移动通信课程设计基于Simulink的扩频通信仿真与实现样本.doc

移动通信课程设计报告题 目 基于Simulink扩频通信系统仿真与实现 学 院 电子信息工程学院 专 业 通信工程 学生姓名 学 号 年级 指引教师 职称 讲 师 年 月 日设计报告成绩 （按照优、良、中、及格、不及格评估）指引教师评语：指引教师（签名） 年 月 日阐明：指引教师评分后，设计报告交院实验室保存。基于Simulink扩频通信系统仿真与实现专 业：通信工程 学 号： 学 生： 指引教师： 摘要：直接序列扩频通信系统（DS-CDMA）因其抗干扰性强、隐蔽性好、易于实现码分多址（CDMA）、抗多径干扰、直扩通信速率高等众多长处，而被广泛应用于许多领域中。针对扩频通信广泛应用，用Matlab工具箱中Simulink通信仿真模块和Matlab函数对直接序列扩频通信系统进行分析和仿真是迅速有效设计办法，可以事半功倍。Matlab通信工具箱Simulink仿真模块和Matlab函数，形成一种运算函数和仿真模块集合体，用来进行通信领域研究、开发、系统设计和仿真。且模块可供直接使用，并容许修改，使用起来十分以便，因而完全可以满足使用者设计和运算需要。本文依照扩频通信原理，运用Matlab提供可视化仿真工具Simulink建立了扩频通信原理系统仿真模型合与直序扩频通信系统仿真模型。核心词：Matlab；Simulink；码分多址；扩频通信； 目 录第1章 绪论111 直序扩频系统应用背景112 直接序列扩频系统特点21.2.1直接序列扩频通信系统长处21.2.2直接序列扩频通信系统局限性31.3 直接序列扩频通信系统发展3第2章 直接序列扩频通信技术52.1直接序列扩频概念及理论基本52.1.1 直接序列扩频概念52.1.2 扩频通信理论基本52.1.3扩频增益和抗干扰容限62.2直接序列扩频基本原理72.3 直扩系统性能102.3.1 直扩系统抗干扰性102.3.2 直扩信号抗截获性122.3.3 直扩码分多址通信系统122.3.4 直扩系统抗多径干扰性能132.3.5 直扩测距定期系统132.4扩频序列通信系统同步原理14第3章 PN序列163.1 PN序列（伪随机序列）概述163.1.1 伪随机序列普通定义163.1.2 伪随机序列数学定义163.1.3 伪随机序列有关特性173.2 m序列产生原理18第4章 直接序列扩频通信系统MATLAB仿真214.1 Simulink仿真技术214.2. Simulink对通信系统仿真214.2.1扩频与解扩Simulink仿真图234.2.2 BPSK调制Simulink仿真图254.3 MATLAB程序设计及仿真成果274.3.1程序设计274.3.2 仿真波形34结论37参照文献38道谢39第1章 绪论11 直序扩频系统应用背景直接序列扩频(DSSS Direct Sequence Spread Spectrum)技术是当今人们所熟知扩频技术之一。这种技术是将要发送信息用伪随机码（PN码）扩展到一种很宽频带上去，在接受端，用与发端扩展用相似伪随机码对接受到扩频信号进行有关解决，恢复出发送信息。它是二战期间开发，最初用途是为军事通信提供安全保障，是美军重要无线保密通信技术。这种技术使敌人很难探测到信号。即便探测到信号，如果不懂得对的编码，也不也许将噪声信号重新汇编成原始信号。关于扩频通信技术观点是在1941年由好莱坞女演员Hedy Lamarr 和钢琴家George Antheil提出。基于对鱼雷控制安全无线通信思路，她们申请了美国专利#2.292.387。不幸是，当时该技术并没有引起美国军方注重，直到十九世纪八十年代才引起关注，将它用于敌对环境中无线通信系统。直序扩频解决了短距离数据收发信机、如：卫星定位系统(GPS)、3G移动通信系统、WLAN (IEEE802.11a，IEEE802.11b，IEE802.11g)和蓝牙技术等应用核心问题。扩频技术也为提高无线电频率运用率(无线电频谱是有限因而也是一种昂贵资源)提供协助。直序扩频通信系统工作原理如图1-1所示。信息调制扩频解扩解调扩频序列发生器扩频序列发生器同步电路B1B2B2D信息接受图1-1 扩频通信工作原理框图在发端输入数字信号信息，先由扩频码发生器产生扩频码序列去调制数字信号以展宽信号频谱，扩频码序列普通采用PN码。展宽后信号再调制到射频发送出去。调制多采用BPSK、DPSK、MPSK等调制方式。在接受端收到信号进行解调（普通采用相干解调）。然后由本地产生与发端相似扩频码序列去有关解扩。恢复成原输入信息输出。由此可见，般扩频通信系统都要进行两次调制和相应解调。一次调制为扩频调制，二次调制为射频调制，以及相应解扩和射频解调。 与普通通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩某些。 12 直接序列扩频系统特点1.2.1直接序列扩频通信系统长处（1）抗干扰性强抗干扰是扩频通信重要特性之一，例如信号扩频宽度为100倍，窄带干扰基本上不起作用，而宽带干扰强度减少了100倍，如要保持原干扰强度，则需加大100倍总功率，这实质上是难以实现。因信号接受需要扩频编码进行有关解扩解决才干得到，因此虽然以同类型信号进行干扰，在不懂得信号扩频码状况下，由于不同扩频编码之间不同有关性，干扰也不起作用。正由于扩频技术抗干扰性强，美国军方在海湾战争等处广泛采用扩频技术无线网桥来连接分布在不同区域计算机网络。（2）隐蔽性好由于信号在很宽频带上被扩展，单位带宽上功率很小，即信号功率谱密度很低，信号沉没在白噪声之中，别人难以发现信号存在，加之不知扩频编码，很难拾取有用信号，而极低功率谱密度，也很少对于其她电讯设备构成干扰。（3）易于实现码分多址（CDMA）直接序列扩频通信系统占用宽带频谱资源通信，改进了抗干扰能力，与否挥霍了频段？其实正相反，扩频通信提高了频带运用率。正是由于直接序列扩频通信系统要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接受需要用相似扩频编码作有关解扩才干得到，这就给频率复用和多址通信提供了基本。充分运用不同码型扩频编码之间有关特性，分派给不同顾客不同扩频编码，就可以区别不同顾客信号，众多顾客，只要配对使用自己扩频编码，就可以互不干扰地同步使用同一频率通信，从而实现了频率复用，使拥挤频谱得到充分运用。发送者可用不同扩频编码，分别向不同接受者发送数据； 同样，接受者用不同扩频编码，就可以收到不同发送者送来数据，实现了多址通信，提高了频谱运用率。此外，扩频码分多址还易于解决随时增长新顾客问题。（4）抗多径干扰无线通信中抗多径（发射信号经多条不同途径传播）干扰始终是难以解决问题，运用扩频编码之间有关特性，在接受端可以用有关技术从多径信号中提取分离出最强有用信号，也可把各种途径来同一码序列波形相加使之得到加强，从而达到有效抗多径干扰。（5）速率高直接序列扩频通信系统速率可达 2M，8M，11M，不必申请频率资源，建网简朴，网络性能好。（6）有很强保密性能。对于直接序列扩频通信系统而言，射频带宽很宽，谱密度很低，甚至沉没在噪音中，就很难检查到信号存在。由于直接序列扩频通信系统信号频谱密度很低，直接序列扩频通信系统对其他系统影响就很小。 1.2.2直接序列扩频通信系统局限性直接序列扩频通信系统除了普通通信系统所规定同步以外，还必要完毕伪随机码同步，以便接受机用此同步后伪随机码去对接受信号进行有关解扩。直接序列扩频通信系统随着伪随机码字加长，规定同步精度也就高，因而同步时间就长。1.3 直接序列扩频通信系统发展由于它抗噪声特性，直接序列扩频技术非常适合商业应用。在容许无线设备公开使用电磁环境里，它对其她老式微波设备导致最小干扰，同步对附近其她设备有更高抗扰性。上世纪80年代末，晶体电子技术先进限度已经足以提供商用、成本效益好直接序列扩频系统。当前直扩技术被广泛应用于涉及计算机无线网等许多领域。扩频技术在发展初始阶段，就已经实现了理论和技术上重大突破，在此后发展过程中重要是硬件改进和性能提高。随着移动通信迅猛发展，当前3G系统由研制开发逐渐进入商用并且向第四代无线多媒体通信飞速发展。依照ITU原则，世界各大电信公司联盟均提出了自己第三代移动通信系统方案，虽然第三代移动通信系统原则差别很大，但采用码分多址技术已经达到共识。直扩码分多址，由于具备通信容量大、能充分运用话音记录特性、平滑越区切换、通信容量软特性等长处被作为将来移动通信中最具竞争力、最有前景无线多址接入技术。无线扩频通信作为另一种有效补充通信手段,已在金融系统得到了越来越广泛应用。发展到当前，扩频技术理论和技术都已趋于完善，重要应从系统角度考虑总体性能，且与其他新技术结合应用。因而，应用驱动始终是扩频技术发展强大动力，将来无线通信系统，如移动通信、无线局域网、全球个人通信等，扩频技术必将发挥重要作用。随着科技发展，扩频技术必将获得更加辽阔应用空间。第2章 直接序列扩频通信技术2.1直接序列扩频概念及理论基本2.1.1 直接序列扩频概念所谓直接序列(DS：Direct Sequence)扩频，就是直接用品有高码率扩频码序列在发送端去扩展信号频谱。而在接受端，用相似扩频码序列去进行解扩，把展宽扩频信号还原成原始信息。2.1.2 扩频通信理论基本长期以来，人们总是想方设法使信号所占频谱尽量窄，以充分提高十分宝贵频率资源运用率。但扩频通信在发送端用扩频码调制，使信号所占频带宽度远不不大于所传信息必要带宽，在接受端采用相似扩频码进行有关解扩以恢复出所传信息数据。为什么要用宽频带信号来传播窄带信息呢？重要是为了通信安全可靠性。这可用信息论和抗干扰理论基本观点来阐明：依照香农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出信道容量公式，香农公式： （2-1）式中：C-信息传播速率（信道容量） 单位b/s； S-信号平均功率单位W； B-频带宽度 单位Hz； N-噪声平均功率 单位W。由式中可以看出为了提高信息传播速率C，可以从两种途径实现，既加大带宽B或提高信噪比S/N。换句话说，当信号传播速率C一定期，信号带宽B和信噪比S/N是可以互换，即增长信号带宽可以减少对信噪比规定，当带宽增长到一定限度，容许信噪比进一步减少，有用信号功率接近噪声功率甚至沉没在噪声之下也是也许。扩频通信就是用宽带传播技术来换取信噪比上好处。柯捷尔尼可夫在其潜在抗干扰性理论中得到如下关于信息传播差错概率公式 （2-2）此公式指出，差错概率Pe是信号能量E与噪声功率谱密度之比函数。设信息持续时间为T，或数字信息码元宽度为T，则信息带宽Bm为 （2-3）信号功率S为 （2-4）已调（或已扩频）信号宽度为B，则噪声功率为 （2-5）将式（2-3）（2-5）代入式（2-2），可得 （2-6）上面公式指出，差错概率Pe是输入信号与噪声功率之比（S/N）和信号带宽与信息带宽之比（B/Bm）两者乘积函数，信噪比与带宽是可以互换。它同样指出了用增长带宽办法可以换取信噪比上好处。综上所述：将信息带宽扩展100倍，甚至用1000倍以上带宽信号来传播信息，就是为了提高通信抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全通信。这就是扩频通信基本思想和理论根据。2.1.3扩频增益和抗干扰容限扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接受端解扩还原了信息，这样系统带来好处是大大提高了抗干扰容限。理论分析表白，各种扩频系统抗干扰性能与信息频谱扩展后扩频信号带宽比例关于。普通把扩频信号带宽W与信息带宽F之比称为解决增益，即 (2-7)它表白了扩频系统信噪比改进限度。除此之外，扩频系统其她某些性能也大都与关于。因而，解决增益是扩频系统一种重要性能指标。系统抗干扰容限定义如下： (2-8)式中：（S/N）= 输出端信噪比；= 系统损耗；由此可见，抗干扰容限与扩频解决增益成正比，扩频解决增益提高后，抗干扰容限大大提高，甚至信号在一定噪声湮没下也能正常通信。普通扩频设备总是将顾客信息(待传播信息)带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽量地提高解决增益。2.2直接序列扩频基本原理所谓直接序列扩频（DS），就是直接用品有高速率扩频码序列在发送端去扩展信号频谱。而接受端，用相似扩频码序列进行解扩，把展宽扩频信号还原成原始信息。图2-1示出了直扩通信系统原理方框图，图2-2为直扩通信系统重要相位和波形图。信息信码m(t)BPSK调制载波PN 码扩频解调本地PN码BPSK解调本地载波图2-1 直扩通信系统构成框图（3）（4）载波0 1 11 1 1 10101（1）信码m（t）（2）伪码p（t）（5 PSK已调波（7）相位（6）相位（9）解调输出（8）中频调相图2-2 直扩通信系统重要相位或波形在发送端输入信息码元m（t），它是二进制数据，图中为0、1两个码元，其码元宽度为。加入扩频解调器，图中为模2加法器，扩频码为一种伪随机码（PN码），记作p（t）。伪码波形如图 2-2 中第（2）个波形，其码元宽度为，且取=16。普通在DS系统中，伪码速率远远不不大于信码速率，即，也就是说，伪码宽度远远不大于信码宽度，即，这样才干展宽频谱。模2加法器运算规则可用式2-9表达。 （29）当m（t）与p（t）符号相似时，c（t）为0；而当m（t）与p（t）不同步，则为1。c（t）波形如图2-2所示中第（3）个波形。由图可见，当信码m（t）为0时，c（t）与p（t）相似；而当信码m（t）为1时，则c（t）为p（t）取反既是。显然，包括信码c（t）其码元宽度已变成了，即已进行了频谱扩展。其扩展解决增益也可用下式表达 （210）在一定状况下，若伪码速率越高，即伪码宽度（码片宽度）越窄，则扩频解决增益越大。通过扩频，还要载频调制，以便信号在信道上有效传播。图中采用二相相移键控方式。调相器可由环行调制器完毕，即将c（t）与载频相乘，输出为。即 （211）式中， （212）因而，通过扩频和相位调制后信号为 （213）由上面讨论可知，通过扩频调制信号c（t）可看作只取1二进制波形，然后对载频进行调制，这里是采用调相（BPSK）。所谓调制，就是指相乘过程，可采用相乘器，环行调制器（或平衡调制器），最后得到是抑制载波双边带振幅调制信号。这里假定平衡调制器是抱负对称，码序列取+1、1概率相似，即调制信号无直流分量，这样平衡调制器输出已调波中，无载波分量。通过发射机中推动级、功放和输出电路加至天线发射出去。普通载波频率较高，或者说载波周期较小，它远不大于伪码周期，即满足。但图2-2中（4）示出载波波形=宽度为，这是为了便于看清晰某些，否则要在一种期间内画几十个甚至几百个正弦波。对于PSK来说，重要是看清晰已调波与调制信号之间相位关系。图2-2中第（5）个图为已调波 波形。这里，当c（t）为一码时，已调波与载波取反相；而当c（t）为0码时，取同相。已调波与载波相位关系如图2-2中第（6）个图所示。接受端工作原理：假设发射信号通过信道传播，不浮现差错，通过接受机前端电路（涉及输入电路、高频放大器等），输出仍为。这里不考虑信道衰减问题，由于对PSK调制信号而言，重要是相位问题，这里假定对分析工作原理是不受影响。有关器完毕相干解调和解扩。接受机中本振信号频率与载波相差为一种固定中频。假定收端伪码（PN）与发端PN码相似。接受端本地调相状况与发端相似，这里调制信号是p（t），即调相器输出信号相位仅取决于p（t），当p（t）=1时，相位为；当p（t）=0时，相位为0。信号相位如图2-2中（7）所示。有关器作用在这里可等效为对输入有关器、相位进行模2加。对二元制0、而言，同号模2加为0，异号模2加为。因而有关器输出中频相位如图2-2中（8）所示。然后通过中频滤波器。滤除不有关各种干扰，经解调恢复出原始信息。这一过程阐明了直扩系统基本原理和它是如何通过对信号进行扩频与解扩解决从而获得提高输出信噪比好处。它体现了直扩系统抗干扰能力。2.3 直扩系统性能2.3.1 直扩系统抗干扰性 直扩系统最早应用是在军事通信中作为很强抗干扰性通信手段。直扩系统对窄带干扰、宽带干扰等，都具备抗干扰能力，其抗干扰能力大小就是前面提出扩频解决增益，越大，抗干扰能力就越强。下面就来分析直扩系统抗宽带干扰和抗窄带干扰原理。图2-3为直扩系统抗宽带干扰示意图。这里宽带干扰是泛指与扩频信号不有关，在CDMA通信网中，其他顾客信号就是一种宽带干扰。有关解决前，信号频谱是很宽，经有关解决后，有用信息被解扩，其功率谱集中于信息带宽内，而宽带干扰通过有关器，其功率谱密度基本不变。由于解扩后必然连接窄带滤波器，保证信号能顺利通过，对信号频带之外各种干扰起到很大抑制作用，从而提高了输出信噪比。解扩后有用信号信息带宽BA有用信号干扰电平白限热噪声电平功率频谱干扰信号 图2-3 直扩系统抗宽带干扰示意图（a）接受机输入信号及干扰功率谱 （b）有关器输出信号及干扰功率谱对单频或窄带干扰，直扩系统有很强抗干扰能力。图2-4（a）为解扩前功率谱，窄带干扰功率很大，由于干扰与本地扩频码（PN码）是不有关。对干扰来说，有关器起到扩展频谱目，功率谱密度就大大下降，其中对信号有害干扰分量只有落入信息带宽某些，从而抑制了大某些干扰。由于有用信号能顺利通过窄带滤波器，因而提高了输出信噪比。A A解扩后有用信号干扰被扩展频谱有用信号窄带干扰信号 （a）未解扩功率谱（b）解扩后功率谱图4-4 直扩系统抗窄带干扰示意图2.3.2 直扩信号抗截获性 截获敌方信号目在于： （1）发现敌方信号存在； （2）拟定敌方信号频率； （3）拟定敌方发射机方向； 理论分析表白，信号检测概率与信号能量与噪声功率谱密度之比成正比，与信号频带宽度成反比。直扩信号正好具备这两方面优势，它功率谱密度很低，单位时间内能量就很小，同步它频带很宽。因而，它具备很强抗截获性。如果满足直扩信号在接受机输入端功率低于或与外来噪声及接受机自身热噪声功率相比拟条件、则普通接受机发现不了直扩信号存在。此外，由于直扩信号宽频带特性，截获时需要在很宽频率范畴进行搜索和监测，也是困难之一。因而，直扩信号可以用来进行隐藏通信。至于如何发现敌方直扩信号存在，和弄清晰其参数，即直扩信号检测与估值问题。2.3.3 直扩码分多址通信系统 多址通信系统指是许多顾客构成一种通信网，网中任何两个顾客都可以通信，并且许多对顾客同步通信时互不不扰。应用直扩系统就很容易构成这样一种多址通信系统(网)。详细做法是给每一种顾客分派一种PN码作为地址码。一方面，运用直扩信号中PN码有关特性来区别不同顾客，每个顾客只能收到其她顾客按其地址码发来信号，此时自有关特性浮现峰值，可以鉴别出是有用信号。对于其她顾客发来别信号，因PN码不同步互有关值很小，不会被解扩出来。另一方面，运用直扩信号中频谱扩展，功率谱密度很低特性，可以有许多顾客共用同一宽频带。此时互相之间干扰很小，可以当作噪声解决。此外，每个顾客占用频宽很窄，相对说来，频谱运用率也是高。实现直扩码分多址通信值得注意问题有：（1） 是要选取有优良互有关特性码。 普通多采用有二值或三值有关特性码作为地址码。同步还需要有一定数量。Gold码就可以作为地址码来用，它既有较优良有关特性，也有足够数量可供选。 （2）是要注意克服“远近”问题。所谓“远一近”问题指是距离近顾客信号强，它会干扰距离远弱信号接受。解决办法是采用自动功率控制，自动调节各顾客发射功率，使达到接受机时各顾客信号功率基本相等，也就是满足接受机输入端等功率条件，才干对的地区别有用信号。（3）是同步通话顾客数，决定于整个网内噪声水平。 因而，直扩码分多址系统是一种噪声受限系统。随着顾客数增长，通信质量逐渐变坏。2.3.4 直扩系统抗多径干扰性能 多径信道就是发射机和接受机之间电波传播途径不止一条。例如由于大气层反射和折射，以及由于建筑物等对电波反射都是形成多径信道因素。不同传播途径使电波在幅度上衰减不同，到达时间延迟也不同。直扩系统可以同步锁定在最强直达途径电波上。其他有延迟到达电波，由于有关解扩作用，只起到噪声干扰作用。这就是运用PN码自有关特性，只要延迟超过半个PN码时片，其有关值就很小，可作为噪声来对待。此外，如果采用不同步延匹配滤波器，把多径信号分离出来，还可以变害为利，将这些多径信号在相位上对齐相加，起到增长接受信号能量作用。因而，直扩系统是一种有效抗多径干扰通信系统。2.3.5 直扩测距定期系统 直扩系统发展是从测距开始。电磁波在空间是以固定光速传播。如果测定了电波传播时间，也就测定了距离。用直扩信号来测取和定期有独特长处。当采用一种较长周期PN码序列作为发射信号、用它于目地反射回来或转发回来PN码序列相位进行比较，即比较两个码序列相差时片数，就可以看出其时间差，也就能换算出发射机与目地之间距离。不难把码片选得很窄，即码钟速率很高，则可以高精度测距与定期，基本辨别率即一种码片。此外，有了精准测距定期系统，不难形成一种精准定位系统；按照简朴几何关系，已知两个点位置(座标)和距离，及其在某一平面上分别与第三点距离，也就能拟定第三点座标位置。2.4扩频序列通信系统同步原理任何数字通信系统都是离散信号传播，规定收发两端信号在频率上相似和相位上一致，才干对的地解调出信息。扩频通信系统也不例外。一种相干扩频数字通信系统，接受端与发送端必要实现信息码元同步、PN码码元和序列同步和射频载频同步。只有实现了这些同步，直扩系统才干正常工作。可以说没有同步就没有扩频通信系统。同步系统是扩频通信核心技术。信息码元时钟可以和PN码元时钟联系起来，有固定关系，一种实现了同步，另一种自然也就同步了。对于载频同步来说，重要是针对相干解调相位同步而言。常用载频提取和跟踪办法都可采用，例如用跟踪锁相环来实现载频同步。因而，这里咱们只需讨论PN码码元和序列同步。 普通说来，在发射机和接受机中采用精准频率源，可以去掉大某些频率和相位不拟定性。但引起不拟定性因素有如下某些：1. 收发信机距离引起传播延迟产生相位差；2. 收发信机相对不稳定性引起频差；3. 收发信机相对运动引起多普勒频移； 4. 以及多径传播也会影响中心频率变化。因而，只靠提高频率源稳定度是不够，需要采用进一步提高同步速率和精度办法。 同步系统作用就是要实现本地产生PN码与接受到信号中PN码同步，即频率上相似，相位上一致。同步过程普通说来包括两个阶段： 1. 接受机在一开始并不懂得对方与否发送了信号，因而，需要有一种搜捕过程，即在一定频率和时间范畴内搜索和捕获用信号。这一阶段也称为起始同步或粗同步，也就是要把对方发来信号与本地信号在相位之差纳入同步保持范畴内，即在PN码一种时片内。 2. 一旦完毕这一阶段后，则进入跟踪过程，即继续保持同步，不因外界影响而失去同步。也就是说，无论由于何种因素两端频率和相位发生偏移，同步系统能加以调节，使收发信号依然保持同步。如果由于采种因素引起失步，则重新开始新一轮搜捕和跟踪过程。因而，整个同步过程是包括搜捕和跟踪两个阶段闭环自动控制和调节过程。接受信号图2-5 同步系统搜捕和跟踪原理图输出出宽带滤波器码跟踪器PN码发生器压控钟源搜捕器件解调器图2-5为同步系统搜捕和跟踪原理图，图中接受到信号经宽带滤波器后，在乘法器中与本地PN码进行有关运算。此时搜捕器件，调节压控钟源，调节PN码发生器产生本地脉序列伪重复频率和相位，以搜捕有用信号。一旦捕获到有用信号后，则起动跟踪器件，由其调节压控钟源，使本地PN码发生器与外来信号保持同步。第3章 PN序列3.1 PN序列（伪随机序列）概述3.1.1 伪随机序列普通定义伪随机序列作为扩频通信系统中一某些是十分核心，它关系到扩频系统性能。四十年代末，信息论奠基人香农(C.E.Shannon)提出编码定理指出：只要信息速率Rb不大于信道容量C，则总可以找到某种编码办法，在码周期相称长条件下，可以几乎无差错从收到高斯噪声干扰信号中复制出原发信息。这里有两个条件，一是Rb=C，二是编码码周期足够长。同步香农在证明编码定理时候，提出用品有白噪声记录特性信号来编码。白噪声是一种随机过程，它瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽频带内都是均匀。但是至今无法实现对白噪声放大、调制、检测、同步及控制等，而只能用品有类似于限带白噪声记录特性伪随机序列信号来逼近它，并作为扩频系统扩频码。3.1.2 伪随机序列数学定义白噪声是一种随机过程，瞬时值服从正态分布，自有关函数和功率谱密度有极好有关性，伪随机序列是针对白噪声演化而来，只有“0”和“1”两种电平，因而伪随机编码概率分布不具备正态分布形式。但当序列足够长时，由中心极限定理可知，它趋近于正态分布，由此，伪随机序列定义如下：(1)凡自有关函数具备 (3-1)式序列称为狭义伪随机序列。(2)凡自有关函数具备 (3-2)形式序列，成为第一类广义伪随机序列。(3)凡互有关系数具备 或 (3-3)形式序列，称为第二类广义伪随机序列。(4)凡有关函数满足(1)、(2)、(3)三者之一序列，统称为伪随机序列。由上面四种定义可以看出，狭义伪随机序列是第一类广义伪随机序列一种特例。3.1.3 伪随机序列有关特性扩频系统中，对伪随机序列而言，最关怀问题就是其有关特性，涉及自有关性、互有关性及某些有关性。下面分别给出这些有关函数定义。设有两条长为N序列a和b，序列中元素分别为ai，bi，(i=1,2,3,N)。则序列自有关函数定义为： (3-4)由于a是周期为P序列，故有ai+p=ai,其归一化自有关函数a()定义为： (3-5)序列a和b互有关函数定义为： (3-6)归一化互有关函数定义为： (3-7)对于二进制序列，可以表达为： (3-8)其中，A为序列a和b相应码元相似数目，D为不相似数目。若ab()=0，则序列a和序列b正交，定义a某些有关函数和归一化某些有关函数为 (式中t为某一整数) ： (3-9)定义序列a和序列b某些互有关函数和归一化某些互有关函数分别为： (3-10)3.2 m序列产生原理m序列是最长线性移位寄存器序列简称。它是由多级移位寄存器或其她延迟元件通过线性反馈产生最长码序列。由于m序列容易产生、规律性强、有许多优良性能，在扩频通信中最早获得广泛应用。如图2.1所示，m序列可由二进制线性反馈移位寄存器产生。它重要由n个串联寄存器、移位脉冲产生器和模2加法器构成。 图中第i级移存器状态ai表达，ai=0 或ai=1，i=整数。反馈线连接状态用ci表达，ci=1表达此线接通（参加反馈），ci=0表达此线断开。由于反馈存在，移存器输入端受控地输入信号。不难看出，若初始状态为全“0”,则移位后得到仍为全“0”，因而应避免浮现全“0”状态，又由于n级移存器共有2n-1种也许不同状态，除全“0”状态外，剩余2n-1种状态可用。每移位一次，就浮现一种状态，在移位若干次后，一定能重复浮现前某一状态，其后过程便周而复始了。反馈线位置不同将浮现不同周期不同序列，咱们但愿找到线性反馈位置，能使移存器产生序列最长，即达到周期P=2n-1。按图中线路连接关系，可以写为： （模2） （3-11）该式称为递推方程。图3-1 线性反馈移位寄存器上面曾经指出，ci取值决定了移位寄存器反馈连接和序列构造。当前将它用下列方程表达： （3-12）这一方程称为特性多项式。式中xi仅指明其系数ci值（1或0），x自身取值并无实际意义，也不需要去计算x值。例如，若特性方程为f(x)=1+x+x4则它仅表达x0,x1和x4系数c0=c1=c4=1,别的为零。经严格证明：若反馈移位寄存器特性多项式为本原多项式，则移位寄存器能产生m序列。只要找到本原多项式，就可构成m系列发生器。 表1.1 某些本原多项式m序列基本性质如下：(1)周期性：m序列周期p取决于它移位寄存器级数，p=2n-1(2)平衡特性：m序列中0和1个数接近相等；m序列中一种周期内“1”数目比“0”数目多1个。(3)游程特性：m序列中长度为1游程约占游程总数1/2，长度为2游程约占游程总数1/22 ,长度为3游程约占游程总数1/23 (4)线性叠加性：m序列和其移位后序列逐位模2相加，所得序列还是m序列，只是相移不同而已。例如1110100与向右移3位后序列1001110逐位模2相加后序列为0111010，相称于原序列向右移1位后序列,仍是m序列。用公式表达为: （3-13）其中：u(i)、up(i)、uq(i)分别为原序列、平移p个元素后序列及平移相加后得到序列中第i个元素。(5)二值自有关特性：码位数越长越接近于随机噪声自有关特性。m序列自有关函数计算式为 （3-14）其中:,为码序列最大长度,亦即m序列周期； Tc为m序列码码元宽度。可见,有关函数是个周期函数。(6)m序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产生m序列。理论分析指出，产生m序列数由下式决定： （3-15）其中(x)为欧拉数(即涉及1在内不大于x并与它互质正整数个数)。例如5级移位寄存器产生31位m序列只有6个。第4章 直接序列扩频通信系统MATLAB仿真4.1 Simulink仿真技术Simulink是一种用来对动态系统进行建模、仿真和分析软件包，它支持持续、离散及两者混合线性和非线性系统，也支持具备各种采样频率系统。在Simulink环境中，运用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为顾客提供了方框图进行建模图形接口，采用这种构造画模型就像用手和纸来画同样容易。它与老式仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具备更直观、以便、灵活长处。Simulink包具有Sinks（输入方式）、Sours（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connections（连接与接口）和Extar（其她环节）子模型库，并且每个子模型库中包具有相应功能模块，顾客也可以定制和创立顾客自己模块。用Simulink创立模型可以具备递阶构造，因而顾客可以采用从上到下或从下到上构造创立模型。顾客可以从最高档开始观看模型，然后用鼠标双击其中子系统模块，来查看其下一级内容，以此类推，从而可以看到整个模型细节，协助顾客理解模型构造和各模块之间互有关系。在定义完一种模型后，顾客可以通过Simulink菜单或Matlab命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常以便，而命令行方式对于运营一大类仿真非常有用。采用Scope模块和其她画图模块，在仿真进行同步，就可观看到仿真成果。除此之外，顾客还可以在变化参数日后迅速观看系统中发生变化状况。仿真成果还可以存储到Matlab工作空间里做事后解决。模型分析工具涉及线性化和平衡点分析工具、Matlab许多工具及Matlab应用工具箱。由于Matlab和Simulink集成在一起，因而顾客可以在这两种环境下对自己模型进行仿真、分析和修改。4.2. Simulink对通信系统仿真在MATLAB中，用于通信系统仿真模块重要由两大某些构成：通用仿真模块和专用仿真模块。它们分别属于原则仿真子模块库和通信子模块库。一种典型Simulink模块由信源、系统及信宿等三某些构成。她们关系如图4-1所示信源系统信宿图4-1 Simulink模型典型构造信源提供系统输入信号，如常量、正弦波、方波等；系统是对仿真对象数学抽象，例如是持续线性系统，还是非持续线性系统对输入信号进行求和，还是对输入信号进行了一次调制；信宿是接