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1、西北工业大学明德学院本科毕业设计论文摘 要直接扩频序列调制是用速率很高的伪噪声码序列与信息码序列模二相加后（波形相乘）得带复合码序列，用复合码序列去制载波相位，从而获得直接扩频序列信号的。直接扩频通信具有低截获概率、抗干扰能力强以及易于实现码分多址等优点，在抗干扰通信及民用移动通信中都得到了广泛的应用。先阐述了扩频通信的基本原理、主要性能指标及其工作特点，然后根据香农定理在抗下扰理论，借助工具箱和仿真算法，建立了直接序列扩频通信系统仿真模型。通过分析无干扰时的误码率仿真曲线与理论计算值，证明了所建仿真模型的正确性。在MATLAB程序仿真部分，主要分为6大部分，分别为主函数，发送模块，接收模块，
2、AWNG信道，Walsh函数和差错计数器。通过主函数对各个子函数的调用，实现4个用户的随机数据的发送和接收，同时生成前4个用户在整个传输过程中的各种波形变化图，并对系统信噪比与误码率关系进行分析。扩频通信是通信的一个重要分支和信道通信系统的发展方向。扩频技术具有抗干扰能力强，保密性好，易于实现多址通信等优点，因此该技术越来越受到人们的重视，这也是选择本次课题研究的原因所在。关键词：直接序列扩频信号，通信，MATLABABSTRACTDirect-sequence spread spectrum transmitters (DS-SS) use a periodical pseudo-rando
3、m sequence (PN sequence) to modulate the baseband signal,and exploit the modulated signal to control the phase of carrier wave. Because DS signals show many advantages such as anti-jamming capability. low probability of interception. multiple access capability and so on. direct sequence spread spect
4、rum signals have been widely applied for secure communications and mobile communications known as Code Division Multiple Access System.This thesis expounds the basic principles of spread spectrum communication, and then article mainly acts according to the Shannon theorem.with the aid of matlab tool
5、box. it has established the direct sequence spread spectrum communications system simulation model which does not have when the disturbance through the analysis corror rate simulation curve and theory predicted value, had proven constructs the simulation model the accuracy.In the MATLAB simulation p
6、art, mainly divides into six parts, respectively is given priority to function, sending module, receiving module, AWNG channel, Walsh function and error counter. Through the main function of each function call, realize four user random data sending and receiving, at the same time generate before fou
7、r users throughout the various waveform variation in the process of transmission, and the relationship between signal to noise ratio and bit error rate of the system were analyzed.Spread spectrum communication is an important branch of communication and channel development direction of communication
8、 system. Spread spectrum technology has the features such as strong anti-jamming capability, the secrecy good, the advantages of easy to realize multiple access communication, therefore the technology more and more get the attention of people, this is also why choose this topic research.Key words: D
9、irect sequence spread spectrum, communication, MATLABII目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论1第二章 MATLAB仿真工具32.1 MATLAB简介32.1.1 MATLAB产生的历史背景32.1.2 MATLAB的语言特点和开发环境42.2 SIMULINK简介52.2.1 Simulink基本操作62.2.2系统仿真步骤62.2.3启动系统仿真6第三章 扩频通信系统73.1 扩展频谱通信的定义73.2 扩频通信的理论基础73.3 扩频通信的主要性能指标83.5 频谱扩展的实现和直接序列扩频113.6 扩频系统需要满足以下几个
10、条件133.7 扩频通信特征13第四章 直序扩频通信系统154.1 直序扩频通信系统框图154.2 直接序列扩频信号的产生原理154.3 直接序列扩频原理164.4 直扩系统的性能174.4.1 直扩系统的抗干扰性174.4.2 直扩信号的抗截获性184.4.3 直扩码分多址通信系统194.4.4 直扩系统的抗多径干扰性能204.4.5 直扩测距定时系统204.5 直接序列扩频信号的实现方法20第五章 直接扩频系统MATLAB仿真225.1 直接扩频MATLAB仿真组成框图225.2 m序列发生器225.3 高斯噪声235.4 干扰235.5 解扩判决235.6 仿真结果分析245.7 实验心
11、得25参考文献26致 谢28毕业设计小结29附 录30第一章 绪 论人类社会进入到了信息社会，通信现代化是人类社会进入信息时代的重要标志。怎样在恶劣的环境条件下保证通信有效地、准确地、迅速地进行，是当今通信工作者所面临的一大课题。扩展频谱通信是现代通信系统中的一种新兴的通信方式，其较强的抗干扰、抗衰落和抗多径性能以及频谱利用率高、多址通信等诸多优点越来越多的为人们所认识，并被广泛的应用于军事通信和民用通信的各个领域，从而推动了通信事业的迅速发展。扩频通信，即(Spread Spectrum Communication)扩展频谱通信，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信
12、传输方式。扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码(扩频序列：Spread Sequence)调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。这种通信方式与常规的窄道通信方式是有区别的： 首先，信息在频谱扩展后形成宽带传输；其次，相关处理后恢复成窄带信息数据。在扩展频谱系统中，伪随机序列起着很重要的作用。在直扩系统中，用伪随机序列将传输信息扩展，在接收时又用它将信号压缩，并使干扰信号功率扩散，提高了系统的抗干扰能力；伪随机序列性能的好坏直接关系到整个系统性能的好坏，是一个至关重要的问题。扩频信号的接收一般分为两步进行，即解扩与解调，这是关系到系统性能优劣
13、的关键。解扩是在伪随机码同步的情况下，通过对接收信号的相关处理从而获得处理增益，提高解跳器输入端的信噪比，使系统的误码性能得以改善。解扩与解调的顺序一般是不能颠倒的，通常是先进行解扩后再进行解调，这是因为在未解扩之前的信噪比是很低的，一般的解调方法很难实现。正是由于这些技术的应用，使扩频通信有如下的优点： (1)具有较强的抗干扰能力。这种能力的大小与处理增益成正比。(2)具有很强的隐蔽性和抗窃听的能力。扩频信号的谱密度很低，可使信号淹没在噪声之中。(3)具有选址能力，可实现码分多址。扩频系统本来就是一种码分多址通信系统。(4)抗衰落，特别是抗频率选择性好。直序信号的频谱很宽，一小部分衰落对整个
14、信号的影响不大。(5)抗多径干扰。利用伪随机码的相关特性，只要多径时延超过伪随机码的一个切谱，通过相关处理后可消除这种干扰影响。(6)高精度测量等。利用直扩系统伪随机码的相关特性，可完成精度很高的测距和定位。正是由于扩频通信技术具有上述优点，自50年代中期美国军方便开始研究，一直为军事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。直到80年代初才被应用于民用通信领域。为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系
15、统中。第二章 MATLAB仿真工具2.1 MATLAB简介MATLAB是美国MathWorks公司生产的一个为科学和工程计算专门设计的交互式大型软件，是一个可以完成各种精确计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。它集图示和精确计算于一身，在应用数学、物理、化工、机电工程、医药、金融和其他需要进行复杂数值计算的领域得到了广泛应用。它不仅是一个在各类工程设计中便于使用的运算工具，而且也是一个在数学、数值分析和工程计算等课程教学中的优秀的教学工具，在世界各地的高等院校中十分流行，在各类工业应用中更有不俗的表现。MATLAB可以在几乎所有的PC机和大型计算机上运行，适用于Windows、UNIX等
16、多种系统平台。2.1.1 MATLAB产生的历史背景MATLAB名称是由两个英文单词Maix和Laboratory的前两个字母组成。20世纪70年代后期，美闺新墨阳哥大学计算机系主任Cleve. Moler教授为了便于教学，减轻学生编写Fortran程序的负担，为两个矩阵运算软件包Linpack和Eispack编写了接口程序，这也许就算MATLAB的第一个版本。1984年，在JackLittlc(也称JohnLittlc)的建议推动下，由Littlc、Molcr、StevcBangcrt二人合作，成立rMathWorks公司，同时把MATLAB 正式推向市场。从那时开始，MATLAB的源代码采
17、用C语音编写，除加强了原有的数值计算能力外，还增加了数据图形的可视化功能。1993年，MathWorks公司推出了MATLAB的4.0版本，系统平台由DOS改为Windows，推出了功能强大的、可视化的、交互环境的用于模拟非线性动态系统的工具Simulink，第一次成功开发出了符号计算工具包Symbolic Math Toolbox 1.0，为MATLAB进行实时数据分析、处理和硬件开发而推出了与外部直接进行数据交换的组件，为MATLAB能融科学计算、图形可视、文字处理于一体而制作了Notebook，实现了MATLAB与人型文字处理软件Word的成功对接。至此，MathWorks便MATLAB
18、成为国际控制界公认的标准计算软件。1997年，MathWorks公司推出了MATLAB的5.0版本，紧接着产生了5.1、5.2版本，至J999年MATLAB发展到5.3版本。MATLAB拥有了更丰富的数据类型和结构，更好的面向对缘的快速精美的图形界面，更多的数学和数据分析资源，MATLAB工具也达到了25个，几乎涌盖了整个科学技术运算领域。在大部分学生里，应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教材都把MATLAB作为必不可少的内容。在国际学术界，MATLAB被确认为最准确可靠的科学计算标准软件，在许多国际一流的学术刊物上都可以看到MATL
19、AB在各个领域里的应用。2.1.2 MATLAB的语言特点和开发环境MATLAB作为一种科学计算的高级语之所以受欢迎，就是因为它有十富的函数资源和工具箱资源，编群人员可以根据自己的需要选择函数，而无需再去编写大量繁琐的程序代码，从而减轻了编程人员的工作负担。被称为第四代编程语言的MATLAB最大的特点就是简洁开放的程序代码和直观实用的开发环境。具体地说MATLAB主要有以下特点：(1)库函数资源丰富数百种席函数大大减轻了用户予程序的编写工作量，也避免了一些不必要的错误，吲而刖广也不必担心程序的可靠性问题。(2)语言精炼，代码灵活MATLAB的编程语言符合人们的思维习惯，对代码的书写也没有特别严
20、格的控制，语言精炼，程序的亢余度非常小。(3)运算符多而灵活MATLLAB的内核是用C语言编写的，它为用户广提供了和C语言一样多的运算符，用户运用这些运算符可以使程序更加简炼。(4)面向对象，控制功能优良MATLAB在5x各版本中优化了数据结构使得程序的结构化控制更精良，面向对象的功能更加友善。特别是当前的7.0版，在可视化编程方面比以前的版本又有了更大的提高，使界面编程更方便、自由。 (5)程序设计自由MATLAB7.0版支持长变量名达到63个字符，用户可以不对矩阵进行预定义就使用，变量和数组的应用也有了很大的扩展，这为用户编写程序提供了更大的自由度，使编程更加简单、方便。(6)图形功能强大
21、在很多程序语言中，绘制图形是一件很麻烦的事情。但在MATLAB中，只需调用相应的绘图函数即可，既方便义迅速。随着硬件的发展和MATLAB7.0推出，MATLAB的图形功能更好，可视化编程能力得到更进一步的提高。(7)程序的兼容性好MATLAB可以在各种PC机、大型计算机和各种操作系统上运行。(8)源代码开放MATLAB的最重要的特点是源代码的开放性，除了内部函数，所有的MATLAB核心文件和工具箱文什都完全开放，都可读可改。用户对源文件修改就可以生成适合自己的源代码文件。(9)形形色色的工具箱凡有工具箱的软件大都分为两大部分，就是核心部分和形形色色的工具箱。MATLAB有数百个核心内部函数，数
22、十个形形色色的工具箱。工具箱大致可以分为两大类，类是学科性工具箱，另一类是功能性工具箱。学科性工具箱大都涵盖了本学科所有的已有的基本概念和基本运算，大都十分专业。如符号数学工具箱，简直就是一个高等数学、工程数学解题器。极限、导数、微分、积分、级数运算与展开、微分方程求解、Laplace变换等应有尽有。还有控制系统、信号处理、模糊逻辑、神经网络、小波分析、统计：优化、金融预测等工具箱，无一不是非常优秀的运算-具。这些工具箱都可以添加自己根据需要编写的函数，用户可以不断更新自己的工具箱，使之更适合于自己的研究和计算。2.2 SIMULINK简介SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态
23、系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些摹本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.dml文件进行存取），进而进行仿真与分析。SIMULINK已经成为在动态系统建模和仿真方面应用最广泛的软件包之一，确切地说，它是对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。它支持线性
24、和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统。2.2.1 Simulink基本操作运行Simulink方式有三种：(1)在MATLAB的命令窗口直接键入“Simulink”；(2)单击MATLAB工具条上的Simulink图标；(3)在MATLAB菜单上选择File-New-Model。选择第3种方式运行后会显示Simulink模块库浏览器以及新建模型窗口，Simulink模块库包括：(1)Sourccs：输入源模块；(2)Sinks：接收模块；(3)Continuous：连续系统模块；(4)Discrete：离散系统模块；(5)Signals&Systems：信号与系统模块；
25、(6)Math：数学运算模块。新建模型窗口是Windows的一个标准窗口，用户可用鼠标拖入Simulink模块库浏览器中的模块，用户可以用鼠标对模块进行修改或设置各模块的参数。2.2.2系统仿真步骤(1)根据系统图，在窗口中绘制仿真框图。(2)根据实验要求设置各环节系数。将鼠标移至欲修改的单元上，双击鼠标左键，Windows将弹出对话框供用户修改该环节的参数，不同环节的对话框略有不同，对话框由若干个编辑框和按钮组成，在编辑框内输入希望的参数，然后按OK按钮确认修改的参数或Cancel按钮取消修改。2.2.3启动系统仿真通过菜单启动系统仿真或通过工具栏起动系统仿真，这时Windows将弹出一曲线
26、窗口显示仿真曲线。第三章 扩频通信系统3.1 扩展频谱通信的定义所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：“扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。”这一定义包含了以下三方面的意思： (1)信号的频谱被展宽了。(2)采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。(3)在接收端用相关解调来解扩。3.2 扩频通信的理论基础长期以来，人们总是想法使信号所占领谱尽量的窄，以充分利用十分宝贵的频谱资源。为什么要用这样宽频带的信
27、号来传送信息呢？简单的回答就是主要为了通信的安全可靠。 扩频通信的基本特点，是传输信号所占用的频带宽度(W)远大于原始信息本身实际所需的最小(有效)带宽(DF)，其比值称为处理增益Gp。 众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，如话音为1.7 3.1kHz，电视图像则宽到数兆赫。为了充分利用有限的频率资源，增加通路数目，人们广泛选择不同调制方式，采用宽频信道(同轴电缆、微波和光纤等)，和压缩频带等措施，同时力求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽。因现今使用的电话、广播系统中，无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式，Gp值一般都在十多倍范围内，统称为“窄带通信”。而扩频通信的Gp
28、值，高达数百、上千，称为“宽带通信”。扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。 信息论中关于信息容量的香农(Shannon)公式为： (3-1)式中：C - 信道容量(用传输速率度量) W - 信号频带宽度 P - 信号功率 N - 白噪声功率 式(3-1)说明，在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比PN是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比PN(SN)情况下，传输信息。扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。总之，我们用信息带宽的100倍，甚至1000倍以上的宽带信号来传输信息，就是为了提高
29、通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。3.3 扩频通信的主要性能指标处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。 (1)处理增益G也称扩频增益(Spreading Gain) 它定义为频谱扩展前的信息带宽DF与频带扩展后的信号带宽W之比： (3-2)在扩频通信系统中，接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽为DF 信息，而排除掉宽频带W中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。因此，处理增益G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。 (2)抗干扰容限是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为： (3-3)其中
30、：- 抗干扰容限- 处理增益 - 信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比 - 接收系统的工作损耗 由此可见，抗干扰容限与扩频处理增益成正比，扩频处理增益提高后，抗干扰容限大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。通常的扩频设备总是将用户信息(待传输信息)的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽可能地提高处理增益。3.4 扩频通信的主要特点(1)抗干扰性强，误码率低扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，而收端又采用相关检测的办法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。这祥，对于各种干扰信号，因其在收端的非相关性，解
31、扩后窄带信号中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干扰性强。扩频通信的抗干扰如图3-1。图3-1 扩频系统抗干扰频谱示意图从图3-1可以看出，对于脉冲干扰， 由于在信号的接收过程中，它是一个被一次“模二相加”过程，可以看成是一个被扩频过程，其带宽将被扩展，而有用信号却是一个被二次模二相加过程，是一个解扩过程，其信号被恢复(压缩)后，保证高于干扰。由于扩频系统这一优良性能，其误码率很低，正常条件下可达，最差条件下也可达，抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点。(2)易于同频使用，提高了无线频谱利用率用户只能使用申请获得的频率，依靠频道划分来防止信道之间发生干扰。由于扩频通信采用了相关接收这一高技术
32、，信号发送功率极低，且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率，也可以与现今各种窄带通信共享同一频率资源。(3)抗多径干扰在无线通信中，抗多径干扰问题一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性，在接收端可以用淹没中提取出来，在目前商用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作于负信噪相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。(4)可以实现码分多址 扩频通信提高了抗干扰性能，但付出了占用频带宽的代价。如果让许多用户共用这一宽频带，则可大为提高频带的利用率。由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调
33、制，充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。这样一来，在一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。(5)隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率很小，信号湮没在噪声里，一般不容易被发现，而想进一步检测信号的参数(如伪随机编码序列)就更加困难，因此说其隐蔽性好。再者，由于扩频信号具有很低的功率谱密度，它对目前使用的各种窄带通信系统的干扰很小。(6)扩频通信是数字通信，特别适合数字话音和数据同时传输，扩频通信自身具
34、有加密功能，保密性强，便于开展各种通信业务。扩频通信容易采用码分多址、语音压缩等多项新技术，更加适用于计算机网络以及数字化的话音、图像信息传输。(7)扩频通信绝大部分是数字电路，设备高度集成，安装简便，易于维护，也十分小巧可靠，便于安装，便于扩展，平均无故障率时间也很长。(8)扩频设备一般采用积木式结构，组网方式灵活，方便统一规划，分期实施，利于扩容。3.5 频谱扩展的实现和直接序列扩频频谱的扩展是用数字化方式实现的。在一个二进制码位的时段内用一组新的多位长的码型予以置换，新码型的码速率远远高出原码的码速率，由傅立叶分析可知新码型的带宽远远高出原码的带宽，从而将信号的带宽进行了扩展。这些新的码
35、型也叫伪随机(PN)码，码位越长系统性能越高。通常，商用扩频系统PN码码长应不低于12位，一般取32位，军用系统可达千位。目前常见的码型有以下三种：(1)M序列，即最长线性伪随机系列；(2)GOLD序列；(3)WALSH函数正交码。当选取上述任意一个序列后，如M序列，将其中可用的编码，即正交码，两两组合，并划分为若干组，各组分别代表不同用户，组内两个码型分别表示原始信息1和0。系统对原始信息进行编码、传送，接收端利用相关处理器对接收信号与本地码型相关进行相关运算，解出基带信号(即原始信息)实现解扩，从而区分出不同用户的不同信息。微波无线扩频通信的原理见图3-2。图3-2 扩频通信原理由图3-2
36、可见，一般的无线扩频通信系统都要进行三次调制。一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制。接收端有相应的射频解调，扩频解调和信息解调。根据扩展频谱的方式不同，扩频通信系统可分为：直接序列扩频(DS)、跳频(FH)、跳时(TH)、线性调频以及以上几种方法的组合。图3-3 信息的频谱扩展过程（1源信号，2PN码，3扩展后的信号）直接序列扩频(DS-Direct Scquency)，就是用高码率的扩频码序列在发端直接去扩展信号的频谱，在收端直接使用相同的扩频码序列对扩展的信号频谱进行解调，还原出原始的信息。直接序列扩频的频谱扩展和解扩过程见图3-3和图3-4所示。从图3-3、3-4上
37、可以看出：在发端，信息码经码率较高的PN码调制以后，频谱被扩展了。在收端，扩频信号经同样的PN码解调以后，信息码被恢复；信息码经调制、扩频传输、解调然后恢复的过程，类似与PN码进行了二次“模二相加”的过程。在图3-3、3-4中还可以用能量面积图示概念看出：待传信息的频谱被扩展了以后，能量被均匀地分布在较宽的频带上，功率谱密度下降；扩频信号解扩以后，宽带信号恢复成窄带信息，功率谱密度上升；相对与信息信号，脉冲干扰只经过了一次被模二相加的调制过程，频谱被扩展，功率谱密度下降，从而使有用信息在噪声干扰中被提取出来。图3-4 扩频信号的解扩过程（1待传信号，2PN码，3解调后的扩频信号）3.6 扩频系
38、统需要满足以下几个条件 (1)信号占用的带宽远远超出发送信息所需的最小带宽。(2)扩频是由扩频信号(spreading singnal)实现的，扩频信号通常称为编码信号(code signal)，与数据无关。(3)接收端解扩(恢复原始信号)是将接收机的扩频信号与扩频信号的同步副本通过相关完成。标准的调制方式，如频率调制，脉冲编码调制也扩展了原始信号的频谱，但它们并不满足上述条件，因此不能称为扩频系统。3.7 扩频通信特征(1)是一种数字传输方式。(2)带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息进行调制实现的。(3)在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息
39、。第四章 直序扩频通信系统4.1 直序扩频通信系统框图直接序列(DS)扩频是一种直接用具有高码元速率的PN码序列在发送端扩展基带信号的频谱，在接收端用相同的PN码序列进行解扩,把展宽的扩频信号还原成原始的信息。图4-1为直接扩频系统的组成与原理框图。图4-1 直扩系统组成原理框图4.2 直接序列扩频信号的产生原理直接序列扩频系统是目前广泛应用的一种扩展频谱系统。美国的国际卫星通信系统和全球定位系统都是直接序列扩频系统的应用实例。直接序列扩频系统采用直接序列扩频信号体制。下面就从伪随机码序列(m序列和GOLD码序列)的产生原理、调制信号的产生原理几方面来说明直接序列扩频信号的产生原理。(1)m码
40、序列的产生原理伪随机码序列是一种具有类似白噪声统计特性的编码信号，通常作为扩频系统的扩展码。M码序列是移位寄存器序列。M码序列可以由移位寄存器加反馈产生，如图4-2所示。图4-2 n级反馈移位寄存器的结构Cn是每个移位寄存器的初值，可以是1或0，An是第n级移位寄存器的反馈系数，An=0时表示无反馈，反馈线断开：An=1时表示有反馈，反馈线相连。这种结构的A0和An必须有反馈，否则n级最长线性反馈移位寄存器将简化为n-1级最长线性反馈移位寄存器。采用不同的反馈逻辑，即An的不同取值将产生不同的移位寄存序列。N级最长线性反馈移位寄存器的周期为2n-1，n为移位寄存器的级数。 (1)GOLD码序列
41、的产生原理由于m码序列具有的移位寄存序列不能满足扩频系统码分多址的要求，因此实际采用的地址由2个长度和速率相同的m码序列优选对模2相加得到GOLD码序列。GOLD码序列产生的移位寄存序列为2n+1个。GOLD码序列可以通过2个m码序列优选对串联产生，如图4-3所示。图4-3 有2个n=6的m码序列优选对串联产生的GOLD码序列由2个n=6的m码序列优选对串联组成1个n=12的移位寄存器序列(GOLD码序列)不是最长线性移位寄存器序列。根据Cn和Dn(n+16)的不同取值产生的GOLD码序列总共为26+1=65条。4.3 直接序列扩频原理直接序列扩频的实质是用一组编码序列调制载波，其调制过程可以
42、简化表示为：信码和扩展码序列模2相加进行扩频调制，产生扩频调制信号；扩频调制信号对载波反相键控进行载波调制，产生直接序列扩频信号，如图4-4所示，任意波形发生器的实现方法。图4-4 直接序列扩频信号的产生原理理想的任意波形发生器既是一种信号源，又是一种调制源。4.4 直扩系统的性能4.4.1 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出的扩频处理增益，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4-5为直扩系统抗宽带干扰的示意图。这里的宽带干扰是泛指的与
43、扩频信号不相关的，在通信网中，其它用户的信号就是一种宽带干扰。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，而宽带干扰通过相关器，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，从而提高了输出的信噪比。 (a)接收机输入的信号及干扰的功率谱 (b)相关器输出的信号及干扰的功率谱图4-5 直扩系统抗宽带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4-6（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
44、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。 (a)未解扩的功率谱 (b)解扩后的功率谱图4-6 直扩系统抗窄带干扰示意图4.4.2 直扩信号的抗截获性 截获敌方信号的目的在于： 1.发现敌方信号的存在。2.确定敌方信号的频率。 3.确定敌方发射机的方向。 理论分析表明，信号的检测概率与信号能量与噪声功率谱密度之比成正比，与信号的频带宽度成反比。直扩信号正好具有这两方面的优势，它的功率谱密度很低，单位时间内的能量就很小，同时它的频带很宽。因此，它具有很强的抗截获性。 如果满足直扩信号在接收机输
45、入端的功率低于或与外来噪声及接收机本身的热噪声功率相比拟的条件、则一般接收机发现不了直扩信号的存在。另外，由于直扩信号的宽频带特性，截获时需要在很宽的频率范围进行搜索和监测，也是困难之一。因此，直扩信号可以用来进行隐藏通信。至于如何发现敌方直扩信号的存在，和弄清楚其参数，即直扩信号的检测与估值问题。4.4.3 直扩码分多址通信系统 多址通信系统指的是许多用户组成的一个通信网，网中任何两个用户都可以通信，且许多对用户同时通信时互不不扰。应用直扩系统就很容易组成这样一个多址通信系统(网)。具体的做法是给每一个用户分配一个PN码作为地址码。首先，利用直扩信号中PN码的相关特性来区分不同的用户，每个用
46、户只能收到其他用户按其地址码发来的信号，此时自相关特性出现峰值，可以判别出是有用信号。对于其他用户发来的别的信号，因PN码不同时互相关值很小，不会被解扩出来。其次，利用直扩信号中频谱扩展，功率谱密度很低的特性，可以有许多用户共用同一宽频带。此时相互之间干扰很小，可以当作噪声处理。另外，每个用户占用的频宽很窄，相对说来，频谱利用率也是高的。实现直扩码分多址通信值得注意的问题有： 1. 是要选择有优良互相关特性的码。 一般多采用有二值或三值相关特性的码作为地址码。同时还需要有一定的数量。Gold码就可以作为地址码来用，它既有较优良的相关特性，也有足够的数量可供选。 2. 是要注意克服“远近”问题。 所谓“远一近”问题指的是距离近的用户的信号强，它会干扰距离远的弱信号的接收。解决的办法是采用自动功率控制，自动调节各用户的发射功率，使达到接收机时各用户信号功率基本相等，也就是满足接收机输入端等功率的条件，才能正确地区分有用信号。 3. 是同时通话的用户数，决定于整个网内的噪声水平。 因此，直扩码分多址系统是一种噪声受限的系统。随着用户数的增加，通信质量逐渐变坏。4.4.4 直扩