1、课程设计报告移动通信课程设计报告题目 直接序列扩频系统的 SIMULINK 仿真学院 电子信息工程学院专业 通信工程（本）学生姓名 学号 年级 指导教师 职称 二一二年六月III直接序列扩频通信系统仿真设计摘要：利用 Matlab/Simulink 对直接序列扩频系统进行了仿真，并对仿真结果做了详细的讲解分析。先对直接序列扩频系统原理进行介绍，然后基于 Simulink 的发射机和接收机的仿真，同时对直接序列扩频系统的抗干扰能力与直接序列扩频系统的同步方法进行了相关仿真，最后在该系统中加入 特定的干扰，进行测试，研究整个系统的抗干扰性能。关键词：通信系统；直接序列扩频；调制解调保密通信目录第一
2、章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 Simulink 的简介1第二章 直接序列扩频通信原理32.1 扩频通信概念及分类32.2 直接序列扩频定义32.3 直接序列扩频的基本原理32.4 直扩系统的性能分析52.4.1 直扩系统的抗干扰性52.4.2 直扩系统的抗多径干扰性能6第三章 基于 Simulink 的发射机的仿真73.1 直接序列扩频通信系统发射机的设计73.2 基于 Simulink 的发射机的仿真83.3 基于 Simulink 的接收机仿真设计12第四章 直接序列扩频通信系统的抗干扰性能分析17第五章 CDMA 系统仿真设计21第 4 章实验心得27参考书目28课程设计报告
3、第一章 绪论1.1 课题背景及意义扩展频谱通信是建立在 Claude EShannon 的信息论基础之上的一种新型的通信体制。由于扩频通信体制具有抗干扰能力强、截获率低、码分多址、信号隐蔽、测距和易于组网等一系列优点，自 从问世之后便引起了世界各国的极大关注，并率先应用在军事通信中。随着近年来大规模、超大规 模集成电路和微处理器技的广泛应用，以及一些新型器件的应用，扩频技术的应用形成了新的高潮。事实上，扩频通信已成为电子对抗环境下提高通信设备抗干扰能力的最有效的手段，并在近十几年 来爆发的几场现代化战争中发挥了巨大的威力。随着 CDMA 扩频通信技术在民用通信中的深入应用和不断渗透，以及在卫星
4、通信、深空通信、武器制导、GPS 全球定位系统和跳频通信等民用和国防民事通信的强烈需求下，扩谱通信的地位越来越重要了。随着信息技术的发展，通信技术变得越来越复杂，技术更新的周期也越来越短。对于大部分学者， 特别是我们学生来说，在学习通信技术时，若对每一个系统都要实体研究是不现实的。此时通信系统仿真对我们来说可以说是必不可少的。通过建立相应的通信系统的模型，对其进行仿真，可以使我们把琐碎的知识联系在一起，形成一个个通信系统的概念，可以让我们对各个知识点的原理有更加深刻的理解和掌握。1.2 Simulink 的简介Simulink 工作环境经过几年的发展，已经成为学术和工业界用来建模和仿真的主流工
5、具包。在Simulink 环境中，它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型图就如同用手在纸上画模型一样自如、方便，故用户只需进行简单的点击和拖动就能完成建模，并可直接进行系统的仿真，快速的得到仿真结果。它的主要特点在于： 建模方便、快捷；（2）易于进行模型分析；（3）优越的仿真性能。 它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。Simulink 模块库（或函数库）包含有 Sinks（输出方式）、Sources（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connection（连接与接口）和 Extra（其他环节） 等
6、具有不同功能或函数运算的 Simulink 库模块（或库函数），而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户还可以根据需要定制和创建自己的模块。用 Simulink 创建的模型可以具有递阶结构， 因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节， 帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink 的菜单或 MATLAB 的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，31而命令行方式对于运行仿真的批处理非常有用。
7、采用 Scope 模块和其他的显示模块，可以在仿真进行的同时就可立即观看到仿真结果，若改变模块的参数并再次运行即可观察到相应的结果，这适用于因果关系的问题研究。仿真的结果还可以存放到 MATLAB 的工作空间里做事后处理。模型分析工具包括线性化和整理工具，MATLAB 的所有工具及 Simulink 本身的应用工具箱都包含这些工具。由于 MATLAB 和 SIMULINK 的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。但是 Simulink 不能脱离 MATLAB 而独立工作。第二章 直接序列扩频通信原理2.1 扩频通信概念及分类扩频通信是扩展频谱通信的简称。
8、它是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式。主要有以下几类：1 直接序列扩频简称直扩（DS）。所传送的信息符号经伪随机序列（或称伪噪声码）编码后对载波进行调制。伪随机序列的速率远大于要传送信息的速率，因而调制后的信号频谱宽度将远大于所传送信息的频谱宽度。2 载波频率跳变扩频简称跳频（FH）。载荷信息的载波信号频率受伪随机序列的控制，快速地在给定的频段中跳变，此跳变的频带宽度远大于所传送信息的频谱宽度。3 跳时（TH）将时间轴分成周期性的时帧，每帧内分成许多时片。在一帧内哪个时片发送信号由伪码控制， 由于时片宽度远小于信号持续时间从而实现信号频谱的扩展。4 脉冲调频发信端发出射
9、频脉冲信号，在每一脉冲周期中频率按某种方式变化。在收信端用色散滤波器解调信号，使进入滤波器的宽脉冲前后经过不同时延而同时到达输出端，这样就把每个脉冲 5 信号压缩为瞬时功率高、但脉宽窄得多的脉冲，因而提高了信扰比。这种调制主要用于雷达，但在通信中也有应用。6 混合扩频几种不同的扩频方式混合应用，例如：直扩和跳频的结合（DS/FH），跳频和跳时的结合（FH/TH），以及直扩、跳频与跳时的结合（DS/FH/TH）等。2.2 直接序列扩频定义直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum）工作方式，简称直扩方式（DS 方式）。就是用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在
10、接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。直接序列扩频方式是直接用伪噪声序列对载波进行调制，要传送的数据信息需要经过信道编码后，与伪噪声序列进行模 2 和生成复合码去调制载波。2.3 直接序列扩频的基本原理直接序列扩频（direct sequence spread spectrum）直接用具有高码片（chip）速率的扩频码序列去扩展数字信号的频谱。简称直扩（DS）。在接收端，用相同的扩频码序列将频谱展宽的扩频信号还原成原始信号。图 1-1 直接序列扩频通信系统的原理框图图 1-1 是直接序列扩频通信系统的原理框图。欲传输的数字信号与码片速率很高的扩频码进行调制，其输出
11、为频谱带宽被扩展的信号，这个过程称为扩频。扩展频谱信号再变换为射频信号发射出去。在接收端，射频信号经过变频后输出中频信号，通常是 N 个发射信号和干扰及噪声的混合信号。它与发端相同的本地扩频码进行扩频解调（解扩），使宽带信号变为窄带信号。再经信息解调器恢 复成原始数字信号。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。扩频和解扩的频谱变化过程如图 1-2 所示。图 1-2 扩频和解扩的频谱变化采用码片速率很高的 PN 码序列进行扩频调制，扩频信号的带宽可达 1100MHz。通过扩频解扩处理能够提高抗干扰能力。扩展
12、频谱信号在接收端做相关解扩处理，有用信号被解扩为窄带谱信号； 宽带无用信号与本地伪码不相关，因此不能解扩，仍为宽带谱；窄带干扰信号则被本地伪码扩展成 为宽带谱。用一个窄带滤波器排除带外的干扰，这样窄带内的信噪比就大大提高了。2.4 直扩系统的性能分析2.4.1 直扩系统的抗干扰性直扩系统最早应用是在军事通信中作为很强抗干扰性的通信手段。直扩系统对窄带干扰、宽带干扰等，都具有抗干扰能力，其抗干扰能力大小就是前面提供的扩频处理增益 Gp，Gp 越大，抗干扰能力就越强。下面就来分析直扩系统抗宽带干扰和抗窄带干扰的原理。 图 4-3 为直扩系统抗宽带干扰的示意图。这里的带宽干扰是泛指的与扩频信号不相关
13、的，在 CDMA 通信网中，其他用户的信号就是一种带宽干扰。相关处理前，信号频谱是很宽的，经相关处理后，有用信息被解扩，其功率谱集中于信息带宽内，而带宽干扰通过相关器，其功率谱密度基本不变。由于解扩后必然连接窄带滤波器保证信号能顺利通过，对信号频带之外的各种干扰起到很大的抑制作用，从而提高了输出额信噪比。图 4-3 直扩系统抗带宽干扰的示意图对单频或窄带干扰，直扩系统有很强的抗干扰能力。图 4- 4（a ）为解扩前的功率谱， 窄带干扰功率很大，由于干扰与本地扩频码（PN 码）是不相关的。对干扰来说，相关器起到扩展频谱的目的，功率谱密度就大大下降，其中对信号有害的干扰分量只有落入信息带宽部分，从
14、而抑制了大部分干扰。由于有用信号能顺利通过窄带滤波器，因此提高了输出的信噪比。图 4-4 直扩系统抗窄带干扰示意图2.4.2 直扩系统的抗多径干扰性能多径信道就是发射机和接收机之间电波传播的路径不止一条。例如由于大气层的反射和折射，以及由于建筑物等对电波的反射都是形成多径信道的原因。不同的传播路径使电波在幅度上衰减不同， 到达时间额延迟也不同。直扩系统能够同步锁定在最强的直达路径的电波上。其它有延迟到达的电波，由于相关解扩的作用， 只起到噪声干扰的作用。这就是利用 PN 码自相关特性，只是延迟超过半个 PN 码时片，其相关值就很小，可作为噪声来对待。另外，如果采用不同时延的匹配滤波器，把多径信
15、号分离出来，还可 以变害为利，将这些多径信号在相位上对齐相加，起到增加接收信号能量的作用。因此，直扩系统是一种有效的抗多径干扰的通信系统。第三章 基于 Simulink 的发射机的仿真扩频模块包括伪随机码生成和相关运算两个部分。不同的伪随机码表示着不同的扩频方式。常用的伪随机码有 m 序列（最大长度移位寄存器序列）、Gold 码序列等。在直序扩频序列通信系统中， 每一用户都分配到一固定的 PN 序列，用户之间的 PN 序列都是互为正交的，以使得每一用户不受到其他用户的干扰。扩频的过程可以简而言之为在发送端用 PN 码序列将载有信息的信号扩频到某个较宽的带宽上，然后在信道上进行传输。解扩过程与扩
16、频过程完全相同，也是将输入解扩模块的信号用伪随机码进行扩频处理。同时，要求接收端解扩频用的伪随机码与发送端扩频用的伪随机码不仅码字相同，而且相位相同；否则，将会导致期望用户的信号自身相互抵消。解扩处理将扩频后的信号压缩到信息频带内，有宽带信号恢复为窄带信号；同时，解扩处理的结果也扩展了干扰信号，降低了干扰信号的功率谱密度，使之进入到信息频带内的功率下降，从而使系统获得处理增益，提高了系统的抗干扰能力，图 3-1 是用户信息被扩展的框图图 3-1扩频框图3.1 直接序列扩频通信系统发射机的设计直接序列扩频通信系统的发射机系统结构如图 5-2 所示。其中设数据序列 a n 对应的其电平取值为1，码
17、元速率为 Ra bps，码元宽度为 Ta= 1/Ras。扩频所使用的伪随机序 C(t)也是电平取值为1 的双极性波形，伪随机序列的码元也称之为码片（chip），码片率设为 Rcchip/s，对应的码片宽度就是 Tc=1/Rc s。码片速率通常是数据速率的整数倍。对于双极性的波形而言，扩频过程等价于数据流 a(t)与伪随机序列 c(t) 相乘的过程，扩频输出序列设为 d(t) ,也是取值为1 的双极性波形，其速率等于码片速率。扩频序列经过调制后得到调制输出信号 s(t) 送入信道。所以有s(t) = d (t) cos 2pfc t = a(t)c(t) cos 2pfc t（3-1）扩频二进制
18、数据源a(t)d (t)s(t)数字调制发送c(t)PN序列图 3-2 直接序列扩频通信系统发射机结构图QPSK 和 BPSK 一样，传输信号包含的信息都存在于相位之中。QPSK（四相相移键控）具有两条通道，四个相位变换，所以能大大提高通信系统的可靠性传输效率。所以本文采取 QPSK 调制器来调制信号。由于 QPSK 调制器内部有两条通道，I 通道和 Q 通道两条正交的通道，两条通道的输入信号可以是相同的，也可以不同。本文两通道都将用于调制同一数据，输入数据 a(t) ，经过QPSK 调制后，输出信号有 s(t)s(t) = di (t) sin 2pfc t + dQ (t) cos 2pf
19、c t= aI (t)cI (t) sin 2pfc t + aQ (t)cQ (t) cos 2pfc t（3-2）3.2 基于 Simulink 的发射机的仿真建立一个传输速率 Ra =100bps，扩频码片速率为 Rc =2000chip/s， Rc / Ra =20，采用 m 序列作为扩频序列，以 QPSK 为调制方式的仿真模型，进行发射系统的仿真，观察其扩频前后的输出波形及频谱。发射机的系统仿真模型如图 3-3 所示。图 3-3 直接序列扩频通信系统发射机的仿真模型设置以下参数：Random Integer Generator数据输入源：用于产生数据流，采样时间 0.01s。如图 3
20、-4图 3-4PNSequenceGenerator伪码产生器：用于产生伪随机扩频序列，其采样频率为0.0005s。如图 3-5图 3-5Rate Transition 升速处理器：用于做升速处理，使扩频模块上的数据采样速率相同。输出速率为 2000chip/s。Rate Transition1 和 Rate Transition2 的输出速率为 8000 chip/s。Unipolar to Bipolar Converter单双极转换器： 用于完成数据和扩频的单双极变换。Product乘法器：用于完成输入信号与扩频码的模 2 加1.3。其输出就是扩频输出，其码速率等于采样速率，即每个采样点
21、代表一个码片。如图 3-6图 3-6Bipolar to Unipolar Converter双单极转换器：完成扩频输出由双极性到单极性转换。QPSK调制器：用于将扩频信号调制到中频。调制输出信号是复信号，采样率为 2000 次/s。如图 3-7图 3-7Scope波形观测器：用于观测输入输出信号波形。B-FFT频谱观测器：用于观察输入和输出信号的频谱变化。仿真结果如图 3-8，3-9,3-10,3-11 所示。图 3-8 发射机的仿真波形图图 3-9 扩频前的信号频谱图图 3-10 扩频后的信号频谱图组图 发射机的仿真频谱图仿真结果分析：从时域分析：图 3-8 就是直接序列扩频通信系统的发射
22、机时域波形图，其中第一条波形是输入信号波形，第二条是扩频序列波形，第三条是扩频后宽频信号波形。图 3-8 中显示出，当数据流为+1 时，扩频输出是对应的 PN 序列的原序列，当数据为-1 时，扩频输出就是 PN 序列的反相结果。且输出信号的码元速率增加，码元宽度变窄。从频域分析：图 3-9 为扩频前的信号频谱，可见数据信号的带宽约为 100HZ，其功率峰值约为20dB。当它和 2000HZ 的扩频序列相乘以后，信号的频谱会和扩频码频谱做卷积运算，输出波形如图 3-10 所示。从图 3-10 中可以看出信号经过扩频后的信号频谱带宽约为 2000HZ，是原来频谱宽度的 20 倍。从功率峰值方面看，
23、图 3-9 中输入信号的功率峰值为 20dB，经过扩频之后输出的宽频信号功率谱下降到 5dB 处。所以从频域方面看，信号带宽增加、功率下降。3.3 基于 Simulink 的接收机仿真设计本文信道采用 AWGN 信道来传输信号，信道中会有高斯噪声产生并混入信号之中。数据源采用的是发射机发送出来的扩频信号。解扩码序列采用的还是 PN 序列，由于 Simulink 仿真平台上的模块是可复制的，本文直接采用复制发射机的 PN 序列产生器以产生和扩频码序列一样的解扩码序列，这样本次接收机的设计就省略了时间同步系统，但是不会影响该仿真系统的性能。图 3-11 直接序列扩频通信系统接收机的仿真模型其中从解
24、扩开始为接收端，AWGN 为高斯白噪声信道，设置其噪声的均值为 10。正弦信号发生器产生频率为 200Hz 的单频干扰。PN Sequence Generator 为本地 PN 序列，是与发射机中的 PN 序列完全相同的。从加法器出来的信号即为接收到的信号，其中包含有有用信号，噪声和干扰，该信号和本地 PN 序列相乘进行解扩，Scope1 频谱仪中的频谱就是解扩后的接收信号的频谱，其中有用信号被还原为窄带信号，噪声和干扰的频谱反而被展宽。利用 Error Rate Calculation 模块对误码率进行测试，其中 Tx 为发送端，Rx 为接收端，中间加入 2 个数据码元的延迟是为了补偿接收延
25、迟。BPSK Demodulator Baseband1 为 BPSK 解调器。图 3-12 接收机的时域波形图图 3-13 接收机接收信号频谱图图 3-14 解调信号频谱图图 3-15 解扩输出信号频谱图图仿真结果分析：从时域分析：图 3-12 设计接收机的时域图，图中第一条是用户数据信号，第二条是解调信号的时域波形图，第三天是解扩信号的时域波形图。对比分析时域波形可以得出两点结论：一是解扩输出信号等于用户输入数据信号；二是该接收机能够将含有噪声的混合信号解扩出有效的数据信号。 从频域分析：对比图 3-13 和图 3-14，可以看出信号通过高斯噪声信道时，叠加了一些噪声成分。输入经过信道传输
26、周解扩出来仍旧是宽频信号，但是信号在加入噪声之后的功率谱高于接收机接收到的信号。对比图 3-14 和图 3-15 的频谱图形可以看出，该接收机将宽带的解调输出信号解扩后， 输出的是窄带信号，信号频谱为 100HZ，功率峰值将近 20dB，与发射机采用的输入信号一样。由此可见，本文搭建的接收机系统是能够实现解扩调制的。第四章直接序列扩频通信系统的抗干扰性能分析第三章已经完成了直接序列扩频通信系统的发射机和接收机的设计。并在 Simulink 平台上对设计好的发射机和接收机都分别进行了仿真测试。测试结果表明该系统的发射机和接收机功能完整。这一节将集中研究信号在整个扩频调制、信道传输、解扩调制过程中
27、的变化，以及人为在扩频系统中加入特定的干扰后，来进行仿真测试，根据仿真结果来研究整个系统的抗干扰性能。 主要想研究该仿真模块的解扩、解调功能，所以 AWGN 信道的噪声参数被设置为一个很温和的情况下。图 3-11 很直观的反映了，该系统能够实现解扩、解调功能，且该系统具有不错的抗干扰性能。在这里为了更好的研究该系统的抗干扰性能，我们将把信噪比继续降低，同时外加一些干扰成分，来研究该系统对不同干扰和噪声所反映出来的的抗干扰能力。基于 Simulink 的直接序列扩频通信系统的仿真模型如图 4- 1 所示图 4-1 直接序列扩频通信系统的仿真模型Sine Wave 单频信号干扰源：用于产生单频干扰
28、信号，其采样率为 1/300，其码片速率为100chip/s 。Error Rate Calculation 误码检测模块：用于测量解扩输出信号的误码率。+(and)加法模块：用于将干扰信号加入信道输出的混合信号中。AWGNChannel 模块中的中 SNR 设置为 10dB。其余所有模块的参数设置参照 5.3 节接收机的相应模块设置参数。表示这次信道中噪声功率增大，同时还叠加了一些 100HZ 的单频干扰。这样信号经过信道之后过来的就是一个混合的多路复杂信号，有宽频的信号，单频的干扰，以及信道噪声等。仿真结果如图 4-2 和图 4-3 所示。图 4-2 系统输入和输出仿真波形图图 4-3 加
29、干扰前后的系统仿真波形图图 4-4 输入信号频谱图图 4-5 扩频调制输出信号频谱图图 4-6 解调输出信号频谱图图 4-7 解扩输出信号频谱图仿真结果分析：从时域分析：图 4-2 中第一条波形是输入信号波形，第二条波形是输出信号波形。对比两个波形可以看出解扩输出信号等于用户输入信号。图 4-3 第一条波形是加入干扰前的，第二条是加入干扰和噪声之后的波形图，波形中有一些频率较低的部分就是噪声和干扰成分。对比两条波形可以看出，信道中的干扰和噪声对信号有一定的影响，但是能解扩出和原始信号几乎一样的波形，这说明有噪声和干扰的情况下，该系统是能够解扩出输入用户数据信号的。从频域分析：图 4-4 到图
30、4-5 是信号经过扩频调制的过程。图 4-6 是扩频输出信号经过信道加入了高斯白噪声和单频干扰之后的混合信号。由图 4-5 和图 4-6 的对比可以得出信号进过信道时混入了噪声成分，而且系统中还有人为加入的干扰成分。图 4-6 与图 4-7 的频谱变化说明了加入了信道噪声和人为干扰之后，该系统仍旧能够的解扩出原始信号，原来的输入信号由于其与解扩序列的相关性而被完全解调成原来的 100HZ 的宽度。充分说明直接序列扩频通信系统具有良好的隐蔽性和抗干扰性。总的来说，解扩输出信号频谱宽度、时域的波形、功率峰值都和输入信号一样。输出信号的误码率仅为 0.23。这都充分的说明了直接序列扩频通信系统具有良好的抗干扰性和良好的隐蔽性。第五章 CDMA 系统仿真设计CDMA 系统是以扩频调制技术和码分多址技术为基础的数字蜂窝移动通信系统。它为每个用户分配各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。每个地址码通过相互间的正交性进行区别，换句话说，就是每个用户有自己的地址码，彼此之间的地址码相互独立，实现多个用户可以在同一时间同一地区共享同一频率进行通信，不被影响。这样就能提高通信系统的效率，节约了频率资源。对每个用户来说，来自其他用户的数据信息也是一
