直扩通信系统基本原理与仿真

1直扩通信系统基本原理与仿真摘要：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。在扩频通信中，最常用的一种调制方式是直接序列扩频。本文阐述了扩频通信的基本概念，并且着重介绍了直接序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum)通信系统的基本原理，分析了其主要性能指标，通过MATLAB软件仿真直接序列扩频通信系统，得到了在不同干扰下系统的误码性能，根据仿真结果，给出了关于扩频通信系统性能的一些结论，最后，对扩频技术发展提出了一些有益的设想。【关键词】直接序列扩频误码性能扩频多址抗干扰Abstract:Spreadspectrumcommunicationtechnologyisaemergingcommunicationmethodofmoderncommunicationsystems.Thiscommunicationmethodhastheexcellentproperties:thestronganti-jamming,anti-fadingandmultipathperformanceandhighspectrumefficiency,multipleaccesscommunications.Andmoreandmorepeopleknowmanyotheradvantages,anditiswidelyusedinvariousfieldsofmilitaryandciviliancommunicationstraffic.Itpromotesthedevelopmentofallundertakings.Inspreadspectrumcommunications,themostcommonlymethodtobeusedisdirectsequencespreadspectrummodulation.Thispaperdescribesthebasicconceptsofspreadspectrumcommunications,andfocusesonthebasicprinciplesofdirectsequencespreadspectrumcommunicationsystem,thenanalyzesitskeyperformanceindicators.WeuseMATLABsoftwarefordirectsequencespreadspectrumcommunicationsystemtoconductsimulation,thensystemerrorperformancecanbeobtainedunderdifferentconditionsofinterference.Finally,accordingtothesimulationresults,Igivesomeconclusionsabouttheperformancespreadspectrumcommunicationsystem,andputforwardsomeusefulideasofspreadspectrumtechnology.【Keyword】DirectSequenceSpreadSpectrumBERperformanceSSMAAnti-jammingperformance1绪论1.1扩频通信引入背景美国在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，而且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，而且也使扩频通信的理论和技术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。扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了应用。近年来，扩展频谱通信技术的理论和应用发展非常迅速，在民用通信系统中也得到了广泛的应用。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2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。1.2直接序列扩频通信简述扩频通信中，最常用的一种调制方式是直接序列扩频。所谓的直接序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum)就是直接利用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。然而在收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信息。扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数(与待传输的信息信号无关）扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而到达传输信息目的的通信系统。也就是说在传输同样信息信号时所需要的射频带宽，远远超过被传输信息信号所必需的最小的带宽。扩展频谱后射频信号的带宽至少是信息信号带宽的几百倍、几千倍甚至几万倍。信息已不再是决定射频信号带宽的一个重要因素，射频信号的带宽主要由扩频函数来决定。1.3直接序列扩频系统具有的优点直接序列扩频系统具有的优点：一、抗干扰能力强。扩频解调器实际上是一个相关器，扩频信号通过相关器后能有效地恢复，干扰信号（包括瞄准性窄带干扰和宽带干扰）由于与本地PN码不相关而被相关器抑制掉。表示扩频通信特性的一个重要参数是扩频增益G(SpreadingGain),其定义为扩频前的信号带宽B1与扩频后的信号带宽B2之比，即G=B2/B1。扩频通信中，接收端对接收到的信号作扩频解调，只提取扩频编码相关处理后带宽为B1的信号成份，而排除了扩展到宽带B2中的干扰、噪声和其他用户通信的影响，相当于把接收信噪比提高了G倍。二、具有强的抗多径干扰能力。无线电波在传中，除了直接到达接收天线的直射信号外，还会有各种反射体（如大气对流层、建筑物、高山、树木、水面、地面）等引起的反射和折射信号被接收天线接收。反射和折射信号的传播时间比直射信号长，它对直射信号产生的干扰称为多径干扰。直接序列扩频技术还有一种更先进的接收技术，叫RAKE接收技术，它可以实现多径分集接收，即将各种路径来的信号，包括直接、折射、反射绕射信号解扩后在相位上根据峰值校齐并进行叠加，使信号强度更高，不仅避免了多径干扰还增强了接收信号强度。但是RAKE接收技术的实现比较复杂且昂贵。三、对其他电台干扰小，抗截获能力强。理论分析表明，信号的检测概率与信号能量与噪声功率谱密度之比成正比，与信号的频带宽度成反比。直扩信号正好具有这两方面的优势，它的功率谱密度很低，单位时间内的能量就很小，同时它的频带很宽。因此，它具有很强的抗截获性。简单的说：由于信息信号经过扩频调制后频谱被大大扩展，使信号的功率谱密度大大降低，接收端接收到的信号谱密度比接收机噪声低，即信号完全淹没在噪声中，这样对其他同频段电台的接收不会形成干扰，信号也就不容易被发现，进一步检测出信号就更难，所以有非常高的隐蔽性，非常适合保密通信，特别适合应用于军事领域的通信。四、可以同频工作。由于采用相关解扩，所以只要每部通信的解扩码（PN）不3同，几部通信机就可以使用同一载频而不会有互相干扰，只是多增加一点背景噪声而已。五、便于实现多址通信。由于不同的扩频码是正交或接近正交的，彼此相互影响很小，所以可以把不同的扩频码作为用户的地址码，则很容易实现码分多址（CDMA）通信。移动通信系统采用CDMA方式，理论上可以使通信容量比目前的蜂窝式通信容量大。2直扩系统性能研究2.1扩频调制系统波形图下面画出直接序列扩频调制的部分的波形：PN序列是m序列，长63位。与输入信号模2加之后得到如图所示的扩展序列。需要说明的是，在以下各种情况进行仿真时，都是采用BPSK调制方式，且用户码都已得到同步，最大用户数N=64。02468101214161820-101pn码伪随机码m序列（63位）0246810121416-101信息码元扩频前的信息码元050100150200250300-101传送码元扩频后的传送码元图2.1调制系统波形图2.2直扩系统的性能2.2.1高斯白噪声信道扩频之后的序列经过BPSK调制后，再经过加性高斯白噪声信道，然后再解调，一定会产生误码，在这种情形下通过MATLAB仿真了DSSS系统可得到其误码率曲线。加性高斯白噪声AWGN(AdditiveWhiteGaussianNoise)是最基本的噪声与干扰模型。加性噪声：叠加在信号上的一种噪声，通常记为n(t)，而且无论有无信号，噪声n(t)都是始终存在的。因此通常称它为加性噪声或者加性干扰。白噪声：噪声的功率谱密度在所有的频率上均为一常数，则称这样的噪声为白噪声。如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布，则称这样的噪声为高斯白噪声。图中N为用户码长。由上图可以看出，误码率曲线和理论值非常吻合。我们也可以看出，对于不相同的N长，误码率曲线比较类似。上面仿真是在用户码完全同步且正交的情况下面进行的，事实上，由于扩频系统不可避免地存在着伪码同步误差，故扩频系统的性能比非扩频系统还要差一些。-20-15-10-5051010-410-310-210-1100Eb/No(dB)BER加性高斯白噪声信道下的误码率N=16N=32N=64图2.2加性高斯白噪声信道下误码率曲线2.2.2在高斯白噪声信道中且有脉冲干扰脉冲干扰其强度很大，但持续时间较短，频带很宽。主要来源之一是各种工业设备产生的电脉冲，如电焊火花、汽车、飞机启动和行驶中的打火，各种医疗、电气设备产生的火花等。雷电也会引起脉冲的干扰。地球上平均每秒钟发生一百次雷电，它所引起的强烈的电磁波能传播很远。下面通过MATLAB仿真来研究DSSS系统的抗脉冲干扰能力。此时，得到的误码率曲线如下图。4-20-15-10-5051010-410-310-210-110010log10[(P/J)(W/R)](dB)BER在高斯白噪声信道中且有脉冲干扰是的误码率曲线ro=0.2ro=0.4ro=1图2.3斯白噪声信道中且有脉冲干扰时误码率曲线由上面图形可知，DSSS系统是能够抗拒脉冲干扰的。并且它的误码率随着信噪比的增大而呈现显著下降趋势。2.2.3高斯白噪声信道中且有阻塞噪声时当一个较大干扰信号进入接收机前端的低噪放大器时，由于低噪放大器的放大倍数是根据放大微弱信号所需要的整机增益来设定的，强干扰信号电平在超出放大器的输入动态范围后，可能将放大器推入到非线性区，导致放大器对有用的微弱信号的放大倍数降低，甚至完全抑制，从而严重影响接收机对微弱信