直接序列扩频通信系统的仿真

成绩评定表课程设计任务书摘要直接序列扩频(DSSS—Direct Sequence Spread Spectrum)技术是当今人们所熟知的扩频技术之一。

这种技术是将要发送的信息用伪随机码（PN码）扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信息。

当时该技术并没有引起美国军方的重视，直到十九世纪八十年代才引起关注，将它用于敌对环境中的无线通信系统。

直接序列扩频通信系统（DS-CDMA）因其抗干扰性强、隐蔽性好、易于实现码分多址（CDMA）、抗多径干扰、直扩通信速率高等众多优点，而被广泛应用于许多领域中。

针对直接序列扩频通信广泛的应用，本文用Matlab仿真程序画出调制信号、载波、已调信号、相干解调之后信号的波形以及功率频谱密度，分析所设计系统性能，理解其原理。

用 Matlab-Simulink仿真建立基于相干解调的直接序列扩频通信系统仿真模型，详细叙述模块参数的设置。

先对直接序列扩频系统原理进行介绍，然后基于Simulink 的仿真，并对仿真结果做了详细的讲解分析，使其更加形象和具体。

关键词:直接序列扩频码分多址 MATLAB仿真 SINMULINK模块仿真I目录1 课程设计目的 (1)2 课程设计要求 (1)3 相关知识 (1)4 课程设计分析 (3)5 仿真 (7)6结果分析 (12)7 参考文献 (15)II直接序列扩频通信系统的仿真1.课程设计目的（1）培养独立开展科研的能力和编程能力。

（2）掌握用MATLAB实现信号的PM调制。

（3）掌握MATLAB软件的使用。

2.课程设计要求（1）掌握MATLAB使用方法，利用软件绘制图像。

（2）程序设计合理、能够正确运行。

3.相关知识3.1扩频通信概念及分类扩频通信是扩展频谱通信的简称。

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1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。

3.2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。

3.3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3-1 直接序列扩频通信系统的原理框图图3-1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，其输出为频谱带宽被扩展的信号，这个过程称为扩频。

2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。

图3-2 扩频和解扩的频谱变化过程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1~100MHz。

通过扩频解扩处理能够提高抗干扰能力。

扩展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。

4.课程设计分析4.1直接序列扩频的基本原理34在发送端输入信息码元m （t ），它是二进制数据，图中为0、1两个码元，其码元宽度为b T 。

加入扩频解调器，图中为模2加法器，扩频码为一个伪随机码（PN 码），记作p （t ）。

伪码的波形如图 4-1 中的第（2）个波形，其码元宽度为p T ，且取b T =16p T 。

通常在DS 系统中，伪码的速率p R 远远大于信码速率m R ，即()()()c t m t p t =⊕p R m R ，也就是说，伪码的宽度p T 远远小于信码的宽度b T ，即p T b T ，这样才能展宽频谱。

模2加法器的运算规则可用下式表示()()()c t m t p t =⊕ （4—1）当m （t ）与p （t ）符号相同时，c （t ）为0；而当m （t ）与p （t ）不同时，则为1。

c （t ）的波形如图4-1所示中的第（3）个波形。

由图可见，当信码m （t ）为0时，c （t ）与p （t ）相同；而当信码m （t ）为1时，则c （t ）为p （t ）取反既是。

显然，包含信码的c （t ）其码元宽度已变成了p T ，即已进行了频谱扩展。

其扩展处理增益也可用下式表示10l g b p pTG T = （4—2）在b T 一定的情况下，若伪码速率越高，即伪码宽度（码片宽度）p T 越窄，则扩频处理增益越大。

经过扩频，还要载频调制，以便信号在信道上有效的传输。

图中采用二相相移键控方式。

调相器可由环行调制器完成，即将c （t ）与载频1cos A t ω相乘，输出为()1s t 。

即()()11cos s t c t A t ω= （4—3）式中，()1011c t ⎧⎪=⎨- ⎪⎩当二进制序列为码当二进制序列为码（4—4）因此，经过扩频和相位调制后的信号()1s t 为5()()1111cos cos cos A ts t Ac t t A tωωω ⎧⎪==⎨ -⎪⎩ （4—5）由上面讨论可知，经过扩频调制信号c （t ）可看作只取±1的二进制波形，然后对载频进行调制，这里是采用调相（QPSK ）。

所谓调制，就是指相乘过程，可采用相乘器，环行调制器（或平衡调制器），最后得到的是抑制载波双边带振幅调制信号。

这里假定平衡调制器是理想对称，码序列取+1、-1的概率相同，即调制信号无直流分量，这样平衡调制器输出的已调波中，无载波分量。

()1s t 通过发射机中推动级、功放和输出电路加至天线发射出去。

通常载波频率较高，或者说载波周期c T 较小，它远小于伪码的周期p T ，即 满足c T p T 。

但图4-1中（4）示出的载波波形c T =宽度为p T ，这是为了便于看 清楚一些，否则要在一个p T 期间内画几十个甚至几百个正弦波。

对于QPSK 来 说，主要是看清楚已调波与调制信号之间的相位关系。

图4-1中的第（5）个图 为已调波()1s t 的波形。

这里，当c （t ）为一码时，已调波与载波取反相；而 当c （t ）为0码时，取同相。

已调波与载波的相位关系如图4-1中的第（6）个6图所示。

图4-1 直扩通信系统的主要相位或波形接收端的工作原理：假设发射的信号经过信道传输，不出现差错，经过接收机前端电路（包括输入电路、高频放大器等），输出仍为()1s t 。

这里不考虑信道衰减问题，因为对QPSK 调制信号而言，重要的是相位问题，这里的假定对分析工作原理是不受影响的。

相关器完成相干解调和解扩。

接收机中的本振信号频率与载波相差为一个固定的中频。

假定收端的伪码（PN ）与发端的PN 码相同。

接收端本地调相情况与发端相似，这里的调制信号是p （t ），即调相器输出信号()2s t 的相位仅取决于p （t ），当p （t ）=1时，()2s t 的相位为π；当p （t ）=0时，()2s t 的相位为0。

7信号()2s t 的相位如图4-1中（7）所示。

相关器的作用在这里可等效为对输入相关器的()1s t 、()2s t 相位进行模2加。

对二元制的0、π而言，同号模2加为0，异号模2加为π。

因此相关器的输出的中频相位如图4-1中的（8）所示。

然后通过中频滤波器。

滤除不相关的各种干扰，经解调恢复出原始信息。

这一过程说明了直扩系统的基本原理和它是怎样通过对信号进行扩频与解扩处理从而获得提高输出信噪比的好处的。

它体现了直扩系统的抗干扰能力。

4.2 直扩系统的性能4.2.1 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P G ，P G 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4-2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扩频信号不相关的，在CDMA 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。

图4-2 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4-2（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。

5.仿真85.1程序代码function dscdmamodem(user,snr_in_dbs)%建立模型：用户信息，snr_in_dbs为信噪比%设置初始参数user=[0 1 0 1 1 0 1] ;close all%定义步长变量%length_user=length(user);%改变用户数据中的0为-1for i=1:length_userif user(i)==0user(i)=-1;endend% 用户传输前设置fc=3; % 载频eb=2; % 每个字符的能量tb=1; % 每个信息比特所占的时间%用户输入的数据信息t=0.01:0.01:tb*length_user;basebandsig=[];for i=1:length_userfor j=0.01:0.01:tbif user(i)==1basebandsig=[basebandsig 1]; elsebasebandsig=[basebandsig -1];9endendendfigureplot(basebandsig)axis([0 100*length_user -1.5 1.5]);title('用户输入的信息')% 用户的BPSK调制过程bpskmod=[];for i=1:length_userfor j=0.01:0.01:tbbpskmod=[bpskmod sqrt(2*eb)*user(i)*cos(2*pi*fc*j)]; endendlength(bpskmod)%用户BPSK调制后的波形图输出figureplot(bpskmod)axis([0 100*length_user -3 3]);title(' 用户经BPSK调制之后的波形 ')% 扩频%PN码发生器seed=[1 -1 1 -1]; % 设PN码初始值为1000spreadspectrum=[];pn=[];for i=1:length_userfor j=1:10 %PN码和数据比特码的比率设为10：1pn=[pn seed(4)];10if seed (4)==seed(3) temp=-1;else temp=1;endseed(4)=seed(3);seed(3)=seed(2);seed(2)=seed(1);seed(1)=temp;endspreadspectrum=[spreadspectrum user(i)*pn]; end%扩频过程pnupsampled=[];len_pn=length(pn);for i=1:len_pnfor j=0.1:0.1:tbif pn(i)==1pnupsampled=[pnupsampled 1]; elsepnupsampled=[pnupsampled -1]; endendendlength_pnupsampled=length(pnupsampled);sigtx=bpskmod.*pnupsampled;%扩频码波形输出figureplot(pnupsampled)axis([0 100*length_user -2 2])title(' PN码波形图 ')11%扩频后的波形图输出figureplot(sigtx)axis([0 100*length_user -3 3]);title(' 用PN码扩频后的波形图 ')composite_signal=sigtx;%高斯白噪声信道传输snr_in_dbs=20 %设信噪比为20composite_signal=awgn(composite_signal,snr_in_dbs);%从信道中解扩出用户的信息rx=composite_signal.*pnupsampled;figureplot(rx)title('用户解扩后的波形')% BPSK解调过程demodcar=[];for i=1:length_userfor j=0.01:0.01:tbdemodcar=[demodcar sqrt(2*eb)*cos(2*pi*fc*j)]; endendbpskdemod=rx.*demodcar;figureplot(bpskdemod)title('用户经BPSK解调之后的波形')len_dmod=length(bpskdemod);12sum=zeros(1,len_dmod/100);for i=1:len_dmod/100for j=(i-1)*100+1:i*100sum(i)=sum(i)+bpskdemod(j);endend%检波过程rxbits=[];for i=1:length_userif sum(i)>0rxbits=[rxbits 1];elserxbits=[rxbits 0];endendlength_rxbits=length(rxbits);t=0.01:0.01:tb*length_rxbits;savbandsig=[];for i=1:length_rxbitsfor j=0.01:0.01:tbif user(i)==1savbandsig=[savbandsig 1]; elsesavbandsig=[savbandsig -1]; endendend13figureplot(savbandsig)axis([0 100*length_user -2 2]);title('用户经检波之后的波形’）5.2 仿真建模图5-1直接序列扩频通信系统发射机的仿真模型6.结果分析14图6-1系统输入和输出仿真波形图图6-2 加干扰前后的系统仿真波形图15图6-3扩频前的信号频谱图图6-4扩频后的信号频谱图16仿真结果分析：从时域分析：图6-2就是直接序列扩频通信系统的加干扰前后的系统仿真波形图，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。