直接序列擴頻通信系統(tǒng)仿真設計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 南華大學 通信原理課程設計設計題目： 直接序列擴頻通信系統(tǒng)仿真設計 專 業(yè)： 通信工程 學生姓名: 譚雪棋 學 號: 起迄日期: 2015年6月15日2015年6月30日指導教師: 王明華 系主任： 鄧賢君 專心-專注-專業(yè) 通信原理課程設計任務書1課程設計的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等）：（1）技術要求1）該系統(tǒng)包括：數(shù)字信源、PN碼發(fā)生器、擴頻調(diào)制、BPSK調(diào)制、AWGN信道、擴頻解調(diào)、信息解調(diào)；2）用matlab編程實現(xiàn)各功能模塊；3）分析BER性能。（2）工作要求：查閱參考文獻，利用通信原理基本理論，分析系統(tǒng)工作原理，設計系統(tǒng)方框圖；掌握計

2、算機輔助設計方法，利用Matlab/Simulink、Systemview、Multisim、MaxPlusIII、QuartusII等軟件進行仿真設計，具備獨立設計能力；熟悉通信系統(tǒng)的調(diào)試和測量方法；掌握電子電路安裝調(diào)試技術，選擇合適的元器件搭接實際電路，掌握電路的測試和故障排除方法，提高分析問題和解決問題的能力。不能直接從網(wǎng)上或其他資料下載拷貝，一旦發(fā)現(xiàn)雷同35%以上，則相關雷同設計的成績都為不及格。按時完成設計報告；提交的電子稿必須在附錄中含有全套仿真源文件、或設計原圖（電子稿是以“學生學號姓名”為命名的壓縮文件）；并提交紙質(zhì)設計報告書。隨機抽查，并進行最后答辯。2對課程設計成果的要求包

3、括圖表（或?qū)嵨铮┑扔布螅簩懗鲈O計說明書，語言流暢簡潔，文字35005000字。用軟件編程語言實現(xiàn)時，寫出詳細的注釋，并畫出各種信號的時域頻域波形，分析實驗結果；硬件設計電路，需要詳細分析安裝調(diào)試過程，分析實驗結果。仿真設計類要求有仿真流程圖、調(diào)試時的電腦屏幕截圖；實物設計類要求圖紙布局合理，符合工程要求，使用Protel軟件繪出原理圖（SCH）和印制電路板(PCB),器件的選擇要有計算依據(jù)。3主要參考文獻：1樊昌信.通信原理（第6版）M.北京：電子工業(yè)出版社,2012,12.2樊昌信,曹麗娜 .通信原理教程(第3版)M.北京：國防工業(yè)出版社,2006,9.3劉學勇 .詳解MATLAB/Si

4、mulink通信系統(tǒng)建模與仿真M.北京：電子工業(yè)出版社,2011,11.4張水英 ,.通信原理及MATLAB/Simulink仿真M.北京：人民郵電出版社,2012,9.5.通信原理MATLAB仿真教程M.北京：人民郵電出版社,2010,11.6趙靜 ,.基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真M.北京：北京航空航天大學出版社,2010,1.7.基于NI Multisim的電子電路計算機仿真設計與分析(修訂版)M.北京：電子工業(yè)出版社,2011, 6.4課程設計工作進度計劃：序號起 迄 日 期工 作 內(nèi) 容2015.6.152015.6.20查閱資料，系統(tǒng)方案設計2015.6.212015.6.24用編

5、程語言或者仿真軟件進行設計2015.6.252015.6.28程序、軟件、實物的調(diào)試，排除故障，分析實驗結果2015.6.292015.6.30分析總結，整理設計報告主指導教師王明華日期： 2015 年 6 月 13 日摘 要隨著微處理器技術和大規(guī)模集成電路技術的快速發(fā)展，以及一些新的元器件的應用，擴頻通信技術已經(jīng)邁上了一個新的臺階，不僅在軍事中占有重要的地位，在個人通信和計算機通信中也得到了廣泛的應用，成為當今最具潛力的通信技術之一。因此，研究擴頻通信具有很深遠的意義。而直接序列擴頻通信系統(tǒng)也因其抗干擾能力強、隱蔽性好、抗多徑干擾、直擴通信速率高以及已用于實現(xiàn)碼分多址等優(yōu)點而被廣泛應用。直接

6、序列擴頻主要是將要發(fā)送的信息用PN碼（偽隨機碼）擴展到一個較寬的頻帶上去，在接收端用與發(fā)送端擴展用的相同的PN碼對接收到的擴頻信號進行處理，恢復發(fā)送的信息。本次實驗將深入的研究和學習直接序列擴頻通信系統(tǒng)并對其進行仿真，將所學到的知識進行歸納和總結，以此鞏固通信專業(yè)基礎知識，也可以復習MATLAB等學習工具的使用方法，為今后的個人學習和工作打下基礎。關鍵詞：直接序列；擴頻通信；仿真設計AbstractWith the rapid development of the microprocessor technology and large scale integrated circuit tech

7、nology, and the application of some new components, spread spectrum communication technology has stepped on a a new level, not only plays an important role in the military, in personal communication and computer communication has also been widely used, become one of the most potential communication

8、technology today. Therefore, it is very important to study the spread spectrum communication. The direct sequence spread spectrum communication system has been widely used in the system because of its strong anti-interference ability, good concealment, anti multipath interference, high direct spread

9、 communication rate and has been used to realize code division multiple access.Direct sequence spread spectrum is mainly to send information by PN (pseudo random code is extended to a wide band at the receiver and transmitter is extended with the same PN code of received spread spectrum signals are

10、processed to recover the transmitted information. This experiment will be in-depth study and learn direct sequence spread spectrum communication system and the simulation analysis was carried out, to learn the knowledge of the induction and the summary, in order to strengthen the communication on th

11、e basis of professional knowledge, can also review of the MATLAB tools for learning to use, to lay the foundation for future learning and work.Keywords: direct sequence;spread spectrum communication;simulation design目 錄1、直接擴頻通信簡介11.1 直接擴頻通信的理論基礎11.2 直接序列擴頻的基本原理12、直接序列擴頻系統(tǒng)matlab 仿真32.1 MATLAB的介紹32.2

12、直接序列擴頻通信系統(tǒng)MATLAB仿真過程32.3 直接序列擴頻通信系統(tǒng)MATLAB仿真波形43、 直接序列擴頻通信系統(tǒng)的抗干擾性93.1 直擴系統(tǒng)抗干擾性的原理93.2 調(diào)試分析94、心得和體會11參考文獻12附 錄131、直接擴頻通信簡介1.1 直接擴頻通信的理論基礎 擴頻通信是將等待傳送的信息被偽隨機編碼調(diào)制，實現(xiàn)頻譜擴展后再傳輸，接收端采用相同的編碼進行解調(diào),恢復原始信息數(shù)據(jù)。擴頻通信的可行性是從香農(nóng)公式引申而來，其內(nèi)容如下公式所示。 （1-1)其中，C為系統(tǒng)信道容量(bit/s)；W為系統(tǒng)信道帶寬；N為噪聲功率S為信號功率。由上式可得，加大帶寬W或提高信噪比S/N可以提高信道容量C。也

13、就是說當信道容量C一定時，信道帶寬W和信噪比S/N是可互換的，增加帶寬可以降低對信噪比的要求，使有用信號的功率接近甚至消失在噪聲功率之下。 擴頻通信就是通過增加帶寬來換取較低的信噪比，這就是擴頻通信的基本思想和理論依據(jù)。當信噪比不能提高時，可以通過增大帶寬，提高信道容量。擴頻通信的方式有很多種，例如直接序列擴頻、跳頻擴頻、跳時擴頻等。這次實驗將對直接序列擴頻進行分析和仿真。1.2 直接序列擴頻的基本原理直接序列擴頻的原理是，直接用具有高速率的擴頻碼序列在發(fā)送端去擴展信號的頻譜。而接收端，用相同的擴頻碼序列進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始信息。如圖1-1。圖1-1 直擴通信系統(tǒng)的組成框圖信息

14、信碼m(t)BPSK調(diào)制載波PN 碼擴頻解調(diào)本地PN碼BPSK解調(diào)本地載波（3）（4）載波0 1 11 1 1 10101（1）信碼m（t）（2）偽碼p（t）（5）PSK已調(diào)波（7）相位（6）相位（9）解調(diào)輸出（8）中頻調(diào)相圖1-2 直擴通信系統(tǒng)的主要相位或波形在發(fā)送端輸入信息m（t）（二進制數(shù)據(jù)），圖中為0、1兩個碼元，其碼元寬度為。加入擴頻解調(diào)器（模2加法器），擴頻碼是一個PN碼（偽隨機碼），記作p（t）。偽碼的波形如圖 1-2 中的第（2）個波形，其碼元寬度為，且取=16。模2加法器的運算規(guī)則可用下式表示 （12） 當m（t）與p（t）符號相同時，c（t）為0；而當m（t）與p（t）不同

15、時，則為1。c（t）的波形如圖1-2所示中的第（3）個波形。由圖可見，當信碼m（t）為0時，c（t）與p（t）相同；而當信碼m（t）為1時，則c（t）為p（t）取反既是。顯然，包含信碼的c（t）其碼元寬度已變成了，即已進行了頻譜擴展。經(jīng)過分析可知，通過擴頻調(diào)制信號c（t）可看作只取1的二進制波形，然后對載頻進行調(diào)制。通過發(fā)射機中推動級、功放和輸出電路加至天線發(fā)射出去。圖1-2中的第（5）個圖為已調(diào)波 的波形。這里，當c（t）為一碼時，已調(diào)波與載波取反相；而當c（t）為0碼時，取同相。已調(diào)波與載波的相位關系如圖1-2中的第（6）個圖所示。發(fā)射信號經(jīng)過信道傳輸，經(jīng)過接收機的輸入電路、高頻放大器等，

16、輸出信號仍為。相關器完成相干解調(diào)和解擴。接收端的PN碼與發(fā)端的PN碼相同。接收端本地調(diào)相情況與發(fā)端相似，這里的調(diào)制信號是p（t），即調(diào)相器輸出信號的相位僅取決于p（t），當p（t）=1時，的相位為；當p（t）=0時，的相位為0。信號的相位如圖1-2中（7）所示。相關器在這里可等效為對輸入相關器的、進行模2相加。同號模2相加為0，異號模2相加為。因此相關器的輸出的中頻相位如圖1-2中的（8）所示。經(jīng)檢波后輸出原始信息。2、直接序列擴頻系統(tǒng)matlab 仿真2.1 MATLAB的介紹MATLAB是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。主要面對科學計算、

17、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣運算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB通信工具箱中的系統(tǒng)仿真，分為用SIMULINK模塊框圖進行仿真和用MATLAB函數(shù)進行的仿真兩種。本次實驗我們將采用MATLAB函數(shù)進行仿真，在用MATLAB函數(shù)的仿真中，函數(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)流的次序依次執(zhí)行，意味著所處理的數(shù)據(jù)，首先要經(jīng)過一個階段運算，然后再激

18、活下一個階段，這種仿真被稱為數(shù)據(jù)流的仿真。2.2 直接序列擴頻通信系統(tǒng)MATLAB仿真過程直接序列擴頻通信系統(tǒng)主要組成分為七個部分，分別為信源部分、擴頻部分、調(diào)制部分、信道傳輸部分、解調(diào)部分、解擴部分和信宿部分。在兩個用戶的信息中我們給定的是0和1的信息，在本次是嚴重，我們?yōu)榱嗽谡{(diào)制和擴頻中更加容易計算，我們將數(shù)據(jù)中的0用1來代替。圖2-1 直擴通信系統(tǒng)的組成框圖信息信碼m(t)BPSK調(diào)制載波PN 碼擴頻解調(diào)本地PN碼BPSK解調(diào)本地載波直接序列擴頻的matlab仿真組成框圖如圖2-1所示。2.3 直接序列擴頻通信系統(tǒng)MATLAB仿真波形編寫直接序列擴頻通信系統(tǒng)MATLAB仿真程序，檢查錯誤

19、后輸出相應波形。本次仿真實驗將輸出七個波形，從這七個波形可以較直觀的看到直接序列擴頻通信系統(tǒng)的每一個調(diào)制過程。 在本次仿真中，我們用戶給定所要傳輸?shù)男畔?。輸出波形如圖2-2。圖2-2 用戶輸入的信息 輸入用戶信息后進行擴頻，既將輸入的信息與PN碼進行模2運算，輸出波形如圖2-3所示。圖2-3 用PN碼擴頻后的波形 其中，PN碼的產(chǎn)生是由一個PN碼發(fā)生器來完成的。PN碼發(fā)生器如圖2-4所示其中PN碼的波形如圖2-5所示。初始值 1 0 1 0D1D2D3D4圖2-4 PN碼發(fā)生器圖2-5 PN碼波形圖擴頻之后進行調(diào)制，在本次試驗中，我們采用BPSK調(diào)制。數(shù)據(jù)調(diào)制后輸送出其調(diào)制之后的波形。調(diào)制后

20、的傳輸信道選用的高斯白噪聲信道，在本次仿真中信噪比設定為20。調(diào)制之后送入信道等待傳輸至接收端。經(jīng)過BPSK調(diào)制后的波形如圖2-6所示。圖2-6 用戶經(jīng)BPSK調(diào)制后的波形在信道的接收端進行的過程和輸入端是相反的。首先解調(diào)，這里選用的也是BPSK的解調(diào)。其解調(diào)輸出波形如圖2-7所示。圖2-7 經(jīng)BPSK解調(diào)后的波形解調(diào)之后進行解擴，解擴時使用的PN碼和擴頻時使用PN碼需保持一致，以此保證解擴出的信息的正確性。經(jīng)過BPSK解擴輸出的波形如圖2-8所示。圖2-8 用戶經(jīng)BPSK解擴后的波形將經(jīng)過BPSK解擴后的信息送入低通濾波器中進行檢波，檢波之后將輸出相應的信息。經(jīng)過檢波后的波形如圖2-9所示。

21、圖2-9 用戶經(jīng)檢波后的波形3、 直接序列擴頻通信系統(tǒng)的抗干擾性3.1 直擴系統(tǒng)抗干擾性的原理直接序列擴頻通信系統(tǒng)采用高碼率的擴頻碼序列PN碼,在發(fā)送端與要發(fā)送的信號進行模2加,產(chǎn)生擴頻序列,由于序列碼元很窄,占用很寬的頻帶,達到擴頻的目的,然后用擴頻序列去調(diào)制載波并予以傳輸。在接收端接收到的擴頻信號經(jīng)放大混頻后,用與發(fā)端相同且同步的PN碼對擴頻信號進行解擴。由于收發(fā)端PN碼的相關系數(shù)為1,可以完全恢復所傳的信息,而干擾和噪聲由于與接收機PN碼不相關,在相關解調(diào)時降低了進入信號通頻帶內(nèi)的干擾。擴頻的運算是信息流與PN碼模二加的過程。解擴的過程與擴頻過程完全相同,即將接收的信號用PN碼進行第二次

22、擴頻處理。要求使用的PN碼與發(fā)送端擴頻用PN碼不僅碼字相同,而且相位相同，否則會使有用信號自身相互抵消。解擴處理將信號壓縮到信號頻帶內(nèi),由寬帶信號恢復為窄帶信號。同時將干擾信號擴展,降低干擾信號的譜密度,使之進入到信息頻帶內(nèi)的功率下降,從而使系統(tǒng)獲得處理增益,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。為了方便分析,對系統(tǒng)作如下假設: 系統(tǒng)各用戶同步;系統(tǒng)各用戶功率相同;僅考慮白噪聲干擾引起的誤碼, 忽略信號傳輸、調(diào)制解調(diào)過程中的誤碼。3.2 調(diào)試分析使用MATLAB編寫程序研究正弦干擾信號振幅與誤碼率的關系。加入噪聲和干擾后，取LC=20，用3個不同的正弦信號干擾，其振幅分別為0，3，7。假定在誤碼率運算中的加性

23、噪聲是固定的，進行多次運算，而且在每次運算中，信號能量取值都滿足所需的信噪比要求，輸出波形如圖3-1所示。圖3-1 不同振幅和信噪比對誤碼率的影響總結仿真實驗歸納如下:1. 系統(tǒng)誤碼率與信道里的信噪比大小有關。2. 正弦干擾信號的振幅越大，誤碼率越大。從系統(tǒng)仿真的結果看來,直序擴頻技術擁有良好的抗干擾能力。4、心得和體會這次實驗做的確實不易，通過總結以前學習的知識和查閱相關資料艱難的完成了本次實驗，這其中請教了不少同學。因為格式和內(nèi)容的問題重做了好幾次，在這其中也學會了論文的基本格式。交給老師檢查之后，發(fā)現(xiàn)最開始做的內(nèi)容只是驗證了直接序列擴頻通信系統(tǒng)的公式，導致需要修改大部分的內(nèi)容。在做抗干擾

24、性分析的時候，本想在本身仿真的程序中加入噪聲，因為自身掌握的知識有限，或者說“學藝不精”，在嘗試多次加噪聲失敗后重新編寫了程序進行分析。通過這次實驗，我深刻體會到自己對通信原理課程的掌握度以及對MATLAB軟件的熟練度不夠，很多問題都是臨時發(fā)現(xiàn)并解決的。還有就是做實驗之前，對實驗的大致流程在腦內(nèi)一定要清晰，否則做起實驗來亂七八糟，完全沒有思路。編程的時候也要一個模塊一個模塊來，寫好一個模塊就要調(diào)試一個模塊，切記不可全部寫完了再調(diào)試。參考文獻1 張蕾，鄭實勤.基于MATLAB的直接序列擴頻通信系統(tǒng)性能仿真分析研究J.電氣傳 動自動化,2007年.2 樊昌信，曹麗娜.通信原理（第7版）.國防工業(yè)出

25、版社.123 曹志剛, 錢亞生.現(xiàn)代通信原理北京:清華大學出版社，1992.4 劉 敏, 魏 玲.MATLAB 通信仿真與應用.北京：國防工業(yè)出版社,2001.5 王立寧, 等. MATLAB與通信仿真.北京:人民郵電出版社.2000.附 錄源程序：直擴系統(tǒng)MATLAB仿真：function dscdmamodem(user,snr_in_dbs)%建立模型：用戶信息，snr_in_dbs為信噪比 %設置初始參數(shù)user=0 1 0 1 1 0 1 ;close all %定義步長變量%length_user=length(user); %改變用戶數(shù)據(jù)中的0為-1for i=1:length_

26、user if user(i)=0 user(i)=-1; endend% 用戶傳輸前設置 fc=3; % 載頻eb=2; % 每個字符的能量tb=1; % 每個信息比特所占的時間%用戶輸入的數(shù)據(jù)信息t=0.01:0.01:tb*length_user; basebandsig=;for i=1:length_user for j=0.01:0.01:tb if user(i)=1 basebandsig=basebandsig 1; else basebandsig=basebandsig -1; end endendfigureplot(basebandsig)axis(0 100*len

27、gth_user -1.5 1.5);title('用戶輸入的信息') % 用戶的BPSK調(diào)制過程 bpskmod=;for i=1:length_user for j=0.01:0.01:tb bpskmod=bpskmod sqrt(2*eb)*user(i)*cos(2*pi*fc*j); endendlength(bpskmod)%用戶BPSK調(diào)制后的波形圖輸出figure plot(bpskmod) axis(0 100*length_user -3 3); title(' 用戶經(jīng)BPSK調(diào)制之后的波形 ')% 擴頻 %PN碼發(fā)生器seed=1 -1

28、1 -1; % 設PN碼初始值為1000spreadspectrum=;pn=;for i=1:length_user for j=1:10 %PN碼和數(shù)據(jù)比特碼的比率設為10：1 pn=pn seed(4); if seed (4)=seed(3) temp=-1; else temp=1; end seed(4)=seed(3); seed(3)=seed(2); seed(2)=seed(1); seed(1)=temp; endspreadspectrum=spreadspectrum user(i)*pn;end%擴頻過程pnupsampled=;len_pn=length(pn);

29、for i=1:len_pn for j=0.1:0.1:tb if pn(i)=1 pnupsampled=pnupsampled 1; else pnupsampled=pnupsampled -1; end endendlength_pnupsampled=length(pnupsampled); sigtx=bpskmod.*pnupsampled; %擴頻碼波形輸出 figureplot(pnupsampled) axis(0 100*length_user -2 2)title(' PN碼波形圖 ')%擴頻后的波形圖輸出 figureplot(sigtx)axis(

30、0 100*length_user -3 3);title(' 用PN碼擴頻后的波形圖 ')composite_signal=sigtx;%高斯白噪聲信道傳輸snr_in_dbs=20 %設信噪比為20composite_signal=awgn(composite_signal,snr_in_dbs); %從信道中解擴出用戶的信息rx=composite_signal.*pnupsampled;figureplot(rx)title('用戶解擴后的波形')% BPSK解調(diào)過程 demodcar=;for i=1:length_user for j=0.01:0.

31、01:tb demodcar=demodcar sqrt(2*eb)*cos(2*pi*fc*j); endendbpskdemod=rx.*demodcar;figureplot(bpskdemod)title('用戶經(jīng)BPSK解調(diào)之后的波形')len_dmod=length(bpskdemod);sum=zeros(1,len_dmod/100);for i=1:len_dmod/100 for j=(i-1)*100+1:i*100 sum(i)=sum(i)+bpskdemod(j); endend%檢波過程 rxbits=; for i=1:length_user i

32、f sum(i)>0 rxbits=rxbits 1; else rxbits=rxbits 0; end end length_rxbits=length(rxbits); t=0.01:0.01:tb*length_rxbits; savbandsig=;for i=1:length_rxbits for j=0.01:0.01:tb if user(i)=1 savbandsig=savbandsig 1; else savbandsig=savbandsig -1; end endendfigureplot(savbandsig)axis(0 100*length_user -2 2);title('用戶經(jīng)檢波之后的波形 ）直擴系統(tǒng)抗干擾性gngauss：function gsrv1,gsrv2=gngauss(m,sgma)if nargin = 0, m=0; sgma=1;elseif nargin = 1, sgma=m; m=0;end;u=rand; % 一個統(tǒng)一的隨機變量在(0,1) z=sgma*(sqrt(2*log(1/(1-u); % 瑞利分布隨機變量u=rand; % 另一個統(tǒng)一的隨機變量在(0,1)gsrv1=m+z*cos(2*pi*u);gsrv2=m+z*sin(