基于Matlab的直序列和跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真

1、基于Matlab的直序列和跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康母鶕?jù)通信理論知識(shí)熟練的運(yùn)用MATLAB進(jìn)行直序列擴(kuò)頻和跳頻擴(kuò)頻的仿真研究。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.Matlab/simulink通信系統(tǒng)仿真。2.用matlab實(shí)現(xiàn)直序列擴(kuò)頻和跳頻擴(kuò)頻。三、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件平臺(tái)：筆記本電腦軟件平臺(tái)：windows XP操作系統(tǒng)、Matlab R2014a四、擴(kuò)頻通信（一）理論基礎(chǔ)通信技術(shù)和通信理論的研究，是圍繞著通信系統(tǒng)的有效性和可靠性這兩個(gè)基本問(wèn)題開(kāi)展的。所以，有效性和可靠性是設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。有效性，是指通信系統(tǒng)傳輸信息效率的高低。這個(gè)問(wèn)題是討論怎樣以最合理、最經(jīng)濟(jì)的方法傳輸最大數(shù)量的信息。

2、在模擬通信系統(tǒng)中，多路復(fù)用技術(shù)可提高系統(tǒng)的有效性。顯然，信道復(fù)用程度越高，系統(tǒng)傳輸信息的有效性就越好。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，因此傳輸?shù)挠行允怯脗鬏斔俾蕘?lái)衡量的?？煽啃?，是指通信系統(tǒng)可靠地傳輸信息。由于信息在傳輸過(guò)程中受到干擾，收到的與發(fā)出的信息并不完全相同?？煽啃跃褪怯脕?lái)衡量收到信息與發(fā)出信息的符合程度。因此，可靠性決定于系統(tǒng)抵抗干擾的性能，也就是說(shuō)，決定于通信系統(tǒng)的抗干擾性。在模擬通信系統(tǒng)中，傳輸可靠性是用整個(gè)系統(tǒng)的輸出信噪比來(lái)衡量的。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，傳輸可靠性是用差錯(cuò)率來(lái)衡量的。擴(kuò)展頻譜通信由于具有很強(qiáng)的抗干擾能力，首先在軍用通信系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。近年來(lái)，擴(kuò)展頻譜通信

3、技術(shù)的理論和應(yīng)用發(fā)展非常迅速。擴(kuò)頻通信是擴(kuò)展頻譜通信的簡(jiǎn)稱。我們知道，頻譜是電信號(hào)的頻域描述。承載各種信息(如語(yǔ)音、圖象、數(shù)據(jù)等)的信號(hào)一般都是以時(shí)域來(lái)表示的，即表示為一個(gè)時(shí)間的函數(shù)。信號(hào)的時(shí)域表示式可以用傅立葉變換得到其頻域表示式。頻域和時(shí)域的關(guān)系由式(1-1)確定： (1-1)函數(shù)的傅立葉變換存在的充分條件是滿足狄里赫萊(Dirichlet)條件，或在區(qū)間(-，+)絕對(duì)可積，即必須為有限值。擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)是指待傳輸信息的頻譜用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)（與待傳輸?shù)男畔⒋a無(wú)關(guān)）擴(kuò)展后成為寬頻帶信號(hào)，送入信道中傳輸，再利用相應(yīng)的手段將其壓縮，從而獲取傳輸信息的通信系統(tǒng)。也就是說(shuō)在傳輸同樣信息時(shí)所需要

4、的射頻帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)被傳輸信息所必需的最小的帶寬。擴(kuò)頻后射頻信號(hào)的帶寬至少是信息帶寬的幾十倍、幾百倍甚至幾萬(wàn)倍。信息已不再是決定射頻信號(hào)帶寬的一個(gè)重要因素，射頻信號(hào)的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)來(lái)決定。由上述可知，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)有以下兩個(gè)特點(diǎn)： 傳輸信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被傳輸?shù)脑夹畔⑿盘?hào)的帶寬； 傳輸信號(hào)的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)決定，此擴(kuò)頻函數(shù)通常是偽隨機(jī)(偽噪聲)編碼信號(hào)。以上兩個(gè)特點(diǎn)有時(shí)也稱為判斷擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的準(zhǔn)則。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是其具有很強(qiáng)的抗人為干擾、抗窄帶干擾、抗多徑干擾的能力。這里我們先定性地說(shuō)明一下擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具有抗干擾能力的理論依據(jù)。擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)是香農(nóng)公式，即信道的理論容量公式為

5、： (1-2)式（1-2）中，為信道容量，單位為bps；W微信道帶寬；為信噪比。擴(kuò)頻通信將信道上帶寬擴(kuò)展許多倍以換取信噪比上的好處，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。假設(shè)是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，對(duì)(1-2)式進(jìn)行變換 (1-3)對(duì)于干擾環(huán)境中的典型情況，當(dāng)時(shí)，對(duì)式(1-3)用冪級(jí)數(shù)展開(kāi)，并略去高次項(xiàng)得 或 (1-4)由式(1-4)可看出，對(duì)于任意給定的噪聲信號(hào)功率比，只要增加用于傳輸信息的帶寬，理論上就可以增加在信道中無(wú)誤差地傳輸?shù)男畔⒙??；蛘哒f(shuō)在信道中當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信號(hào)噪聲功率比下降時(shí)，可以用增加系統(tǒng)傳輸帶寬的辦法來(lái)保持信道容量不變。對(duì)于任意給定的信號(hào)噪聲功率比，可以用增大系統(tǒng)的傳輸帶寬

6、來(lái)獲得較低的信息差錯(cuò)率。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)正是利用這一原理，用高速率的擴(kuò)頻碼來(lái)達(dá)到擴(kuò)展待傳輸?shù)臄?shù)字信息帶寬的目的。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)通信體制大幾百倍乃至幾萬(wàn)倍，所以在相同信噪比的條件下，具有較強(qiáng)的抗干擾的能力。香農(nóng)公式指出，在高斯噪聲的干擾下，在限平均功率的信道上，實(shí)現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號(hào)是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)。這是因?yàn)楦咚拱自肼曅盘?hào)具有理想的自相關(guān)特性，其功率譜為 (1-5)它的自相關(guān)函數(shù)為： (1-6)其中：為時(shí)延，當(dāng)時(shí)趨于無(wú)窮，當(dāng)時(shí)。白噪聲的自相關(guān)函數(shù)具有函數(shù)的特點(diǎn)，說(shuō)明它具有尖銳的自相關(guān)特性。但是對(duì)于白噪聲信號(hào)的產(chǎn)生、加工和復(fù)制，迄今為止仍存在著許多技術(shù)問(wèn)題和困難。然而人們已經(jīng)

7、找到一些易于產(chǎn)生又便于加工和控制的偽噪聲碼序列，它們的統(tǒng)計(jì)特性逼近于高斯白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性。假設(shè)某種偽噪聲序列的周期為，且碼元都是二元域上的元素。一個(gè)周期為，碼元為的偽噪聲二元序列的歸一化自相關(guān)函數(shù)為 (1-7)式中，1，2，3，當(dāng)偽噪聲序列周期取足夠長(zhǎng)或時(shí)，式(1-7)可簡(jiǎn)化為 (1-8)比較式(1-6)和式(1-8)，看出它們比較接近，當(dāng)序列周期(長(zhǎng)度)足夠長(zhǎng)時(shí)，式(1-8)就逼近式(1-6)。偽噪聲序列具有和白噪聲類似的統(tǒng)計(jì)特性，也就是它逼近于高斯信道要求的最佳信號(hào)形式。用偽噪聲碼擴(kuò)展待傳輸基帶信號(hào)頻譜的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，優(yōu)于常規(guī)通信體制。（二）實(shí)現(xiàn)方法擴(kuò)頻通信與一般的通信系統(tǒng)相比，主要是在發(fā)

8、射端增加了擴(kuò)頻調(diào)制，而在接收端增加了擴(kuò)頻解調(diào)的過(guò)程，擴(kuò)頻通信按其工作方式不同主要分為直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)、跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)、跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)、線性調(diào)頻系統(tǒng)和混合調(diào)頻系統(tǒng)。直接序列擴(kuò)頻（Direct Sequence Spread Spectrum，DS-SS） 跳頻擴(kuò)頻（Frequency Hopping Spread Spectrum，F(xiàn)H-SS）跳時(shí)擴(kuò)頻（Time Hopping Spread Spectrum，TH-SS）直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)采用高碼速率的直接序列（Direct Sequence

9、，DS），偽隨機(jī)碼在發(fā)端進(jìn)行擴(kuò)頻，在收端用相同的碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，然后將展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始信息。所謂跳頻是指發(fā)送信號(hào)的載波按照某一隨機(jī)跳變圖樣在跳變，跳頻信號(hào)具有時(shí)變、偽隨機(jī)的載頻。跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)在很多方面類似于將帶寬為多個(gè)用戶劃分為多個(gè)信道的FDMA系統(tǒng)。在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，某一用戶的跳頻信號(hào)只占用單個(gè)頻率信道。跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)和FDMA系統(tǒng)的區(qū)別在于：跳頻信號(hào)在很短的周期間隔內(nèi)改變載頻。跳頻系統(tǒng)又分為快跳頻和慢跳頻兩種。如果信號(hào)跳頻的速率等于或接近于符號(hào)速率，則該系統(tǒng)稱為快跳頻系統(tǒng)；如果信號(hào)跳頻的速率低于符號(hào)速率，則稱為慢跳頻系統(tǒng)。跳時(shí)是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變。先把時(shí)間軸分成許多時(shí)片，在一幀

10、內(nèi)的哪個(gè)時(shí)片發(fā)射信號(hào)由擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行控制。由于用了很窄的時(shí)片去發(fā)送信號(hào)，所以信號(hào)的頻譜被展寬了，達(dá)到了擴(kuò)頻的效果。圖1為擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的模型框圖。圖4-2為理想擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)波形。圖1 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)模型Tb(a) d(t)+1 -1Tb(e) d(t) +1 -1s(t)=d(t)c(t)cos2pf0t+j(t)(d) s(t)(b) c(t)+1-1Tc(c) d(t)c(t) +1-1圖2 理想擴(kuò)頻系統(tǒng)波形早在50年代，哈爾凱維奇已從理論上證明：要克服多徑衰落干擾的影響，信道中傳輸?shù)淖罴研盘?hào)形式應(yīng)該是具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)形式。采用偽噪聲碼的擴(kuò)頻函數(shù)逼近白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，因而擴(kuò)頻通信系統(tǒng)又

11、具有抗多徑干擾的能力。現(xiàn)在我們以直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)為例，來(lái)研究擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本原理。它的原理框圖如圖1所示。信源產(chǎn)生的信息流通過(guò)編碼器輸出二進(jìn)制碼流。二進(jìn)制碼流中所含的兩個(gè)符號(hào)的先驗(yàn)概率相同，均為，且兩個(gè)符號(hào)相互獨(dú)立，其波形圖如圖2(a)所示，二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)與一個(gè)高速率的二進(jìn)制偽噪聲碼的波形（如圖2(b)所示，偽噪聲碼為m序列）相乘，得到如圖2(c)所示的復(fù)合信號(hào)，這就擴(kuò)展了傳輸信息的帶寬。一般偽噪聲碼的速率是Mb/s的量級(jí)，有的甚至達(dá)到幾百M(fèi)b/s。而待傳輸?shù)男畔⒘鹘?jīng)編碼器編碼后的碼速率較低。擴(kuò)頻后的復(fù)合信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制(直接序列擴(kuò)頻一般采用PSK調(diào)制)，然后通過(guò)發(fā)射機(jī)和天線送入信道中

12、傳輸。發(fā)射機(jī)輸出的擴(kuò)頻信號(hào)用表示，如圖2(d)所示。擴(kuò)頻信號(hào)的帶寬取決于偽噪聲碼的碼速率。在PSK調(diào)制的情況下，射頻信號(hào)的帶寬等于偽噪聲碼速率的2倍，而幾乎與數(shù)字信息流的碼速率無(wú)關(guān)。以上處理過(guò)程就達(dá)到了擴(kuò)展數(shù)字信息流頻譜的目的。Rcf0fffBbfIFfIFBb多徑信號(hào)窄帶干擾白噪聲白噪聲有用信號(hào)有用信號(hào)多徑信號(hào)多徑信號(hào)窄帶干擾有用信號(hào)白噪聲窄帶干擾(a) 接收機(jī)輸入(b) 混頻器輸出(c) 中頻濾波器輸出 圖3 擴(kuò)頻接收機(jī)中頻濾波器輸出頻譜在接收端用一個(gè)和發(fā)射端同步的偽噪聲碼所調(diào)制的本地振蕩信號(hào)，與接收到的進(jìn)行相關(guān)處理。相關(guān)處理是將兩個(gè)信號(hào)相乘，然后求其數(shù)學(xué)期望(均值)，或求兩個(gè)信號(hào)瞬時(shí)值相

13、乘的積分。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)完全相同時(shí)(或相關(guān)性很好)，得到最大的相關(guān)峰值，經(jīng)數(shù)據(jù)檢測(cè)器恢復(fù)發(fā)射端的信號(hào)。若信道中存在著干擾，這些干擾包括窄帶干擾、人為瞄準(zhǔn)式干擾、單頻干擾、多徑干擾和碼分多址干擾，它們和有用信號(hào)同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)，如圖3(a)所示。圖3中，為偽噪聲碼速率，為射頻頻率，為中頻頻率，為被基帶數(shù)字信息調(diào)制的已調(diào)波信號(hào)的帶寬。由于窄帶噪聲和多徑干擾與本地?cái)U(kuò)頻信號(hào)不相關(guān)，所以在進(jìn)行相關(guān)處理時(shí)被削弱，實(shí)際上干擾信號(hào)和本地?cái)U(kuò)頻信號(hào)相關(guān)處理后，其頻帶被擴(kuò)展，也就是干擾信號(hào)的能量被擴(kuò)展到整個(gè)傳輸頻帶之內(nèi)，降低了干擾信號(hào)的電平(單位頻率內(nèi)的能量)，如圖3(b)所示。由于相關(guān)器后的中頻濾波器通頻帶很窄，所以中

14、頻濾波器只輸出被基帶信號(hào)調(diào)制的中頻信號(hào)和落在濾波器通頻帶內(nèi)的那部分干擾和噪聲，而絕大部分的干擾和噪聲能量被中頻濾波器濾除，這樣就大大地改善了系統(tǒng)的輸出信噪比。2.1直序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)直序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)框圖如圖4所示。擴(kuò)頻通信有兩個(gè)重要參數(shù)：處理增益和干擾容限。圖4 直序列擴(kuò)頻的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)2.1.1擴(kuò)頻增益為衡量擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾能力的優(yōu)劣，接收機(jī)相關(guān)器輸出信噪比和接收機(jī)相關(guān)器的輸入信噪比之比定義為擴(kuò)頻增益，即： （2-1）式中，和分別為接收機(jī)相關(guān)器的輸入/輸出信號(hào)功率；和分別為相關(guān)器的輸入/輸出端干擾功率。假設(shè)系統(tǒng)中有K個(gè)通信用戶，分別用不同的擴(kuò)頻碼來(lái)調(diào)制信息數(shù)據(jù)。假設(shè)理想功率控制

15、(各個(gè)用戶到達(dá)接收端的功率相同)的情況,設(shè)是接收的每一個(gè)用戶的信號(hào)功率，系統(tǒng)的擴(kuò)頻帶寬為，噪聲功率譜密度為，則接收端接收到的有用信號(hào)功率為，接收到的其他干擾用戶的干擾功率為,該通信用戶的輸入信噪比為： (2-2)經(jīng)接收機(jī)擴(kuò)頻解調(diào)后，該通信用戶的信號(hào)被全部接收但信號(hào)帶寬已變換到基帶內(nèi)（變?yōu)檎瓗盘?hào)），設(shè)基帶信號(hào)的信息速率為，此時(shí)有用信號(hào)的功率譜為，其他用戶或者干擾噪聲信號(hào)與用戶信號(hào)的地址碼不相關(guān)，不能得到解調(diào)，因此，它們的功率譜密度保持不變，輸出信噪比為： （2-3）所以，很容易得到擴(kuò)頻解調(diào)前后的擴(kuò)頻增益，即： （2-4）2.1.2 干擾容限為了描述擴(kuò)頻系統(tǒng)在干擾環(huán)境下的工作性能，引入干擾容限的

16、概念，干擾容限定義為; (2-5)式中，為輸出信噪比；微系統(tǒng)損耗；為擴(kuò)頻增益。干擾容限可以解釋為當(dāng)干擾功率超過(guò)信號(hào)功率時(shí)，系統(tǒng)不能正常工作。在實(shí)驗(yàn)中，以M序列擴(kuò)頻碼進(jìn)行仿真,擴(kuò)頻后的數(shù)據(jù)通過(guò)脈沖成型濾波器后通過(guò)信道同時(shí)到達(dá)接收端,在接收端分別對(duì)不同用戶信息數(shù)據(jù)進(jìn)行解擴(kuò),恢復(fù)各個(gè)用戶的原始信息。圖5 DS-CDMA通信系統(tǒng)原理圖%直接序列擴(kuò)頻主程序代碼function ber = dscdma(user,seq)%user 同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)頻通信的用戶數(shù)%seq 擴(kuò)頻碼1:M-序列 2:Gold序列 3:正交Gold序列%ber 該用戶數(shù)下的誤碼率 %* 初始化部分 *sr=256000.0; % 符

17、號(hào)速率nSymbol=10000; %每種信噪比下發(fā)送的符號(hào)數(shù)M=4; % 4-QAM調(diào)制br=sr*log2(M); % 比特速率graycode=0 1 3 2; % Gray編碼規(guī)則 EbNo=0:2:10; % Eb/No 變化范圍 %* 脈沖成形濾波器參數(shù)*delay=10; % 升余弦濾波器時(shí)延Fs=8; % 濾波器過(guò)采樣數(shù)rolloff=0.5; % 升余弦濾波器滾降因子rrcfilter=rcosine(1,Fs,'fir/sqrt',rolloff,delay);%設(shè)計(jì)根升余弦濾波器%* 擴(kuò)頻碼產(chǎn)生參數(shù) *stage=3; % m序列的階數(shù)ptap1=1 3;

18、 % m序列1的寄存器連接方式ptap2=2 3; % m序列2的寄存器連接方式regi1=1 1 1 ; % m序列1的寄存器初始值regi2=1 1 1; % m序列2的寄存器初始值%* 擴(kuò)頻碼的生成 * *code=mseq(stage,ptap1,regi1,user);code=code*2-1;clen=length(code);%* 衰落信道參數(shù) *ts=1/Fs/sr/clen; %信道采樣時(shí)間間隔t=(0:nSymbol*Fs*clen-1+2*delay*Fs)*ts; %每種信噪比下的符號(hào)傳輸時(shí)間fd=160; %多普勒頻移Hzh=rayleigh(fd,t); %生成衰

19、落信道%* 仿真開(kāi)始 *%* 發(fā)射端 *for indx=1:length(EbNo)indx data=randsrc(user,nSymbol,0 :3); % 產(chǎn)生各個(gè)用戶的發(fā)射數(shù)據(jù) data1=graycode(data+1); % Gray編碼 data1=qammod(data1,M); % 4-QAM 調(diào)制 out=spread(data1,code); % 擴(kuò)頻 out1=rcosflt(out.',sr,Fs*sr,'filter',rrcfilter); % 通過(guò)脈沖成形濾波器 spow=sum(abs(out1).2)/nSymbol; % 計(jì)算每

20、個(gè)用戶信號(hào)功率 if user>1 % 用戶數(shù)大于1時(shí)，所有用戶數(shù)據(jù)相加 out1=sum(out1.'); else out1=out1.'end%* 接收端*sigma = sqrt(0.5 * spow * sr / br * 10(-EbNo(indx)/10);%根據(jù)信噪比計(jì)算高斯白噪聲方差 y=; for ii=1:user y(ii,:)=out1+sigma(ii).*(randn(1,length(out1)+j*randn(1,length(out1);%加入高斯白噪聲（AWGN） end y=rcosflt(y.',sr,Fs*sr,'

21、;Fs/filter',rrcfilter); %通過(guò)脈沖成形濾波器濾波 y=downsample(y,Fs); %降采樣 for ii=1:user y1(:,ii)=y(2*delay+1:end-2*delay,ii); end yd=despread(y1.',code); % 數(shù)據(jù)解擴(kuò) demodata=qamdemod(yd,M); % 4-QAM 解調(diào) demodata=graycode(demodata+1); % Gray編碼逆映射 err,ber(indx)=biterr(data,demodata,log2(M); % 統(tǒng)計(jì)誤比特率end假設(shè)同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)頻通

22、信的用戶數(shù)分別為1、4和7個(gè)時(shí)，M序列DS-CDMA在AWGN下的性能如圖6所示：圖6 M序列DS-CDMA在AWGN下的性能 如圖看可以看出，由于M序列即使在完全同步的情況下，相互之間的互相關(guān)值也不為0，因此隨著用戶數(shù)的增加，干擾越來(lái)越大，導(dǎo)致系統(tǒng)的誤碼率增大，系統(tǒng)的性能下降。2.2. 跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)2.2.1.基本原理及數(shù)學(xué)模型跳頻通信是指?jìng)鬏斝盘?hào)的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式。也就是說(shuō)，通信使用的載波頻率被一組高速變化的碼控制而隨機(jī)跳變。這種控制載波變化的規(guī)律，又叫“跳頻圖案”。從實(shí)現(xiàn)通信的技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，“跳頻”是一種用碼序列進(jìn)行多頻、選碼、頻移鍵控的通信方式，即用偽碼序

23、列構(gòu)成跳頻指令來(lái)控制頻率合成器，并在多個(gè)頻率中進(jìn)行選擇的頻移鍵控，是一種碼控載頻跳變的通信系統(tǒng)。我們熟悉的二元移頻鍵控BFSK只有兩個(gè)頻率、，分別代表傳號(hào)和空號(hào)。而跳頻系統(tǒng)則要求提供幾百個(gè)、甚至上千萬(wàn)個(gè)頻率。它由所傳信息碼與偽隨機(jī)碼序列模2加（或波形相乘）的組合來(lái)構(gòu)成跳頻指令（圖案），由它來(lái)隨機(jī)選擇發(fā)送頻率。跳頻系統(tǒng)簡(jiǎn)單原理圖如圖7所示。在發(fā)送端信息碼序列與偽隨機(jī)碼序列調(diào)制后，按不同的跳頻圖案或指令去控制不同的頻率合成器，使其輸出頻率在信道里隨機(jī)跳變的變化。如圖8（a）所示。在接收端，為了對(duì)輸入信號(hào)解調(diào)，需要有與發(fā)端相同的本地偽碼序列發(fā)生器構(gòu)成的跳頻指令去控制本地頻率合成器。經(jīng)中頻放大器放大及

24、帶通濾波后，送到數(shù)字信息解調(diào)器恢復(fù)出原始信息。從時(shí)頻域來(lái)看，多頻率的移頻鍵控信號(hào)由時(shí)頻矩陣組成，每個(gè)頻率持續(xù)時(shí)間T，并按跳頻指令的規(guī)定在時(shí)頻矩陣內(nèi)跳變，如圖8（b）所示。 調(diào)制器 頻率 合成器 偽碼 產(chǎn)生器 混頻器 時(shí)鐘源 偽 碼 產(chǎn)生器 頻率 合成器 解調(diào)器 中頻 放大器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 時(shí)鐘源圖7 跳頻系統(tǒng)簡(jiǎn)單原理圖為了盡可能減少鄰近干擾，頻率間隔應(yīng)選擇為，這樣頻率的譜狀零值正好處于的峰值處，即為構(gòu)成了頻率的正交關(guān)系，如圖8（c）所示。因此，若取跳頻頻率數(shù)為N，則跳頻信號(hào)帶寬等于。理想的跳頻器輸出頻譜呈矩形形狀，并且每個(gè)頻道均具有相同的功率，如圖8（a）中的跳頻頻譜所示。圖8 跳頻時(shí)頻矩陣圖（a）

25、跳頻圖案；（b）跳頻時(shí)頻矩陣；（c）跳頻頻率間隔圖9是跳頻系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)為發(fā)送的跳頻信號(hào)， （2-6）其中，n=0,1,2，,N-1；為輸出的FH信號(hào)（令振幅A=1）;為FH合成器跳變間隔，每跳持續(xù)時(shí)間T，一般?。皇谴齻鲾?shù)字信息流；為初相。在信道中與其他地址信號(hào)、噪聲以及干擾組合后進(jìn)入接收機(jī)的信號(hào)為 （2-7）圖9 跳頻系統(tǒng)模型圖進(jìn)入本地信號(hào)相乘后得 （2-8）式中，為本地頻率合成器的中心頻率，與差一個(gè)中頻。假設(shè)收發(fā)兩端跳頻圖案已同步，把式（2-6）代入（2-8）得 （2-9）式中，是中頻；是本地跳頻信號(hào)的初相；。式（2-9）中，的每次跳變使混頻器輸出一個(gè)固定中頻，經(jīng)中頻濾波器濾除其和頻分

26、量就得到有用信號(hào)分量為 （2-10）再把上式中的信號(hào)送入解調(diào)器中，即可解調(diào)出信息。而其它地址調(diào)頻信號(hào)、干擾信號(hào)、噪聲不能在每次跳頻時(shí)隙內(nèi)都與本地輸出信號(hào)混頻成固定中頻。這樣，相乘后就落在中頻帶通濾波器的通帶之外，自然就不會(huì)對(duì)有用信號(hào)的解調(diào)發(fā)生影響。從上述跳頻系統(tǒng)的物理概念可以看出，調(diào)頻系統(tǒng)也占用了比信息帶寬要寬得多的頻帶。從每一瞬間來(lái)看，它只是在單一射頻載波上通信。但從總體上來(lái)看，它所占用帶寬,提供了抗干擾能力。 FH必須有大量按指令碼可供選用的頻率，所需的頻率數(shù)取決于系統(tǒng)差錯(cuò)率。例如，有1000個(gè)頻率儲(chǔ)備的系統(tǒng)，即使干擾或其他噪聲均勻分布在每個(gè)可用頻率上也無(wú)關(guān)緊要。如果干擾或其他噪聲均勻地分

27、布在每個(gè)頻道上，若要阻塞整個(gè)跳頻帶寬內(nèi)的通信，則要求噪聲功率比有用信號(hào)功率至少大100倍，即干擾容限為30dB，也就是干擾臺(tái)釋放1000W均勻分布的干擾功率對(duì)準(zhǔn)跳頻系統(tǒng)。2.2.2. 藍(lán)牙跳頻技術(shù)藍(lán)牙跳頻技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙擴(kuò)譜的關(guān)鍵技術(shù)。ISM頻段是對(duì)所有無(wú)線電系統(tǒng)都開(kāi)放的頻段，使用ISM頻段的系統(tǒng)容易受干擾。藍(lán)牙跳頻系統(tǒng)，使得系統(tǒng)所傳輸?shù)男盘?hào)工作在一個(gè)很寬的頻帶上，傳統(tǒng)的窄帶干擾只能影響到擴(kuò)頻信號(hào)的一小部分，這使得信號(hào)不容易受到其它無(wú)線電波和信號(hào)的影響，從而更加穩(wěn)定。另外，如果在一個(gè)頻道上遇到干擾，就可以迅速跳到可能沒(méi)有干擾的另一個(gè)頻道上工作，從而加強(qiáng)了信號(hào)的可靠性和安全性。藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)包

28、括：信號(hào)傳輸部分、信號(hào)接收部分、頻譜分析部分、誤碼分析部分。藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸主要包含兩個(gè)部分：信號(hào)序列產(chǎn)生和在跳頻頻率上映射該序列。藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)信號(hào)接收部分利用相同的隨機(jī)跳頻序列將接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，按照預(yù)處理的逆序進(jìn)行解調(diào)，包含F(xiàn)H-CPM Demulator子系統(tǒng)和Dis-assemble Packet子系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)。發(fā)送端在時(shí)鐘控制下，偽碼發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列去控制頻率合成至生成跳頻載波系列，稱做跳頻圖案。跳頻通信系統(tǒng)的原理框圖見(jiàn)圖7。圖中接收端的預(yù)調(diào)制濾波器是一種中心頻率隨信號(hào)跳頻式樣而同步跳變的窄帶濾波器（通頻帶允許所需信號(hào)通過(guò)），目的在于增加接收機(jī)的時(shí)間選擇性，減少?gòu)?qiáng)干

29、擾對(duì)接收機(jī)可能引起的阻塞現(xiàn)象。 接收的跳頻載波序列若與本地產(chǎn)生的跳頻序列圖案一致，則經(jīng)混頻后可得到一個(gè)固定的中頻信號(hào)，再經(jīng)解調(diào)獲得輸出。若外來(lái)跳頻圖案與本地圖案不一致，則得不到一個(gè)固定的中頻信號(hào)，解調(diào)后只是一些噪聲而得不到有用的輸出。因此時(shí)間同步是跳頻通信的關(guān)鍵技術(shù)。 調(diào)制方式可根據(jù)跳頻信號(hào)的特征進(jìn)行選擇。在跳頻系統(tǒng)中不宜采用對(duì)相位要求嚴(yán)格的調(diào)制方式。因?yàn)樵谔l通信系統(tǒng)中，接收機(jī)的本地載波要做到與外來(lái)信號(hào)的載波在相位上保持相干是很困難的。因此，宜用非相干檢測(cè)方式。頻率合成器是跳頻通信系統(tǒng)的重要組成部分。頻率合成器的性能將制約跳頻速率。對(duì)頻率合成器的要求是跳頻速率快、雜散電平低和功耗小。頻率合成

30、器進(jìn)行頻率跳變時(shí)，一般有2個(gè)階段：一個(gè)是過(guò)渡期（暫態(tài)時(shí)間），一個(gè)是滯留期（穩(wěn)態(tài)時(shí)間）。要求過(guò)渡期盡量的要短，以實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換。2.2.3. Matlab/Simulink仿真模型藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)仿真模型圖如下所示：圖10 藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)仿真模型圖 藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)包括四個(gè)部分：藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸部分、藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)信號(hào)接收部分、藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)頻譜分析部分、藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)誤碼分析部分。圖11 藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸部分藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸主要包含兩個(gè)部分：信號(hào)序列產(chǎn)生和在跳頻頻率上映射該序列。信號(hào)產(chǎn)生采用Bernoulli隨機(jī)信號(hào)生成模塊產(chǎn)生幀采樣率為10、采樣時(shí)間為1.5e-

31、6的隨機(jī)信號(hào)。信號(hào)經(jīng)預(yù)處理在1600/s的跳頻上進(jìn)行映射。圖12 FH-CPM Modulaor子系統(tǒng)跳頻調(diào)制方式采用FH-CPM制式調(diào)制，輸入int1將原始信號(hào)進(jìn)行CPM調(diào)制得到脈沖長(zhǎng)度為1的Binary符號(hào)序列，在另一輸入端將跳頻速率為1600/s的跳頻信號(hào)進(jìn)行M-FSK調(diào)制，得到-39MHZ39MHZ的跳頻序列，將二者相乘得到輸出信號(hào)進(jìn)入傳輸信道。圖13 藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)信號(hào)接收部分藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)信號(hào)接收部分利用相同的隨機(jī)跳頻序列將接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，按照預(yù)處理的逆序進(jìn)行解調(diào)，包含F(xiàn)H-CPM Demulator子系統(tǒng)和Dis-assemble Packet子系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)。FH-CPM

32、 Demulator子系統(tǒng)如圖14所示，圖14 FH-CPM Demulator子系統(tǒng)輸入int1是經(jīng)傳輸信道接收的擴(kuò)頻信號(hào)。輸入int2是隨機(jī)序列產(chǎn)生器輸入的隨機(jī)跳頻序列，該序列與發(fā)送端保持同步，經(jīng)M-FSK調(diào)制后與int1中的擴(kuò)頻信號(hào)相乘再進(jìn)行M-FSK解調(diào)，得到輸出out1。Dis-assemble Packet子系統(tǒng)如圖15所示，圖15 Dis-assemble Packet子系統(tǒng)由于經(jīng)信道傳輸產(chǎn)生延遲，因此在Dis-assemble Packet子系統(tǒng)中增加延遲Integer Delay,采樣延遲設(shè)置為10。如圖16所示，信號(hào)通過(guò)選擇器Selector，在頻譜儀Spectrum Sc

33、ope中顯示出來(lái)。圖16 藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)頻譜分析部分圖17 藍(lán)牙跳頻通信系統(tǒng)誤碼分析部分如圖17所示，將傳輸信號(hào)Int1和接收信號(hào)Int2送入Error Rate Calculation(差錯(cuò)校驗(yàn))進(jìn)行檢測(cè)，并將結(jié)果使用Display模塊顯示出來(lái)。2.2.4仿真以及運(yùn)行情況圖18 Bernoulli隨機(jī)信號(hào)生成模塊產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)圖18表示的是Bernoulli隨機(jī)信號(hào)生成模塊產(chǎn)生幀采樣率為10、采樣時(shí)間為1.5e-6的隨機(jī)信號(hào)。圖19 20分貝的隨機(jī)跳頻脈沖圖19 顯示的是在頻帶范圍-39MHZ39MHZ內(nèi)，產(chǎn)生20分貝的隨機(jī)跳頻脈沖。圖20 Bernoulli隨機(jī)信號(hào)經(jīng)過(guò)加性高斯白噪聲信道傳

34、輸誤碼率圖20顯示的為經(jīng)過(guò)加性高斯白噪聲信道傳輸?shù)男盘?hào)頻譜，其產(chǎn)生的誤碼率約為0。五 實(shí)驗(yàn)結(jié)論擴(kuò)頻通信以其較強(qiáng)的抗干擾、抗衰落、抗多徑性能而成為第三代通信的核心技術(shù)，本文闡述了擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)方法，利用MATLAB提供的可視化工具箱Simulink建立了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型，詳細(xì)講述了各模塊的設(shè)計(jì)，并給出了仿真建模中需注意的問(wèn)題。在給定仿真條件下，運(yùn)行了仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證了所建仿真模型的正確性。通過(guò)仿真研究了擴(kuò)頻增益和輸出端信噪比的關(guān)系，結(jié)果表明，在相同誤碼率下，增大擴(kuò)頻增益，可以提高系統(tǒng)輸出端的信噪比，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：通過(guò)MATLAB/Simulink建立的仿真

35、平臺(tái)，研究了擴(kuò)頻增益與誤碼率、信噪比之間的關(guān)系，為以擴(kuò)頻通信為基礎(chǔ)的衛(wèi)星信號(hào)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。參考文獻(xiàn)1 曾興雯，劉乃安，孫獻(xiàn)璞.擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.2 美Richard A.Poisel.現(xiàn)代通信干擾原理與技術(shù)M.北京：電子工業(yè)出版社，2005.3 李建新，劉乃安，劉繼平.現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真MATALAB通信工具箱M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.4 劉學(xué)勇.詳解MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真M.北京：電子工業(yè)出版社，2011.5 樊昌信，曹麗娜.通信原理教程(第6版)M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.百度文庫(kù) 中

36、文IT社區(qū) 程序員開(kāi)發(fā)網(wǎng)附錄1.%m序列產(chǎn)生函數(shù)代碼function mout = mseq(n, taps, inidata, num)if nargin < 4 num = 1;endmout = zeros(num,2n-1);fpos = zeros(n,1);fpos(taps) = 1;for ii=1:2n-1 mout(1,ii) = inidata(n); %寄存器的輸出值 temp = mod(inidata*fpos,2); %計(jì)算反饋數(shù)據(jù) inidata(2:n) = inidata(1:n-1); %寄存器移位一次 inidata(1) = temp; %更新第

37、1個(gè)寄存器的值 endif num > 1 %如果要輸出多個(gè)m序列，生成其他m序列 for ii=2:num mout(ii,:)=shift(mout(ii-1,:),1); endend2.%循環(huán)移位shift代碼function outregi = shift(inregi,shiftr)v=length(inregi);outregi=inregi;shiftr=rem(shiftr,v);if shiftr > 0 outregi(:,1:shiftr) = inregi(:,v-shiftr+1:v); outregi(:,1+shiftr:v) = inregi(:,1:v-shiftr);elseif shiftr < 0 outregi(:,1:v+shiftr) = inregi(:,1-shiftr:v); outre