扩频通信系统千扰及其仿真技术
西安电子科技大学 冯琦
摘要:扩展频谱技术有多种基本实现方式,本文主要介绍的是直接序列扩频技术,特别针对二进制的
PSK调制解调技术,直接序列扩频系统的抗干扰能力分析与直接序列扩频系统的同步
方法
快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载
,并进行了相
关仿真分析。
关键词:直接序列扩频系统伪随机序列 仿真
几n■ ● ●
n 1
J
● ·● · 1 · ■ ' n ● · ·●
。11fIelammmgolsoreaaSDeCtrUmcommunicationssystemanateclmologyOlsimulaUon
XiDianUniversityFengQi
Abstract:Spreadspe(;trumcommunicationshasmanybasicmannersofimplementation.thispapermainintro—
ducesthedirectsequencespreadspectrumtechnology.Thetechnologyofdigitalsignals’modulationandde—
modulation,aimingatphaseshiftkeying;analyzingthecapacityofresistancetoanti-jammingofdirectse-
quencespreadspectrumsystem(DSSS)andthemethodofsynchronizationindirectsequencespreadspectrum
system:baseontheDSSSofthematlab’ssimulation.
KeyWords:directsequencespreadspectrumsystem(DSSS)pseudorandomsequencesimulation
1、引言
扩频通信,即扩展频谱通信(SpreadSpectrum
Communication),它与光纤通信、卫星通信,一同被誉
为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。
扩频通信技术自50年代中期美国军方便开始
研究,一直为军事通信所独占,广泛应用于军事通
信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。直到80年
代初才被应用于民用通信领域。为了满足日益增长
的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源,各
国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信
和未来的个人通信中采用扩频技术,扩频技术现已
广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数
据通信、遥测、监控、报警等系统中。
2、直接序列扩频系统的组成
直接序列扩频系统(DS,DirectSequence)又称
为直接序列调制系统或伪噪声系统(PN系统),简
称为直扩系统,是目前应用较为广泛的一种扩展频
谱系统。人们对直扩系统的研究最早,如美军的国防
卫星通信系统(AN—VSC一28)、全球定位系统
(GPS)、航天飞机通信用的跟踪和数据中继卫星系
统(TDRSS)等都是直扩技术应用的实例。
直扩系统是将要发送的信息用伪随机(PN)序
列扩展到一个很宽的频带上去,在接收端,用与发送
端扩展用的相同的伪随机序列对接收到的扩频信号
进行相关处理,恢复出原来的信息。干扰信号由于与
万方数据
伪随机序列不相关,在接收端被扩展,使落人信号频
带内的干扰信号功率大大降低,从而提高了系统的
输出信噪(干)比,达到抗干扰的目的。一种典型的
扩展频谱系统如图1所示。
图1典型扩展频谱系统框图
它主要由原始信息、信源编译码、信道编译码
(差错控制)、载波调制与解调、扩频调制与解扩频
和信道六大部分组成。信源编码的目的是去掉信息
的冗余度,压缩信源的数码率,提高信道的传输效
率。差错控制的目的是增加信息在信道传输中的冗
余度,使其具有检错或纠错能力,提高信道传输质
量。调制部分是为使经信道编码后的符号能在适当
的频段传输,如微波频段,短波频段等。扩频调制和
解扩是为了某种目的而进行的信号频谱展宽和还原
技术。与传统通信系统不同的是,在信道中传输的
是一个宽带的低谱密度的信号。
3、数字信号的频带传输
与模拟通信相似,要使某一数字信号在带限信
道中传输,就必须用数字信号对载波进行调制。对
于大多数的数字传输系统来说,由于数字基带信号
往往具有丰富的低频成分,而实际的通信信道又具
有带通特性,因此,必须用数字信号来调制某一较高
频率的正弦或脉冲载波,使已调信号能通过带限信
道传输。这种用基带数字信号控制高频载波,把基
带数字信号变换为频带数字信号的过程称为数字调
制。那么,已调信号通过信道传输到接收端,在接受
端通过解调器把频带数字信号还原成基带数字信
号,这种数字信号的反变换称为数字解调。通常,我
们把数字调制与解调合起来称为数字调制,把包括
调制和解调过程的传输系统叫做数字信号的频带传
输系统。
3.1数字相位调制
数字相位调制又称相移键控(PSK,PhaseShift
Keying)。二进制相移键控记作2PSK,多进制相移键
控记作MPSK。它们是利用载波振荡相位的变化来
传送数字信息的。通常又把它们分为绝对相移
(PSK)和相对相移(DPSK)两种:
(1)绝对相移。绝对相移是利用载波的相位偏
移(指某一码元所对应的已调波与参考载波的初相
差)直接
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
示数据信号的相移方式。假若规定:已调
载波与未调载波同相表示数字信号“o”,与未调载
波反相表示数字信号“1”。
(2)相对相移。相对相移是利用载波的相对相
位变化表示数字信号的相移方式。所谓相对相位是
指本码元初相与前一码元末相的相位差(即向量偏
移),有时也可用相位偏移来描述。相位偏移指的是
本码元的初相与前一码元的初相相位差。当载波频
率是码元速率的整数倍时,向量偏移与相位偏移是
等效的,否则是不等效的。
假若规定:已调载波相对相位不变表示数字信
号“0”,相对相位改变表示数字信号“1”。由于初始
参考相位有两种可能,因此相对相移波形也有两种
形式,然而,我们可以看出,无论哪种波形,数字信号
“1”总是与相邻码元有相位突变相对应,数字信号
“0”总是与相邻码元相位不变相对应。
3.22PSK信号的解调
2PSK信号的解调只能采用相干解调的方法
(又称为极性比较法)。不考虑噪声时,带通滤波器
的输出可表示为
YJ(t)=cos(to。件咖J
式中咖。为2PSK信号某一码元的初相。咖。=0
时,代表数字“0”;咖。=仃时,代表数字“1”。
与同步载波COS(60。t相乘后,输出为
z(t)=cOS(tO。f+咖n)cos∞。t
I,‘●^ ,Ji..-^.-^:⋯⋯一 万方数据
.哑厩Chi磊面r———————inaIntegratedCircuit·⋯⋯巾国集成电路 出嗣■●_ “7”’
=—产1。s咖。+害-e。sf2∞。件咖J
低通滤波器输出为xff)=≯1os咖。
当咖。=0N,-t,x㈣=车;
当咖。=订时,xff)=一车。
我们知道2PSK信号是以一个固定初相的未调
载波为参考的。因此,解调时必须有与此同频同相
的同步载波。如果同步不完善,存在相位偏差,就容
易造成错误判决,称为相位模糊。如果本地参考载
波倒相,变为COSr∞。f+仃J,低通输出为x舻
一(COS咖。)/2,判决器输出数字信号全错,与发送数
码完全相反,这种情况称为反相工作。绝对相移的
主要缺点是容易产生相位模糊,造成反相工作。这
也是它实际工作应用较少的主要原因。
4、直扩系统的性能分析
4.1扩频系统的抗干扰性能
直扩系统最重要的应用就是在军事通信中作为
一种具有抗干扰性的通信手段。在实际应用中遇到
的干扰主要有:白噪声干扰或宽带噪声干扰、部分频
带噪声干扰、单频及窄带干扰、脉冲干扰以及多径干
扰等。本文主要讨论加性白噪声干扰。
扩频信号在传输过程中,必然会受到噪声干扰,
这种干扰一般为加性高斯白噪声(AWGN)或带限
白噪声。设噪声的单边功率谱密度为,经混频后为
带限白噪声,带宽为扩频信号带宽鼠,谱密度仍为
/1。,故相关器输入噪声功率为
Ni=noBc (4—1)
由上面分析可知,相关器输出噪声功率
T ,
NF。÷|Gnjj(to)dto04—2)。”
矽
式中,职为信息带宽(胙2丌Ba)。考虑到
Ba<
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
。因此不能把扩频处
理增益与衡量不同系统性能的“
制度
关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载
增益”或“系
统增益”相混淆。衡量扩频系统与非扩频系统性能
好坏的标准是,在信息传输速率相同的条件下,扩频
系统解扩后的中频信噪£L(SNR)s与非扩频系统的中
频信噪f=L(SNR)脶之比G,即制度增益。对于非扩频
系统,因为没有扩频与解扩过程,所以也不会有处理
增益,但中频信噪比与扩频系统相同,即Gs=l。这也
就是说,就白噪声而言,把窄带系统改为宽带系统并
不会带来好处,或者说,直扩系统不能抗白噪声。实
际上,由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。
4.2扩频系统的同步
在扩频系统中,对同步来说存在两类不确定,即
码相位和载波频率的不确定。在扩频接收机能跟正
常工作之前必须解决这个不确定性,否则系统就不
能正常的接收扩频信号。码相位的分辨率必须小于
1比特(切普),从接收机看,中心频率的分辨率必
须使解扩后的信号落到相关滤波器的频带范围内,
并且将本地载波频率始终对准输入信号的载波频
率,以便使解调器能正常工作,这就是鳃决相位不确
定性和载波频率不确定性要达到的最起码的要求。
万方数据
直扩系统的同步有以下几种:
(1)伪随机码同步。只有完成这一同步后,才可
能使相关解扩后的有用信号落人中频相关滤波器的
通频带内。
(2)位同步。实际上包括伪随机码的切普同步
和输出信息的码元定时同步。
(3)帧同步。提取帧同步后,就可提取帧同步后
面的信息。
(4)载波同步。直扩系统多采用相干检测,载波
同步后,可为解调器提供同步载波;另一方面,保证
解扩后的信号落人中频频带内。
后面的三种同步与一般通信系统基本相同,这
里主要讨论伪随机码的同步。
一般的同步可分为两步进行:
(1)初始同步,或称粗同步、捕获。它主要解决
载波频率和码相位的不确定性,保证解扩后的信号
能通过相关器后面的中频滤波器,这是所有问题中
最难解决的问题。当同步已经建立时,通常可以根据
已得到的定时信息建立后面的同步。通常的工作方
式是所谓的冷启动,就是并没有关于定时的预先信
息,或只知道极少的信息,并不知道与所要发射机或
接收机同步的合适的时间结构。捕获过程中要求码
相位的误差小于1比特(切普)。
(2)跟踪,或称精同步。在初始同步的基础上,
使码同步的误差进一步减小,保证本地码的相位一
直跟随接收到的信号码的相位,在一规定的允许范
围内变化,之中自动调节相位的作用过程就称为跟
踪。
跟踪与一般的数字通信系统的跟踪类似,关键
还是在第一步——捕获。
在直扩同步的跟踪中一旦扩频接收机与接收信
号同步后,就必须使它这样工作下去:应保持锁定,
用本地码准确的跟踪输入信号的伪随机码,为解扩
提供必要的条件;对同步隋况不断监测,一旦发现失
锁,应返回捕获状态,重新同步。跟踪的基本方法是
利用锁相环来控制本地码的时钟相位,常用的跟踪
环是延迟锁定环(DLL—DelayLockLoop),另一种
称为下一抖动环(TanDitherLoop)。
5、程序仿真
5.1直接序列扩频通信系统仿真
第一步,先采用较少的码元数搭建直扩系统
信息码的频率设为50kHz,采样频率设为
40MHz。假设信源信息码的总长度为20,则每个信
息码内含40MHz/50kHz=800个采样点。通过sign
函数,把20个(0,1)区间内的随机数变成20个只
用“1”与“一1”表示的信息码,而后再通过一个循
环,对每一个信息码采样800次,共生成16000个采
样点,每个点之问的间隔为0.025s。
程序如下:
code_length=20;%信息码元个数
N=l:code_length;
rand(’seed’,0);
x=sign(rand(1,code—length)一0.5);%信息码
fori_1:20
s((1+(i一1)术800):i:}=800)=x(i);%每个信息码元内
含fs/f=800个采样点
end
生成的信息码的波形图如图2所示。
图2信息码波形
伪随机码频率设为5MHz,信息码频率为
50kHz,所以每个信息码内包含5MHz/50kHz=100
k●●^,^.^⋯J^:⋯⋯一 万方数据
个伪码。通过调用一个产生I'll序列的子函数gen—
erate_m,与一个长度为20×100的循环,就得到了
伪随机序列PN码。
程序如下:
%产生伪随机码
length=100*20;%伪码频率5MHz,每个信息码内含
5MHz/50kHz=100个伪码
x_code=sign(generate_m(511,1,length)一0.5);%把0,l
序列码变换为一1,1调制码
fori=l:2000
wcode((1+(i一1)木8):i木8)=x』ode(i);%每个伪码码
元内含8个采样点 图4扩频码
end 5所示。
生成的PN码波形经放大后,如图3所示。
图3伪码’(PN)局部放大图
将信息码s的16000个采样点与PN码w_code
的16000个点对应相乘,就得到了扩频码。基于与
上图同样的原因,我们也是放大截取了部分图形,如
图4所示。
程序如下:
%扩频
k_code=s.*w_code;%k—code为扩频码
PSK调制。先要产生载波,一个载波周期内含八
个采样点,经过2000次循环,生产16000个对载波
的采样点,然后与扩频码kcode对应点相乘,就得
到了PSK调制后的波形。放大后截取部分波形如图
k●●^ ,L⋯^..^:⋯⋯,—^
图5PSK调制后的波形局部放大
程序如下:
%调制
fori=l:2000
AI=2;
dt=fs/f0;
n=0:dt/7:dt; %一个载波周期内采样八个点
cI=AI木cos(2术pi木f0木n/fs);
signal((1+(i一1)术8):i幸8)=k—code((1+(i—I)水8):i芈8).术cI;
end
解调相当于调制的逆过程,产生与载波同频同
相的本振,再通过低通滤波器,去掉高频分量,为下
一步解扩做好了准备。
万方数据
程序如下:
%解调
AI=I;
dt=fs/f0;
n=0:dt/7:dt; %一个载波周期内采样八个点
cI=AI木cos(2术pi木f0术n/fs);
fori=l:2000
signal_h((1+(i-I)术8):i水8)=signal((1+(i-1)术8):i木8).
术cI;
end
%低通滤波(代通采样)
wn=5120;%截至频率wn=fn/(fs/2),这里的fn为信
息码(扩频码)的带宽5M
b=firl(16,wn);
H=freqz(b,1,16000);
signal——d=fiher(b,1,signal_h);
接下来进行解扩。由于PSK调制在解扩时要求
伪码同步,故需要进行捕获与跟踪。因为在捕获与
跟踪时,仅仅是对一个信息码内同步性的峰值做分
析,并以此作为判断标准,所以还是不可避免地存在
伪码同步误差,故解调出来的信息码很难与原信息
码做到完全一致。从图形整体看,二者基本相同,如
图6所示。
如果放大仔细观察,还是可以看到最后输出的
信息码比信源信息码超前了8个点。如图7所示。
图6输出与输入对比
图7局部放大波形对比
5.2加入噪声后的直扩系统仿真
(1)噪声调幅干扰
广义平稳随机过程:
.,㈤=f_配十Un(t)leOSltOif+abs(num_b)),
x=1:
else
x=0:
end
y=randsrc(1,10,【q((1+(j一1)木800):j木800)]);
num_c=0;num_d=O;
fori=1:10,
if(y(i)==1),
num—c=num_c+l;
else
nHm—d=num_d一1;
end
end
if(nllm—c>abs(num—d)),
y=1;
else
y=O;
end
n=O:
if(x-=y),
n=n+1:
else
n=n:
end
end
err=n/M
分析:
总体思路:要进行误码率的计算,需要分两步进
行,即抽样和判决。假设信源信息码长度为M,每个
信息码包含N个采样点数,则,先从第一个信息码
的N个采样点中,随机抽取i个,判断是否全为1,
或全为一1,这样就确定了此信息码为1还是一1;以
同样的方法对输出的信息码再做一次,最后将两个
信息码的判断结果进行比较,不同就记录下来,进行
累加,相同则进行下一次循环。M个循环后,把累加
和的结果除以M,就得到本系统的误码率了。
仿真程序:假设信息码长为50000,每个信息码
包含800个采样点数,则用randsrc函数,随机的从
的第J个信息码中抽取10个采样点,从而判断此第
J个信源信息码是1还是一1;同样用此方法,判断第
J个解调出的信息码是1还是一1,然后把二者进行
比较,相同则开始第j+1次循环,不同就进行累加,
结果放在n中,M次循环后计算n/M,结果err就是
本系统的误码率。
-,¨^,^⋯^⋯;⋯⋯--“
万方数据
旧UC巾hin国aIn集te成电路 应用—一grated Circuit i-8■—■■一 强, ’ 一一
7、结论
随着社会通信事业的迅猛发展,扩展频谱技术
的应用大有潜力可以挖掘,尤其在民用中的地位也
越来越显著。值得一提的是,它可以应用于较恶劣
的环境,其前景十分诱人。本文是基于扩频系统的
原理,主要针对的是直扩系统,进行了matlab的仿
真以及加入噪声和干扰的仿真。圈
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【9】.王兴亮,达新宇,林家薇,王瑜 《数字通信原
理与技术》 西安电子科技大学出版社
【10】.王立宁,乐光新,詹菲 《MATLAB与通信仿
真》 人民邮电出版社
作者简历
冯琦,2005年获得西安电子科技大学生物医学工程
专业学士学位,现正在西安电子科技大学攻读电路
与系统专业硕士学位。
征稿启事
共同推动《中国集成电路》的发展,提高杂
件质量,编辑部特面向海内外著名学者、技
、业界人士诚征稿件。
求如下:
、内容可涵盖专题报道、设计与开发、工艺
、封装与测试、设备和材料、市场与应用等。
、主题鲜明、结构严谨,有一定的前瞻性和
性,字迹清楚、图表齐备。
、投稿请采用电子文档,字数在6000字以
件格式为TXT文件、Word文件、PageMeker
WPS文件。
、打印稿请同时附寄软盘(Word或WPS)或
k●●^,^⋯^⋯:⋯⋯一
通过
不退。
Email投寄。
5、一经录用即付稿酬,非
投稿后如三个月未收到
者可自行处理。文章请勿一稿
6、截稿时间为每月10日
投稿请联系
作者要求,来稿一律
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,作
多投。
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传真:010-64372248
E-mail:xiaoqiong$cicmag.tom
、VVV¨_-VV_
,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,●,,,
万方数据
扩频通信系统干扰及其仿真技术
作者: 冯琦, FengQi
作者单位: 西安电子科技大学
刊名: 中国集成电路
英文刊名: CHINA INTEGRATED CIRCUIT
年,卷(期): 2007,16(2)
被引用次数: 2次
参考文献(10条)
1.吴明捷;谢祖容;徐丽洁 扩频系统抗干扰性能分析[期刊论文]-辽宁工程技术大学学报(自然科学版) 2001(06)
2.吴志强 扩频通信的基本原理和特定[期刊论文]-农村电气化 2000(09)
3.王立宁;乐光新;詹菲 MATLAB与通信仿真
4.王兴亮;达新宇;林家薇;王瑜 数字通信原理与技术
5.赵国庆 雷达对抗原理
6.曾兴雯;刘乃安;孙献璞 扩展频谱通信及其多址技术
7.An Introduction to Direct-Sequence Spread-Spectrum Communications Wireless.rf.and cable 2003
8.高丙坤;阎胜玉;袁静;朴晓光,姚鹏举 直接序列扩频通信系统误码率的仿真分析[期刊论文]-大庆石油学院学报
2002(06)
9.孙鹏勇 直接序列扩频通信系统处理增益的分析[期刊论文]-辽宁工程技术大学学报 2000(04)
10.吴明捷;周小正;马景兰 扩展频谱通信系统处理增益的分析[期刊论文]-石油化工高等学校学报 2001(09)
引证文献(2条)
1.张昀 BPSK直扩通信系统抗干扰余量分析[期刊论文]-电讯技术 2009(2)
2.郑津.陈利学 基于扩频技术的测井信号长距离传输系统的研究[期刊论文]-电子测量技术 2009(4)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgjcdl200702019.aspx