直接序列扩频系统
直接序列扩频系统
5.1 直扩系统的组成与原理5.1.1 组成与原理前面已经说过：所谓直接序列(DS)扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。
而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。
图5－1为直扩系统的组成与原理框图。
图5－1在图5－1(a)中，假定发送的是一个频带限于fin以内的窄带信息。
将此信息在信息调制器中先对某一副载额fo进行调制(例如进行调幅或窄带调频)，得到一中心频率为fo而带宽为2fin的信号，即通常的窄带信号。
一般的窄带通信系统直接将此信号在发射机中对射频进行调制后由天线辐射出去。
但在扩展频谱通信中还需要增加一个扩展频谱的处理过程。
常用的一种扩展频谱的方法就是用一高码率fc的随机码序列对窄带信号进行二相相移键控调制见图5－1(b)中发端波形。
二相相移键控相当于载波抑制的调幅双边带信号。
选择fc ＞＞ fo＞ fin。
这样得到了带宽为2fc的载波抑制进行调制的宽带信号。
这一扩展了频谱的信号再送到发射机中去对射频fT后由天线辐射出去。
信号在射频信道传输过程中必然受到各种外来信号的干扰。
因此，在收端，进入接收机的除有用信号外还存在干扰信号。
假定干扰为功率较强输的窄带信号，宽带有用信号与干扰信号同时经变频至中心频率为中频fI 出。
不言而喻，对这一中频宽带信号必须进行解扩处理才能进行信息解调。
解扩实际上就是扩频的反变换，通常也是用与发端相同的调制器，并用与发端完全相同的伪随机码序列对收到的宽带信号再一次进行二相相移键控。
从图5－1(b)中收端波形可以看出，再一次的相移键控正好把扩频信号恢复成相移键控前的原始信号。
从频谱上看则表现为宽带信号被解扩压缩还原成窄带信号。
这一窄带信号经中频窄带滤波器后至信息解调器再恢复成原始信息。
但是对于进入接收机的变窄带干扰信号，在收端调制器中同样也受到伪随机码的双相相移键控调制，它反而使窄带干扰变成宽度干扰信号。
由于干扰信号频谱的扩展，经过中频窄带通滤波作用，只允许通带内的干扰通过，使干扰功率大为减少。
直接序列扩频通信系统仿真
直接序列扩频通信系统仿真直接序列扩频通信系统仿真一、实验的背景及内容1、直接扩频通信背景扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，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传输方式。
有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员Hedy Lamarr和钢琴家George Antheil提出的。
解决了短距离数据收发信机、如：卫星定位系统(GPS)、移动通信系统、WLAN(IEEE802.11a, IEEE802.11b, IEE802.11g)和蓝牙技术等应用的关键问题。
扩频技术也为提高无线电频率的利用率(无线电频谱是有限的因此也是一种昂贵的资源)提供帮助。
扩频通信技术自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、报警等等的系统中。
2、实验的内容及意义本次实验主要研究了直接序列扩频系统，建立了直接序列扩频系统的matlab仿真模型，在信道中存在高斯白噪声和干扰的情况下，对系统误码率性能进行了仿真及分析。
近年来，随着超大规模集成电路技术、微处理器技术的飞速发展，以及一些新型元器件的应用，扩频通信在技术上已迈上了一个新的台阶，不仅在军事通信中占有重要地位，而且正迅速地渗透到了个人通信和计算机通信等民用领域，成为新世纪最有潜力的通信技术之一因此研究扩频通信具有很深远的意义。
本人通过此次实验，进行深入地研究学习扩频通信技术及对它进行仿真应用，将所学的知识进行归纳与总结，从而巩固通信专业基础知识，为以后的个人学习和工作打下基础。
直接序列扩频通信系统
221直接序列扩频工作原理 .. 直接序列扩频[是直 2 接利用高 4 1 码率的 扩频码序列 在发送端去扩展信号的频谱. 在接 而
收端, 相同的扩频码序 列去进行解扩 , 用 把展 宽的扩频信 号还原成原始 的信息 . 它是一种 数字调制方法 , 原理如图 22 示.具体说,在发射机端 , 传送的信息先转换成二进 其 -所 要
3 蔽性好, .隐 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 .
4 可以 实现码分多址
用相关解调技术, 使其具有许多窄带通信难于替代的 良 优 性能,主要有以 L 下I项特点1. 2 2 1
1 .易于重复使 用频率 ,提 高了无线 频谱利用率 无线频谱十分 宝贵,虽然从长 波到微 波都得到开发利用 ,仍然满 足不了社会的需求.
在窄带 通信中, 主要依靠波道划分来防止信道 之间发生干 扰. 扩频通信发 送功率极低 ( 60 , 1 50) 采用了 - 相关接收技术, 且可工 作在信 道噪声和热噪声背景中,易于在同一 地
展阶段 ,而 目前它 在这两个领域 仍 占据重要的地位 .
21扩频通信概述 .
扩频通信 系统是指把待 传输信息的频谱用某个特 定的扩 频函数扩展后成 为宽带信号,
送入信道中 传输, 再利用相应的手段 将其压缩, 从而获得传输信息的 通信系统. 也就是在 传输同 样信息时所需的 射频带宽远比我们熟知的 各种调制方式要求的带宽要宽得多. 扩频
所 示.
干 扰
一
庐 号
一一) f e s ,一 J
直接序列扩频通信系统抗干扰技术研究分析
直接序列扩频通信系统抗干扰技术研究摘要：当前，扩展频谱（Spread Spectrum，SS，简称扩频）技术在军事通信和民用系统中均有广泛的应用。
这是由于扩频技术具有多址能力、隐蔽性好、抗干扰能力等优点，因此特别适合于无线移动通信环境。
直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS，简称直扩)技术具有良好的保密性、灵活的信道分配能力以及较强的抗多径、多址干扰能力，不增加扩频增益的条件下，在接受机解扩之前借助信号处理的方式对接收信号进行预处理，可以显著增加系统的抗干扰能力。
本文首先介绍了扩频技术的基本理论，包括扩频技术的理论基础，扩频系统的特点、分类及应用，扩频通信的几种实现方式。
研究了直扩系统的数学模型，扩频用的处理增益和抗干扰容限等。
其次，分析了直扩系统的抗干扰性能，包括抗高斯白噪声干扰、窄带干扰、单频正弦干扰、多径效应干扰以及其他扩频信号干扰的性能。
最后利用MATLAB建立了扩频通信系统的仿真模型，并结合仿真结果分析了扩频通信系统的抗干扰性能。
关键词：直接序列扩频，窄带干扰，MATLAB仿真，抗干扰技术目录摘要 ................................................................................................................ 错误！未定义书签。
1 绪论 (1)1.1 抗干扰技术 (1)1.2 扩展频谱系统的分类及特点 (2)1.2.1 扩频系统的分类 (2)1.2.2 扩频系统的特点 (2)2 扩展频谱通信技术 (3)2.1 扩频通信的定义 (3)2.2 扩频技术的理论基础 (4)2.2.1 Shannon公式 (4)2.2.2 处理增益与抗干扰容限 (5)2.3 直接序列扩频系统（DSSS系统） (5)2.3.1 DS扩频通信系统的数学模型 (6)2.3.2 直扩信号的数学表示 (7)3 直接序列扩频系统的抗干扰性能 (7)3.1 抗高斯白噪声干扰能力 (8)3.2 抗单频正弦干扰能力 (9)3.3 抗窄带干扰能力 (10)3.4 抗多径效应的能力 (11)3.5 抗其它扩频信号干扰能力 (14)4 DSSS系统抗干扰性能仿真与分析 (15)4.1 抗正弦干扰仿真及结果分析 (15)4.1.1 建立抗正弦干扰仿真模型 (15)4.1.2 仿真结果及其分析 (16)4.2 抗窄带干扰仿真及结果分析 (17)4.2.1 建立抗窄带干扰仿真模型 (17)4.2.2 仿真结果及其分析 (18)4.3 抗多径效应仿真及结果分析 (18)4.3.1 建立抗多径效应的仿真模型 (18)4.3.2 仿真结果及其分析 (19)4.4 抗其他扩频信号干扰仿真及结果分析 (21)4.4.1 建立抗其他扩频信号干扰仿真模型 (21)4.4.2 仿真结果及其分析 (21)5 DSSS系统的抗干扰技术 (22)5.1 混合式扩展频谱系统 (22)5.2 自适应天线抑制干扰技术 (23)5.3 自适应滤波器抑制窄带干扰 (23)6 结束语 (25)参考文献 (26)1 绪论扩频通信技术是通信的一个重要分支和发展方向，它是扩展频谱技术与通信相结合的产物。
直接序列扩频通信系统仿真设计
直接序列扩频通信系统仿真设计直接序列扩频通信系统是一种常用于无线通信中的传输技术，可用于提高通信质量和抗干扰能力。
其基本原理是将原始信号乘以一个扩频码序列，使得信号的带宽变宽，从而提高信号的抗干扰能力。
本文将对直接序列扩频通信系统进行仿真设计，包括系统结构、信号处理和性能评估等方面。
一、系统结构设计1.发送端设计发送端主要包括原始信号处理和扩频处理两个模块。
原始信号处理模块用于将待传输的信息编码成数字信号，可以采用各种调制技术（如二进制调制）；扩频处理模块将原始信号乘以扩频码序列，以实现信号的扩频。
2.接收端设计接收端主要包括解扩和信号恢复两个模块。
解扩模块对接收到的信号进行解扩，即将信号除以扩频码序列；信号恢复模块对解扩后的信号进行滤波和解调，最终得到原始信号。
二、信号处理设计信号处理是直接序列扩频通信系统中的关键环节，对其性能和抗干扰能力起着决定性作用。
下面将详细介绍信号处理的设计。
1.扩频码序列设计扩频码序列的设计非常重要，它直接影响到扩频通信系统的性能。
常用的扩频码序列有伪随机码（PN码）和正交码等，可以通过Matlab等工具进行生成和优化。
2.扩频处理设计扩频处理是将原始信号与扩频码序列进行乘积运算的过程。
可以采用数字乘法器或卷积器等方式实现，具体实现方式需要根据实际情况确定。
3.解扩和信号恢复设计解扩和信号恢复是接收端的重要环节，其中解扩模块用于将接收到的信号除以扩频码序列，信号恢复模块用于对解扩后的信号进行滤波和解调。
滤波器可以采用低通滤波器，解调方式可以根据信号特点选取。
三、性能评估设计对于直接序列扩频通信系统的性能评估，一般需要考虑以下几个方面：1.误码率评估误码率是衡量通信系统性能的重要参数。
可以通过对接收到的信号进行解码和比对的方式来评估误码率，并与理论值进行比较。
2.抗干扰性能评估扩频通信系统的抗干扰能力是其核心优势之一、可以通过仿真添加干扰信号，并比较接收到的信号与原始信号的相关性来评估抗干扰性能。
直接序列扩频通信系统仿真设计
直接序列扩频通信系统仿真设计直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）通信系统是一种广泛应用于无线通信领域的通信技术，它通过将原始信号与伪随机噪声序列进行逐位相乘，从而将信号的带宽扩展到噪声频谱的宽度，从而实现抗干扰和保密性能的显著提高。
本文将通过仿真设计一个直接序列扩频通信系统，详细介绍其工作原理和仿真过程。
直接序列扩频通信系统由发送端和接收端组成。
在发送端，原始信号经过码片发生器生成伪随机噪声序列，并与原始信号进行逐位相乘得到扩频信号。
扩频信号经过调制器进行调制，然后经过发射机发送到接收端。
在接收端，接收到的信号经过解调器进行解调，然后通过相关器与伪随机噪声序列相乘得到原始信号。
首先，需要设计码片发生器。
伪随机噪声序列在直接序列扩频通信系统中起到关键作用，它决定了信号的扩展带宽和抗干扰性能。
常用的伪随机噪声序列有伪随机码生成器（PN码）和高斯白噪声序列（AWGN）。
在仿真中，可以选择PN码作为伪随机噪声序列。
PN码的生成方式有很多，其中最常见的是使用移位寄存器和反馈电路生成的线性反馈移位寄存器（LFSR）。
其次，需要设计调制器和解调器。
在直接序列扩频通信系统中，常用的调制方式有二进制相移键控（BPSK）和四进制相移键控（QPSK）。
在仿真中，可以选择BPSK作为调制方式。
解调器与调制器相反，将接收到的扩频信号与伪随机噪声序列相乘得到原始信号。
最后，需要设计发射机和接收机。
发射机通过电路将调制后的扩频信号发射出去，接收机将接收到的信号通过电路进行放大和解调处理，从而得到原始信号。
在仿真中，可以使用MATLAB等仿真软件来实现直接序列扩频通信系统。
首先，定义参数包括信号的比特率、码片周期、发射功率等。
然后，生成随机的原始信号数据。
接下来，根据参数生成伪随机噪声序列。
将伪随机噪声序列与原始信号进行逐位相乘得到扩频信号。
通过调制器进行调制，得到调制后的信号。
在接收端，通过解调器解调接收到的信号，得到解调后的扩频信号。
通信系统学习-直接序列扩频系统 相关解扩
3.4.2 相关解扩
1. 直接式相关 直接式相关又称高频相关， 它是指接收到的扩频信号
在接收机的高频电路里直接与本地参考信号进行相关处理的 相关器。
图3-16 直接式相关器原理框图 (a) 扩频调制器； (b) 相关解扩器
第3章 直接序列扩频系统 图3-17给出了这种解扩方式的波形图， 图中未考虑所 传输图
第3章 直接序列扩频系统 中频相关方式：把载有信息的高频扩频信号，首先经 过混频，变成中频的扩频信号，相关处理在中频上完成。 这样不仅克服了高频干扰信号直接馈通的缺点， 而且 使解扩在较低频率上实现， 性能可靠， 同时实现起来也比 较容易。
图3-19 中频相关方式框图
图3-17 直接式相关解扩波形图
第3章 直接序列扩频系统 直接式相关器的优缺点分析 ■优点：结构简单。 ■缺点：对干扰信号有直通和码速泄漏现象。
较强的窄带干扰信号就能进入相关器后的电路并有效地假冒 所需要的信号，对解调产生影响。
第3章 直接序列扩频系统 2． 外差式相关
一般外差相关方式的原理如图下图。
第3章 直接序列扩频系统 3． 基带相关
基带相关器是一种在基带完成相关运算的部件。 与中频相关类似， 基带相关器可以利用混频器， 采用 零中频技术， 把输入的扩频信号的中心频率搬移到零中频 上， 得到基带的扩频信号， 然后再进行相关处理。 也可以先对扩频信号进行伪码的恢复， 在得到基带伪 码信号的基础上进行数字相关或数字匹配滤波。
直接序列扩频技术在无线通信中的研究与应用
直接序列扩频技术在无线通信中的研究与应用直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，简称DSSS）技术是一种常见的无线通信技术，它通过在传输信号中引入高序列码（即扩频码）来提高信号的抗干扰性能和传输安全性。
本文将对直接序列扩频技术在无线通信中的研究和应用进行详细的介绍。
一、直接序列扩频技术的原理直接序列扩频技术是通过将原始信号与伪随机序列进行“乘法运算”来实现的。
伪随机序列也称为扩频码，它是一种高度复杂的码序列，具有良好的随机性。
原始信号在发送端乘以扩频码后，信号的带宽被扩大，从而增加了信号的抗干扰性能。
在接收端，使用与发送端一样的扩频码对接收到的信号进行解码，从而恢复出原始信号。
二、直接序列扩频技术的研究进展1. 扩频码设计：早期的扩频码设计主要依赖于单一序列的生成算法，如线性反馈移位寄存器（Linear Feedback Shift Register，简称LFSR）。
然而，这种方法生成的扩频码周期较短，因此容易受到时间和频率同步误差的影响。
近年来，研究者们提出了一些新的扩频码设计方法，如复合序列的设计、混沌序列的设计等，使得扩频码的周期更长，抗干扰性能更好。
2. 增强码的引入：为了进一步提高直接序列扩频系统的传输性能，针对码跳变和码相位模糊等问题，研究者们引入了增强码（Enhanced Code）技术。
增强码是一种对原始扩频码进行变换得到的码序列，通过增强码的引入，可以提高系统的信号识别与抗干扰能力。
3. 码跳频技术的研究：直接序列扩频技术可以与码跳频技术相结合，即通过在传输过程中引入码跳变来增加系统的抗多径干扰能力。
码跳频技术通过频率域的快速跳变，使得信号在不同的频率上进行传输，从而降低了多径干扰对信号的影响。
三、直接序列扩频技术的应用直接序列扩频技术在无线通信中有广泛的应用，以下是一些典型的应用场景：1. CDMA系统：CDMA（Code Division Multiple Access）是一种基于直接序列扩频技术的通信系统。
直接序列扩频和解扩通信matlab代码
序列扩频和解扩通信是数字通信中的重要技术之一，通过扩频技术可以实现信息的加密传输和抗干扰能力的提高。
Matlab是一种强大的科学计算软件，它提供了丰富的工具和函数，非常适合用来实现序列扩频和解扩通信系统的模拟和仿真。
本文将通过实际的代码示例，介绍如何使用Matlab实现直接序列扩频和解扩通信系统。
一、直接序列扩频通信系统在直接序列扩频通信系统中，发送端的数据序列经过扩频码序列的点对点乘积，实现信号的扩频。
接收端利用相同的扩频码序列对接收到的信号进行点对点乘积，实现信号的解扩。
以下是Matlab代码示例：1. 生成随机的发送数据序列```matlabN = 1000; 数据序列长度data = randi([0,1],1,N); 生成随机的0/1序列```2. 生成随机的扩频码序列```matlabchip_seq = 2 * randi([0,1],1,N) - 1; 生成随机的±1序列作为扩频码```3. 进行数据序列和扩频码序列的点对点乘积```matlabspread_data = data .* chip_seq; 数据序列点对点乘以扩频码序列```4. 绘制发送端的信号波形```matlabt = 0 : 1/N : 1-1/N; 时间序列subplot(3,1,1);plot(t,data);title('原始数据序列');subplot(3,1,2);plot(t,chip_seq);title('扩频码序列');subplot(3,1,3);plot(t,spread_data);title('扩频后的信号波形');```二、直接序列解扩通信系统在直接序列解扩通信系统中，接收端利用与发送端相同的扩频码序列对接收到的信号进行解扩。
以下是Matlab代码示例：1. 接收到的扩频信号经过与扩频码序列的点对点乘积```matlabreceived_data = spread_data .* chip_seq; 接收到的信号点对点乘以扩频码序列```2. 进行积分处理得到解扩后的数据序列```matlabintegrated_data = sum(reshape(received_data,[],10)); 对接收数据进行10倍超采样和积分处理output_data = integrated_data > 0; 得到解扩后的数据序列```3. 绘制接收端的信号波形和解扩后的数据序列```matlabsubplot(2,1,1);plot(t,received_data);title('接收到的信号波形');subplot(2,1,2);stem(output_data);title('解扩后的数据序列');```通过以上代码示例，我们实现了直接序列扩频和解扩通信系统的Matlab仿真。
直接扩频序列实验报告
一、实验目的1. 理解直接扩频序列的基本原理；2. 掌握直接序列扩频系统的实现方法；3. 熟悉扩频信号的调制与解调过程；4. 分析直接序列扩频系统的性能。
二、实验原理直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）是一种扩频通信技术，其基本原理是将信息信号与扩频码进行异或运算，将信号频谱扩展到较宽的频带内，以提高信号的隐蔽性和抗干扰能力。
在发送端，信息信号与扩频码进行模2加（异或运算），得到扩频信号。
在接收端，利用相同的扩频码对接收信号进行解扩，恢复出原始信息信号。
三、实验设备1. 直流电源2. 信号发生器3. 数字信号处理器（DSP）4. 数字示波器5. 实验软件（如MATLAB）四、实验步骤1. 设计扩频码序列：生成一个长度为N的伪随机序列（PN码），作为扩频码。
2. 信号调制：将信息信号与扩频码进行模2加运算，得到扩频信号。
3. 信号解调：对接收到的扩频信号进行解扩，恢复出原始信息信号。
4. 性能分析：分析直接序列扩频系统的误码率（BER）、信噪比（SNR）等性能指标。
五、实验结果与分析1. 扩频码序列设计：本实验中，我们设计了一个长度为N=127的伪随机序列作为扩频码。
2. 信号调制与解调：通过实验，我们得到了扩频信号和解调后的信息信号。
3. 性能分析：（1）误码率（BER）：在一定的信噪比条件下，本实验中直接序列扩频系统的误码率约为10^-3。
（2）信噪比（SNR）：本实验中，当信噪比为10dB时，直接序列扩频系统的误码率满足要求。
4. 分析：（1）扩频码序列的长度对系统性能有较大影响。
本实验中，我们选择了长度为N=127的伪随机序列作为扩频码，能够满足实验要求。
（2）直接序列扩频系统的误码率随着信噪比的提高而降低，说明该系统具有良好的抗干扰能力。
六、实验结论通过本次实验，我们掌握了直接序列扩频序列的基本原理和实现方法，熟悉了扩频信号的调制与解调过程。
直接序列扩频通信系统PPT课件
例：某系统的射频带宽为100MHz，信息 传输速率为16kb/s，处理增益为多少？
Rc=100MHz/2=50Mb/s
G p1l0g 1 5 6 01 13 60 0 b b//ssd B3.9 4d 5B
当接收机可能收到的最大干扰为-93dB时， 接收机输出的干扰信号为：
扩后的信号，所以这种方法保密性不 够好。
4.3.2 信息的PSK调制 信息-PSK/扩频码-PSK 调制方式。
4.3.2 信息的QPSK调制 1. 信息-BPSK/扩频码-QPSK
s ( t ) A ( t ) c 1 ( d t ) c2 o f 0 t ) s A ( t ( ) c 2 d ( t ) s2 if 0 t n )
Tˆd
)
sin(2f
IF
)
Q(t)
A 2
do
(t
Td
)c1(t
Td
)c2r
(t
Tˆd
)sin(2fIF
)
A 2
de
(t
Td
)c2 (t
Td
)c2r
(t
Tˆd
)
cos(2fIF
)
z ( t) A 2 d o ( t T d ) c2 o fI F s) (A 2 d e ( t T d ) s2 ifI n F) (
3. 双通道QPSK直接序列扩频系统
t ) B s2 ( t ( ) c 2 d ( t ) s2 if 0 t n )
4.4 频率跳变扩频通信系统
4.4.1 物理概念
频率跳变就是用伪随机码序列构成 跳频指令来控制频率合成器输出信号的 频率，在多个频率中进行选择的移频键 控。
通信系统学习-3.3.2 直扩系统的射频带宽和处理增益
第3章 直接序列扩频系统
但是，信号能量（功率）的损失并不是限制带宽的唯一 结果。旁瓣中丰富的高频分量的丢失，会使伪随机码尖锐的 自相关函数的顶峰变得圆滑，从而影响系统的抗干扰能力。 同时在直扩系统用于测距系统时，会导致测距精度明显下降。
综上所述， 在确定直扩系统带宽时，要综合考虑： （1）功率损失； （2）系统的扩频处理增益； （3）传送的信息速率； （4）系统的抗干扰能力；
(b) s(t)的功率谱
在采用PSK调制方式时，直扩信号的功率谱密度函数是(sinx/x) 2 型的伪噪声谱，主瓣的带宽（单边）为Rc，系统的射频带宽为2RC。 Rc为扩频码的传输速率。
第3章 直接序列扩频系统
频谱范围 -Rc~Rc
-2Rc~2Rc -3Rc~3Rc
占总功率比率 90.3% 95.0% 96.6%
第3章 直接序列扩频系统
3.3.2 直扩系统的射频带宽和处理增益
1）射频带宽 直扩系的射频带宽直接影响系统的性能。
射频带宽和传送的信息速率决定了系统的扩频处理增益，
也决定了系统的抗干扰能力。
GP
= 10 lg
B Bm
第3章 直接序列扩频系统 对于直接序列系统的射频带宽，通常只考虑功率谱的带宽。
(a) c(t)的功率谱;
＊伪随机码的编码时钟不宜过高，否则系统的工作频带越宽，要 求调制器和混频器在较宽的频带内保证一定的线性度，在工程上是难以 实现的。
＊当干扰接近于热噪声时，提升伪随机码的传输速率意义不大了。
第3章 直接序列扩频系统
2）直扩系统的处理增益
可以用扩频码传输速率与基带信息传输速率的比值来 衡量， 即
= GP
1= 0 lg (S / N )out (S / N )in
直扩系统的组成原理
一、 直接序列扩频系统的组成
(5) 接收端多采用产生本地伪随机码序 列对接收信号进行相关解扩, 或采用匹配 滤波器来解扩信号;
(6) 扩频和解扩的伪随机码序列应有严 格的同步, 码的搜捕和跟踪多采用匹配滤 波器或利用伪随机码的优良的自相关特性 在延迟锁定环中实现;
(7) 一般需要用窄带通滤波器来排除干 扰, 以实现其抗干扰能力的提高。
100
010
101
110
(c)
图10-2 m序列发生器
二、 几种常用的伪随机码
m序列的一些基本性质: 在m序列中一个周期内“1”的数目比“0” 的数目多1位。 例如上述7位码中有4个“1” 和3个“0”。 在15位码中有8个“1”和7个 “0”。表10-1中列出了长为15位的游程分 布。
二、 几种常用的伪随机码
2. Gold码序列 m序列虽然性能优良, 但同样长度的m序
列个数不多, 且序列之间的互相关值并不都 好。R.Gold提出了一种基于m序列的码序列, 称为Gold码序列。
二、 几种常用的伪随机码
3. R-S序列 利用固定寄存器和m序列发生器还可以构 成R-S序列发生器。 它所产生的R-S序列是 一种多进制的具有最大的最小距离的线性序 列。
t 0 18 0°
调 制 输出
1 (c)
0°
18 0°
0°
18 0°
(b)
图10-3 二极管平衡调制器
三、 直扩信号的发送与接收
图10-4 实际平衡调制器输出波形
三、 直扩信号的发送与接收
2. 相关解扩 有时为了避免强干扰信号从平衡调制器 的输入端绕过它而泄漏到输出端去, 可以用 外差相关解扩, 如图10-5所示。
三、 直扩信号的发送与接收
直接序列扩频
扩展频谱（Spread Spectrum，SS）技术最初是为军用目的而开发出来的，应用于军事导航和通信系统中。
出于提高通信系统抗干扰性能的需要，扩频技术的研究得以广泛开展，使得一些民用领域也从扩频技术的独特性质中受益。
本章将概括性地描述扩频技术的基本概念、理论基础、系统组成及性能；介绍扩频系统的优点与应用。
以此阐明直接序列扩频系统（DS—SS）发射机的设计与实现的重要意义。
1.1 扩频的概念扩展频谱通信系统（Spread Spectrum Communication System）是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数（Spreading Function）扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，接收端再利用相应手段将其解扩，从而获取传输信息的通信系统。
为此，扩频函数（信号）必须满足以下的特性：扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号；它的带宽远大于欲传输信息（数据）带宽；具有类似于噪声的随机特性等。
由于扩频信号的上述特性，扩频系统具有许多的优点：（1）扩频信号的不可预测性，使得扩频系统具有很高的抗干扰（anti-jam，AJ）能力。
因为干扰者难以通过观测实施干扰，而只能采用发射大功率宽带的干扰信号进行干扰。
（2）扩频信号的功率相当均匀地被分布在很宽的频率范围，以致被传输信号功率密度很低，侦察接收机难以检测。
因此，扩频系统具有低截获概率性（Low Probability of Intercept，LPI），即信号有很好的隐蔽性。
（3）通过对宽带扩频信号的相关检测，可以使扩频系统具有很高的距离鉴别力，可用于测距。
（4）扩频通信系统具有良好的码分多址（CDMA）能力，对不同的用户使用不同的码，使得旁人无法窃听，因而具有高的保密性，可用于多址通信中。
1.2 扩频技术的应用与分类正因为这种种优点，扩频技术得到了迅速的发展，扩频系统也得到了越来越广泛的应用。
在通信、数据传输、信息保密、定位、测距和多址技术等方面，显示了它极强的生命力。
直接序列扩频系统matlab仿真
仿真结果：展示扩频与解扩 频过程的效果图和性能指标
结论：分析仿真结果，总结 直接序列扩频系统的性能优
势和适用场景
系统性能评估与优化
评估指标：包括频谱效率、抗干扰性能、抗多径干扰能力等。
仿真实验：通过MATL AB进行仿真实验，对系统性能进行评估。 优化方法：针对仿真实验中存在的问题，提出相应的优化方法，提高系统 性能。 性能比较：将优化后的系统性能与其他同类系统进行比较，验证优化效果。
扩频增益分析
扩频增益定义：扩频增益是指扩频通信系统所提供的信噪比改善程度，是衡量扩频系统性能的重 要参数。
扩频增益计算方法：扩频增益可以通过计算扩频前后的信噪比来获得，即扩频前信噪比与扩频后 信噪比之比。
仿真结果分析：通过对直接序列扩频系统的 MATL AB仿真，可以获得扩频前后的信噪比数据，进 而计算出扩频增益。
MATL AB是一款由MathWorks公司开发的商业数学软件
它主要用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算
MATL AB提供了丰富的库函数和工具箱，方便用户进行各种计算和分析
在直接序列扩频系统的仿真中，MATL AB可以用于搭建仿真模型、生成扩频码以及进行信号处理 等操作
Simulink模块库介绍
调制与解调过程仿真
调制过程：将信息信号调制到载 波信号上，实现频谱的扩展
仿真实现：利用MATL AB编程实 现调制与解调过程的模拟
添加标题
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解调过程：将调制信号解调还原 成原始信息信号的过程
仿真结果分析：对仿真结果进行 性能分析和评估
扩频与解扩频过程仿真
解扩频过程：将接收到的信 号与相同的扩频码进行解调， 恢复出原始信号
直接序列扩频系统
一、实验目的1.理解直接序列扩频系统基本原理和工作特点。
2.研究直接序列扩频频率扩展特点。
3.研究直接序列扩频系统抗干扰性能。
4.研究直接序列扩频系统中PN码的作用。
5.利用MATLAB中的仿真工具模拟直接序列扩频系统。
二、实验原理直接序列扩频系统（DS）又称为直接序列调制系统或伪噪声系统（PN系统），简称直扩系统，是目前应用较为广泛的一种扩展频谱系统。
直接序列扩频系统是将要发送的信息用伪随机（PN）序列扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发送端扩展用的相同的伪随机序列对接受到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的信息。
感染信号由于与伪随机序列不相关，在接收端被扩展，使落入信号频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了系统的输出信噪（干）比，达到抗干扰的目的。
三、实验系统组成及工作原理1.直扩系统组成框图上图为直扩系统组成原理框图。
由信源输出的信号a(t)，和伪随机码产生的伪随机码c(t)进行摸2加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样就得到已扩频调制的射频信号。
在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频后，用与发端同步的伪随机序列对中频的扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息序列a(t)的频带，即为中频调制信号。
然后再进行解调，恢复出所传输的信息a(t)，从而完成信息的传输。
2.直扩系统的信号分析信号源产生的信号为信息流，码元速率，码元宽度，＝1/ ，则为式中：为信息码，以概率P取＋1和以概率1-P取-1，为门函数。
即伪随机序列产生器产生的伪随机序列,速率为，每一伪随机码元宽度为，＝1/ 则。
式中：为伪随机码码元，取值＋1或－1；为门函数，定义与相似。
扩频过程实质上是信息流与伪随机序列的模2加或相乘的过程。
伪随机码速率比信息速率大得多，所以扩展后的序列的速率仍为伪随机码速率。
扩展的序列为式中：用此扩展后的序列去调制载波，将信号搬移到载频上去。
用于直扩系统的调制，原则上将大多数数字调制方式均可，但应视具体情况，根据系统的性能要求来确定，用地较多的调制方式有BPSK，MSK，QPSK，TFM等。
计算机网络技术--直接序列扩频
直接序列扩频 直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）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。
接受机在收到发射信号后，首先通过伪码同步捕获电路来捕获发送来到伪码精确相位，并由次产生跟发送端的伪码相位完全一致的伪码相位，作为本地解扩信号，以便能够及时恢复出数据信息，完成整个直扩通信系统的信号接收。
直接序列扩频系统的优点 一、抗干扰能力强 扩频解调器实际上是一个相关器，扩频信号通过相关器后能有效地恢复，干扰信号（包括瞄准性窄带干扰和宽带干扰）由于与本地PN码不想关而被相关器抑制掉。
表示扩频通信特性的一个重要参数是扩频增益G(Spreading Gain),其定义为扩频前的信号带宽B1与扩频后的信号带宽B2之比。
G=B2/B1扩频通信中，接收端对接收到的信号做扩频解调，只提取扩频编码相关处理后带宽为B1的信号成份，而排除了扩展到宽带B2中的干扰、噪声和其他用户通信的影响，相当于把接收信噪比提高了G 倍。
考虑到输出端的信噪比和接收系统损耗，可以认为实际的扩频增益带来的信噪比的改善为：M=G-输出端信噪比——系统损耗公式中的M叫做抗干扰容限。
在第四章的系统仿真中，我们可以更直观的观察到系统的抗干扰性能。
二、具有强的抗多径干扰能力 无线电波在传播的过程中，除了直接到达接收天线的直射信号外，还会有各种反射体（如大气对流层、建筑物、高山、树木、水面、地面）等引起的反射和折射信号被接收天线接收。
反射和折射信号的传播时间比直射信号长，它对直射信号产生的干扰称为多径干扰。
多径干扰会造成通信系统的严重衰落甚至无法工作。
由扩频序列的自相关函数的特性知道。
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5.1 直扩系统的组成与原理5.1.1 组成与原理前面已经说过：所谓直接序列(DS)扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。
而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。
图5－1为直扩系统的组成与原理框图。
图5－1在图5－1(a)中，假定发送的是一个频带限于fin以内的窄带信息。
将此信息在信息调制器中先对某一副载额fo进行调制(例如进行调幅或窄带调频)，得到一中心频率为fo而带宽为2fin的信号，即通常的窄带信号。
一般的窄带通信系统直接将此信号在发射机中对射频进行调制后由天线辐射出去。
但在扩展频谱通信中还需要增加一个扩展频谱的处理过程。
常用的一种扩展频谱的方法就是用一高码率fc的随机码序列对窄带信号进行二相相移键控调制见图5－1(b)中发端波形。
二相相移键控相当于载波抑制的调幅双边带信号。
选择fc ＞＞fo＞fin。
这样得到了带宽为2fc的载波抑制的宽带信号。
这一扩展了频谱的信号再送到发射机中去对射频f T进行调制后由天线辐射出去。
信号在射频信道传输过程中必然受到各种外来信号的干扰。
因此，在收端，进入接收机的除有用信号外还存在干扰信号。
假定干扰为功率较强的窄带信号，宽带有用信号与干扰信号同时经变频至中心频率为中频f I输出。
不言而喻，对这一中频宽带信号必须进行解扩处理才能进行信息解调。
解扩实际上就是扩频的反变换，通常也是用与发端相同的调制器，并用与发端完全相同的伪随机码序列对收到的宽带信号再一次进行二相相移键控。
从图5－1(b)中收端波形可以看出，再一次的相移键控正好把扩频信号恢复成相移键控前的原始信号。
从频谱上看则表现为宽带信号被解扩压缩还原成窄带信号。
这一窄带信号经中频窄带滤波器后至信息解调器再恢复成原始信息。
但是对于进入接收机的变窄带干扰信号，在收端调制器中同样也受到伪随机码的双相相移键控调制，它反而使窄带干扰变成宽度干扰信号。
由于干扰信号频谱的扩展，经过中频窄带通滤波作用，只允许通带内的干扰通过，使干扰功率大为减少。
由此可见，接收机输入端的信号与噪声经过解扩处理，使信号功率集中起来通过滤波器，同时使干扰功率扩散后被滤波器大量滤除，结果便大大提高了输出端的信号噪声功率比。
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。
综上所述，直扩系统的特点是：●频谱的扩展是直接由高码率的扩频码序列进行调制而得到的。
●扩频码序列多采用伪随机码，也称为伪噪声(PN)码序列。
●扩频调制方式多采用BPSK或QPSK等幅调制。
扩频和解扩的调制解调器多采用平衡调制器，制作简单又能抑制载被。
●模拟信息调制多采用频率调制(FM)，而数字信息调制多采用脉冲编码调制(PCM)或增量调制( M)。
●接收端多采用产生本地伪随机码序列对接收信号进行相关解扩，或采用匹配滤波器来解扩信号。
●扩频和解扩的伪随机码序列应有严格的同步，码的搜捕和跟踪多采用匹配滤波器或利用伪随机码的优良的相关特性在延迟锁定环中实现。
一般需要用窄带通滤波器来排除干扰，以实现其抗干扰能力的提高。
5.1.2 直扩信号的波形与频谱任何周期性的时间波形都可以看成是许多不同幅度、频率和相位的正弦波之和。
这些不同的频率成分，在频谱上占有一定的频带宽度。
单一频率的正弦波，在频谱上只有一条谱线，而周期性的矩形脉冲序列，则有许多谱线。
任何周期性的时间波形，可以用富氏级数展开的数学方法求出它的频谱分布图。
现在以矩形脉冲序列为例来说明其间的关系。
图5－2(a)中为一周期性矩形脉冲序列f(t)的波形及其频谱函数An(f)。
图5－2 (a), (b), (c)图中E为脉冲的幅度，τo为脉冲的宽度，To为脉冲的重复周期。
设To ＝5τo，从图中可以看出f(t)的An(f)分布为一系列离散谱线，由基频fo 及其高次谐波组成。
随着谐波频率的升高、幅度逐渐衰减。
对于棱角分明的波形，在理论上包含有无限多的频谱成分。
不难证明，时间有限的波形，在频谱无限的；相反，频谱有限的信号，在时间上也是无限的。
但一般来说，信号的能量主要集中在频谱的主瓣内，即频率从0开始到频谱经过第一个0点的频率为止的宽度内，称为信号的频带宽度，以Bf 表示。
从数学分析可知，信号谱线间隔决定于脉冲序列的重复周期，即fo ＝1/To。
而信号频带宽度取决于脉冲的宽度，即Bo＝1/τo。
在图5－2(b)中，●如果脉冲重复周期增加一倍，基频降低一半，谱线间隔也减少一半，谱线密度增加一倍，此时Bfo不变。
●如果脉冲重复周期不变，而脉冲宽度减少一半τ1＝τ0/2，则从图5－2(c)可以看出，谱线间隔不变，但信号的频带宽度Bf1增加一倍。
此外，从图中还可以看出，无论是脉冲重复周期的增加，还是脉冲宽度的减少，频谱函数的幅度都降低了。
从上面的讨论中可以得出两个重要的结论：一是为了扩展信号的频谱，可以采用窄的脉冲序列去进行调制某一载波，得到一个很宽的双边带的直扩信号。
采用的脉冲越窄，扩展的频谱越宽。
如果脉冲的重复周期为脉冲宽度的2倍，即T＝2τ，则脉冲宽度变窄对应于码重复频率的提高，即采用高码率的脉冲序列。
直扩系统正是应有了这一原理，直接用重复频率很高的窄脉冲序列来展宽信号的频谱。
二是如果信号的总能量不变，则频谱的展宽，使各频谱成分的幅度下降，换句话说，信号的功率谱密度降低。
这就是为什么可以用扩频信号进行隐蔽通信，及扩频信号具有低的被截获概率的原故。
5.2 扩频码序列5.2.1 码序列的相关性在扩展频谱通信中需要用高码率的窄脉冲序列。
这是指扩频码序列的波形而言。
并未涉及码的结构和如何产生等问题。
那么究竟选用什么样的码序列作为扩频码序列呢? 它应该具备哪些基本性能呢? 现在实际上用得最多的是伪随机码，或称为伪噪声(PN)码。
这类码序列最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。
因为噪声具有完全的随机性，也可以说具有近似于噪声的性能。
但是，真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生的。
我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，故称为伪随机码或PN码。
为什么要选用随机信号或噪声性能的信号来传输信息呢？许多理论研究表明，在信息传输中各种信号之间的差别性能越大越好。
这样任意两个信号不容易混淆，也就是说，相互之间不易发生干扰，不会发生误判。
理想的传输信息的信号形式应是类似噪声的随机信号，因为取任何时间上不同的两段噪声来比较都不会完全相似。
用它们代表两种信号，其差别性就最大。
在数学上是用自相关函数来表示信号与它自身相移以后的相似性的。
随机信号的自相关函数的定义为下列积分：式中f(t)为信号的时间函数，τ为时间延迟。
上式的物理概念是f(t)与其相对延迟的τ的f( t - τ)来比较:如二者不完全重叠，即τ≠ 0，则乘积的积分ψa(τ)为0；如二者完全重叠，即τ＝0；则相乘积分后ψa(0)为一常数。
因此，ψa(τ)的大小可用来表征f(t)与自身延迟后的f( t －τ)的相关性，故称为自相关函数。
现在来看看随机噪声的自相关性。
图5－3(a)为任一随机噪声的时间波形及其延迟一段τ后的波形。
图5－3(b)为其自相关函数。
当τ＝0时，两个波形完全相同、重叠，积分平均为一常数。
如果稍微延迟一τ，对于完全的随机噪声，相乘以后正负抵消，积分为0。
因而在以τ为横座标的图上ψa(τ)应为在原点的一段垂直线。
在其他τ时，其值为0。
这是一种理想的二值自相关特性。
利用这种特性，就很容易地判断接收到的信号与本地产生的相同信号复制品之间的波形和相位是否完全一致。
相位完全对准时有输出，没有对准时输出为0。
遗憾的是这种理想的情况在现实中是不能实现的。
因为我们不能产生两个完全相同的随机信号。
我们所能做到的是产生一种具有类似自相关特性的周期性信号。
图5－3PN码就是一种具有近似随机噪声这种理想二值自相关特性的码序列。
例如二元码序列1110l00为码长为7位的PN码。
如果用＋1，－1脉冲分别表示“l”和“0”，则在图5－3(c)中示出其波形和它相对延迟τ个时片的波形。
这样我们很容易求出这两个脉冲序列波形的自相关函数，如图5－3(d)中。
自相关峰值在τ＝0时出现，自相关函数在±τ0/2范围内呈三角形。
τ0为脉冲宽度。
而其它延迟时，自相关函数值为－1/7, 即码位长的倒数取负值。
当码长取得很大时，它就越近似于图5－3(b)中所示的理想的随机噪声的自相关特性。
自然这种码序列就被称为伪随机码或伪噪声码。
由于这种码序列具有周期性，又容易产生，它就是下面即将介绍的m序列，成为直扩系统中常用的扩频码序列。
扩频码序列除自相关性外，与其他同类码序列的相似性和相关性也很重要。
例如有许多用户共用一个信道，要区分不同用户的信号，就得靠相互之间的区别或不相似性来区分。
换句话说，就是要选用互相关性小的信号来表示不同的用户。
两个不同信号波形f(t)与g(t)之间的相似性用互相关函数来表示：如果两个信号都是完全随机的，在任意延迟时间τ都不相同，则上式为0。
如果有一定的相似性，则不完全为0。
两个信号的互相关函数为0，则称之为是正交的。
通常希望两个信号的互相关值越小越好，则它们越容易被区分，且相互之间的干扰也小。
5.2.1 m序列m序列是最长线性移位寄存器序列的简称。
由于m序列容易产生、规律性强、有许多优良的性能，在扩频通信中最早获得广泛的应用。
顾名思义，m序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。
在二进制移位寄存器发生器中，若n为级数，则所能产生的最大长度的码序列为2n－1位。
现在来看看如何由多级移位寄存器经线性反馈产生周期性的m序列。
图5－4(a)为一最简单的三级移位寄存器构成的m序列发生器。
图5－4图中Dl、D2、D3为三级移位寄存器，为模二加法器。
移位寄存器的作用为在时钟脉冲驱动下，能将所暂存的“1”或“0”逐级向右移。
模二加法器的作用为图中(b)所示的运算，即0十0＝0，0十1＝1，1十0＝l，l十1＝0。
图(a)中D2、D3输出的模二和反馈为Dl的输入。
在图(c)中示出，在时钟脉冲驱动下，三级移位寄存器的暂存数据按列改变。
D3的变化即输出序列。
如移位寄存器各级的初始状态为111时，输出序列为1110010。
在输出周期为23－1＝7的码序列后，D1、D2、D3又回到111状态。
在时钟脉冲的驱动下，输出序列作周期性的重复。
因7位为所能产生的最长的码序列，1110010则为m序列。
这一简单的例子说明：m序列的最大长度决定于移位寄存器的级数，而码的结构决定于反馈抽头的位置和数量。
不同的抽头组合可以产生不同长度和不同结构的码序列。
有的抽头组合并不能产生最长周期的序列。
对于何种抽头能产生何种长度和结构的码序列，已经进行了大量的研究工作。