【正文】 直接序列擴(kuò)頻的概念 .................................................. 14 擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ) .................................................. 14 擴(kuò)頻增益和抗干擾容限 ................................................. 15 直接序列擴(kuò)頻的基本原理 .................................................. 15 直擴(kuò)系統(tǒng)的性能 ......................................................... 18 直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾性 .................................................. 18 直擴(kuò)信號(hào)的抗截獲性 .................................................. 19 直擴(kuò)碼分多址通信系統(tǒng) ................................................ 19 直擴(kuò)系統(tǒng)的抗多徑干擾性能 ............................................ 20 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 III 直擴(kuò)測(cè)距定時(shí)系統(tǒng) .................................................... 20 擴(kuò) 頻序列通信系統(tǒng)的同步原理 .............................................. 20 5. 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 .................................................................................................................22 MATLAB 的基本操作 ....................................................... 22 Simulink 仿真技術(shù) ....................................................... 23 Simulink 窗口環(huán)境 .................................................... 23 功能模塊的連接及設(shè)置 ................................................ 24 Simulink 對(duì)通信系統(tǒng)的仿真 ............................................ 27 MATLAB 源程序設(shè)計(jì) ....................................................... 32 【參考文獻(xiàn)】 .................................................................................................................................................................................40 【致 謝】 ......................................................................................................................................................................................41 【附錄】 ............................................................................................................................................................................................42 英文文獻(xiàn) .................................................................... 42 中文文獻(xiàn) .................................................................... 46 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 1 1. 引言 1． 1 直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的應(yīng)用背景 : 直接序列擴(kuò)頻 (DSSS— Direct Sequence Spread Spectrum)技術(shù)是當(dāng)今人們所熟知的擴(kuò)頻技術(shù)之一。 這種 技術(shù) 是 將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)碼（ PN 碼）擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上去，在接收端，用與發(fā)端擴(kuò)展用的相同的偽隨機(jī)碼對(duì)接收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，恢復(fù)出發(fā)送的信息。 它是二戰(zhàn)期間開(kāi)發(fā)的，最初的用途是為軍事通信提供安全保障 , 是美軍重要的無(wú)線保密通信技術(shù) 。這種技術(shù)使敵人很難探測(cè)到信號(hào)。即便探測(cè)到信號(hào)，如果不知道正確的編碼 ，也不可能將噪聲信號(hào)重新匯編成原始的信號(hào)。有關(guān)擴(kuò)頻通信技術(shù)的觀點(diǎn)是在 1941 年由好萊塢女演員 Hedy Lamarr 和鋼琴家 Gee Antheil 提出的?；趯?duì)魚(yú)雷控制的安全無(wú)線通信的思路，他們申請(qǐng)了美國(guó)專利 。不幸的是，當(dāng)時(shí)該技術(shù)并沒(méi)有引起美國(guó)軍方的重視，直到十九世紀(jì)八十年代才引起關(guān)注，將它用于敵對(duì)環(huán)境中的無(wú)線通信系統(tǒng)。 直序擴(kuò)頻 解決了短距離數(shù)據(jù)收發(fā)信機(jī)、如：衛(wèi)星定位系統(tǒng) (GPS)、 3G 移動(dòng)通信系統(tǒng)、 WLAN (, , )和藍(lán)牙技術(shù)等應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。擴(kuò)頻技術(shù)也為提高無(wú)線電頻率的利用率 (無(wú)線電頻譜是有限的因此也是一種昂貴的資源 )提供幫助。 直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的工作原理 如圖 11所示 。 在發(fā)端輸入的數(shù)字信號(hào)信息，先由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號(hào)以展寬信號(hào)的頻譜，擴(kuò)頻碼序列一般采用 PN 碼。展寬后的信號(hào)再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。 調(diào)制多采用 BPSK、 DPSK、 MPSK 等調(diào)制方式。 在接收端收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)（一般采用相干解調(diào)）。然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)?；謴?fù)成原輸入的信息輸出。 信息 信息 擴(kuò) 頻 射頻調(diào)制 射頻發(fā)生器 偽 碼 擴(kuò)頻解調(diào) 本地偽碼 解調(diào) 本地射頻 發(fā)生器 圖 11 擴(kuò)頻通信工作原理 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 2 由此可見(jiàn)， — 般的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)都要進(jìn)行兩次調(diào)制和相應(yīng)的解調(diào)。一次調(diào)制為擴(kuò)頻調(diào)制，二次調(diào)制為射頻調(diào)制，以及相應(yīng)的解擴(kuò)和射頻解調(diào)。 與一般通信系統(tǒng)比較，擴(kuò)頻通信就是多了擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)部分。 1． 2 直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的特 點(diǎn) : ： 1） 抗干擾性強(qiáng) 抗干擾是擴(kuò)頻通信主要特性之一，比如信號(hào)擴(kuò)頻寬度為 100 倍，窄帶干擾基本上不起作用，而寬帶干擾的強(qiáng)度降低了 100 倍，如要保持原干擾強(qiáng)度，則需加大 100 倍總功率，這實(shí)質(zhì)上是難以實(shí)現(xiàn)的。因信號(hào)接收 需要擴(kuò)頻編碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)處理才能得到，所以即使以同類型信號(hào)進(jìn)行干擾，在不知道信號(hào)的擴(kuò)頻碼的情況下，由于不同擴(kuò)頻編碼之間的不同的相關(guān)性，干擾也不起作用。正因?yàn)閿U(kuò)頻技術(shù)抗干擾性強(qiáng)，美國(guó)軍方在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)等處廣泛采用擴(kuò)頻技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)橋來(lái)連接分布在不同區(qū)域的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。 2） 隱蔽性好 因?yàn)樾盘?hào)在很寬的頻帶上被擴(kuò)展，單位帶寬上的功率很小，即信號(hào)功率譜密度很低，信號(hào)淹沒(méi)在白噪聲之中，別人難以發(fā)現(xiàn)信號(hào)的存在，加之不知擴(kuò)頻編碼，很難拾取有用信號(hào)，而極低的功率譜密度，也很少對(duì)于其他電訊設(shè)備構(gòu)成干擾。 3） 易于實(shí)現(xiàn)碼分多址（ CDMA） 直擴(kuò)通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能力，是否浪費(fèi)了頻段？其實(shí)正相反，擴(kuò)頻通信提高了頻帶的利用率。正是由于直擴(kuò)通信要用擴(kuò)頻編碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制發(fā)送，而信號(hào)接收需要用相同的擴(kuò)頻編碼作相關(guān)解擴(kuò)才能得到，這就給頻率復(fù)用和多址通信提供了基礎(chǔ)。充分利用不同碼型的擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性，分配給不同用戶不同的擴(kuò)頻編碼，就可以區(qū)別不同的用戶的信號(hào)，眾多用戶，只要配對(duì)使用自己的擴(kuò)頻編碼，就可以互不干擾地同時(shí)使用同一頻率通信，從而實(shí)現(xiàn)了頻率復(fù)用，使擁擠的頻譜得到充分利用。發(fā)送者可用不同的擴(kuò)頻編碼 ，分別向不同的接收者發(fā)送數(shù)據(jù)； 同樣，接收者用不同的擴(kuò)頻編碼，就可以收到不同的發(fā)送者送來(lái)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了多址通信 ， 提高了頻譜利用率。另外，擴(kuò)頻碼分多址還易于解決隨時(shí)增加新用戶的問(wèn)題。 4） 抗多徑干擾 無(wú)線通信中抗多徑 （發(fā)射的信號(hào)經(jīng)多條不同路徑傳播） 干擾一直是難以解決的問(wèn)題，利用擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性，在接收端可以用相關(guān)技術(shù)從多徑信號(hào)中提取分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，也可把多個(gè)路徑來(lái)的同一碼序列的波形相加使之得到加強(qiáng)，從而達(dá)到有效的抗多徑干擾。 5） 直擴(kuò)通信速率高 直擴(kuò)通信速率可達(dá) 2M， 8M， 11M，無(wú)須申請(qǐng)頻率資 源，建網(wǎng)簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)性能好。 6） 有很強(qiáng)的保密性能。 對(duì)于直擴(kuò)系統(tǒng)而言，射頻帶寬很寬，譜密度很低，甚至淹沒(méi)在噪音中，就很難檢查到信號(hào)的存在。由于直擴(kuò)信號(hào)的頻譜密度很低，直擴(kuò)系統(tǒng)對(duì)其它系統(tǒng)的影響就很小。 ： 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 3 直擴(kuò)系統(tǒng)除了一般通信系統(tǒng)所要求的同步以外，還必須完成偽隨機(jī)碼的同步，以便接受機(jī)用此同步后的偽隨機(jī)碼去對(duì)接受信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)。直擴(kuò)系統(tǒng)隨著偽隨機(jī)碼字的加長(zhǎng)，要求的同步精度也就高，因而同步時(shí)間就長(zhǎng)。 直擴(kuò)系統(tǒng)的發(fā)展 由于它的抗噪聲的特性，直接序列擴(kuò)頻技術(shù)非常適合商業(yè)應(yīng)用。在容 許無(wú)線設(shè)備公開(kāi)使用的電磁環(huán)境里，它對(duì)其他傳統(tǒng)微波設(shè)備造成最小的干擾，同時(shí)對(duì)附近其他設(shè)備有更高的抗擾性。上世紀(jì) 80 年代末，晶體電子技術(shù)的先進(jìn)程度已經(jīng)足以提供商用的、成本效益好的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)。 現(xiàn)在直擴(kuò)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于包括計(jì)算機(jī)無(wú)線網(wǎng)等許多領(lǐng)域。 擴(kuò)頻技術(shù)在發(fā)展的初始階段，就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了理論和技術(shù)上的重大突破，在此后的發(fā)展過(guò)程中主要是硬件的改善和性能的提高。 隨著移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展 ，目前 3G 系統(tǒng)由研制開(kāi)發(fā)逐步進(jìn)入商用并且向第四代無(wú)線多媒體通信飛速發(fā)展。 根據(jù) ITU 的標(biāo)準(zhǔn)，世界各大電信公司聯(lián)盟均提出了自己的第三代移動(dòng) 通信系統(tǒng)方案， 雖然 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng) 的標(biāo)準(zhǔn)差異很大，但 采用碼分多址技術(shù)已經(jīng)達(dá)成共識(shí) 。直擴(kuò)碼分多址 ，由于具備通信容量大、能充分利用話音的統(tǒng)計(jì)特性、平滑的越區(qū)切換、通信容量的軟特性等優(yōu)點(diǎn) 被作為 未來(lái)移動(dòng)通信中最具競(jìng)爭(zhēng)力、 最有前景的 無(wú)線 多址接入技術(shù) 。 無(wú)線擴(kuò)頻通信作為另一種有效的補(bǔ)充通信手段 ,已在金融系統(tǒng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 發(fā)展到現(xiàn)在，擴(kuò)頻技術(shù)理論和技術(shù)都已趨于完善，主要應(yīng)從系統(tǒng)的角度考慮總體性能，且與其它新技術(shù)結(jié)合應(yīng)用。因此，應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)一直是擴(kuò)頻技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，未來(lái)的無(wú)線通信系統(tǒng)，如移動(dòng)通信、無(wú)線局域網(wǎng)、 全球個(gè)人通信等，擴(kuò)頻技術(shù)必將發(fā)揮重要作用。 隨著科技的發(fā)展，擴(kuò)頻技術(shù)必將獲得更加廣闊的應(yīng)用空間。 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 4 2． CDMA 數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信的介紹 2． 1 CDMA 簡(jiǎn)介 技術(shù)背景 CDMA 的英文全稱為 （ Code Division Multiple Access） ，中文意思是碼分多址。它是基于 IS95 標(biāo)準(zhǔn)（雙模寬帶擴(kuò)譜蜂窩系統(tǒng)的移動(dòng)臺(tái) — 基站兼容標(biāo)準(zhǔn)）的數(shù)字移動(dòng)電話系統(tǒng)。 CDMA是根據(jù)現(xiàn)代移動(dòng)通信網(wǎng)所要求的大容量、高質(zhì)量、綜合業(yè)務(wù)、軟切換、國(guó)際漫游等要求而設(shè)計(jì)的一種 移動(dòng)通訊技術(shù)。它是 20 世紀(jì) 60 年代由美國(guó)高通公司（ QUALCOMM）開(kāi)發(fā)的移動(dòng)通信技術(shù)，最早用于軍事領(lǐng)域。與使用時(shí)分多路的 GSM 技術(shù)不同， CDMA 并不給每一個(gè)通話者分配一個(gè)確定的頻率，而是讓每一個(gè)通信都使用全部的頻率，使大量用戶能夠共享同一個(gè)無(wú)線頻率。 CDMA 系統(tǒng)是以擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)和碼分 多址接入技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信 系統(tǒng)。 它為每個(gè)用戶分配各自特定的地址 碼，利用公共信道來(lái)傳輸信息。它的地址 碼通過(guò)相互間的正交性進(jìn)行區(qū)別。也就是 說(shuō)，每個(gè)用戶有自己的地址碼，地址碼彼 此之間是互相獨(dú)立、互相不影響的 。由于 有不同的地址碼來(lái)區(qū)分用戶，所以對(duì)頻率、 時(shí)間和空間沒(méi)有特定的限制，在這些方面 通信是可以重疊的。 CDMA 的示意圖如 21 所示，用戶信號(hào)是用 Ci來(lái)區(qū)分的。 ．幾種常見(jiàn)的 CDMA 技術(shù)。 1. N－ CDMA：窄帶碼分多址系統(tǒng)，在美國(guó)又稱為 IS－ 95。由高通公司創(chuàng)立，具有大容量、小蜂窩半徑、運(yùn)用寬波技術(shù)和特殊密碼主題的特點(diǎn)， 1993 年被電信產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)采用。 2. B－ CDMA：寬帶碼分多址系統(tǒng)，包括 W－ CDMA、 CDMA20xx 和 TD－ SCDMA，它們分別是歐洲、美國(guó)（高通）和中國(guó)（大唐電信與西門(mén)子合作）所提出并開(kāi)發(fā)的第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。 3. CDMAOne：流行于日本的一個(gè)品牌，是應(yīng)用 IS― 95 CDMA 技術(shù)的數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)。 4. CDMA