扩频通信及MATLAB仿真

个伪码
>> x_code=sign(mgen(19,8,length)-0.5); %把 0,1 序列码变换为-1,1 调制码
>> for i=1:2000
w_code((1+(i-1)*8):i*8)=x_code(i);
%每个伪码码元内含 8 个采样
点
end
>> %扩频
>> k_code=s.*w_code; %k_code 为扩频码
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
%mgen.m
function[out]=mgen(g,state,N)
gen=dec2bin(g)-48;
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摘要
扩频通信即扩展频谱通信，它与光纤通信、卫星通信一同被誉为信息时 代的三大高技术通信传输方式。扩频通信技术自 50 年代中期美国军方开始研究， 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，扩频技术现已广泛应用于蜂窝电 话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。本文根 据扩频通信的原理，利用 MATALB 对扩频通信中最常用的直扩通信系统进行了 仿真。
4）扩频通信的理论依据是香农公式：
C=B log2(1+S/N)
式中，C 为信道容量，B 为信道带宽，S/N 为信道输出信噪比(从发射机发出的信 号噪声功率比)。根据此定理，当信道容量 C 一定时，信号带宽 B 和信噪比 S/N 是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程 度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也 是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通 信的基本思想和理论依据。
2）衰落信道主要包括：阴影衰落和多径衰落。 3）抗衰落技术主要包括：①空间分集技术
②Rake 接收方式 ③信道交织技术 ④多载波传输技术 ⑤信道均衡技术 ⑥扩频通信技术 等等
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多址通行：
1）信道分割原理：信道复用是在两点之间的信道中同时传送互不干扰的多个相 互独立的用户信号，而多址通信则是在多点之间实现互不干扰的多方通信。 信道分割原理的数学基础是信号的正交分割原理，即先赋予各个信号不同的 特征，然后根据每个信号特征之间的差别来区分信号，从而实现互不干扰的 通信。
上述四种工作方式是最基本的工作方式，最常用的是直扩方式和调频方式 两种。但在实际通信系统中，仅仅采用单一工作方式不能达到所希望的性能是， 往往采用两种或两种以上的工作方式的混合形式。
6)本文主要讲述直接序列扩频通信的工作方式。
7）扩频通信常用的伪随机码：
常用的伪随机码主要有 m 序列、GOLD 序列、WALSH 码和 OVSF 码，其中最常见的是 m
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数字通信原理：
1）所谓数字通信就是利用数字传输技术来进行的通信。它包括对模拟信号的编 码和调制，传输媒介以及对数字信号的解调和解码。 2）典型的数字通信系统模型如图 1-1：
图 1-1 信源：信息的来源一般是模拟信号。 信源编码：模拟信号转变为数字信号；
信号压缩处理；信号的高效率编码。 信道编码：检错、纠错编码，提高信号抗干扰能力；
>> %调制
>> fs=20e6;
>> f0=30e6;
>> for i=1:2000
AI=2;
dt=fs/f0;
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n=0:dt/7:dt;
%一个载波周期内采样八个点
cI=AI*cos(2*pi*f0*n/fs);
signal((1+(i-1)*8):i*8)=k_code((1+(i-1)*8):i*8).*cI;
>> x=sign(rand(1,code_length)-0.5);
%信息码
>> for i=1:20
s((1+(i-1)*800):i*800)=x(i);
%每个信息码元内含 fs/f=800 个采样
点
end
>> %产生伪随机码
>> length=100*20; %伪码频率 5MHz,每个信息码内含 5MHz/50kHz=100
扩 频 通 信 及 Matlab 仿 真
江西师范大学 物理与通信电子学院 2009 级通信工程（2）班 姓名 xxx 学号 xxxxxxxx
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目录
一、摘要………………………………………………………………... 3 二、数字通信原理…………………………………………………….. 4 三、衰落信道与抗衰落技术………………………………………….. 5 四、多址通行………………………………………………………….. 6 五、扩频通信原理…………………………………………………….. 6 六、直接序列扩频通信……………………………………………….. 8 七、基于 matlab 的直接序列扩频仿真……………………………… 10 八、结束语…………………………………………………………….. 13 九、参考书目………………………………………………………….. 14 十、致谢…………………………………………………………………15
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信息加密，防止信息被窃取。
调制变换：波形编码，信号调制，使基带信号适合在特定的 道中传输。
传输媒介：有线、无线信道，网络交互设备。 解调、信道译码、信源译码：对信号作上述处理相反对变换。 信宿：信息的最终传输目的地
衰落信道与抗衰落技术：
1）衰落信道的产生：无线通信是基于电磁波在空间中的传播来实现信息的传递 的。无线信道的电波传播特性与电波传播的环境密切相关。电波环境主要包 括：地形地貌、各种建筑物、气候气象、电磁干扰、移动体的运动速度和工 作频段等。因此在实际应用中不可避免的产生衰落信道。
2）多址通信主要包括：频分多址（FDMA） 时分多址（TDMA） 码分多址（CDMA） 空分多址（SDMA）
3）利用多址通信可以很好的节约频谱资源，有效的利用信道的带宽。
扩频通信原理：
1）虽然多址通信可以很好的节约频谱资源，有效的利用信道的带宽。但是在实 际的传输过程当中，信道的干扰是非常严重的。因此我们引进了扩频通信技 术来改善信号在传输过程中的干扰以及保密问题。
5) 在实际应用中，扩频通信的基本工作方式有四种： 1.直接序列扩频(Direct Sequence Spreads Spectrum)工作方式，简称(DS)方式。 2.跳变频率(Frequency Hopping)工作方式，简称(FH)方式 3.跳变时间(Time Hopping)工作方式，简称(TH)方式。 4.宽带线性调频(Chirp Modulation) 工作方式，简称(Chirp)方式。
wk.baidu.com直接序列扩频通信：
直接序列扩频，就是直接用高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱，在收 端用相同的扩频码去解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的基带信号。
典型的直接序列扩频系统框图如图 1-2
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图 1-2 典型的直扩系统频谱图：如图 1-3
图 1-3
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基于 matlab 的直接序列扩频仿真；
信息码的频率设为 50kHz，采样频率设为 40MHz。假设信源信息码的总长度为 20，则每个 信息码内含 40MHz/50kHz＝800 个采样点。通过 sign 函数，把 20 个(0，1)区间内的随机数 变成 20 个只用“1”与“－1”表示的信息码，而后再通过一个循环，对每一个信息码采样 800 次，共生成 16000 个采样点，每个点之间的间隔为 0.025μs。伪随机码频率设为 5MHz， 信息码频率为 50kHz，所以每个信息码内包含 5MHz/50kHz＝100 个伪码。通过调用一个产 生 m 序列的子函数 mgen.m，与一个长度为 20×100 的循环，就得到了伪随机序列 PN 码。
2）扩频通信指的就是扩展频谱通信技术。它是一种非常重要的抗干扰通信技术， 目前已被广泛应用在军事与民用通信系统中。它与光纤通信、卫星通信一同 被誉为信息传输时代的三大高新技术通信方式。
3）扩展频谱通信系统是指待传输带基带信号用某个特定的扩频函数(与基带信
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号无关)扩展频谱后成为宽频带信号，然后再进行传输的一种系统。待传输的 基带信号就是信源发出的数字信号。特定的扩频函数通常选用各种伪随机序 列(扩频码)，其码元传输速率远大于基带信号速率，因而和基带信号相乘后 扩展了基带信号的带宽。它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于 信息本身的带宽。
仿真结果如图 1-4、1-5、1-6 图 1-4 PN 码的仿真波形
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图 1-4 图 1-5 扩频码的仿真波形：
sign(x)：符号函数 (Signum function)。 当 x<0 时，sign(x)=-1； 当 x=0 时，sign(x)=0; 当 x>0 时，sign(x)=1。
程序如下：
>> code_length=20;
%信息码元个数
>> N=1:code_length;
>> rand('seed',0);
8）扩频通信的技术优点：
扩频通信之所以得到重视和发展，并成为近代通信主要研究和发展的方向，是因为它具 有其它通信系统不能与之相比的独特性能。
1) 抗同频干扰性能好。接收机采用相关运算只接收 PN 码相同的扩频信号，对所有载波 频率相同的信号或干扰具有很强的抑制能力。
2) 良好的抗衰落性能。一般信道中的衰落是有频率选择性的，不会对宽频带的扩频信号 接收产生太大的影响。 3) 抗多径干扰能力强。由于扩频系统中采用的 PN 码具有很好的自相关性，互相关性很弱， 不同的路径传输来的信号能容易地被分离开，并在时间和相位上重新对齐，形成几路信号功 率的叠加，从而改善了接收系统的性能，增加了系统的可靠性。
end
>> %解调
>> AI=1;
>> dt=fs/f0;
>> n=0:dt/7:dt;
%一个载波周期内采样八个点
>> cI=AI*cos(2*pi*f0*n/fs);
>> for i=1:2000
signal_h((1+(i-1)*8):i*8)=signal((1+(i-1)*8):i*8).*cI;
M=length(gen);
curState=dec2bin(state,M-1)-48;
for k=1:N
out(k)=curState(M-1);
a=rem(sum(gen(2:end).*curState),2);
curState=[a curState(1:M-2)];
end
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
end
>> %解扩
>>jk_code=signal_h.*w_code;
>> %低通滤波
>> wn=5/10000000;
%截止频率 wn=fn/(fs/2),这里的 fn 为信息码(扩频
码)的带宽 5M
>> b=fir1(16,wn);
>> H=freqz(b,1,16000);
>> signal_d=filter(b,1, jk_code);
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序列。GOLD 码是 m 序列的复合码，是由 2 个码长相等，码时钟速率相同的序列优选对模 2 加构成，每改变 2 个序列相对位移就可得到一个新的 GOLD 序列。GOLD 序列具有良好的 自、互相关特性，且地址数远远大于 m 序列地址数，结构简单，易于实现，在工程上得到 较为广泛的应用。WALSH 函数是一种非正弦的完备正交函数系，具有理想的互相关特性， 两两之间的互相关函数为 0，亦即它们是正交的，因而在码分多址通信中，WALSH 函数可 以作为地址码使用，在 IS-95 中，正向传输信道就使用了 64 阶 WALSH 函数。OVSF 码是一 种正交可变扩频因子码，保证在不同时隙上的不同扩频因子的扩频码正交，而在每个时隙上 可使用的码的数目不固定，与每个物理信道的数据速率和扩频因子有关，OVSF 码在 TD-SCDMA 系统中得到了广泛使用。