扩频通信系统的研究与应用-初稿

摘要人类社会进入到了信息社会，通信现代化是人类社会进入信息时代的重要标志。扩频通信技术是现代通信系统中的一种新兴的通信方式，其较强的抗干扰、抗衰落和抗多径性能以及频谱利用率高、多址通信等诸多优点越来越为人们所认识，并被广泛地应用于军事通信和民用通信的各个领域，从而推动了通信事业的发展。文中主要阐述了扩频通信技术的理论依据和基本概念，结合扩频通信技术的分类和原理简单介绍了直接序列扩展频谱、跳频扩频通信系统、频率跳变-直接序列混合系统。并以伪随机码序列作为扩频函数的直接序列扩展频谱通信系统的模型为例，重点讨论其抗干扰能力，并在此理论基础上建立起直接序列扩频通信系统抗正弦干扰、抗窄带干扰的仿真模型。最后，简单概述了扩频通信的发展趋势，及它的两个主要应用。关键词：扩频通信,直接序列扩频通信,抗干扰,仿真AbstractThehumansocietyenteredtheinformationsociety,communicationmodernizationishumansocietyenteredtheinformationageofimportantsymbol.Spreadspectrumcommunicationtechnologyisthemoderncommunicationsystemofanewkindofcommunicationmode,itsstronganti-interference,fightdeclineandspectrumanti-multipathperformanceandhighefficiencyandmulti-accesscommunication,andmanyotheradvantagesforpeopleplacemoreandmoreunderstanding,andiswidelyusedinmilitarycommunicationsandcivilcommunicationeachdomain,soastopromotethedevelopmentofthecauseofthecommunication.Thispapermainlyexpoundsthespreadspectrumcommunicationtechnologythetheoreticalbasisandbasicconceptofcombiningthespreadspectrumcommunicationtechnologyprincipleandtheclassificationofthebriefintroductionthedirectsequencespreadspectrum,frequency-hoppingspreadspectrumcommunicationsystem,frequencyhopping-directsequencemixingsystem.Andwithpseudo-randomcodesequenceasthedirectsequencespreadspectrumfunctionmodelofspreadspectrumcommunicationsystemasanexample,mainlydiscussedtheantiinterferenceability,andbasedonthistheoryinestablishdirectsequencespreadspectrumcommunicationsystemfightsineinterference,asimulationmodelofnarrowbandinterferenceresistance.Finally,simplesummarizesthedevelopmenttrendofspreadspectrumcommunication,anditstwomainapplication.Keywords:spreadspectrumcommunication,DirectSequeceSpreadSpectrumCommunicationSystems,anti-interference,emulation第一章绪论1.1扩频通信系统发展概述扩频通信(spreadspectrumcommunication)是近几年内迅速发展起来的一种通信技术。在早期研究这种技术的主要目的是为提高军事通信的保密和抗干扰的性能，因此这种技术的开发和应用一直是处于保密状态。美国在20世纪50年代中期，就开始了对扩频通信的研究，当时主要侧重在空间探测、卫星侦察和军用通信等方面。以后，随着民用通信的频带拥挤日益严重，又由于近代微电子技术、信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的快速发展，与扩频通信有关的器件的成本大大地降低，从而进一步推动了扩频通信在民用领域的发展金额应用，而且也使扩频通信的理论和技术也得到了进一步的发展。目前在军事上，它已经广泛应用于各种战略和战术通信的系统中，成为电子战中反干扰的一种重要的手段。扩频技术在军事应用上的最成功的范例可以以美国和俄国的全球卫星定位系统(GPS和GLONASS)以及美军的联合战术分布系统(JTIDS)为代表；GPS和GLONASS在民用上也都得到了广泛的应用，这些系统的技术基础就是扩频技术。扩频的码分多址技术应用于蜂窝移动通信中时，大大降低了噪声和衰落的影响，同时还避免了复杂的频率分配和时隙划分等技术上的困难，并可以省去保护频带或时隙，极大地提高了蜂窝通信系统中小区的频率复用度，使信号频谱利用率得到提高。1990年1月，国际无线电咨询委员会(CCIR,现为ITUR)在研究未来民用陆地移动通信系统的计划报告中已明确地建议采用扩频通信技术。美国已制定出了基于CDMA蜂窝技术的IS-95标准，Samsung、Motorola等公司也已相继推出了各自的CDMA移动通信商用实验网已开通运行，并取得了良好的效果。扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，到目前为止，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统，而跳频系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而言，跳频系统主要在军事通信中对抗故意干扰，在卫星通信中也用于保密通信，而直扩系统则主要是一种民用技术。面对全世界范围内对移动通信日益增加的要求，CDMA将是无线通信中最主要的多址介入手段。在本世纪，扩频技术将得到更加广泛的应用。从扩频技术的历史可以看出，每一次技术上的大发展都是由巨大的需求驱动的。军事通信抗干扰的驱动以及个人通信业务的驱动使得扩频技术的抗干扰性能和码分多址能力得到最大限度的挖掘。展望未来，第四代移动通信系统(4G)的驱动无疑会使扩频技术传输高速数据的能力得到更大的拓展。1.2仿真软件MATLAB概述MATLAB原意为“矩阵实验室—MATrixLABoratory”，它是目前控制界国际上最流行的软件，它除了传统的交互式编程之外，还提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据和图象处理、Windows编程等便利工具。MATLAB还配备了大量工具箱，特别是还提供了仿真工具软件SIMULINK。MATLAB在80年代一出现，首先是在控制界得到研究人员的瞩目。随着MATLAB软件的不断完善，特别是仿真工具SIMULINK的出现，使MATLAB的应用范围越来越广。随着MATLAB库函数和仿真工具箱的不断扩充，使其在系统仿真与分析、信号处理、图像处理等方面的应用越来越广泛。MATLAB具有3大特点：（1）功能强大，包括数值计算和符号计算，计算结果和编程可视化，数学和文字统一处理，离线和在线皆可计算；（2）面友好，语言自然。MATLAB以复数矩阵为计算单元，指令表达与标准教科书的数学表达式相近；（3）开放性强。MATLAB有很好的可扩充性，可以把它当作一种更高级的语言去使用，可容易地编写各种通用或专用应用程序。正是由于MATLAB的这些特点，使它获得了对应用学科（特别是边缘学科和交叉学科）的极强适应力，并很快成为应用学科计算机辅助分析设计、仿真、教学乃至科技文字处理不可缺少的基础软件，成为欧美高等院校、科研机构教学与科研必备的基本工具。在MATLAB中，Simulink是一个比较特别的工具箱，它具有两个显著的功能：Simu（仿真）与Link（链接），是实现动态系统建模、仿真的一个集成环境。具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点，可大大提高系统仿真的效率和可靠性；同时进一步扩展了MATLAB的功能，可实现多工作环境间文件互用和数据交换。Simulink提供了友好的图形用户界面（GUI），模型由模块组成的框图来表示，用户建模通过简单的单击和拖动鼠标的动作就能完成。Simulink的模块库为用户提供了多种多样的功能模块，其中有连续系统（Continuous）、离散系统（Discrete）、非线性系统（Nonlinear）等几类基本系统构成的模块，以及连接、运算模块。而输入源模块（Sources）和接收模块（Sinks）则为模型仿真提供了信号源和结果输出设备。本文就是利用编制MATLAB仿真m文件进行直接序列扩频通信系统的性能仿真及其分析。1.3本文主要工作扩频通信技术本身的优越性，使其成为未来通信方式的主流。而直接序列扩频通信系统实扩频通信系统应用广泛的一种方式，本文主要分析了直接序列扩频通信系统的基本通信原理，说明其抗干扰的性能。并根据数学分析模型建立MATLAB仿真模型进行系统性能分析，主要有：抗正弦干扰、窄带干扰，进而对仿真结果进行分析说明直扩系统的性能。本文第1章主要说明了扩频通信的发展，接着介绍了本文用到的仿真软件MATLAB的基本情况。本文第2章主要说明了扩频通信的理论基础及其主要分类，并简要介绍了直扩系统、跳频系统及二者的混合系统。本文重点和主要工作是第3章和第4章。第3章在一般直接序列扩频通信的组成框图上，通过定量和定性分析来说明直接序列扩频通信系统的抗干扰性能原理。第4章是在第3章的数学模型上建立起直扩系统抗各种干扰的仿真模型，并运行仿真程序得出直扩系统在抗干扰方面的有效性的曲线图，并且进行结果分析，这章也是本文的亮点之处。在本文的第5章，简单的介绍了扩频技术的发展趋势，即第四代移动通信系统（4G），及扩频通信的两个主要应用领域。第2章扩频通信及其分类2.1扩频通信的理论基础在传统的无线电通信系统中，信号的格式的设计是：在保证通信质量的前提下，为了在系统所能使用的射频频带中能尽可能多地传输信息，所以要求信号的带宽不要过宽，一般信号带宽与信息的带宽是接近的，传统的无线电通信系统就是采用这种窄带信号(Sn)概念的系统，称之为窄带系统。在扩频通信系统中，信号格式的设计思想与窄带概念是信息论的奠基者ClaudeE.Shannon在20世纪40年代提出的。根据无线传输信道容量的理论公式：)N/P1WlogC2（式中：C是信道可能传输的最大信息速率，即信道容量；W为信道带宽；N为白噪声的平均功率；P是信号的平均功率。从上式中可以看出：在信噪比很小的条件下，可以用增加带宽的办法来提高系统的抗干扰性能，以保证信道容量不变。换句话讲，在信道容量相同的条件下，宽带系统比窄带系统的抗干扰性能要好，所以当信噪比太小而且不能保证通信质量时，可以采用增加带宽的方法来改善通信质量。由于扩频技术在传输扩频信号时，并不增加发射信号的平均功率，仅是将要传输的信号的频带扩展后，再进行传输的。因此扩频通信系统在信道上传输的信号功率谱密度就很低。这种系统可以在信噪比很小的情况下，甚至在信号已被噪声淹没的情况下，仍可保持可靠的通信。另外，根据柯捷尔尼可夫关于信息差错传输概率的公式为：)/(0NSfPowj式中：jPow为差错概率，E为信号能量，N0为噪声功率谱密度。0,/WNNFETES式中：为T为信息持续时间，△F为信息带宽)/()//()/()/(0PjGNSfFWNSfNSTWfNEfPow因此，可通过提高处理增益GP降低对S/N的要求，在强干扰条件下保证可靠安全的通信。扩