【正文】 3。 41 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行 的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。 作者簽名： 日 期： 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 3 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā) 表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定 處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 前 言 信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，如何利用有限的通信資源來準(zhǔn)確無誤、安全 地 進(jìn)行通訊，已經(jīng)越來越被人們重視，研究的領(lǐng)域也越來越深入。由于擴(kuò)頻 通信具有抗干擾能力強(qiáng)、低截獲率 、碼分多 址、信號(hào)隱蔽、測(cè)距和易于組網(wǎng)等一 系列 的優(yōu)點(diǎn) ，因此 ，自問世以來便引起了世界各國的極大關(guān)注，并率先應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。擴(kuò)頻通信是建立在香農(nóng)的信息論基礎(chǔ)上的一種新型的通信體制。由于擴(kuò)頻通信具備一 系列 優(yōu)點(diǎn) ，隨著近年來大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微處理器技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及一些新型器件的應(yīng)用，擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用形成了新的高潮。事實(shí)上，擴(kuò)頻通信利用偽碼進(jìn)行傳輸，大大提高了信息傳輸?shù)陌踩裕档土吮唤孬@ 概率 ，在很大程度上提高了信息的保密性 。 目前擴(kuò)頻已成為電子對(duì)抗環(huán)境下提高通信設(shè)備抗干擾能力 最有效的手段，并在近十年來爆發(fā)的幾場(chǎng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中發(fā)揮了極大的威力。隨著 CDMA 擴(kuò)頻通信在民用通信的深入和 不斷 滲透，以及在衛(wèi)星 通信 、深空 通信 、武器制導(dǎo)、 GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)和 跳 頻 通信 等民用和國防軍事 通信 的需求下，擴(kuò)頻通 信 的地位已經(jīng)越來越重 要了 。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是基于 Matlab 設(shè)計(jì) 直擴(kuò)信號(hào)發(fā)生器。 Matlab 是一個(gè)完善的、龐大的軟件系統(tǒng)，除了包含內(nèi)容豐富的數(shù)學(xué)軟件外，還包括了 通信領(lǐng)域、信號(hào)系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、控制工程等多方面的仿真 應(yīng)用 ，具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì) 。 使用 Matlab 仿真平臺(tái)進(jìn)行 直擴(kuò)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 簡單易行，取得了很好的效果 。 本論文 第一章為緒論部分，主要介紹了擴(kuò)頻通信的概念、原理、發(fā)展和應(yīng)用。第二章主要對(duì)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析研究，包括其基本模型以及抗干擾 能力 和信息傳輸能力。第三章重點(diǎn)介紹了 m序列的產(chǎn)生過程及其相關(guān)特性。 第四章為源程序和 仿真結(jié)果 ，對(duì) m序列 的 性質(zhì) 仿真 和直序擴(kuò)頻仿真進(jìn)行分析 。結(jié)論放在第五章。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 5 第一章 緒論 擴(kuò)頻通信的發(fā)展 擴(kuò)展頻譜（ Spread Spectrum）通信系統(tǒng) 是 將基帶信號(hào)的頻譜擴(kuò)展至很寬的頻帶上，然后再進(jìn)行傳輸?shù)囊环N系統(tǒng)，即將 待 傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)用偽隨機(jī)碼調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸，接收端則采用同樣的編碼進(jìn)行相關(guān) 解擴(kuò) 的處理 來 恢復(fù)原始的信息數(shù)據(jù)。 這種系統(tǒng)占用的頻率帶寬比基帶信號(hào)的頻率帶寬要寬得多。顯然這種通信方式與一般常見的窄帶通信方式不同，一般的窄帶通信是將信號(hào)帶寬壓縮，而擴(kuò)頻通信是在擴(kuò)展 頻譜后進(jìn)行寬帶通信，再作相關(guān)的處理 恢復(fù)成窄帶 信號(hào) 后解調(diào)數(shù)據(jù)。 擴(kuò)頻通信技術(shù)最初是在軍事抗干擾通信中發(fā)展起來的，后來又在移動(dòng)通信中得到廣泛的應(yīng)用，因此擴(kuò)頻技術(shù)的歷史經(jīng)歷了兩個(gè)發(fā)展階段，而目前它在這兩個(gè)領(lǐng)域仍占據(jù)重要的地位。 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是在 50 年代產(chǎn)生的，其最初的應(yīng)用包括軍事抗干擾通信、導(dǎo)航系統(tǒng)、抗多徑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及其它方面。 伍德華特發(fā)現(xiàn) 了 在雷達(dá)測(cè)距和測(cè)速中，采用白噪聲信號(hào)，其測(cè)量誤差最小，這為擴(kuò)頻 技術(shù) 的應(yīng)用開辟了道路。同期美國麻省理工學(xué)院研究成功 NOMAC 系統(tǒng)（ Noise Modulation and Correlation System），成為擴(kuò)頻通信研究發(fā)展的開端，從此， 擴(kuò)頻通信在 軍事通信、空間探測(cè)、衛(wèi)星偵查、導(dǎo)彈制導(dǎo)等 領(lǐng)域被 廣泛應(yīng)用。 真正 使 用的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是在 50 年代中期發(fā)展起來的。麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的擴(kuò)頻通信系統(tǒng) F9CA/Rake 被公認(rèn)為第一個(gè)成功的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的研制過程中，首次提出了瑞克 (RAKE)接收的概念并成功應(yīng)用，該系統(tǒng)也是第一個(gè)真正實(shí)用的寬帶通信系統(tǒng)。第一個(gè)跳頻通信系統(tǒng) BLADES 也在這段時(shí)期研制成功，在該系統(tǒng)中第一次利用移位寄存序列實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)編碼。在此期間，噴氣實(shí)驗(yàn)室 （ JPL）在其空間任務(wù)中完成了偽碼 發(fā)生 器的設(shè)計(jì)以及跟蹤環(huán)路的設(shè)計(jì)。 在此后 的二十多年 中， 擴(kuò)頻通信技術(shù)得 到 較 大的發(fā)展，但 一直到 80 年代初期，擴(kuò)頻通信都只是在軍事通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用，這種狀況到了 80年代中期才得到改變 ，個(gè)人通信業(yè)務(wù)（ PCS）的發(fā)展使擴(kuò)頻技術(shù) 終于 迎來了另一次大發(fā)展的機(jī)遇。 美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（ FCC）于 1985 年 5月發(fā)布了一份關(guān)于將擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用到民用通信的報(bào)告 ， 從此，擴(kuò)頻通信技術(shù)獲得了更加廣闊的應(yīng)用空間。 擴(kuò)頻技術(shù)最初在無繩電話中獲得成功應(yīng)用，因?yàn)楫?dāng)時(shí)已經(jīng)沒有可用的頻段供無繩電話使 用，而擴(kuò)頻通信技術(shù)允許與其它通信系統(tǒng)共用頻段，所以擴(kuò)頻技術(shù)在無繩電話的通信系統(tǒng)中獲得了其在民用通信系統(tǒng)中應(yīng)用的第一次成功經(jīng)歷。而真正使擴(kuò)頻通信南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 技術(shù)成為當(dāng)今通信領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的原因是碼分多址（ CDMA）的應(yīng)用。 90 年代初，在第一代模擬蜂窩通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了 PCS 研究的熱潮。要實(shí)現(xiàn) PCS 并考慮其長期發(fā)展，需要 FCC(美國通信聯(lián)邦委員會(huì) )為其分配 100～ 200 MHz的帶寬，而與頻譜分配相關(guān)的一個(gè)重要技術(shù)因素就是多址技術(shù)。當(dāng)時(shí)頻譜資源的分配已經(jīng)是非常擁擠，不存在還未分配且可用的一段寬達(dá) 100 MHz 的頻 譜資源。要為 PCS分配可用的頻段就只有 2 種方案：一是為 PCS 分配一段專用頻譜，使正在使用該頻譜的用戶換到其它的頻段；另一種辦法就是讓 PCS 與其它用戶共享一段頻譜。采取第一種方案將要遇到巨大的政治和經(jīng)濟(jì)阻礙 —— 當(dāng)時(shí)只有政府使用的一些頻段還比較寬松，因此只能是讓政府用戶換用其它頻段來為 PCS 騰出頻譜資源；同時(shí)換用頻段意味著已有設(shè)備的射頻部分需要改造。因此第二種方案成為合理的選擇。 擴(kuò)頻技術(shù)為共享頻譜提供了可能。使用擴(kuò)頻技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)碼分多址，即在多用戶通信系統(tǒng)中所有用戶共享同一頻段，但是通過給每個(gè)用戶分配不同 的擴(kuò)頻碼實(shí)現(xiàn)多址通信。利用擴(kuò)頻碼的自相關(guān)特性能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)給定用戶信號(hào)的正確接收；將其他用戶的信號(hào)看作干擾，利用擴(kuò)頻碼的互相關(guān)特性，能夠有效抑制用戶之間的干擾。此外由于擴(kuò)頻 信號(hào) 具有類似白噪聲的寬帶特性，它對(duì)其它共享頻段的傳統(tǒng)用戶的干擾也達(dá)到最小。由于采用 CDMA 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)與傳統(tǒng)用戶共享頻譜，因此它也就成為 PCS 首選的多址方案。 隨著 PCS 以及蜂窩移動(dòng)通信的發(fā)展， CDMA 技術(shù)已經(jīng)成為不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。擴(kuò)頻通信技術(shù)也在民用通信中找到更為廣闊的應(yīng)用空間 ， 而關(guān)于 CDMA 技術(shù)的研究熱潮也一直延續(xù)到現(xiàn)在。 從擴(kuò)頻通信的 發(fā)展 歷史來看 ， 這種通信方式雖然早就提出來了，但是并沒有得到足夠的重視和應(yīng)用，因而發(fā)展也比較緩慢，主要原因是由于這種通信方式與常規(guī)的使用帶寬盡量窄的通信方式相比較，需要使用一種特殊的 編碼調(diào)制， 把 信息數(shù)據(jù)拓展成寬帶信號(hào)傳輸，接收端還要相關(guān)解調(diào)，是一種全新觀念的、 不同 原理的通信方式。 在其發(fā)展 初期 ， 學(xué)者 們 進(jìn)行 了 大量的研究，只 形成 了一種理論上發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著民用、軍用通信事業(yè)的發(fā)展，頻帶擁擠的矛盾日益突出。而信號(hào)處理技術(shù)、大規(guī)模集成電路和技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了擴(kuò)頻通信理論、方法、技術(shù)等各方面的發(fā)展和應(yīng)用普及 ?；鶐Ь幋a的相關(guān)信號(hào)處理變得容易實(shí)現(xiàn)和完善， 使得 擴(kuò)頻通信從軍用不斷向民用方面普及。目前大量推廣的第三代移動(dòng)通信技術(shù) 3G，其核心就是擴(kuò)頻通信 技術(shù) 。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 擴(kuò)頻通信的 基本 工作方式 （ Direct Sequence Spread Spectrum）工作方式，簡稱直擴(kuò)方式（ DS 方式） 直擴(kuò) 就是用高速率的擴(kuò)頻序列在發(fā)射端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展開的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原來的信號(hào)。 直接序列擴(kuò)頻方式直接用偽噪聲序列對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，要傳送的數(shù)據(jù)信息需要經(jīng)過信道編碼后，與偽噪 聲序列進(jìn)行模 2和生成復(fù)合碼去調(diào)制載波。 接收機(jī)在收到發(fā)射信號(hào)后，首先通過偽碼同步捕獲電路來捕獲發(fā)送來 的 偽碼 的 精確相位，并 由此 產(chǎn)生跟發(fā)送端的偽碼相位完全一致的 本地 偽碼， 用于 信號(hào) 解擴(kuò)，以便能夠及時(shí)恢復(fù)出數(shù)據(jù)信息，完成整個(gè)直擴(kuò)通信系統(tǒng)的信號(hào)接收。 變頻率 (Frequency Hopping)工作方式，簡稱跳頻 (FH)方式 另外一種擴(kuò)展信號(hào)頻譜的方式稱為跳頻 (FHFrequency Hopping)。所謂跳頻，比較確切的意思是：用一定 的 碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行頻移鍵控調(diào)制， 使載波頻率不斷地跳變，所以稱為跳頻。 簡單的頻移鍵控如 2FSK，只有兩個(gè)頻率，分別代表 二進(jìn)制 bit“ 1” 和 “ 0” 。而跳頻系統(tǒng)則有幾個(gè)、幾十個(gè)、甚至 上千 個(gè)頻率 ， 由所傳信息與擴(kuò)頻碼的組合去進(jìn)行選擇控制，不斷跳變。發(fā)端信息碼序列與擴(kuò)頻碼序列組合以后按照不同的碼字去控制頻率合成器。 為了解 調(diào) 跳頻信號(hào)，需要有與發(fā)端完全相同的本地?cái)U(kuò)頻碼去控制本地頻率合成器，使其輸出的跳頻信號(hào)能在混頻器中與接收信號(hào)差頻出固定的中頻信號(hào)，然后經(jīng)中頻帶通濾波器及信息解調(diào)器輸出恢復(fù)的信息 。 總之，跳頻系統(tǒng)占用了比信息帶寬要寬得多的頻帶。 (Time Hopping)工作方式 (簡稱跳時(shí) (TH)工作方式 與跳頻相似，跳時(shí) (THTime Hopping)是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變。首先把時(shí)間軸分成許多時(shí)片 ， 在一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)片發(fā)射信號(hào)由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制?？梢园烟鴷r(shí)理解為：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多時(shí)片的時(shí)移鍵控。 由于采用了窄很多的時(shí)片去發(fā)送信號(hào)，相對(duì)說來，信號(hào)的頻譜也就展寬了。在發(fā)端，輸入的數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)起來，由擴(kuò)頻碼發(fā)生器的擴(kuò)頻碼序列去控制通－斷開關(guān)，經(jīng)二相或四相調(diào)制后再經(jīng)射頻調(diào)制發(fā)射。在收端，由射頻接收機(jī)輸出的中頻信號(hào)經(jīng)本地產(chǎn)生的與 發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列控制通－斷開關(guān)，再經(jīng)二相或四相解調(diào)器，送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器再定時(shí)后輸出數(shù)據(jù)。只要收發(fā)兩端在時(shí)間上嚴(yán)格同步進(jìn)行，就能正確地恢復(fù)原始南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 數(shù)據(jù) 信息 。 跳時(shí)也可以看成是一種時(shí)分系統(tǒng)，所不 同 的地方在于它不是在一幀中固定分配一定位置的時(shí)片，而是由擴(kuò)頻碼序列控制的按一定規(guī)律跳變位置的時(shí)片。跳時(shí)系統(tǒng)的處理增益等于一幀中所分的時(shí)片數(shù)。 由于簡單的跳時(shí) 抗干擾 性不強(qiáng)，很少單獨(dú)使用 ，因此， 跳時(shí)通常都與其他方式結(jié)合使用，組成各種混合 擴(kuò)頻 方式。 (Chirp Modulation)工作方式，簡稱 Chirp 方 式 如果發(fā)射的射頻脈沖信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)，其載頻的頻率作線性變化，則稱為線性調(diào)頻。 因?yàn)槠漕l率在較寬的 頻帶 內(nèi)變化，信號(hào)的頻帶也被展寬了。這種擴(kuò)頻調(diào)制方式主要用在雷達(dá)中，但在通信中也有應(yīng)用。 發(fā)射 端有一 個(gè) 鋸齒波去調(diào)制壓控振蕩器，從而產(chǎn)生線性調(diào)頻脈沖 ， 它和 射 頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)一樣。 在 接收 端，線性調(diào)頻脈沖由匹配濾波器對(duì)其進(jìn)行壓縮，把能量集中在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)輸出，從而提高信噪比，獲得處理增益。匹配濾波器可采用色散延遲線，它是一個(gè)存儲(chǔ)和累加器件 ， 其作用機(jī)理是對(duì)不同頻率的延遲時(shí)間不一樣。如果使脈沖前后兩端的頻率 經(jīng)不同的延遲后一同輸出，則匹配濾波器起到了脈沖壓縮和能量集中的作用。匹配濾波器輸出信噪比的改善是脈沖寬度與調(diào)頻頻偏乘積的函數(shù)。一般 來說 ，線性調(diào)頻在通信中 較少 應(yīng)用。 擴(kuò)頻 方式 在上述幾種基本的擴(kuò)頻方式的基礎(chǔ)上，可以組合起來，構(gòu)成各種混合 擴(kuò)頻 方式。例如 DS／ FH、 DS／ TH、 DS／ FH／ TH 等等。 一般說來，采用混合方式看起來在技術(shù)上要復(fù)雜一些，實(shí)現(xiàn)起來也要困難一些。但是，不同方式結(jié)合起來的優(yōu)點(diǎn)是有時(shí)能得到只用其中一種方式得不到的特性。例如DS／ FH 系統(tǒng)，就是一種中心頻率在某一 頻帶 內(nèi)跳變的直接 序列擴(kuò)頻系統(tǒng)。一個(gè) DS 擴(kuò)頻信號(hào)在一個(gè)更寬的頻帶范圍內(nèi)進(jìn)行跳變。 DS/FH 系統(tǒng)的處理增益為 DS 和 FH處理增益之和 ， 因此，采用 DS/FH 比單獨(dú)采用 DS 或 FH 可以 獲得更寬的頻譜擴(kuò)展和更大的處理增益。 對(duì)于 DS／ TH 方式，它相當(dāng)于在擴(kuò)頻方式中加上時(shí)間復(fù)用。采用這種方式可以容納更多的用戶。在實(shí)現(xiàn)上， DS 本身已有嚴(yán)格的收發(fā)兩端擴(kuò)頻碼的同步。加上跳時(shí)，只不過增加了一個(gè)通－斷開關(guān)，并不增加太多技術(shù)上的復(fù)雜性。 對(duì)于 DS／ FH／ TH，它把三種擴(kuò)頻方式組合在一起，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上肯定是很復(fù)雜南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 的。但是對(duì)于一個(gè)有多種功能要求的系統(tǒng) ， DS、 FH、 TH 可分別實(shí)現(xiàn)各自獨(dú)特的功能。 對(duì)于需要同時(shí)解決諸如抗干擾、多址組網(wǎng)、定時(shí)定位、抗多徑和遠(yuǎn)－近問題時(shí)，就不得不同時(shí)采用多種擴(kuò)頻方式。 信道容量公式 根據(jù) 香 農(nóng) ()在信息論研究中總結(jié)出的信道容量公式，即 ： （ ） 式中： C信息的傳輸速率 S有用信號(hào)功率 B頻帶寬度 N噪聲功率 由式中可以看出： 為了提高信息的傳輸速率 C，可以從兩種途徑實(shí)現(xiàn)， 即 加大帶寬 B 或提高信噪比S/N。 從式（ ）中可看出， 增加 信號(hào)帶寬可以降低對(duì)信噪比的要求，當(dāng)帶寬增加到一定程度，允許信