【導(dǎo)讀】根據(jù)擴(kuò)頻理論，用MATLAB對直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。根據(jù)香農(nóng)定理和科捷。在給定的仿真條件下，對仿真程序進(jìn)行了運(yùn)行測試，得到了預(yù)期的仿真結(jié)果。擴(kuò)頻通信與光纖通信、衛(wèi)星通信一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時(shí)代的三大高技術(shù)通信傳輸方式,帶信號(hào)，然后送入信道中傳輸，在接收端再利用相應(yīng)的技術(shù)或手段將擴(kuò)展的頻譜進(jìn)行壓縮，恢復(fù)為原來待傳輸信息信號(hào)的帶寬，從而達(dá)到傳輸信息目的的通信系統(tǒng)。系統(tǒng)頻率利用率比頻分系統(tǒng)要高很多[1]。好及測距能力強(qiáng)等一系列的優(yōu)點(diǎn)，使得擴(kuò)頻通信越來越受到人們的重視[1]。通信技術(shù)又在移動(dòng)通信中得到廣泛的應(yīng)用，無線通信已經(jīng)成為電信產(chǎn)業(yè)最大的部門之一，的用戶已經(jīng)超過一億。因此擴(kuò)頻技術(shù)的歷史經(jīng)歷了兩個(gè)發(fā)展階段，目前它在這兩個(gè)領(lǐng)域仍。占據(jù)重要的地位。通信、導(dǎo)航系統(tǒng)、抗多徑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及其它方面。在戰(zhàn)爭后期，干擾和抗干擾技術(shù)成為決

　　

【正文】 列信號(hào)被送入 M級移位寄存器中寄存，本地參考擴(kuò)頻碼序列按某一相位狀態(tài)存入另一 M 級移位寄存器中。當(dāng)兩碼序列的相位狀態(tài)不一致時(shí)，所得到的相關(guān)值較低 (此時(shí)為擴(kuò)頻碼序列自相關(guān)函數(shù)的旁瓣值 )，接收擴(kuò)頻碼序列再輸入下一相位狀態(tài)，相關(guān)過程相當(dāng)于接收信號(hào)滑過本地序列，每一時(shí)刻產(chǎn)生一個(gè)相關(guān)結(jié)果，當(dāng)滑到兩個(gè)序列相位對齊時(shí)，必有一個(gè)相關(guān)峰值輸出 (擴(kuò)頻序列在零相移時(shí)的自相關(guān)函數(shù)值 )，檢測到這個(gè)相關(guān)峰值，并同時(shí)啟動(dòng)另一個(gè)預(yù)先設(shè)置好的 PN 碼序列發(fā)生器，那么此 PN碼序列必定與接收序列同步，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)頻碼序列的捕獲。 圖 213 數(shù)字匹配濾 波器的并行相關(guān)捕獲法 設(shè)輸入數(shù)據(jù)的矩形脈沖周期為 Tc，輸入碼序列長為 N，在僅僅 T=NTc 時(shí)間里，碼序列所有可能的相位都被搜索一遍，因而具有很高的相位搜索速度。其平均同步捕獲時(shí)間為： TAC=MTs+ 21N Tc （ 2— 23） 式中， Ts 是每級移位寄存器裝載一個(gè)碼元的時(shí)間．對于 M級移位寄存器需要花費(fèi)的時(shí)間為 MTs。 一 般 Tc=Ts，所以平均捕獲時(shí)間又可以寫為： TAC=（ M+ 21?N )Tc （ 2— 24） 數(shù)字匹配濾波器在解擴(kuò)過程中自動(dòng)完成了偽隨機(jī)碼的同步，不需要搜索時(shí)間，也不需要另外的部件實(shí)現(xiàn)偽隨機(jī)碼的同步，這樣既免去了 PN碼的碼同步單元，簡化了電路，又使同步速度非?？欤@ J 下是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)同步捕捉中匹配濾波器優(yōu)于其它方法的一個(gè)重要原因。利 用匹配濾波器進(jìn)行解擴(kuò)，還可以克服多徑干擾甚至利用部分多徑能量，提高系統(tǒng)的抗干擾能力．改善系統(tǒng)的誤碼性能。文獻(xiàn)指出。在接收端對數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行匹配濾波可以有效的濾除噪聲，使信噪比達(dá)到最佳。另外匹配濾波器輸出的相關(guān)峰正好與信息比特平頂山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab的直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真 張彥華 一一對應(yīng)，在完成偽隨機(jī)碼同步的同時(shí)也獲得了信息碼元的位同步，進(jìn)一步簡化了系統(tǒng)。 文獻(xiàn)指出，過采樣率和量化比特位數(shù)是影響數(shù)字匹配濾器的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，為了保證匹配濾波器的性能，必須合適的選擇這兩個(gè)參數(shù)。過采樣增加了一個(gè)碼片寬度中的取樣次數(shù)，其目的是便于確定每個(gè)碼元的中心位置，在確定上一個(gè)碼 元中心位置的情況下可以很容易的找到下一個(gè)碼元的中心位置。在噪聲樣點(diǎn)間相互獨(dú)立的情況下，過采樣每增加一倍，處理增益可以提高大約 3dB，但是當(dāng)噪聲歸一化帶寬小于過采樣率一半時(shí)，不斷增加過采樣的值并不總能有效地提高處理增益。雖然從理論上說，高過采樣率能得到較好的相關(guān)性能，但是同時(shí)也導(dǎo)致了高的處理速率并且占用了更多的硬件資源。折中考慮一般采用 4 倍的過采樣率。另外，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器來的信號(hào)一般至少有 8bit以上，這樣寬的數(shù)據(jù)對于匹配濾波器來說資源消耗是相當(dāng)大的，必須減少濾波器輸入端的量化比特?cái)?shù)，因此提高過采樣率和增加量化 比特位數(shù)以改善濾波器性能與減少資源占用率成為一對矛盾，如何實(shí)現(xiàn)兩者的折中成為優(yōu)化數(shù)字匹配濾波器的關(guān)鍵。 平頂山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab的直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真 張彥華 3 直接擴(kuò)頻系統(tǒng) MATLAB 仿真 直接擴(kuò)頻 MATLAB 仿真組成框圖 直接學(xué)列擴(kuò)頻的 MATLAB仿真組成框圖如圖 31所示 信碼 信碼 圖 31 直接擴(kuò)頻序列仿真組成框圖 由圖 31 看出，在發(fā)送端，信碼為 m(t)，其碼元寬度為 Tp，進(jìn)行模 2 運(yùn)算后，得到g(t)=m(t)? p(t)，碼元寬度稱為擴(kuò)頻出來增益，表示為： G=10lgpbTT （ 3— 1） 由于有 Tp171。Tb，所以信碼的頻譜被展寬了，信號(hào) 在傳輸?shù)倪^程中經(jīng)過 AWGN信道，被疊加了高斯白噪聲，同時(shí)還受到了干擾信號(hào)的影響，最終得到的信號(hào) c(t)包括“有用信號(hào) +高白噪聲 +干擾”。接收端收到此信號(hào)后，解擴(kuò)電路對 g’ (t)進(jìn)行碼元判決，即可得到原始的輸入信號(hào)。 g’(t)=c(t)? p(t)=c(t)? p(t)? p(t)=c(t)。 m 序列發(fā)生器 本次直接序列擴(kuò)頻通信中的偽隨機(jī)序列為 m序列， m序列式最長線性移位寄存器的簡稱。 在本次 MATLAB 設(shè)計(jì)中， PN 碼發(fā)生器為 6 級 m序列產(chǎn)生器，本原多項(xiàng)式為 1+x+x4，寄存器初始值設(shè)置為 [1 1 1 0 0 0]，根據(jù) m序列發(fā)生器示意圖就可以編寫出 m序列 [7]。 高斯噪聲 信道傳輸模塊是指傳輸?shù)男盘?hào)經(jīng)過 AWGN信道時(shí)，不可避免地疊加了高斯白噪聲信號(hào)，在本次設(shè)計(jì)中，對高斯白噪聲信號(hào)的處理，是應(yīng)用信號(hào)信噪比，根據(jù) SNR=10lgNSig ,在已知信號(hào)功率譜的條件下，可以得出信道噪聲的功率譜密度函數(shù) N=(SNRSig )^2，則 P= N 即為模 2 運(yùn)算 高斯通道 模 2 運(yùn)算 干擾 M 序列 判決電路 M 序列 平頂山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab的直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真 張彥華 單位信號(hào)所疊加上的噪聲的能量，將單位信號(hào)的噪聲與白噪聲的概率密度函數(shù)相關(guān)，再與信號(hào)相加，即可得到信道傳輸?shù)男盘?hào)。 用戶是由 rand()函數(shù)產(chǎn)生的隨機(jī)碼，并經(jīng)過處理之后稱為碼值為 1和 1變化的碼序列 ，為了保證仿真的準(zhǔn)確性，取 5000個(gè)碼元作為每次發(fā)送的信號(hào)，同時(shí)為了接收電路接收的方便，將信號(hào)的碼值變換為 0 和 1，再將信號(hào)重復(fù) G 次，得到即將擴(kuò)頻的信號(hào)。 PN 碼發(fā)生器為 6 級 m序列產(chǎn)生器，本原多項(xiàng)式為 1+x+x4, 寄存器初始值設(shè)置為 [111000]，通過 G 次輸出，與原信號(hào)碼進(jìn)行模二運(yùn)算，即可得到擴(kuò)頻增益為 G的擴(kuò)頻碼輸出 [5]。 仿真時(shí)，每個(gè)擴(kuò)頻 chip被疊加一個(gè) Asin( 0? n)的干擾，干擾幅度 A取 1和 3,0? 取 1，n=1,2?隨著擴(kuò)頻 chip 的序號(hào)而改變。在信道傳播的信號(hào)在接收端處被加上一個(gè)形式為sin(n)的干擾信 號(hào)。 接收端收到信號(hào)后，采用與發(fā)送端相同的 PN序列，通過模二運(yùn)算之后便可還原出輸入信號(hào)。但由于收到高斯白噪聲和干擾信號(hào)的影響，此時(shí)的信號(hào)是碼值為處在 G和 +G之間的信號(hào)，必須通過碼元判決，將大于 0的碼元判為 1，小于 0的碼元判為 1，即原始信號(hào)。 誤碼率判決模塊的程序框圖如圖 32 所示，接收端收到的信號(hào)與發(fā)送端發(fā)送的信號(hào) 進(jìn)行碼元的逐個(gè)比較，如果碼元個(gè)數(shù) error 與發(fā)送信號(hào)的總數(shù) L 的比值 P=error/L 即為在一定信噪比和擴(kuò)頻增益的條件下的系統(tǒng)的誤碼率。 碼元不同 圖 32誤碼率判決模塊程序框圖 (1)誤碼率 在數(shù)字通信中，誤碼率是一項(xiàng)主要的性能指標(biāo)。在實(shí)際測量數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率時(shí)，一般測量結(jié)果與信源送出信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性有關(guān)。通常認(rèn)為 二進(jìn)制信號(hào)中 0 和 1 是以等概率隨機(jī)出現(xiàn)的，所以測量誤碼率時(shí)最理想的信源應(yīng)是隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器。 擴(kuò)頻序列通過終端機(jī)和信道后，輸出仍為擴(kuò)頻序列。在接收端，本地產(chǎn)生一個(gè)同步的發(fā)送信號(hào) 比較器 誤碼加 1 平頂山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab的直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真 張彥華 擴(kuò)頻碼，與收碼序列逐位相乘再求規(guī)格化內(nèi)積，再與發(fā)送端信源碼進(jìn)行比較，一旦有錯(cuò)，誤碼計(jì)數(shù)器加一。 誤碼率的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下： E=se 100% （ 3— 2） 其中 s是信碼個(gè)數(shù)， e是誤碼個(gè)數(shù)， E就是誤碼率。 (2)信噪比 測量通信系統(tǒng)的性能時(shí)，常常要使用噪聲發(fā)生器，由它給出具有所要求的統(tǒng)計(jì)特性和頻率特性的噪聲，并且可以隨意控制其強(qiáng)度，以便得到不同信噪比條件下的系統(tǒng)性能。 在實(shí)際測量中，往往需要用到帶限高斯白噪聲。本實(shí)驗(yàn)中的噪聲主要是我們自己添加到信道的高斯加性白噪聲 AWNG，它獨(dú)立于信源信號(hào)。 信噪比計(jì)算式數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示： SNR=10lognsEE =10log 22sn?? =10log 22s )(rs ???? （ 3— 3） 其中 Es為信碼發(fā)射功率， En為噪聲功率， s? 為信源碼， r? 為信宿碼，計(jì)算結(jié)果單位為dB。 圖 33 就是經(jīng)過 MATLAB 仿真之后的圖形，分別為 10,30,50 倍的擴(kuò)頻增益 下的誤碼率和信噪比的變化曲線。 平頂山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab的直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真 張彥華 圖 33 擴(kuò)頻增益與誤碼率關(guān)系曲線 由圖可以看出，在相同擴(kuò)頻增益的條件下，系統(tǒng)的誤碼率隨著系統(tǒng)信噪比的增加呈現(xiàn)出對數(shù)形狀的減小；在相同信噪比的情況下，系統(tǒng)的誤碼率隨著系統(tǒng)擴(kuò)頻增益的增大呈現(xiàn)出直線型的下降，即系統(tǒng)的誤碼率與系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益和信噪比呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益足夠大時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率可以達(dá)到 0。 此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)我投入了很大的熱情和精力，無論是查找資料還是 MATLAB編寫程序都付出了大量的 努力，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了自己在學(xué)習(xí)中存在的很多問題，比如對 MATLAB很多它自帶的函數(shù)庫的使用不熟悉，軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)流程圖不清楚。 通過此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，我鞏固了“信號(hào)與系統(tǒng)”、“通信原理”等課程所學(xué)內(nèi)容，初步了解和掌握現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本組成、基本原理、組網(wǎng)技術(shù)及典型通信系統(tǒng)（ GSM數(shù)字、CDMA碼分多址移動(dòng)電話系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)、調(diào)試，理解其工作原理。為今后從事通信系統(tǒng)工程，移動(dòng)通信，全球個(gè)人通信和多媒體通信打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。 平頂山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab的直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真 張彥華 附錄 直接擴(kuò)頻序列源程序 clc。 clear。 r=round(rand(1,5000))。 %產(chǎn)生 5000個(gè)隨機(jī)碼元 r=2*r1。 %碼序列變?yōu)殡p極性 SNR=10:1:10。 % 信噪比 L=length(r)。 for m=10:20:50 %擴(kuò)頻增益的類型 a=repmat(r,1,m)。 b=(reshape(a,L,m))39。 x=reshape(b,1,L*m)。 len=length(x)。 x_code=sign(mgen(19,11,len))。 msout=x.* x_code。 % 已擴(kuò)頻信號(hào) %信道噪聲 for SNR1=1:21 Eb = 1。 N0= Eb/(10^((SNR111)/10))。 sig=msout+sqrt(N0)*randn(size(msout))。 for i=1:L A=randint(1,1,[1,3])。 for g=1:m t=(i1)*m+g。 sig(t)=sig(t)+A*sin(t)。 end end msint=sig.* x_code。 %開始解擴(kuò) 平頂山學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab的直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真 張彥華 Err=0。 for j=1:L y=0。 for pp=1:m y=y+msint(m*j+ppm)。 end z=y/m。 %解擴(kuò)得到用戶信碼 if z0 z=1。 else z=1。 end if z~=r(j) %用戶錯(cuò)誤計(jì)數(shù) Err=Err+1。 end end BER(m,SNR1)=Err/L 。 % 誤碼率實(shí)際值 end end figure semilogy([10:10]