不断纠正它的相位与输入信号相位的误差。 循环往复，这个受输入电压控制的振荡器的输出相位就逐渐逼近于输入信号的相位，达到―同频、同相 ‖的结果，它们之间的近似程度取决于跟踪误差。 第二节 伪随机编码 一、伪随机编码概述 随机噪声是影响传统通信系统通信质量和限制信道容量的重要因素，它使模拟信号产生失真发生畸变，使数字信号出现误码。 传统通信系统都想法设法消除系统中的随机噪声，减小其对通信质量的影响。 直到 20 世纪 60 年代，提出了伪随机噪声理论。 利用伪随机噪声的类似随机噪声的统计特性，实现信息频谱的扩展和信息隐藏，在高可靠保密通信中日渐得到应用，并从开始的军事运用发展到后来的民用化。 香农编码定理指出：只要信息速率 bR 小于信道容量 C，则总可以找到某种编码方法，可以再码周期相当长的条件 下，能够几乎无差错地从受到高斯噪声干扰的信号中复制出原始信息。 我们知道高斯白噪声是一种随机的模拟信号，它的瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽的频带内都是均匀的，具有极其优良的自相关特性，但是至今却都无法重复产生和处理它，因此只能用具有类似于带限白噪声统计特性的伪随机码来无限逼近它，并作为扩频系统的扩频码。 二元伪随机序列中只有 ―0‖和 ―1‖两种元素，因此无法从信号的幅度分布上逼重庆邮电大学本科 毕业设计（论文） 12 近白噪声，主要从码元分布、相关特性等方面逼近随机白噪声。 对于伪随机码，我们用如下定义：凡自相关函数具有如下形式的码，称为伪随机码，又 称为狭义伪随机码。 2111 1 , 0( p )()11 , 0( p )piix pi i jixjpRjx x jpp     模模 （ ） 由此可见，扩频系统中所用的伪随机码都需具备以下基本性能： （ 1） 具有尖锐的自相关特性，且互相关函数应接近于 0。 （ 2） 有足够长的码周期和复杂度，以确保抗截获和抗干扰的要求。 （ 3） 满足要求的序列数足够多，以实现码分多址的要求。 （ 4） 序列易于产生和复制及处理。 二、 m序列 m 序列也称最长线性反馈移位寄存器序列 ,可由线性反馈移位寄存器产生。 n级二进制线性反馈移位寄存器排除输出为 0 的状态外，产生的周期为 21n 的最大可能长度序列。 二元 m 序列是一种伪随机序列，具有优良的自相关函数，属于狭义伪噪声序列。 由于 m 序列容易产生、规律性强、性能优良等特性，被广泛应用于 DS 系统中用于扩展基带信号。 X n 1 X nX n 3模 二 加 法 器X n 2C o C 1 C 2 C 3 C n 1 C n 图 n 级线性反馈移位寄存器工作原理图 n 阶移位寄存器的反馈函数是： )(),( 1n21 模二和 ni ii XCXXXF （ ） 显然， iC 的取值决定了反馈形式和输出序列结构，可用方程表示如下：  ni iinn XCxCxCxCCxf 02210 ...)( （ ） )1( 0  nCC 重庆邮电大学本科 毕业设计（论文） 13 该方程成为特征多项式。 其中 x 本身取值并无实际意义， iX 项的有无仅仅表明 iC 取 1 或是 0。 例如特征多项式为 5421)( xxxxxf  ，它表明543210 , xxxxxx 和的系数 543210 ,, CCCCCC 都等于 1，其余为 0。 扩频通信中对扩频序列常有如下基本要求： ① 尖锐的自相关特性； ② 尽可能小的互相关值； ③ 足够多的序列数； ④ 较好的均衡性； ⑤ 工程上简单易实现。 通常采用为随机序列作为扩频序列，常用的有 m序列和 Gold 序列。 本设计中我们采用 m序列作为扩频序列。 m序列是一种伪随机序列，它满足如下三个特性： （ 1）平衡特性： 每一周期 p= 21n 内， 0 出现 121n 次， 1。