1、直接擴頻通信系統的設計與研究 第一章 緒 論21.1 擴頻通信系統發展概述21.2 仿真軟件MATLAB概述32.1 擴頻通信的理論基礎32.2擴頻通信系統的分類52.2.1 直接序列擴展頻譜系統52.2.2 跳頻擴頻通信系統62.2.3頻率跳變-直接序列混合系統7第3章 直接序列擴頻通信系統分析83.1 直接序列擴頻通信系統模型83.2 直接序列擴頻通信系統抗干擾性能分析9第4章 直接序列擴頻通信系統性能分析仿真104.1 抗正弦干擾仿真及結果分析104.1.1 建立抗正弦干擾仿真模型104.2 抗窄帶干擾仿真及結果分析114.2.1 建立抗窄帶干擾仿真模型114.2.2 仿真結果及其分析1

2、2 人類社會進入到了信息社會，通信現代化是人類社會進入信息時代的重要標志。擴頻通信技術是現代通信系統中的一種新興的通信方式，其較強的抗干擾、抗衰落和抗多徑性能以及頻譜利用率高、多址通信等諸多優點越來越為人們所認識，并被廣泛地應用于軍事通信和民用通信的各個領域，從而推動了通信事業的發展。文中主要闡述了擴頻通信技術的理論依據和基本概念，結合擴頻通信技術的分類和原理簡單介紹了直接序列擴展頻譜、跳頻擴頻通信系統、頻率跳變-直接序列混合系統。并以偽隨機碼序列作為擴頻函數的直接序列擴展頻譜通信系統的模型為例，重點討論其抗干擾能力，并在此理論基礎上建立起直接序列擴頻通信系統抗正弦干擾、抗窄帶干擾的仿真模型。

3、最后，簡單概述了擴頻通信的發展趨勢，及它的兩個主要應用。關鍵詞：擴頻通信, 直接序列擴頻通信, 抗干擾, 仿真 第一章 緒 論1.1 擴頻通信系統發展概述擴頻通信(spread spectrum communication)是近幾年內迅速發展起來的一種通信技術。在早期研究這種技術的主要目的是為提高軍事通信的保密和抗干擾的性能，因此這種技術的開發和應用一直是處于保密狀態。美國在20世紀50 年代中期，就開始了對擴頻通信的研究，當時主要側重在空間探測、衛星偵察和軍用通信等方面。以后，隨著民用通信的頻帶擁擠日益嚴重，又由于近代微電子技術、信號處理技術、大規模集成電路和計算機技術的快速發展，與擴頻通信

4、有關的器件的成本大大地降低，從而進一步推動了擴頻通信在民用領域的發展金額應用，而且也使擴頻通信的理論和技術也得到了進一步的發展。目前在軍事上，它已經廣泛應用于各種戰略和戰術通信的系統中，成為電子戰中反干擾的一種重要的手段。擴頻技術在軍事應用上的最成功的范例可以以美國和俄國的全球衛星定位系統(GPS和GLONASS)以及美軍的聯合戰術分布系統(JTIDS)為代表；GPS和GLONASS在民用上也都得到了廣泛的應用，這些系統的技術基礎就是擴頻技術。擴頻的碼分多址技術應用于蜂窩移動通信中時，大大降低了噪聲和衰落的影響，同時還避免了復雜的頻率分配和時隙劃分等技術上的困難，并可以省去保護頻帶或時隙，極大

5、地提高了蜂窩通信系統中小區的頻率復用度，使信號頻譜利用率得到提高。1990年1月，國際無線電咨詢委員會(CCIR,現為ITUR)在研究未來民用陸地移動通信系統的計劃報告中已明確地建議采用擴頻通信技術。美國已制定出了基于CDMA蜂窩技術的IS-95標準，Samsung、Motorola等公司也已相繼推出了各自的CDMA移動通信商用實驗網已開通運行，并取得了良好的效果。擴頻技術由于其本身具備的優良性能而得到廣泛應用，到目前為止，其最主要的兩個應用領域仍是軍事抗干擾通信和移動通信系統，而跳頻系統與直擴系統則分別是在這兩個領域應用最多的擴頻方式。一般而言，跳頻系統主要在軍事通信中對抗故意干擾，在衛星通

6、信中也用于保密通信，而直擴系統則主要是一種民用技術。面對全世界范圍內對移動通信日益增加的要求，CDMA將是無線通信中最主要的多址介入手段。在本世紀，擴頻技術將得到更加廣泛的應用。從擴頻技術的歷史可以看出，每一次技術上的大發展都是由巨大的需求驅動的。軍事通信抗干擾的驅動以及個人通信業務的驅動使得擴頻技術的抗干擾性能和碼分多址能力得到最大限度的挖掘。展望未來，第四代移動通信系統(4G)的驅動無疑會使擴頻技術傳輸高速數據的能力得到更大的拓展。1.2 仿真軟件MATLAB概述MATLAB原意為“矩陣實驗室MATrixLABoratory”，它是目前控制界國際上最流行的軟件，它除了傳統的交互式編程之外，

7、還提供了豐富可靠的矩陣運算、圖形繪制、數據和圖象處理、Windows編程等便利工具。MATLAB還配備了大量工具箱，特別是還提供了仿真工具軟件SIMULINK。MATLAB在80年代一出現，首先是在控制界得到研究人員的矚目。隨著MATLAB軟件的不斷完善，特別是仿真工具SIMULINK的出現，使MATLAB的應用范圍越來越廣。隨著MATLAB庫函數和仿真工具箱的不斷擴充，使其在系統仿真與分析、信號處理、圖像處理等方面的應用越來越廣泛。MATLAB 具有 3 大特點：（1）功能強大，包括數值計算和符號計算，計算結果和編程可視化，數學和文字統一處理，離線和在線皆可計算；（2）面友好，語言自然。MA

8、TLAB 以復數矩陣為計算單元，指令表達與標準教科書的數學表達式相近；（3）開放性強。MATLAB 有很好的可擴充性，可以把它當作一種更高級的語言去使用，可容易地編寫各種通用或專用應用程序。正是由于 MATLAB 的這些特點，使它獲得了對應用學科（特別是邊緣學科和交叉學科）的極強適應力，并很快成為應用學科計算機輔助分析設計、仿真、教學乃至科技文字處理不可缺少的基礎軟件，成為歐美高等院校、科研機構教學與科研必備的基本工具。在 MATLAB 中，Simulink 是一個比較特別的工具箱，它具有兩個顯著的功能：Simu（仿真）與 Link（鏈接），是實現動態系統建模、仿真的一個集成環境。具有模塊化、

9、可重載、可封裝、面向結構圖編程及可視化等特點，可大大提高系統仿真的效率和可靠性；同時進一步擴展了 MATLAB 的功能，可實現多工作環境間文件互用和數據交換。Simulink 提供了友好的圖形用戶界面（GUI），模型由模塊組成的框圖來表示，用戶建模通過簡單的單擊和拖動鼠標的動作就能完成。Simulink 的模塊庫為用戶提供了多種多樣的功能模塊，其中有連續系統（Continuous）、離散系統（Discrete）、非線性系統（Nonlinear）等幾類基本系統構成的模塊，以及連接、運算模塊。而輸入源模塊（Sources）和接收模塊（Sinks）則為模型仿真提供了信號源和結果輸出設備。本文就是利用

10、編制MATLAB仿真m文件進行直接序列擴頻通信系統的性能仿真及其分析。 第2章 擴頻通信及其分類2.1 擴頻通信的理論基礎在傳統的無線電通信系統中，信號的格式的設計是：在保證通信質量的前提下，為了在系統所能使用的射頻頻帶中能盡可能多地傳輸信息，所以要求信號的帶寬不要過寬，一般信號帶寬與信息的帶寬是接近的，傳統的無線電通信系統就是采用這種窄帶信號(Sn)概念的系統，稱之為窄帶系統。在擴頻通信系統中，信號格式的設計思想與窄帶概念是信息論的奠基者Claude E.Shannon在20世紀40年代提出的。根據無線傳輸信道容量的理論公式：式中：C是信道可能傳輸的最大信息速率，即信道容量；W為信道帶寬；N

11、為白噪聲的平均功率；P是信號的平均功率。從上式中可以看出：在信噪比很小的條件下，可以用增加帶寬的辦法來提高系統的抗干擾性能，以保證信道容量不變。換句話講，在信道容量相同的條件下，寬帶系統比窄帶系統的抗干擾性能要好，所以當信噪比太小而且不能保證通信質量時，可以采用增加帶寬的方法來改善通信質量。由于擴頻技術在傳輸擴頻信號時，并不增加發射信號的平均功率，僅是將要傳輸的信號的頻帶擴展后，再進行傳輸的。因此擴頻通信系統在信道上傳輸的信號功率譜密度就很低。這種系統可以在信噪比很小的情況下，甚至在信號已被噪聲淹沒的情況下，仍可保持可靠的通信。另外，根據柯捷爾尼可夫關于信息差錯傳輸概率的公式為：式中：為差錯概

12、率，E為信號能量，N0為噪聲功率譜密度。式中：為T為信息持續時間，F為信息帶寬因此，可通過提高處理增益GP降低對S/N的要求，在強干擾條件下保證可靠安全的通信。擴頻通信的基本特點是傳輸信息所用的信號帶寬遠大于信息本身的帶寬，也因為如此，擴頻通信具有一些其它通信方式無法比擬的優越性：（1）擴頻通信最為顯著的優越性是其極強的抗干擾性。理論上講它可以在信噪比為負值，即信號被噪聲淹沒的情況下，將信號提取出來。對于單頻及多頻都有比較強的抑制作用，即使采用同類型的信號干擾，也由于擴頻碼序列之間的不相關性，干擾不起太大作用。（2）擴頻通信的另一個優越性是其隱蔽性好。由于擴頻信號的頻帶較寬，所以信號的功率譜密

13、度很低，敵方不容易發現信號的存在，在戰爭中，擴頻信號的被截獲率很低，可以進行隱蔽通信。從民用通信方面來說，由于擴頻信號的隱蔽性好，它對目前使用的各中窄帶通信系統干擾很小。理論和實驗證明，在原有的窄帶通信的頻帶內同時進行擴頻通信，不需要分配另外的頻段，即可實現。（3）擴頻通信可以很容易地實現碼分多址，提高頻帶的利用率。由于擴頻通信中存在擴頻碼序列的擴頻調制，利用不同碼型的擴頻碼序列之間優越的自相關性和互相關性，對不同的用戶分配不同的碼型，使多個用戶公用一個寬頻帶，提高了系統的容量。同時還有利于組網、選呼、增加保密性及解決新用戶隨時入網的問題。除此之外，擴頻通信還具有良好的抗多經干擾的能力，使無線

14、通信的性能變得更加可靠。除通信以外，擴頻系統還可用于定時、定位及測距，應用在導航、雷達等系統中。2.2擴頻通信系統的分類擴頻通信系統的關鍵問題是在發信機部分如何產生寬帶的擴頻信號，在收信機部分如何解調擴頻信號。根據通信系統產生擴頻信號的方式，可以分為下列幾種。2.2.1 直接序列擴展頻譜系統直接序列擴展頻譜系統（Direct Sequece Spread Spectrum Communication Systems，DS-SS），通常簡稱為直接序列系統或直擴系統，是用待傳輸的信息信號與高速率的偽隨機碼波形相乘后，去直接控制射頻信號的某個參量，來擴展傳輸信號的帶寬。用于頻譜擴展的偽隨機序列稱為擴

15、頻碼序列。直接序列擴展頻譜通信系統的簡化方框圖參見圖2-1。在直接序列擴頻通信系統中，通常對載波進行相移鍵控（Phase Shift Keying，PSK）調制。為了節約發射功率和提高發射機的工作效率，擴頻通信系統常采用平衡調制器。抑制載波的平衡調制對提高擴頻信號的抗偵破能力也有利。在發信機端，待傳輸的數據信號與偽隨機碼(擴頻碼)波形相乘(或與偽隨機碼序列模2加)，形成的復合碼對載波進行調制，然后由天線發射出去。在收信機端，要產生一個和發信機中的偽隨機碼同步的本地參考偽隨機碼，對接收信號進行相關處理，這一相關處理過程通常常稱為解擴。解擴后的信號送到解調器解調，恢復出傳送的信息。 時鐘源 乘法器

16、 調制器 發射機 載波 發生器 偽碼 發生器 混頻器 本地 振蕩器 時鐘源偽碼 發生器 調制器 解調器 中頻 濾波器數據數據(a)(b)圖2-5 直接序列擴頻通信系統簡化圖(a) 發射系統；(b) 接收系統2.2.2 跳頻擴頻通信系統跳頻擴頻通信系統是頻率跳變擴展頻譜通信系統（Frequecy Hopping Spread Spectrum Communication Systems，FH-SS）的簡稱，或更簡單地稱為跳頻通信系統，確切地說應叫做“多頻、選碼和頻移鍵控通信系統”。它是用二進制偽隨機碼序列去離散地控制射頻載波振蕩器的輸出頻率，使發射信號的頻率隨偽隨機碼的變化而跳變。跳頻系統可供隨

17、機選取的頻率數通常是幾千到個離散頻率，在如此多的離散頻率中，每次輸出哪一個是由偽隨機碼決定的。頻率跳變擴展頻譜通信系統的簡化方框圖參見圖2-6。 調制器 混頻器 解調器 中頻 濾波器數據數據 頻率 合成器 偽碼 發生器 時鐘源(a)(b) 混頻器 發射機 時鐘源偽碼 發生器 指令 譯碼器發中頻振蕩器 指令 譯碼器 頻率 合成器圖2-6 頻率跳變擴頻通信系統簡化方框圖(a) 發射系統；(b) 接收系統頻率跳變擴頻通信系統與常規通信系統相比較，最大的差別在于發射機的載波發生器和接收機中的本地振蕩器。在常規通信系統中這二者輸出信號的頻率是固定不變的，然而在跳頻通信系統中這二者輸出信號的頻率是跳變的。

18、在跳頻通信系統中發射機的載波發生器和接收機中的本地振蕩器主要由偽隨機碼發生器和頻率合成器兩部分組成。快速響應的頻率合成器是跳頻通信系統的關鍵部件。跳頻通信系統發信機的發射頻率，在一個預定的頻率集內由偽隨機碼序列控制頻率合成器(偽)隨機的由一個跳到另一個。收信機中的頻率合成器也按照相同的順序跳變，產生一個和接收信號頻率只差一個中頻頻率的參考本振信號，經混頻后得到一個頻率固定的中頻信號，這一過程稱為對跳頻信號的解跳。解跳后的中頻信號經放大后送到解調器解調，恢復出傳輸的信息。在跳頻通信系統中，控制頻率跳變的指令碼(偽隨機碼)的速率，沒有直接序列擴頻通信系統中的偽隨機碼速率高，一般為幾十b/s幾kb/

19、s。由于跳頻系統中輸出頻率的改變速率就是擴頻偽隨機碼的速率，所以擴頻偽隨機碼的速率也稱為跳頻速率。根據跳頻速率的不同，可以將跳頻系統分為頻率慢跳變系統和頻率快跳變系統兩種。2.2.3頻率跳變-直接序列混合系統頻率跳變-直接序列混合系統可看作是一個載波頻率作周期性跳變的直接序列擴頻系統，其系統組成方框圖見圖1-11。乘法器數據混頻器(b)解調器中頻濾波器數據(a)調制器混頻器發射機射頻濾波器時鐘源直擴碼發生器本地振蕩器混頻器調制器頻率合成器時鐘源跳頻碼發生器直擴碼發生器發中頻振蕩器頻率合成器跳頻碼發生器指令譯碼器指令譯碼器圖1-11頻率跳變-直接序列混合擴頻系統方框圖(a) 發射系統；(b) 接

20、收系統采用這種混合方式能夠大大提高擴頻系統的性能，并且有通信隱蔽性好、抗干擾能力強、頻率跳變系統的載波頻率難于捕捉，便于適應于多址通信或離散尋址和多路復用等特點，尤其在要求擴頻碼速率過高或跳頻數目過多時，采用這種混合系統特別有利。 第3章 直接序列擴頻通信系統分析3.1 直接序列擴頻通信系統模型以偽隨機碼序列作為擴頻函數的直接序列擴展頻譜通信為例，來研究其系統模型，圖3-1為其基本組成框圖，由信號源輸出的信號a(t)是碼元持續為時間Ta的信息流，偽隨機碼產生器產生高速偽隨機碼C(t)，碼元寬度為Tc將信息碼a(t)與偽隨機碼C(t)進行相乘或模二加，產生一個速率與偽隨機碼速率相同的擴頻信號，信

21、號的頻帶得到擴展，再去調制載波，這樣就可以得到已擴頻的射頻信號s(t)。在接收端，接收到的擴頻信號經高頻放大和混頻后(圖中已經略去)，用與發端同步的、且完全相同的偽隨機碼對中頻擴頻信號進行相關解擴(相乘)，將信號的頻帶恢復為信息碼a(t)的頻帶，恢復出所傳輸的信息a(t)，完成信息的傳輸。對于干擾和噪聲，由于與偽隨機碼不相關，接收機的相關解擴相當于又進行了一次擴頻，將干擾信號和噪聲的頻譜擴展，降低了功率譜密度，這樣就大大降低了進入信號通頻帶內的干擾功率，使解調器的輸入信噪比提高，從而提高了系統的抗干擾能力。信 源擴頻調制PN碼振蕩器帶通濾波器基帶濾波器信息解調器相位調制器本地振蕩器PN碼產生器

22、同步C(t)帶寬 B=2R帶寬r(t)接受端發送端圖3-1 直接序列擴展頻譜通信系統基本組成框圖3.2 直接序列擴頻通信系統抗干擾性能分析我們從擴頻信號的頻域來討論它的抗干擾性，首先討論下在沒有干擾情況下擴頻信號的功率密度譜函數。設擴頻以后的信號是強度為1的雙極性矩形脈沖隨機序列，其碼元寬度即為偽隨機碼的寬度T，發1碼和發0碼的概率p相等，都是1/2, 直接系列擴頻信號的功率譜密度：得： 式中：和是0碼和1碼信號頻譜。信號占用帶寬為R=1/Tc，當偽隨機碼速越高，信號帶寬越寬。如果用隨機碼對載波進行調制，得到相位鍵控信號P(t)，根據調制定理，已調信號的功率譜密度可寫成：式中：A是數字信號與載

23、波相乘后的總振幅；為發端載波頻率，調制后信號占用頻帶為2R。可求出隨機序列的自相關函數。在圖3-1擴頻接收機中，PN碼發生器發出的偽碼為K(t)，相位調制器輸出(系數2是為了使輸出信息信號完全恢復)。為接收端本振頻率。基帶濾波器帶寬為r(等于信息速率)。如果接收到有用信號： 式中：S為信號功率；C(t)為信息碼；m(t)為發送擴頻隨機碼；為發端信號載波頻率；為發端信號載波頻率相位。很容易看出，當K(t)=m(t)即收發偽碼相同時，且達到同步,K(t)m(t)=1。若此時收發載波同步,則：基帶濾波器濾除高頻分量，則接收信號：信息全部恢復出來，功率等于S。收信號的能量全部恢復出來。如果輸入信號是各

24、種干擾信號，則形成干擾。第4章 直接序列擴頻通信系統性能分析仿真4.1 抗正弦干擾仿真及結果分析4.1.1 建立抗正弦干擾仿真模型我們在上面的理論基礎上建立起直接序列擴頻通信系統抗正弦干擾仿真模型如圖4-1所示。模型中隨機數發生器產生一系列二進制(1)信息數據,每個信息比特重復Lc次,Lc對應每個信息比特所包含的偽碼碼片數。包含每一比特Lc次重復的序列與另一個隨機數發生器產生的PN序列c(n)相乘，相當對信息進行了擴頻調制。由于我們討論的是在加性白噪聲環境下的信道，所以用WGN產生高斯白噪聲。然后加入方差為的高斯白噪聲和形式為的正弦干擾,其中0,且正弦干擾信號的振幅滿足條件ALc,在解調器進行與PN序列的互相關運算, 并且將組成各信息比特的Lc個樣本進行求和(積分運算)。加法器的輸出送到判決器,將信號和門限值0進行比較,確定傳送的數據為+1還是-1,計數器用來記錄判決器的錯判數目。仿真結果如圖4-2所示，誤碼率用對數表示。 均勻RNG 重復Lc次檢測器PN碼比較差錯計數器WGN正弦發生器圖4-1 直擴系統抗正弦干擾仿