基于MATLAB的擴頻通信系統仿真摘要本文介紹了直接序列擴頻通信的理論基礎和模型，并通過MATLAB對直擴通信系統進行了仿真，在不同的條件下運行了仿真系統，研究了在相同性噪比下不同的增益的擴頻通信系統的誤碼率的情況。擴展頻譜技術有多種基本實現方式，本次仿真采用的是直接序列擴頻技術，特別針對二進制的PSK調制解調技術，直接序列擴頻系統的抗干擾能力分析與直接序列擴頻系統的同步方法，并進行了相關仿真分析。通過Matlab的矩陣乘法運算實現擴頻、調制、解調、解擴，運算速度快，仿真時間短。關鍵詞：擴頻增益直接系列擴頻Matlab誤碼率目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1擴頻通信的基本原理 1\o"CurrentDocument"1.1擴頻通信的簡介 1\o"CurrentDocument"1.2擴頻通信的定義 1\o"CurrentDocument"1.3擴頻通信的主要性能指標 1\o"CurrentDocument"1.4直接序列擴頻系統的組成 2\o"CurrentDocument"2MATLAB仿真 3\o"CurrentDocument"2.1仿真原理框圖 42.2程序模塊 4\o"CurrentDocument"3仿真結果分析 6\o"CurrentDocument"4仿真程序 8\o"CurrentDocument"5課程設計心得 10\o"CurrentDocument"Abstract 11參考文獻 121．擴頻通信的基本原理1．1擴頻通信簡介擴頻通信，即擴展頻譜通信(SpreadSpectrumCommunication),它與光纖通信、衛星通信，一同被譽為進入信息時代的三大高技術通信傳輸方式。擴頻通信技術自50年代中期美國軍方便開始研究,一直為軍事通信所獨占,廣泛應用于軍事通信、電子對抗以及導航、測量等各個領域。直到80年代初才被應用于民用通信領域。為了滿足日益增長的民用通信容量的需求和有效地利用頻譜資源,各國都紛紛提出在數字峰窩移動通信、衛星移動通信和未來的個人通信中采用擴頻技術,擴頻技術現已廣泛應用于蜂窩電話、無繩電話、微波通信、無線數據通信、遙測、監控、報警等系統中。1．2擴頻通信的定義擴頻通信，即擴展頻譜通信(SpreadSpectrumCommunication),可簡單表述如下：“擴頻通信技術是一種信息傳輸方式,其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成,用編碼及調制的方法來實現的,與所傳信息數據無關;在接收端則用同樣的碼進行相關同步接收、解擴及恢復所傳信息數據”。擴頻通信是將待傳送的信息數據被偽隨機編碼(擴頻序列：SpreadSequence)調制，實現頻譜擴展后再傳輸;接收端則采用相同的編碼進行解調及相關處理,恢復原始信息數據。擴頻通信系統具備3個主要特征：1、 載波是一種不可預測的，或稱之為偽隨機的寬帶信號。2、 載波的帶寬比調制數據的帶寬要寬得多。3、 接收過程是通過將本地產生的寬帶載波信號的復制信號與接收到的寬帶信號相關來實現的。1.3擴頻通信的主要性能指標(1)處理增益。處理增益G也稱擴頻增益(SpreadingGain)它定義為頻譜擴展前的信息帶寬DF與頻帶擴展后的信號帶寬W之比：Gp=W/△F在擴頻通信系統中,接收機作擴頻解調后,只提取偽隨機編碼相關處理后的帶寬為DF的信息，而排除掉寬頻帶W中的外部干擾、噪音和其地用戶的通信影響。因此，處理增益G反映了擴頻通信系統信噪比改善的程度。

（2）抗干擾容限。是指擴頻通信系統能在多大干擾環境下正常工作的能力，定義為:Mj二G—[（S/N）t+LS]outS其中：Mj：抗干擾容，G：處理增益，（S/N）out：信息數據被正確解調而要求的最小輸出信噪比，Ls：接收系統的工作損耗。1.4直接序列擴頻系統的組成直擴系統是將要發送的信息用偽隨機（PN）序列擴展到一個很寬的頻帶上去，在接收端，用與發送端擴展用的相同的偽隨機序列對接收到的擴頻信號進行相關處理，恢復出原來的信息。干擾信號由于與偽隨機序列不相關，在接收端被擴展，使落入信號頻帶內的干擾信號功率大大降低，從而提高了系統的輸出信噪（干）比，達到抗干擾的目的。一種典型的擴展頻譜系統如圖1所示。信息J一種典型的擴展頻譜系統如圖1所示。信息J信源譯碼輸出圖1典型擴展頻譜系統框圖它主要由原始信息、信源編譯碼、信道編譯碼（差錯控制）、載波調制與解調、擴頻調制與解擴頻和信道六大部分組成。信源編碼的目的是去掉信息的冗余度，壓縮信源的數碼率，提高信道的傳輸效率。差錯控制的目的是增加信息在信道傳輸中的冗余度，使其具有檢錯或糾錯能力，提高信道傳輸質量。調制部分是為使經信道編碼后的符號能在適當的頻段傳輸，如微波頻段，短波頻段等。擴頻調制和解擴是為了某種目的而進行的信號頻譜展寬和還原技術。與傳統通信系統不同的是，在信道中傳輸的是一個寬帶的低譜密度的信號。

2.MATLAB仿真2.1仿真原理圖圖2圖2系統組成框圖由圖2可以看出，在發送端，信碼為m(t),其碼元寬度為Tp，偽隨機碼為p(t),其碼元寬度為Tb，進行模2運算后，得到g(t)=m(t)十P(t)，碼元寬度稱為擴頻出來增益,G=101gTb T表示為 Tp，對系統信噪比有很大的影響。由于有Tp<<Tb，所以信碼的頻譜被展寬了，信號在傳輸的過程中經過AWGN信道，被疊加了高斯白噪聲，同時還受到了干擾信號的影響，最終得到的信號c⑴包括“有用信號+高斯白噪聲+干擾”。接收端收到此信號后，經過解擴電路，得到g'⑴=c⑴十p(t)=c⑴十p(t)十p(t)=c⑴，對g'⑴進行碼元判決，即可得到原始的輸入信號。2.2程序模塊2.2.1m序列發生器PN碼發生器為6級m序列產生器，本原多項式為x6+x1+1，可得到圖3原理圖C0=1C5=1C6=1*D5*D6C0=1C5=1C6=1*D5*D6圖3m序列原理框圖2.2.2高斯噪聲信道傳輸模塊是指傳輸的信號經過AWGN信道時，不可避免地疊加了高斯白噪聲信號,在本次設計中，對高斯白噪聲信號的處理，是應用信號信噪比，根據SNR=10lgSig，在已知信號功率譜的條件下，可以得出信道噪聲的功率譜密度函數(sig)人2,則P=VNSNR即為單位信號所疊加上的噪聲的能量，將單位信號的噪聲與白噪聲的概率密度函數相關，再與信號相加，即可得到信道傳輸的信號。發送模塊的程序框圖如圖4所示。用戶1和用戶2分別是由rand()函數產生的隨機碼,并經過處理之后成為碼值為1和-1變化的碼序列，為了保證仿真的準確性，取5000個碼元作為每次發送的信號,同時為了接收電路接收的方便,將信號的碼值變換為0和1,再將信號重復G次，得到即將擴頻的信號。PN碼發生器為6級m序列產生器，本原多項式為x6+XI+1，寄存器初始值設置為［101010］，通過G次輸出，與原信號碼進行模二運算,即可得到擴頻增益為G的擴頻碼輸出。圖4發送模塊程序框圖2.2.3干擾仿真時，每個擴頻chip被疊加一個ASin(°o")的干擾，干擾幅值A取1和3,°o取1，n=1,2,…隨著擴頻chip的序號而改變。接收判決模塊的程序框圖如圖5所示。在信道傳播的信號在接收端處被加上一個形式為sin(n)的干擾信號。2.2.4解擴判決接收端收到信號后，采用與發送端相同的PN序列，通過模二運算之后便可還原出輸入信號。但由于受到高斯白噪聲和干擾信號的影響，此時的信號是碼值為處在rG和+G之間的信號，必須通過碼元判決，將大于0的碼元判為1，小于0的碼元判為-1，即原始信號。誤碼率判決模塊的程序框圖如圖6所示，接收端收到的信號與發送端發送的信號進行碼元的逐個比較，如果碼元相同，則不作任何操作，如果碼元不同，則誤碼信號寄存器error加1,將最終的得到的誤碼個數error與發送信號的總數L的比值P 即為L在一定性噪比和擴頻增益的條件下的系統的誤碼率。發送信號 比較器碼元不同誤碼加13仿真結果分析(1)誤碼率在數字通信中，誤碼率是一項主要的性能指標。在實際測量數字通信系統的誤碼率時，一般測量結果與信源送出信號的統計特性有關。通常認為二進制信號中0和1是以等概率隨機出現的，所以測量誤碼率時最理想的信源應是隨機信號發生器。擴頻序列通過終端機和信道后，輸出仍為擴頻序列。在接收端，本地產生一個同步的擴頻碼，與收碼序列逐位相乘再求規格化內積，再與發送端信源碼進行比較，一旦有錯，誤碼計數器加一。誤碼率的數學表達式為：eE=—xlOO%S其中S是信碼個數，e是誤碼個數，E就是誤碼率。(2)信噪比測量通信系統的性能時，常常要使用噪聲發生器，由它給出具有所要求的統計特性和頻率特性的噪聲，并且可以隨意控制其強度，以便得到不同信噪比條件下的系統性能在實際測量中，往往需要用到帶限高斯白噪聲。本實驗中的噪聲主要是我們自己添加到信道的高斯加性白噪聲AWNG，它獨立于信源信號。信噪比計算是數學表達式為：-2s—(-_-)-2s—(-_-)2srSNR二lOlogs二lOlog-s二lOlogE 02nn其中E為信碼發射功率，E為噪聲功率，-為信源碼，-為信宿碼，計算結果單位為s n s rdB。以下就是經過matlab仿真之后的圖形，分別為10,30，50倍的擴頻增益下的誤碼率和信噪比的變化曲線：Figure4■^n]XFileEditViewInsertToolsDesktopWindowHelp□3(is□EBBFigure4■^n]XFileEditViewInsertToolsDesktopWindowHelp□3(is□EBBD 擴頻增益與誤碼率關系曲線10匕二二二士二二二二上二二二二二二：:!二二二二：!二二二二:!二二二二土二：二二臣10'21 -+ :毛二? J0A I I I I I I ■■- t -1 J____ -1 1 1 ，-.__ dC"l ?- 1111i\—u3 1u1\1 1 I LX 7 1 1 j i ■ j □ 1 J'., 11I1111i ■i ■1\1 'i T 1111 T 齊 1 1 11 1 1 -| i ■i ■ 1 31110 -：：：：Z：：i^V：：：：i：Z：：Z：Z：；：：=：=：：：：=：：：：Z：Z：：：：=：=：：□:Z：：：：Z：?k：：=：：：--____1-_______J________J_______ -_ ______-10-S-6 -4 -2 0 2 4 6信嗓tt/dB由以上圖表可以看出，在相同擴頻增益的條件下，系統的誤碼率隨著系統信噪比的增加呈現出對數形狀的減小；在相同信噪比的情況下，系統的誤碼率隨著系統擴頻增益的增大呈現出直線型的下降，即系統的誤碼率與系統的擴頻增益和信噪比呈負相關，當系統的擴頻增益足夠大時，系統的誤碼率可以達到0。4.仿真程序clc;clear;r=round(rand(1,5000)); %產生5000個隨機碼元r=2*r-1;%碼序列變為雙極性SNR=-10:1:10;%信噪比L=length(r);initial=[101010];%用戶寄存器初始值form=10:20:50%擴頻增益的類型a=repmat(r,1,m);b=(reshape(a,L,m))';x=reshape(b,1,L*m);len=length(x);%信號變化成擴頻長度%把矩陣a轉變成一個L列，m行的矩陣，再轉置得到新矩陣b%矩陣x為1列，L*m行的矩陣fork=1:len %產生相應長度的m序列u=initial(6);initial=[xor(initial(1),initial(6)),initial(1:5)];endu=2*u-1;msout=x.*u;%u=2*u-1;msout=x.*u;%m序列變為雙極性%已擴頻信號%信道噪聲forSNR1=1:21Eb=1;N0=Eb/(10^((SNRl-11)/10));sig=msout+sqrt(NO)*randn(size(msout))%信道高斯白噪聲fori=1:LA=randint(1,1,[1,3]); %干擾信號幅值隨機取1，3forg=1:mt=(i-1)*m+g;sig(t)=sig(t)+A*sin(t);%加入干擾信號endendmsint=sig.*u;%開始解擴Err=0;forj=1:Ly=0;forpp=1:my=y+msint(m*j+pp-m);endz=y/m;%解擴得到用戶一信碼ifz>0 %用戶一碼元判決z=1;elsez=-1;endifz~=r(j) %用戶錯誤計數Err=Err+1;endendBER(m,SNR1)=Err/L;%誤碼率實際值endendfiguresemilogy([-10:10],BER(10,:),'b-*');text(0,5.000000e-004,'\leftarrowGain=10','FontSize',10)holdonsemilogy([-10:10],BER(30,:),'y-*');text(-6,3.000000e-003,'\leftarrowGain=30','FontSize',10)holdonsemilogy([-10:10],BER(50,:),'r-*');text(-9,5.750000e-003,'\leftarrowGain=50','FontSize',10)title('擴頻增益與誤碼率關系曲線')xlabel('信噪比/dB')ylabel('誤碼率')gridon5.課程設計心得此次課程設計每個人都投入了最大的熱情和精力，也是這次課程設計所帶來的一個不錯的經歷。本次課程設計是純軟件設計，沒有涉及到硬件設計，所以難度沒有之前的課程設計大。但是本次軟件設計，難度也不低，需要細心和耐心。對于Matlab的通信仿真我們之前沒有使用過，所以有一定的挑戰性。無論是查找資料還是matlab編寫，調試程序都經過了大家的共同合作，同時也發現了自己在學習中存在的很多問題，例如高斯白噪聲的形成之類的，還有就是對matlab很多它自己自帶的函數庫的使用的熟悉程度。軟件設計，系統流程圖很重要。畫好框圖后就開始一步一步編程了，編一個模塊，調試一個模塊。這樣可以排除很多錯誤。耐心很重要，第一次編好整個程序后，一運行，等了好幾分鐘都沒有出結果，以為程序錯了。但在Matlab主界面中又沒有發現錯誤，后來發現在主界面的左下方的任務欄中發現busy，原來程序一直在運行。這樣我們就耐心地等結果出來，過了十幾分鐘后，結果終于出來了。但是結果并不是很滿意的，信噪比和誤碼率那個圖很不平滑。分析原因，原來是傳輸的碼元數太少，所以整體隨機性太強，出來的圖肯定是起伏不定的。但是把碼元數設置大點，那運行時間就要更長了。通過此次課程設計，我們鞏固了“信號與系統”、“通信原理”和“移動通信”等課程所學內容，初步了解和掌握現代移動通信系統的基本組成、基本原理、組網技術及典型通信系統（GSM數字、CDMA碼分多址移動電話系統）的設計、調試，理解其工作原理。為今后從事通信系統工程，移動通信，全球個人通信和多媒體通信打下一個良好的基礎。SpreadSpeturmTechnologyofMobileCommunicationAbstractInthispaper,directsequencespreadspectrumcommunicationtheoreticalbasisandmodel,andthroughMATLABDSSScommunicationsystemsforthesimulation,underdifferentconditionstorunasimulationsystemtostudyinthesamesex-noiseratiogainofdifferentspread-spectrumcommunicationsystembiterrorratesituation.Spreadspectrumtec