摘 要

本文是对直接序列扩频通信系统进行设计并采用MATLAB进行仿真。直接序列扩频通信系统就是直接用具有高码率的扩频码序列在发送端扩展信源信号的频谱。而在接收端，用与发送端完全相同的扩频码序列再去进行解扩，把展宽后的扩频信号还原成原始信息的一种信息传输方式。直接序列扩频通信技术目前在军事通信及无线局域网等领域具有广泛应用。本文通过在Simulink中搭建设计的直接序列扩频通信系统，设置各个模块的参数，使得该系统可以正常传输信息，观察信息从信源发出到接收端接收到信号的整个传输过程，用示波器观察信号经过每一个模块之后的波形变化情况以及用频谱仪观察信号经过每个模块后的信号频谱变化过程，同时在该系统中加入单频干扰信号，以此来测试直接序列扩频通信系统的抗干扰性能。通过对整个系统的通信测试和抗干扰测试，证明直接序列扩频通信系统是一种很可靠的通信系统。

关键词：直接序列；扩频通信；抗干扰

Abstract

This paper designs and simulates the direct sequence spread spectrum communication system based on the simulation module of Simulink library in MATLAB. Direct sequence spread spectrum communication system is to extend the spectrum of the source signal at the sending end by directly using the spread spectrum sequence with high code rate. At the receiving end, the spread spectrum signal is reduced to the original information by using the identical spread spectrum sequence. Direct sequence spread spectrum communication technology is widely used in military tactical communication and wireless LAN. Based on Simulink in the building design of direct sequence spread spectrum communication system, set the parameters of the various modules, allowing the system to normal transport information, observe the information from the source to the receiver in the received signal to the whole transmission process, using the oscilloscope observation signal waveform change after each module and using spectrometer observation signal into the process of the change of signal spectrum after each module, add single frequency interference signal in the system at the same time, in order to test the anti-interference performance of direct sequence spread spectrum communication system. Through the communication test and anti-interference test of the whole system, it is proved that direct sequence spread spectrum communication system is a reliable communication system.

Key words: direct sequence；spread spectrum；communication anti-interference

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.2 直接序列扩频通信系统的发展 1

1.3 直接序列扩频通信系统的特点 2

1.4 直接序列扩频通信系统的意义 3

1.5本文结构安排 4

第2章 直接序列扩频通信系统原理 5

2.1扩频通信的概念 5

2.2扩频通信工作原理 5

2.3扩频伪随机序列 6

2.3.1 m序列 6

2.3.2 Gold码序列 7

2.4扩频通信的分类 7

2.5扩频通信的特点 8

2.6扩频通信的使用范围 9

2.7直接序列扩频通信的概念 10

2.8直接序列扩频通信系统的工作原理 11

2.9直接序列扩频通信系统的性能分析 12

2.9.1直接序列扩频通信系统的抗干扰性 12

2.9.2直接序列扩频通信系统的抗多径效应性能分析 14

2.10直接序列扩频通信系统的实现方法 14

2.10.1扩频调制 15

2.10.2载波调制 15

第3章 直接序列扩频通信系统的仿真实现 16

3.1直接序列扩频通信系统的框图 16

3. 2直接序列扩频通信系统发射机的设计 16

3.3编码信道的设计 21

3.4直接序列扩频通信系统接收端的设计 22

第4章直接序列扩频通信系统的抗干扰性能分析 25

4.1抗干扰的理论基础 25

4.2抗干扰的仿真研究 26

结论 32

参考文献 33

致谢 34

第1章 绪论

1.1课题背景

扩频通信技术全称是扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication），指的是信源信息在传输的过程中，会被其他信号扩展频带宽度，而这个其他信号一般是伪随机信号，也就是扩频码序列。整个过程中最重要的扩频及解扩过程是用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据不存在必要的联系，在接收端用与发送端同样的扩频码序列进行相关同步接收、解扩、及恢复所传信息数据。而直接序列扩频，简称DS（Direct Sequence），它最大的特点就是它的扩频码序列是高码率的扩频码序列。直接序列扩频技术目前在扩频通信领域占据着重要的地位，在第三代的移动通信技术就有着大量的应用，如今在卫星通讯和一些民用通讯以及局域网中还有着巨大的应用市场，在现代通信领域有着至关重要的地位。

1.2 直接序列扩频通信系统的发展

直接序列扩频通信技术是一种具有很强的抗干扰能力的现代通信技术。它最初是基于扩频通信而发展起来的，起初的应用主要是军事的对抗方面，目前在民用移动通信中也得到了广泛地应用，正值繁荣阶段^[1]。

在上个世纪初期诞生的RADAR（Radio Detection and Ranging）系统，很好地证明了自然界中电离层的存在，在这个系统中，发现了一个很重要的现象那就是回波频宽要小于发射频宽，这也就证明了扩频通信的存在以及他它的基础特点。20世纪30年代，来自德国的工程师Paul Kotowski和Kurt Dannehl所设计的伪装语音设备是具有扩频通信发生信息传递时所需要的部分必要条件。在上个世纪四五十年代，人们将主要的精力放在抗电磁干扰，信道编码研究和基础理论研究方面。1949年，Derosa和Rogoff在美利坚合众国的联邦通讯实验室完美地搭建起了人类第一个直接序列扩频通信系统，整个系统工作在新泽西州和加利福尼亚州之间的通信线路上。在此之后，美国麻省理工学院在此基础上成功研制出NOMAC(Noise Modulation and Correlation)系统，这是一个成熟的可以进行良好通信的扩频通信系统。1970年代中期，扩频通信开始迅速发展起来，由于扩频通信非常良好的抗噪性能，它很快发展到商用阶段^[2]。扩频通信自开发以来，主要用于军事机密信息的传输和两军电子对抗中，而民用方面一直到上个世纪80年代才被大规模应用^[3]。上世纪八十年代末，晶体电子技术取得了长足的发展，这也直接使得扩频通信技术得到很大程度上的发展。进入九十年代，CDMA方式开始大范围的取代FDMA，扩频通信开始更进一步的进入商用阶段^[4]。我国扩频通信的研制相对来说是比较晚的，开始于上个世纪八十年代，早期主要是将中频和超短波的通信方式应用于军事方面。而在民用通信方面，3G技术也应用到了直接序列扩频通信技术。进入21世纪之后，人们开始进入到了信息时代，为了满足人们对于信息安全和高质量的通信要求，直接序列扩频通信技术又在无线局域网、卫星通信等领域大放异彩^[6]。

1.3 直接序列扩频通信系统的特点

直接序列扩频通信系统的优点:

（1）抗截获能力强

在通信系统中，系统有用信号的检测频率与它本身的频宽成反比，与它本身的能量和噪声功率谱密度之比成正比^[7]。而直扩信号是一种频带很宽，功率谱密度相对来说很低，当有用信号从信源发送出来，经过扩频模块的扩频，整个信号的频谱就会被大大加宽，功率谱密度也就被相应程度地降低。而在接收端会出现信号完全淹没在噪声里的这种现象，因此对其他同频段信息接发装置的接收不会构成干扰，信号也很难被发现，因而直接序列扩频通信系统有非常高的隐蔽性，非常适合用于保密通信，所以它是具有很强的抗截获性。

（2）抗干扰能力强

在通信系统中，如果将有用信号的频带宽度扩展为一百倍，那么窄带干扰就无法起到干扰信号的这种作用，如果将宽带干扰的强度降低了一百倍，若想要继续保持源干扰的那种强度，那么只能是加大一百倍的总功率，这在现实中是无法做到的^[8]。在扩频通信中，接收端接收到信号需要扩频编码进行特定的解扩操作才可以实现，所以即便是用同一种类型的信号进行干扰活动，如果不知道整个系统的扩频编码，而不同的扩频编码之间是没有必然的关联性，那么想要干扰也是不可能做到的，所以直接序列扩频通信系统抗干扰能力很强。

（3）抗多径干扰能力强

无线电在整个通信的过程中，并不是一帆风顺的，除了可以直接到达接收天线的直射信号外，还会有高层建筑、较大的山峰等各种各样的反射体引起的反射和折射信号，在迟滞一定时间后被接受天线所接收到。由于直射信号是走直线，所以它所花费的时间相对来说是较少，而反射和折射信号相对来说花费的时间就比较多一些。因此就会出现反射和折射信号干扰直射信号的这种现象，这种现象称之为多径干扰^[9]。多径干扰的最主要影响是会造成系统的衰落，严重时会导致整个系统无法正常工作。当接收端的两个接收信号序列的相对时间出现大于码元宽度的情况时，就会出现输出值为码元长度的倒数的情况，因此就会被尽最大可能地抑制掉。

（4）直扩通信速率高

直扩通信速率可以达到两兆，八兆，十一兆，不需要去申请频率资源，搭建网络的过程也比较简单，网络的整个性能也很良好。

（5）便于实现多址通信

在直接序列扩频通信中，有用信号只能是在经过扩频码序列的扩频调制之后，才可以被发送出去，而有用信号接收，也只能是通过与发送端相同的扩频码序列进行解扩操作之后才可以接收到^[10]。而这整个过程刚好就为频率复用和多址通信提供了可以操作的基础。要想区分不同的用户，就需要给他们进行不同的编号，如果给他们每个用户分配给不一样的扩频编码序列，那么就会使他们彼此之间形成差异，也就可以使他们在同样的频率进行通信活动，由于拥有不同的编码，他们之间也就不会出现相互干扰的现象，从而也就实现了频率复用的这种需求，可以充分地应用有限的频谱资源。同时，如果发送者自己手中有不同的扩频编码，那么他也就可以分别向不同的接受者发送自己的信息；同样的道理，接受者也可以用不同的扩频编码，接受到不同的发送者发送来的信息，这样就可以实现多址通信这种需求^[11]。

（6）可同频工作

直接序列扩频通信中，虽然采用的是相关解扩，但是只要保证每一个用户的解扩码序列是不一样的，那么不同的用户就可以在同样的频率下进行通信但不会造成干扰。

直接序列扩频通信系统的缺点:

（1）干扰信号增多

由于系统带宽太大，所以在传输的过程中，进入通信系统的干扰信号也就增多。

（2）频道数减少

在通信中，频带的资源是有限的，所以在直接序列扩频通信中，如果增大了处理增益，必将导致整个系统的占用频带是变得很大，也就导致可提供调频的频道就会减少。

（3）信息量增大

因为在直接序列扩频通信系统中多径干扰的存在，要想抑制掉这些干扰，那么扩频码片就一定要足够窄，信息比特也就要足够宽，但是信息比特的提高也导致了传输速率的降低。

1.4 直接序列扩频通信系统的意义

在现在的通信技术中，扩频通信、光纤通信和卫星通信是最重要也是技术含量最高的三种方式。扩频通信在其中又占有重要的比重，而直接序列扩频系统在扩频通信领域的地位又是最重要的。直接序列扩频通信的最大优点是它的信噪比是比较高的，主要得益于它在通信的整个过程中扩展了频谱，这也就使得接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比取得了很明显的进步，也就使得整个系统的抗干扰能力有了一个很显著的提升。同时，直接序列扩频通信还兼顾保密性好和能够实现多址通信这两个巨大的优点。但也有不足，直接序列扩频通信系统要求在整个通信的过程中要求信号同步，还要求完成伪随机码的同步，因此设计一个能够实现通信功能，同时有能够克服这些缺点的系统就相当重要，目前该技术在通信界的地位越来越重要。随着科学技术的发展，只要是信息传递就都离不开通信技术的支持，因此研究直接序列扩频通信系统具有很深远的意义。

1.5本文结构安排

本文的结构安排如下：

1. 主要介绍本次研究的直接序列扩频通信系统的背景，直接序列扩频通信系统的发展，直接扩频通信系统的特点以及课题研究的意义。
2. 主要介绍了扩频通信的概念，扩频伪随机序列，扩频通信的工作原理，分类、特点以及应用范围。也介绍了直接序列扩频通信系统它的概念，工作原理以及直接序列扩频通信系统的主要特性分析。
3. 主要介绍直接序列扩频通信系统在Simulink中的各个模块的搭建，以及仿真，并对仿真的波形图和频谱图进行分析。
4. 主要通过对整个通信过程进行仿真，对照中各个阶段的波形和频谱图进行比较，对直接序列扩频通信系统的抗干扰性能做一总结

第2章 直接序列扩频通信系统原理

2.1扩频通信的概念

扩展频谱通信，简称扩频通信，是二十世纪发展起来的一种在通信领域占据很重要地位的通信方式，与一般通信得到区别是，它在通信的过程中多了一个扩展频谱的过程^[12]。在其整个通信过程中，扩频信号所占有的频带宽度是必须要远远大于有用信息所必需的最小宽度，整个频带的扩展过程是通过一个完全独立的码序列来完成扩频操作的，通过运用编码扩频调制及常规调制这两种方法来实现的。与所传信息数据没有必要的关联性，在接收端则用与发送端相同的码序列进行解扩及恢复有用信息数据，这一整个过程称之为扩频通信^[13]。在上述的概念中主要包含了以下含义：

1. 整个系统的信号频谱宽度被展宽了。
2. 扩频通信采用扩频码序列调制的方式来展宽信源发出信号的频谱。
3. 在接收端用与发送端相同的扩频码序列来解扩。

2.2扩频通信工作原理

在扩频通信的发射机部分，发射信号主要是经过两次调制：一次是通过扩频码序列对从信源输出的有用信号进行一次扩频调制，对应的在接收机部分，同样的用与发射机相同的扩频码序列对传输的信号进行解扩调制；另一次是信道调制，本文采用相位调制^[14]。

扩频通信的整个过程是，当信源发出有用信息之后，扩频码序列就会去扩展信号的频谱，使得整个信号的频带被大大加宽，同时有用信号还会被相位调制，这样发送端的工作就算是结束了，紧接着在接收端，信道中传输的信号会受到与发送端相同的扩频码序列对其进行的解扩操作，然后再进行一次相位调制，这样就可以调制出与信源刚发送出来的信号相同的信号，接收端的工作也就结束，整个扩频通信的工作也就结束。

扩频通信系统与一般的通信系统相比较，二者最大的区别在于扩频通信系统有扩频调制和解扩调制两部分，而普通的通信系统却没有这两个过程，这就使得扩频通信与众不同。

图2.1 扩频通信系统模型

2.3扩频伪随机序列

在扩频通信系统中，对信源发出的有用信息码进行扩展频谱处理所使用的伪码称之为扩频伪随机码序列，伪随机码还有种定义，称它为伪噪声码（Pseudo Noise Code），即PN码，这也就是说伪随机码与白噪声的特点是十分相似的^[15]。白噪声的产生是一种完全的随机过程，没有特定的规律，白噪声的瞬时值是完全服从正态分布的，而且它的功率谱在相当宽的频带内一般维持一种均匀的分布。伪随机码序列有一个很明确的优点就是它和随机信号的特性有些相似。由于在整个通信过程中噪声它是一个很随机的产生，所以说伪随机码也就和噪声的特点开始十分相似的。在现实通信中，真正的伪随机信号和噪声是只能出现一次，所以在设计通信系统过程中，噪声信号只能是通过周期性的脉冲信号模拟出来。

在通信系统中，绝大部分的伪随机码都是具有周期性的，这种周期性的信号可以人为的产生，一般情况下，伪随机码是通过二进制移位寄存器来产生的。

在完整的通信体系中，信号之间彼此的差距越大越能很好地分别出不同的信号，这样就可以更好的取得良好的通信效果，减少彼此之间的干扰，也减少了系统中出现分不清用户的这种情况。人们最希望的理想状态是，信号就像高斯白噪声一样，因为在任何时刻，当截取两段信号的时候，就会发现，这两段信号是不会出现完全一致的这种现象，若用这两段并不完全一致的信号来代表传输的信号，对于整个通信系统来说这才是最好的选择。

在扩频通信系统中m序列和Gold码序列被使用的频率是最高的。

2.3.1 m序列

m序列也被通信界称为最长线性移位寄存器序列。m序列之所以在扩频通信中受到青睐，主要是因为它的易生成和有特定的排列这两个特点。延迟元件或多级移位寄存器经过必要的线性反馈得到的最长的码序列也就是m序列。在二进制移位寄存器发生器中，假如定义r寄存器为级数，则该二进制移位寄存器能产生的最大的码序列位数是2^r-1位。移位寄存器的级数将直接决定m序列的最大长度，反馈抽头的数量和位置以及不同的抽头组合可以产生不同结构以及不同长度的码序列。

2.3.2 Gold码序列

m序列是一种特点非常明显的为随机码序列，它的长处就是性能很优秀，但是它的短处是想要找到相同长度的序列并不容易，而码序列彼此之间的相关度也不高。因此这个时候就需要一种能克服以上缺点的码序列，而Gold码序列正是一种基于m序列发展而来的码序列，这种序列的最大优点是不仅仅产生的码序列数目较多，同时彼此之间还有较好的相关度。在众多的m序列中选择两个错位的m序列相加产生新的序列，这个新的序列称为Gold序列。在这整个过程中，不同的相对位移有2^r-1个，加上m序列自己本身的数目，所以，造成Gold序列的序列数要远远大于m序列的序列数。

2.4扩频通信的分类

（1）直接序列扩频

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