基于matlab的扩频通信直扩系统的分析和仿真

基于matlab的扩频通信直扩系统的分析和仿真内容摘要：

的处理过程能够带来一系列优点。 因此 弄清楚扩频和解扩处理过程的机制 问题 是 充分 理解扩频通信本质的关键 点。 一直以来大家总是想方设法使得信号所占的领谱尽可能的窄以达到充分利用十分宝贵的频谱资源的目的。 那么为什么要用这种频带很宽的信号来传送信息的回答很简单，主要就是为了保证通信的安全可靠。 这个能采用信息论和抗干扰理论的基本观点来进行说明。 信息理 论中由数学表达式关于信道容量，称作香农定理： C ＝ WLog2(1 十 P/N) （ 1） 从公式（ 1）中我们可以看到：如果给定了信号的功率 P 以及白噪声的功率 N，只需要采用某一种的编码系统我们就可以以任意小的差错概率和接近于 C 的速率来传送信息。 式中的 W 表示频带宽度， C 表示的是传输速率。 香农公式暗示着在保证信息传输的速率 C 不变的情况下，我们能用不同的频带宽度 W 以及信噪比 P/N 来传送信息。 用另一种说法就是频带宽度 W 与信噪比 P/N 是可以相互互换的。 假如增加了频带的宽度，那么就能够在比较低的信噪比的情况下用一样的信息率并且以任意小的差错概率来传输所需要的信息，更甚至在信号被噪声淹没的情况下也只需要相应地增加该信号的带 8 宽也一样能够保证可靠的通信。 香农公式表明了扩展频谱信号通信所具有的优越性，就是能用扩展频谱的方法来改善信噪比。 扩频通信系统可行性有另一个理论基础， 柯捷尔尼可夫在其潜在抗干扰性理论中得到如下关于信息传输差错概率的公式 0ef Ep n  （ 2） 这个 公式指出，差错概率 函数 Pe 是信号能量 E 和 噪声功率谱密度 on 之比。 假 设信息 的持 续时间为 T或者 数字信息的码元宽度 是 T，那么 信息的带宽 Bm 为 1mB T （ 3） 信号 的 功率 S是 （ 4） 已调（或 者是 已 经 扩频 的 ）信号的宽度为 B， 那么 噪声功率 是 0N n B （ 5） 将（ 3） ~（ 5） 式 代入（ 2） 式 ，可 以 得 到 e mS T S BP f B fN N B     （ 6） 上面 得 公式 可以看出 ，差错概率 Pe是输入信号 和 噪声功率之比（ S/N） 与 信号带宽和 信息带宽之比（ B/Bm） 这二个 乘积的函数， 所以 信噪比 和 带宽是可以互换的。 同时它也指出了使用 增加带宽的方法 能够使信噪比更令人满意。 由上述可知 将信息 的 带宽扩 宽 100 倍，甚至 是 用 1000 倍以上的带宽信 号来 对 信息进行传输 ， 这 就是为了提高通信的抗干扰能力， 也就是 在强干扰 的 条件下保证 通信 可靠安全。 这 也正 是扩频通信 技术的基本思想与 理论依据。 直扩系统的应用背景 直接序列扩频技术是当今 广为人知的 扩频技术之一 ，直扩 技术 就 是 把需 要发送 出去的信息 通过 伪随机码（ PN 码） 从而 扩展到一个 非常 宽的频带上 面 去， 而 在接收端 则通过和 发端 同样 的伪随机码对 它所 收到的扩频信号 来实 行相关 的 处理 以进行 恢复。 直扩系统最初开发于 二战期间， 其最开始的 用途是 在 军事通信 领域 提供安全 的 保障 , 是美军 在通信方面使用的 重要无线保密 技术。 该 种技术 让 敌 人探测信号 变得很困难，即 9 使 探测到 了 信号 ，但是 如果不知道 它 正确的编码 也 不可以把 噪声信号重新 进行 汇编 生 成原始的信号。 而关于 扩频通信技术的观点 则是由 好莱坞 的 女演员 Hedy Lamarr 与 钢琴家Gee Antheil 在 1941 年 提出的。 出于 鱼雷控制 安全 的 无线通信的 想法 ，他们 提出了专利 申请 ，但是结局 不幸的是 在那个时候这个 技术没有 得到 美国军方的重视， 一直持续到十九世纪八十年代 它 才 被 关注， 而被 用于 在 敌对环境中的无线通信系统。 直序扩频 技术 解决了 蓝牙技术和 短距离数据收发信机 （ 如： 3G 移动通信系统、 卫星定位系统 (GPS)、 WLAN (, , )等等 技术等 在 应用方面 的关键问题。 扩频技术 对于提高 无线电频率的利用率提供 了 帮助 ，因为 无线电频谱有限 所以它 也是一种昂贵的资源。 如图 21所示 的是 直序扩频通信系统的工作原理 ： 发 送 端 中输入 数字信号信息 之后，先通过 扩频码发生器 所产生出的扩频码序列进行调制使得 信号的频谱 展宽 ，一般采用 PN 码 作为 扩频码序列。 经过 展宽 以 后的信号再调制到射频 之后再发送出去， 调制 方式一般 采用 BPSK、 DPSK、 MPSK 等。 接收端收到的信号 之后进行解 调， 一般 来说采用相干解调。 接着由本地产生的和 发送端一样的扩频码序列进行相关解扩以使 原输入的信息 得以恢复 输出。 图 21 直扩通信工作原理 直扩 通信系统的优点 (1)抗干扰能力强，误码率低 10 因为利用了频谱扩展技术，把信号扩展到了非常宽的频带上 面，在接收端对扩频信号实行相关方面的处理（带宽压缩），把它恢复成窄带信号，同时把非所需信号扩展为宽带信号，之后通过带滤波技术将有用的信号提取出来。 这样一来各种干扰信号，由于它在接收端非相关性的原因，在解扩后的窄带信号中只相当于很微弱的成分，抗干扰性强，因为其信噪比很高。 目前在商用的通信系统中，唯一能够在负信噪比条件下工作的通信方式就是扩频通信。 (2)重复使用频率容易，无线频谱利用率得以提高 无线频谱非常宝贵，及时从长波到微波都得以开发利用，却仍然不能满足社会的需求。 而在窄带通信过程中，主要防止信道 之间发生干扰是依靠波道划分。 为此世界各国都纷纷设立了管理频率的机构，申请了获准的频率之后用户才能使用。 扩频通信中发送功率非常之低，并且运用了相关接收这种高技术，能够在信道噪声和热噪声背景中工作，可以比较容易地再同样地区中重复地使用同样频率，同时能够与当今各种各样的窄带通信共同分享同一频率的资源，进而大幅度地提高了对无线频谱的利用效率。 (3)有很好的隐蔽性，对于各种窄带通信系统干扰小 因为扩频信号在相对较宽的频带上被扩展，所以在单位频带内的功率非常小，信号被淹没在噪声里之后，通常不容易被发现，然而要 想进一步对信号的参数 (比如伪随机码序列等等 )进行检测就更为困难，因此有很好的隐蔽性。 同时，因为扩频信号的功率谱密度很低，所以它对于目前各种正在使用的窄带通信系统干扰非常小。 (4)能够实现码分多址 扩频通信的抗干扰性能有了很大提高，但却以占用频带宽作为代价。 因而假如让很多用户同享这一个频带，就可以大幅度提高频带的利用率。 因为在扩频通信中有伪随机序列的扩频调制，并充分地对各个不同类型码型的扩频码序列之间利用自相关性与互相关性，利用相关检测技术在接收端进行解扩，那么在给不同用户分配码型的情况下能够区别不 同用户的信号，并提取出其中有用信号。 如此，在同一个宽带上很多的用户就可以同时通话并且互相不干扰。 (5)抗多径干扰 在通信中，尤其是移动通信中必须要面对的但又很难解决的一个问题是多径问题，但是扩频技术本身就具备着强大的抗多径能力。 直扩系统中抗多径干扰的原理主要体现为：第一是直扩系统作为一种宽带系统，即使在通信过程中一部分频谱有被衰落的可能 11 性，但也不会引起太大的恶化，单从这一个角度上来讲，可以把频谱扩展看做是一种频率分集。 第二是由于伪随机序列有着很强的自相关特性，所以它对于多径效应不敏感。 假设有一个伪码宽度 Tc，当多径时延扩散小于它的时候，有用信号与反射信号进行相互叠加之后被视做信号的一个部分，影响有用信号幅度，但是却不产生对伪码宽度的影响，无论是展宽或压缩。 而同样假设一个伪码宽度 Tc，当多径时延超过它时，就能把多径信号当做噪声来进行处理，多径信号在相关接收后就能够被去掉。 第三假设码元宽度为 Tc，当 Tc很窄并且伪码的码长很长的时侯，系统有非常宽的频谱，此时反射回来的多径频率分量就不会同时到接收点，从而形成的多径干扰信号就能被消弱，这对于接收有用信号影响并不太大。 (6)直扩通信速率高 直扩通信 系统的 速率可 以 达 到 2M， 8M， 11M， 不用 申请频率资源， 而且 建网简单 且网络性能好。 (7)保密性能 强大 对于直扩系统 来说 ， 有着很宽的 射频带宽 和很低的 谱密度 ，甚至 会 在噪音中 淹没 ，这就使 检查 信号的存在 很难。 由于 它的 频谱密度很低，对其它系统的影响就 非常 小。 直扩 通信 系统 的 不足 直扩 通信 系统除了一般 的通信 系统所 要达到的 同步 要求 以外， 同时还 必须完成 对 伪随机码的同步， 使得 接受机 通过 同步后的伪随机码 来对其所 接受 的 信号进行相关解扩。 因此 随着伪随机码字的加长， 直扩系统 要求的同步精度 就 越 高， 同步 的 时间就 越 长。 直扩通信的原理 以及结构 如图 22所示 是 直扩通信系统原理。 在发送端输入的信息 要 先经 过 信息调制 从而 形成调频或 者 调相数字信号， 之后用 扩频码发生器 所 产生的扩频码序列 对 数字信号 进行调制 以 使得 信号的频谱 得以展宽 ， 下一步 再将 经过 展宽后的宽带信号调制到射频 并且 发送出去。 而 在接收端 一侧 ， 当 接收机接收到 传来的 宽带射频信号 之后，先将其变频到中频，之后 通过同步电路 对 发送来的扩频码的准确相位 进行捕捉 ， 这里便 产生与发 送来的伪随机码相位完全相同 的 用来接收的 伪随机码， 用 本地扩频码序列 进行 扩频解调， 最终 经 过信息 的解调， 将 原始信息 恢复并 输出。 12 图 22 扩频通信原理图 由此 可以看出 ，直扩通信系统 需要 进行三次 相互对应的调制和 解调 过程 ， 这三个过程 分别为信息调制 ， 扩频调制 ， 射频调制以及 与它们 相应的信息解调、解扩和射频解调过程。 和 一般通信 的 系统 相 比较，扩频通信 多出的就是 扩频调制和解扩 的 部分。 扩频通信中常用的扩频码 扩频码概述 在扩频通信中经 常 使 用的扩频码主要有 下列四种： PN序列、 GOLD序列、 WALSH码 以及 OVSF码。 PN码 就是 伪噪声序列 ，也可以叫做 伪随机序列， 这种码就 是用确定性 的 方法所产生的序列却类似具备随机所产生的序列能够拥有的的某些 关键随机特性。 序列中最常见的伪随机序列为 m序列。 GOLD码 即为 m序列的复合码，是由 2个 序列优选对模 2构成，它们 码时钟速率相同 ， 码长相等， 只要 改变 2个序列 之间的 相对位移就 能够 得到一个新的 GOLD序列，这种 GOLD序列具有良好的自 相关与 互相关特性， 并 且 它 地址数 要 远远大于m序列 的 地址数， 这种序列结构简单并且 易于实现， 所以较为广泛地应用 在工程上。 第三种 WALSH函数 为 一种非正弦的完备正交函数系， 它 有 着很好的互相关特性，两个 WALSH函数 之间的互相关函数为 O，也就表示它们是正交的，所以 WALSH函数在码分多址 通信 中可 以作为地址码 来 使用。 在 IS一 95当 中，就 在 正向传输信道 中 使用了 64阶 WALSH函数。 最后 OVSF码 为 一种正交可变扩频因子码， 它确保在不同时隙 的不同 的 扩频因子的扩频码是 正交 的，所以在每个时隙上能够 使用的码的数目 是 不固定 的 ， 而是由 每个物理信道的数据速率 与 扩频因子 决定。 在 TD— SCDMA系统中广泛使用 了 OVSF码。 扩频码序列的相关性 在频谱通信 的 扩展 中需要用 到 高码率的窄脉冲序列。 这 里 是 针对 扩频码序列的波形 13 来说的， 并 没有 涉及 到 码的结构 以及 如何产生等问题。 那么究竟 选择 什么样的码序列作为扩频码序列 比较好 ，这种码序列又 应该具备 怎样的 基本性能呢 ?在 现在 生活中使用得最频繁的 是伪随机码， 又被 称为伪噪声 (PN)码。 这种 码序列 首要 的特性 就 是具有 和 随机信号 相类似 的性能。 由于 噪声有完全 随机性， 所以也 能 说具 与 噪声的性能 近似。 然而 真正的随机信号 与 噪声 不能 重复 地 再现产生 ，而 只 可以生成 一种周期性脉冲信号 与 随机噪声的性能 相似 ， 所以叫作 伪随机码或 PN码。 那么 选用随机信号或噪声性能的信号来传输信息 的原因是什么 呢。 有很多的 理论研究表明，在信息传输 过程当 中 不同 信号之间的 性能 差别 越大越好。 这样 一来 任意两个信号不 易 混淆， 即 相互之间不 容 易 产 生 干扰， 从而 不会 误判。