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1、 通信工程專業(yè) 《通信原理》課程設(shè)計(jì) 題 目 基于SYSTEMVIEW的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的仿真 學(xué)生姓名 馬 福 霖 學(xué)號(hào) 1013024121 所在院(系) 陜 西 理 工 學(xué) 院 物 理 與 電 信 工 程 學(xué) 院 專業(yè)班級(jí) 通 信 工 程 專 業(yè) 104 班 指導(dǎo)教師 王 戰(zhàn) 備 薛 轉(zhuǎn) 花 完成地點(diǎn) 陜西理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室

2、 2013年 11 月 12 日 計(jì)算機(jī)類課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 院(系) 物電學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 通信104 學(xué)生姓名 馬福霖 一、計(jì)算機(jī)類課程設(shè)計(jì)題目 基于SYSTEMVIEW的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的仿真 二、計(jì)算機(jī)類課程設(shè)計(jì)工作自 2013 年 10 月 27 日 起至 2013 年 11 月 22 日止 三、計(jì)算機(jī)類課程設(shè)計(jì)進(jìn)行地點(diǎn): 電 信 工 程 系 實(shí) 驗(yàn) 室 四、計(jì)算機(jī)類課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容要求：

3、 1、 要求SYSTEMVIEW軟件完成直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)； 2、 要求分別設(shè)計(jì)直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端； 3、 要求加噪聲和干擾，采用示波器觀察發(fā)射端和接收端的信號(hào)變化情況。

4、

5、

6、

7、 指 導(dǎo) 教 師 系(教 研 室) 通 信 工 程 系 接受論文 (設(shè)計(jì))任務(wù)開始執(zhí)行日期 2013年10月27日 學(xué)生簽名

8、 通信工程計(jì)算機(jī)類課程設(shè)計(jì) 基于SYSTEMVIEW直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的仿真 馬福霖 （陜西理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院通信104班，陜西 漢中 723003） 指導(dǎo)教師：薛轉(zhuǎn)花 [摘 要]SystemView 是一個(gè)信號(hào)級(jí)的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真，是一個(gè)強(qiáng)有力的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析工具，能滿足從數(shù)字信號(hào)處理、濾波器設(shè)計(jì)、直到復(fù)雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設(shè)計(jì)、仿真要求。 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)簡(jiǎn)稱直接擴(kuò)頻（DSS）系統(tǒng)或叫直接序列（DS）系統(tǒng)，是目前使用最多，最典型的擴(kuò)頻工作方式，直擴(kuò)方式是在發(fā)端直接用具有高碼率的擴(kuò)頻編碼去擴(kuò)展信號(hào)的頻

9、譜，而在收端用相同的擴(kuò)頻編碼進(jìn)行解擴(kuò)使擴(kuò)頻信號(hào)還原為原始信號(hào)。直接序列系統(tǒng)中用的編碼序列通常是偽隨機(jī)序列或叫偽噪聲（PN）碼。要傳送的信息經(jīng)數(shù)字化后變成二元數(shù)字序列，它和偽隨機(jī)序列模二相加后變成復(fù)合碼去調(diào)制載波。在直接序列系統(tǒng)中通常對(duì)載波進(jìn)行相依鍵控調(diào)制。當(dāng)擴(kuò)頻調(diào)制后由天線發(fā)射出去。在接收機(jī)中要有一個(gè)和發(fā)射機(jī)中的偽隨機(jī)碼同步的本地碼，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)，解擴(kuò)后的信號(hào)送到解調(diào)器取出傳送的信息。 [關(guān) 鍵 詞] 擴(kuò)頻通信；仿真；SystemView [中圖分類號(hào)] TN702 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A Based on SYSTEMVIEW simulation of direc

10、t sequence spread spectrum system Ma FuLin (Grade09,Class4,Major of Communication Engineering，School of Physics and telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,China) Tutor: Xue Zhuanhua [Abstract] SystemView is a signal level of system simulation softwar

11、e, mainly for designing circuits and communication systems, simulation is a powerful dynamic system analysis tools to meet from digital signal processing, filter design, until the complex communication systems, such as different level design, simulation requirements. Direct Sequence Spread Spectrum

12、 systems referred to direct spread spectrum (DSS) system or call direct sequence (DS) systems, is currently the most used, most typically spread work, DSSS way is the originator directly with high rate of spread despread spectrum signal coding, and in the receiving end by the same spreading code for

13、 despreading the spread signal to restore the original signal. Direct sequence system used in the coding sequence is usually called the pseudo-random sequence or a pseudo-noise (PN) code. The digitized information to be sent back to become a binary sequence of numbers, which, after adding two pseudo

14、-random sequence mode becomes complex code to modulate the carrier. In direct sequence systems are usually dependent on the carrier keying modulation. When the spread spectrum modulation transmitted by the antenna out. In the receiver and transmitter have a pseudo-random local code synchronization c

15、ode, despreading the received signal, the despread signal is supplied to the demodulator out of information transfer. [Key words] Spread spectrum communication; Simulation; SystemView 目 錄 引 言 - 1 - 1. 設(shè)計(jì)原理 - 2 - 1.1 SystemView 軟件介紹 - 2 - 1.2? 使用System view進(jìn)行系統(tǒng)仿真的步驟 - 2 - 1.3 System View

16、的工具欄 - 3 - 1.4 System View的圖標(biāo)庫(kù) - 3 - 2. 擴(kuò)頻通信的定義及基本原理 - 4 - 2.1 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn) - 5 - 3. 直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng) - 6 - 3.1 基本原理 - 6 - 3.2 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn) - 6 - 3.3 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng) - 7 - 3.4 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能的分析 - 7 - 3.4.1 抗干擾能力 - 7 - 3.4.2 信噪比和誤碼率 - 9 - 4. 直擴(kuò)系統(tǒng)SystemView仿真 - 12 - 4.1 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng) - 12 - 4.2 直序

17、擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真 - 13 - 4.3 設(shè)計(jì)模型 - 13 - 4.4 仿真結(jié)果 - 18 - 5. 結(jié)論及心得體會(huì) - 22 - 參考資料 - 22 - 附 錄 - 24 - 附錄1 直擴(kuò)系統(tǒng)仿真模型圖（無(wú)噪聲） - 24 - 附錄2 直擴(kuò)系統(tǒng)仿真模型圖（有噪聲） - 25 - 引 言 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)與常規(guī)的通信系統(tǒng)相比，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，如抗人為干擾、抗窄帶干擾、抗多徑干擾等，并具有信息隱蔽、多址保密通信等特點(diǎn)，已從軍事應(yīng)用向民用通信應(yīng)用迅速發(fā)展。 利用Systemview軟件作為平臺(tái)，對(duì)擴(kuò)頻通信中最典型的擴(kuò)頻工作方式———直接序列擴(kuò)頻

18、系統(tǒng)(DSSS)進(jìn)行了仿真分析；通過(guò)時(shí)域波形對(duì)比發(fā)送端和接收終端兩個(gè)波形圖，可明顯觀察到，解擴(kuò)后的信號(hào)與輸入的原始信號(hào)波形基本一致，并注意到接收端有一些毛刺， 這是由于時(shí)間脈沖信號(hào)的脈寬有誤差而造成的。通過(guò)對(duì)頻譜波形的分析可知，擴(kuò)頻系統(tǒng)抗噪聲能力很強(qiáng)，當(dāng)不斷加大噪聲的幅度，達(dá)到系統(tǒng)的干擾門限時(shí)， 則不能準(zhǔn)確地恢復(fù)原始信息。結(jié)果證明隨著擴(kuò)頻增益的增大，系統(tǒng)的誤碼率越小，同時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)性能的好壞很大程度上還取決于擴(kuò)頻碼的特性。 擴(kuò)頻技術(shù)由于其本身具備的優(yōu)良性能而得到廣泛應(yīng)用，到目前為止，其最主要的兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域仍是軍事抗干擾通信和移動(dòng)通信系統(tǒng)，而跳頻系統(tǒng)與直擴(kuò)系統(tǒng)則分別是在這兩個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用最多的擴(kuò)頻方

19、式。一般而言，跳頻系統(tǒng)主要在軍事通信中對(duì)抗故意干擾，在衛(wèi)星通信中也用于保密通信，而直擴(kuò)系統(tǒng)則主要是一種民用技術(shù)。 從擴(kuò)頻技術(shù)的歷史可以看出，每一次技術(shù)上的大發(fā)展都是由巨大的需求驅(qū)動(dòng)的。軍事通信抗干擾的驅(qū)動(dòng)以及個(gè)人通信業(yè)務(wù)的驅(qū)動(dòng)使得擴(kuò)頻技術(shù)的抗干擾性能和碼分多址能力得到最大限度的挖掘。展望未來(lái)，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)的驅(qū)動(dòng)無(wú)疑會(huì)使擴(kuò)頻技術(shù)傳輸高速數(shù)據(jù)的能力得到更大的拓展。 1. 設(shè)計(jì)原理 1.1 SystemView 軟件介紹 SystemView 是一個(gè)信號(hào)級(jí)的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真，是一個(gè)強(qiáng)有力的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析工具，能滿足從數(shù)字信號(hào)處理、濾波器設(shè)計(jì)、

20、直到復(fù)雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設(shè)計(jì)、仿真要求。Systemview 以模塊化和交互式的界面，在大家熟悉的 Windows 窗口環(huán)境下，為用戶提供了一個(gè)嵌入式的分析引擎。使用SystemView 你只需要關(guān)心項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思想和過(guò)程，而不必花費(fèi)大量的時(shí)間去編程建立系統(tǒng)仿真模型。用戶只需使用鼠標(biāo)器點(diǎn)擊圖標(biāo)即可完成復(fù)雜系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)和測(cè)試，而不會(huì)花費(fèi)過(guò)多的時(shí)間和精力通過(guò)編程來(lái)建立系統(tǒng)的仿真模型,也不必?fù)?dān)心程序中是否存在編程錯(cuò)誤. SystemView 是一個(gè)完整的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析和仿真的可視化開發(fā)環(huán)境它可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌霞岸嗨俾氏到y(tǒng)，可用于各種線性、非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。

21、尤具特色的是，它可以很方便地進(jìn)行各種濾波器的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)備有通信、邏輯、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)、射頻/模擬、碼分多址個(gè)人通信系統(tǒng)(CDMA/PCS)、數(shù)字視頻廣播(DVB)系統(tǒng)、自適應(yīng)濾波器、第三代無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)等專業(yè)庫(kù)可供選擇，適合于各種專業(yè)設(shè)計(jì)人員。該系統(tǒng)支持外部數(shù)據(jù)的輸入和輸出，支持用戶自己編寫代碼(C/C++)，兼容 Matlab軟件。同時(shí)，提供了與硬件設(shè)計(jì)工具的接口，支持 Xilinx 公司的 FPGA 芯片和 TI 公司的 DSP 芯片，它已大量地應(yīng)用于現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理、通信系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真等領(lǐng)域。 1.2? 使用System view進(jìn)行系統(tǒng)仿真的步驟 使用Syste

22、m view進(jìn)行系統(tǒng)仿真，一般要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟： (1)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)系統(tǒng)的基本工作原理，確定總的系統(tǒng)功能，并將各部分功能模塊化，找出各部分的關(guān)系，畫出系統(tǒng)框圖。 (2)從各種功能庫(kù)中選取、拖動(dòng)可視化圖符，組建系統(tǒng)在信號(hào)源圖符庫(kù)、算子圖符庫(kù)、函數(shù)圖符庫(kù)、信號(hào)接受器圖符庫(kù)中選取滿足需要的功能模塊，將其圖符拖到設(shè)計(jì)窗口，按設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖組建系統(tǒng)。 (3)設(shè)置、調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模擬參數(shù)設(shè)置包括運(yùn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置(系統(tǒng)模擬時(shí)間，采樣速率等)和功能模塊運(yùn)行參數(shù)(正弦信號(hào)源的頻率、幅度、初相，低通濾波器的截止頻率、通帶增益、阻帶衰減等)。 (4)設(shè)置觀察窗口， 分析模擬數(shù)據(jù)和波形在系統(tǒng)

23、的關(guān)鍵點(diǎn)處設(shè)置觀察窗口，用于檢查、監(jiān)測(cè)模擬系統(tǒng)的運(yùn)行情況，以便及時(shí)調(diào)整參數(shù)，分析結(jié)果。 1.3 System View的工具欄 設(shè)計(jì)窗口中工具欄，如下圖1-1所示，由十六個(gè)常用快捷功能按鈕組成動(dòng)作條，如圖所示。當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到每個(gè)圖標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)顯示該按鈕的作用。 圖1-1?工具欄 從左到右依次為切換按鈕、打開文件按鈕、保存按鈕、打印按鈕、清除按鈕、刪除按鈕、斷開連接按鈕、連接按鈕、復(fù)制按鈕、反轉(zhuǎn)按鈕、便箋按鈕、創(chuàng)建嵌套系統(tǒng)按鈕、觀察嵌套系統(tǒng)按鈕、根軌跡按鈕、波特圖按鈕、重繪按鈕、取消操作按鈕、開始仿真按鈕、系統(tǒng)定時(shí)按鈕、分析窗口按鈕。 1.4 System View的圖標(biāo)庫(kù)

24、 圖標(biāo)是System View仿真運(yùn)算,處理的基本單元,共分為三大類;第一類包括信號(hào)源庫(kù),它只有輸出端沒(méi)有輸入端;第二個(gè)類包括觀察窗庫(kù),它只有輸入端沒(méi)有輸出端;第三類包括其他所有圖表庫(kù),這類圖標(biāo)都有一定個(gè)數(shù)的輸入端和輸出端.?在設(shè)計(jì)窗口的左邊有一個(gè)圖標(biāo)庫(kù)區(qū)，一組是基本庫(kù)（Main Libraries），共8個(gè)。另一組是可選擇的專業(yè)庫(kù)（Optional Libraries）,如通信庫(kù)、數(shù)字信號(hào)處理庫(kù)、邏輯庫(kù)、射頻/模擬庫(kù)等，支持用戶自己用C/C++語(yǔ)言編寫源代碼定義圖標(biāo)以完成所需自定義功能的用戶自定義庫(kù)（Custom），及可調(diào)用、訪問(wèn)Matlab的函數(shù)的M-Link庫(kù)，以及CDMA、DVB、自適

25、應(yīng)濾波器庫(kù)等。 圖1-2?基本庫(kù)圖標(biāo) 在上述八個(gè)圖符中，除雙擊加法器和乘法器圖符按鈕可直接使用外，雙擊其他按鈕會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的對(duì)話框，應(yīng)進(jìn)一步設(shè)置圖符塊的操作參數(shù)。單擊圖符庫(kù)選擇區(qū)最上面的主庫(kù)開關(guān)按鈕“Main”，將出現(xiàn)選擇開關(guān)按鈕“Option”下的庫(kù)（user）、通信庫(kù)（comm）、DSP庫(kù)、邏輯庫(kù)(LOGIC)、射頻/模擬庫(kù)(RF/ANALOG)和數(shù)學(xué)庫(kù)（MATALAB）選擇按鈕，可分別雙擊他們選擇調(diào)用。在設(shè)計(jì)窗口中間的大片區(qū)域就是工作區(qū)域，用戶可以在這里放置、定義和連接各種圖符，建立新的系統(tǒng)。 2. 擴(kuò)頻通信的定義及基本原理 擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信(Spread Spectr

26、um Communication)，它與光纖通信、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。擴(kuò)頻通信是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機(jī)編碼(擴(kuò)頻序列：Spread Sequence)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸；接收端則采用相同的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。這種通信方式與常規(guī)的窄道通信方式是有區(qū)別的： 一是信息的頻譜擴(kuò)展后形成寬帶傳輸； 二是相關(guān)處理后恢復(fù)成窄帶信息數(shù)據(jù)。 擴(kuò)頻通信(spread spectrum communication)是近幾年內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一種通信技術(shù)。在早期研究這種技術(shù)的主要目的是為提高軍事通信的保密和抗干擾的性能，因此這種技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用一

27、直是處于保密狀態(tài)。美國(guó)在20世紀(jì)50 年代中期，就開始了對(duì)擴(kuò)頻通信的研究，當(dāng)時(shí)主要側(cè)重在空間探測(cè)、衛(wèi)星偵察和軍用通信等方面。以后，隨著民用通信的頻帶擁擠日益嚴(yán)重，又由于近代微電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，與擴(kuò)頻通信有關(guān)的器件的成本大大地降低，從而進(jìn)一步推動(dòng)了擴(kuò)頻通信在民用領(lǐng)域的發(fā)展金額應(yīng)用，而且也使擴(kuò)頻通信的理論和技術(shù)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。1990年1月，國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)(CCIR,現(xiàn)為ITUR)在研究未來(lái)民用陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)的計(jì)劃報(bào)告中已明確地建議采用擴(kuò)頻通信技術(shù)。 擴(kuò)頻通信的基本特征是使用比發(fā)送的信息數(shù)據(jù)速率高許多倍的偽隨機(jī)碼把載有信息數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)的

28、頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，形成寬帶的低功率譜密度的信號(hào)來(lái)發(fā)射。香農(nóng)(Shannon)在信息論的研究中得出了信道容量的公式： C=Blog2(1+S/N) 這個(gè)公式指示出：如果信息傳輸速率C不變，則帶寬B和信噪比S/N是可以互換的，就是說(shuō)增加帶寬就可以在較低的信噪比的情況下以相同的信息率來(lái)可靠的傳輸信息，甚至在信號(hào)被噪聲淹沒(méi)的情況下，只要相應(yīng)的增加信號(hào)帶寬，仍然保持可靠的通信，也就是可以用擴(kuò)頻方法以寬帶傳輸信息來(lái)?yè)Q取信噪比上的好處。 2.1 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn) (1)抗干擾性強(qiáng) 表示擴(kuò)頻通信特性的一個(gè)重要參數(shù)是擴(kuò)頻增益G(Spreading Gain),其定義為擴(kuò)頻前的信號(hào)帶寬B1與擴(kuò)頻后的

29、信號(hào)帶寬B2之比。G=B2/B1擴(kuò)頻通信中，接收端對(duì)接收到的信號(hào)做擴(kuò)頻解調(diào)，只提取擴(kuò)頻編碼相關(guān)處理后帶寬為B1的信號(hào)成份，而排除了擴(kuò)展到寬帶B2中的干擾、噪聲和其他用戶通信的影響，相當(dāng)于把接收信噪比提高了G倍?？紤]到輸出端的信噪比和接收系統(tǒng)損耗，可以認(rèn)為實(shí)際的擴(kuò)頻增益帶來(lái)的信噪比的改善為：M=G-輸出端信噪比一系統(tǒng)損耗公式中的M叫做抗干擾容限。 (2)隱蔽性強(qiáng)、干擾小 因信號(hào)在很寬的頻帶上被擴(kuò)展，則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，別人難于發(fā)現(xiàn)信號(hào)的存在，再加之不知擴(kuò)頻編碼，就更難拾取有用信號(hào)。而極低的功率譜密度，也很少對(duì)其他電訊設(shè)備構(gòu)成干擾。 (3)易于

30、實(shí)現(xiàn)碼分多址 擴(kuò)頻通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能力，由于擴(kuò)頻通信要用擴(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)頻編碼之間的相關(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。 (4)抗多徑干擾 在無(wú)線通信中，抗多徑干擾問(wèn)

31、題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。 ?3. 直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 3.1 基本原理 擴(kuò)展頻譜通信(Spread Spectrum Communication)簡(jiǎn)稱擴(kuò)頻通信。擴(kuò)頻通信的基本特征是使用比發(fā)送的信息數(shù)據(jù)速率高許多倍的偽隨機(jī)碼把載有信息數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，形成寬帶的低功率譜密度的信號(hào)來(lái)發(fā)射。香農(nóng)(Shannon)在信息論的研究中得出了信道容量的公式： C=Blog2(1+S/N)

32、 （2-1） 這個(gè)公式指示出：如果信息傳輸速率C不變，則帶寬B和信噪比S/N是可以互換的，就是說(shuō)增加帶寬就可以在較低的信噪比的情況下以相同的信息率來(lái)可靠的傳輸信息，甚至在信號(hào)被噪聲淹沒(méi)的情況下，只要相應(yīng)的增加信號(hào)帶寬，仍然保持可靠的通信，也就是可以用擴(kuò)頻方法以寬帶傳輸信息來(lái)?yè)Q取信噪比上的好處。這就是擴(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù)。 3.2 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn) 擴(kuò)頻通信技術(shù)在發(fā)端以擴(kuò)頻編碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，在收端以相關(guān)解調(diào)技術(shù)收信，這一過(guò)程使其具有諸多優(yōu)良特性： (1)抗干擾性強(qiáng) 表示擴(kuò)頻通信特性的一個(gè)重要參數(shù)是擴(kuò)頻增益G(Spreadi

33、ng Gain),其定義為擴(kuò)頻前的信號(hào)帶寬B1與擴(kuò)頻后的信號(hào)帶寬B2之比。G=B2/B1擴(kuò)頻通信中，接收端對(duì)接收到的信號(hào)做擴(kuò)頻解調(diào)，只提取擴(kuò)頻編碼相關(guān)處理后帶寬為B1的信號(hào)成份，而排除了擴(kuò)展到寬帶B2中的干擾、噪聲和其他用戶通信的影響，相當(dāng)于把接收信噪比提高了G倍?？紤]到輸出端的信噪比和接收系統(tǒng)損耗，可以認(rèn)為實(shí)際的擴(kuò)頻增益帶來(lái)的信噪比的改善為：M=G-輸出端信噪比一系統(tǒng)損耗公式中的M叫做抗干擾容限。 (2)隱蔽性強(qiáng)、干擾小 因信號(hào)在很寬的頻帶上被擴(kuò)展，則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，別人難于發(fā)現(xiàn)信號(hào)的存在，再加之不知擴(kuò)頻編碼，就更難拾取有用信號(hào)。而極低的

34、功率譜密度，也很少對(duì)其他電訊設(shè)備構(gòu)成干擾。 (3)易于實(shí)現(xiàn)碼分多址 擴(kuò)頻通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能力，由于擴(kuò)頻通信要用擴(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)頻編碼之間的相關(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

35、通信。 (4)抗多徑干擾 在無(wú)線通信中，抗多徑干擾問(wèn)題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。 3.3 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)簡(jiǎn)稱直接擴(kuò)頻（DSS）系統(tǒng)或叫直接序列（DS）系統(tǒng)，是目前使用最多，最典型的擴(kuò)頻工作方式，直擴(kuò)方式是在發(fā)端直接用具有高碼率的擴(kuò)頻編碼去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在收端用相同的擴(kuò)頻編碼進(jìn)行解擴(kuò)使擴(kuò)頻信號(hào)還原為原始信號(hào)。直接序列系統(tǒng)中用的編碼序列通常是偽隨機(jī)序列或叫偽噪聲（PN）碼。要傳送的信息經(jīng)數(shù)字化后變成二

36、元數(shù)字序列，它和偽隨機(jī)序列模二相加后變成復(fù)合碼去調(diào)制載波。在直接序列系統(tǒng)中通常對(duì)載波進(jìn)行相依鍵控調(diào)制。當(dāng)擴(kuò)頻調(diào)制后由天線發(fā)射出去。在接收機(jī)中要有一個(gè)和發(fā)射機(jī)中的偽隨機(jī)碼同步的本地碼，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)，解擴(kuò)后的信號(hào)送到解調(diào)器取出傳送的信息。 3.4 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能的分析 3.4.1 抗干擾能力 直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，通常工作在強(qiáng)干擾環(huán)境，這些干擾可分為自然干擾和人為干擾。自然干擾主要有多路徑干擾、雨雪干擾、信道衰落和多用戶干擾等。接收機(jī)內(nèi)部噪聲也歸于自然干擾。人為干擾是敵方故意施放的干擾，例如部分頻帶干擾、脈沖干擾、單頻連續(xù)波干擾等。 比較常見(jiàn)的是噪聲干擾

37、，可以用高斯白噪聲作為其模型,其功率譜密度覆蓋擴(kuò)頻系統(tǒng)頻帶。本小節(jié)只討論這種情況。接收信號(hào)u(t)為： u(t)=Ad(t)pn(t)cosω0t+n(t) （2-2） 設(shè)n(t)是獨(dú)立的、0均值帶限f平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程,功率譜密度為S(f),噪聲功率為： E(|n(t)|)==P （2-3） 在系統(tǒng)同步后，基帶濾波器濾除ω0 及以上的高頻分量，噪聲輸出成分為： N(t)= (2-4) 其中h(t

38、)為基帶濾波器的傳輸函數(shù)。 由于擴(kuò)頻碼pn(t)和噪聲n(t)相互獨(dú)立，n(t)為0均值的隨機(jī)過(guò)程，所以噪聲輸出成分的均值為0。 而噪聲輸出成分的方差，即噪聲輸出成分的平均功率為： = （2-5） 式中，R(β-α)=E[n(α)n(β)],是噪聲的自相關(guān)函數(shù)，等于它的功率譜密度S(f)的付氏變換。而Rpn=EPn(t-α)Pn(t-β] ，是擴(kuò)頻編碼的自相關(guān)函數(shù)，為擴(kuò)頻編碼功率譜密度S(f)付氏變換。因此式2-4-4寫成付氏變換形式為： = （2-6） 這里，H(f)是理想基帶濾波器的頻

39、率特性，h(t)付氏變換。因此，|H(f)|在基帶濾波器的通帶(-f,f)內(nèi)為1，其他頻帶范圍均為0。f為基帶信息的速率，這樣，式2-5可寫為： = （2-7） 我們定義反映擴(kuò)頻通信特征的重要參數(shù)-擴(kuò)頻增益G，在擴(kuò)頻通信中，接收機(jī)作解擴(kuò)解調(diào)后，只提取偽隨機(jī)編碼相關(guān)處理后的帶寬為B1的信號(hào)成分，而排除掉擴(kuò)展到寬頻帶B2中的外部干擾、噪聲等其他影響。擴(kuò)頻增益G準(zhǔn)確反映了擴(kuò)頻通信的這種能力。所以根據(jù)G的定義，系統(tǒng)噪聲輸出功率可表示為： PP= P/G

40、 （2-8） 由上式可知，噪聲輸出功率與擴(kuò)頻增益成反比。因此系統(tǒng)擴(kuò)頻增益越大，對(duì)噪聲干擾的抑制能力越強(qiáng)。 對(duì)于式2-4-5，擴(kuò)頻碼pn(t)對(duì)噪聲n(t)在頻域上做卷積，實(shí)際上是擴(kuò)頻碼對(duì)基帶噪聲干擾作頻譜擴(kuò)展，擴(kuò)展后的噪聲功率譜密度既然明顯降低，為原譜密度的1/G，而能經(jīng)基帶濾波器輸出的噪聲功率也就僅為原噪聲功率的1/G，實(shí)現(xiàn)了對(duì)噪聲干擾的抑制，體現(xiàn)了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力。 需要指出的是，上述結(jié)果是在噪聲干擾為基帶B1的廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，即噪聲功率譜分布在(-f,f)內(nèi)的情況下得出的?？梢宰C明，當(dāng)噪聲帶寬非常寬時(shí)，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)對(duì)噪聲功率不再有明顯的抑制能力。

41、因此，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)對(duì)象熱噪聲這樣的帶寬無(wú)限寬的干擾是無(wú)能為力的。 3.4.2 信噪比和誤碼率 信噪比和誤碼率是數(shù)據(jù)通信最重要的性能指標(biāo)，它充分反映了數(shù)據(jù)通信的抗噪聲能力和傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，這里開始分析直接擴(kuò)頻系統(tǒng)的信噪比和誤碼率?；鶐V波器是0->T的積分器和在T時(shí)刻的門限判決，載波信號(hào)和本地載波信號(hào)幅值在這里都用來(lái)表示，P是信號(hào)功率，T時(shí)刻為判決時(shí)刻。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)： S(t)= d(t)pn(t)cosω0t （2-9） 忽略傳輸時(shí)延和衰減，其接收信號(hào)為： u(t)=S(t)+n(t)

42、 （2-10） 這里，n(t)是0均值的高斯白噪聲，在擴(kuò)頻通信的整個(gè)頻帶上有N/2的雙邊功率譜密度。在系統(tǒng)收發(fā)兩端已完全同步的情況下，并且積分器在積分期間，d(t)是不變的，要么是+1，要么是-1，仍用d表示，那么經(jīng)解調(diào)后的接收信號(hào)送往積分器輸出為： v(t)=PT*d+ （2-11） 式中第一項(xiàng)是有用信號(hào)，PT為在信息數(shù)據(jù)脈寬T內(nèi)的信號(hào)能量，d是信息數(shù)據(jù)的正、負(fù)狀態(tài)，即發(fā)送來(lái)的信息數(shù)據(jù)。式中第二項(xiàng)為噪聲，在T時(shí)刻積分器的噪聲輸出為： n(T)=

43、 （2-12） 它的準(zhǔn)確積分結(jié)果很難給出，但n(t)是與pn(t)獨(dú)立的0均值高斯白噪聲，因此n(T)的統(tǒng)計(jì)特性為： 均值： E[n(T)]=0 （2-13） 方差： = （2-14） 式中R(0)是噪聲自相關(guān)，對(duì)N/2的雙邊功率譜密度的白噪聲，則R(0)= N/2。R(0)是擴(kuò)頻碼的自相關(guān), R(0)=1,R(0)是信號(hào)功率為P的載波自相關(guān),有R(0)=P。 作為通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參量的信噪比,是有用信號(hào)功率與噪聲功率之比。對(duì)隨機(jī)變量

44、檢測(cè)的場(chǎng)合，信噪比也是該隨機(jī)變量的均值的平方與它的方差之比。因此，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的接收機(jī)對(duì)發(fā)送來(lái)的擴(kuò)頻信號(hào)作相關(guān)解調(diào)處理時(shí)，當(dāng)與發(fā)送來(lái)的信號(hào)的擴(kuò)頻碼完全同步的情況下，積分器輸出的有用信號(hào)功率為(PT*d)=(PT),這也就是把v(t)作為隨機(jī)變量時(shí)，它的均值的平方。積分器輸出的噪聲信號(hào)功率為，即v(t)的方差。因此，擴(kuò)頻通信的輸出信噪比為： ＝＝　 （2-15） 式中，P為接收的有用信號(hào)功率，T為信息數(shù)據(jù)脈碼寬度，PT=E為１bit信息數(shù)據(jù)的信號(hào)能量。 由于信道和接收機(jī)中的高斯白噪聲和通常來(lái)自信到外部的窄帶隨機(jī)過(guò)程是完全獨(dú)立的，在

45、這兩種噪聲干擾存在的情況下，擴(kuò)頻通信的輸出信噪比為： ＝＝ 　　 ＝ （2-16） 4. 直擴(kuò)系統(tǒng)SystemView仿真 4.1 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)簡(jiǎn)稱直接擴(kuò)頻（DSS）系統(tǒng)或叫直接序列（DS）系統(tǒng)，是目前使用最多，最典型的擴(kuò)頻工作方式，直擴(kuò)方式是在發(fā)端直接用具有高碼率的擴(kuò)頻編碼去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在收端用相同的擴(kuò)頻編碼進(jìn)行解擴(kuò)使擴(kuò)頻信號(hào)還原為原始信號(hào)。直接序列系統(tǒng)中用的編碼序列通常是偽隨機(jī)序列或叫偽噪聲（PN）碼。要傳送的信息經(jīng)數(shù)字化后變成二元數(shù)字序列，它和偽隨機(jī)序列模二相加后變

46、成復(fù)合碼去調(diào)制載波。在直接序列系統(tǒng)中通常對(duì)載波進(jìn)行相依鍵控調(diào)制。當(dāng)擴(kuò)頻調(diào)制后由天線發(fā)射出去。在接收機(jī)中要有一個(gè)和發(fā)射機(jī)中的偽隨機(jī)碼同步的本地碼，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)，解擴(kuò)后的信號(hào)送到解調(diào)器取出傳送的信息。 直接序列調(diào)制就是載波直接被偽隨機(jī)碼序列調(diào)制。在發(fā)射機(jī)端, 要傳送的信息先轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)或符號(hào), 與偽隨機(jī)碼( PN 碼)進(jìn)行模2 和運(yùn)算后形成復(fù)合碼，再用該復(fù)合碼去直接調(diào)制載波。在接收機(jī)端, 用與發(fā)射機(jī)端完全同步的PN 碼對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)后經(jīng)解調(diào)器還原輸出原始數(shù)據(jù)信息。調(diào)制方式可以是調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相和其他任何形式的振幅或角度調(diào)制。因PSK性能最佳, 現(xiàn)代DS -SS中載波調(diào)制一般都采用B

47、PSK 或DPSK。其基本原理如圖1所示。 （b）接收機(jī) 模2和加法器 PN碼 發(fā)生器 功率 放大器 載波 發(fā)生器 調(diào)制器 調(diào)制器 調(diào)制器 （a）發(fā)射機(jī) 混頻器 調(diào)頻器 調(diào)解調(diào)器 數(shù)據(jù)輸出 本振 中放 時(shí)鐘 PN碼 發(fā)生器 同步 圖1 直序擴(kuò)頻系統(tǒng)原理圖 　4.2 直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真 Systemview是一個(gè)信號(hào)級(jí)的系統(tǒng)仿真軟件,主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真,是一個(gè)強(qiáng)有力的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析工具,能滿足從數(shù)字信號(hào)處理,濾波器設(shè)計(jì),到復(fù)雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設(shè)計(jì)仿真要求。利用Systemv

48、iew建立的直擴(kuò)系統(tǒng)的仿真原理圖,如圖2所示。 圖2 直擴(kuò)系統(tǒng)仿真原理圖 4.3 設(shè)計(jì)模型 為了對(duì)擴(kuò)頻通信有一個(gè)初步認(rèn)識(shí),直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)為例來(lái)進(jìn)行仿真,并進(jìn)一步說(shuō)明擴(kuò)頻通信的優(yōu)點(diǎn)。直接序列擴(kuò)頻是目前應(yīng)用最廣的一種擴(kuò)頻技術(shù),圖3是直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的仿真模型圖。 圖3 直序擴(kuò)頻系統(tǒng)仿真模型圖 部分參數(shù)設(shè)置： 采樣點(diǎn)：16384個(gè) ， 采樣頻率：1000MHz 圖4 Token0：基帶信號(hào)－PN碼序列（頻率=1KHz，電平=2Level，振幅=1V，偏移=0V） 圖5 圖符0參數(shù)設(shè)置 Token 1、7、11、14

49、：乘法器 Token 2：基帶信號(hào)—PN碼序列（頻率=10KHz，電平=2Level，振幅=1V，偏移=0V） 圖6 圖符2參數(shù)設(shè)置 Token 3：模擬低通濾波器（頻率=1000Hz，極點(diǎn)個(gè)數(shù)=3） 圖7 圖符3參數(shù)設(shè)置 Token 4、5、9、15：觀察窗 Token 6：加法器 Token 8：掃頻信號(hào)（幅度=1.5V，開始頻率=90KHz, 終值頻率120KHz，掃頻周期0.015s） 圖8 圖符8參數(shù)設(shè)置 Token 10：模擬低通濾波器（頻率=1000Hz，極點(diǎn)個(gè)數(shù)=3） 圖9 圖符10參數(shù)設(shè)置 Token 12

50、：正弦波（幅度=1V，頻率=100KHz，相位=0） 圖10 圖符12參數(shù)設(shè)置 Token 13：正弦波（幅度=1V，頻率=100KHz，相位=0） 圖11 圖符13參數(shù)設(shè)置 4.4 仿真結(jié)果 仿真圖如下，可以十分明顯的觀察到，在100kHz附近有較強(qiáng)的干擾存在，而解擴(kuò)后的信號(hào)與輸入的原信號(hào)波形基本一致，完全未受干擾影響。不斷加大噪聲或干擾的幅度，當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)的干擾門限時(shí)，則不斷準(zhǔn)確地恢復(fù)原始波形。 圖2輸入信號(hào)波形 圖3擴(kuò)頻后的信號(hào)波形 圖4調(diào)制后信號(hào)波形 圖5加干擾后的波形 圖6解擴(kuò)后的波形 圖7解調(diào)后的波形 圖8整形后的

51、輸出波形 5. 結(jié)論及心得體會(huì) 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的通信系統(tǒng)，憑個(gè)人能力無(wú)法完成如此繁重的工作，從本設(shè)計(jì)目的出發(fā)，只是從實(shí)驗(yàn)的角度完成了一個(gè)功能實(shí)現(xiàn)演示系統(tǒng)。 直接擴(kuò)頻系統(tǒng)，在發(fā)送端的設(shè)計(jì)一般都采用先擴(kuò)頻后調(diào)制，既先用擴(kuò)頻碼和信息碼進(jìn)行模2運(yùn)算，產(chǎn)生擴(kuò)頻信號(hào)，然后用此信號(hào)去調(diào)制載波，采用二相移頻鍵控（BPSK）方式。而在接收端為了恢復(fù)出原信號(hào)，也要分兩步進(jìn)行，可以先解擴(kuò)后解調(diào)，也可以先解調(diào)后解擴(kuò)。但為了和發(fā)送端相對(duì)應(yīng)，本設(shè)計(jì)采用后者，但在解擴(kuò)之前不能把解調(diào)器輸出信號(hào)恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)。 通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，收益頗豐。首先對(duì)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的原理有了比較深刻的理解，因?yàn)?/p>

52、一個(gè)完整的通信系統(tǒng)包括了很多方面的知識(shí)，充分利用和鞏固了以前所學(xué)的各種知識(shí)和相關(guān)理論。在軟件方面，學(xué)會(huì)了用System View仿真并分析系統(tǒng)?？傊?，這次課程設(shè)計(jì)使自己獲得了很大的鍛煉。 參考資料 [1] 童成意．?dāng)U頻通信技術(shù)應(yīng)用研究[J]．湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2003 [2] 許麗艷，李雪梅，于瑞濤．?dāng)U展頻譜通信系統(tǒng)的仿真［J］．青島大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版）, 2000 [3] 白木，周潔．?dāng)U頻通信的原理、工作方式、特點(diǎn)和應(yīng)用[J]．電力系統(tǒng)通信，2000 [4] 羅衛(wèi)兵，張捷.System View 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析及通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)［M］．西安：西安電子科技大學(xué)

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