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基于SIMULINK直接扩频序列通信系统的设计

2021-11-27 来源:步旅网


石家庄铁道大学四方学院毕业设计

基于Simulink直接序列扩频通信系统

设计

Direct Sequence Spread Spectrum Communication Systems Design Based on

Simulink

摘 要

直接序列扩频通信系统(DSSS)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优点,而被广泛应用于许多领域中。

本文设计了一种基于Simulink的直接序列扩频通信系统。首先对直接序列扩频通信系统从应用背景、特点、意义和发展几个方面进行了研究,然后从直接序列扩频通信系统的基本理论、基本原理、性能和扩频通信系统的同步原理等方面阐述了直接序列扩频通信系统,并对直接扩频通信系统进行了仿真研究和理论分析,达到了预期的效果。本文从理论上分析了直接序列扩频通信系统的抗干扰性能。

本系统包括信号生成部分、发送部分、接收部分、调制和解调、加扩与解扩五个部分。并以BPSK系统为例,给出了误码率理论分析结果,达到了预期的效果。本文研究的直接序列扩频通信系统,为以后的频谱通信系统打下了基础。

关键词:直接序列扩频通信系统 MATLAB仿真 Simulink模块仿真

Abstract

Direct sequence spread spectrum communication system (DSSS) because of its strong anti-interference, easy to conceal and easy to realize code division multiple access (CDMA), fight multipath interference, straight expansion communication rate higher numerous advantages, is widely used in many fields.

This paper introduces a design of Simulink based on the direct sequence spread spectrum communication system. First to direct sequence spread spectrum communication system from application background, features, significance and the development of a research, and then from the direct sequence spread spectrum communication system, the basic theory of basic principle, performance and spread spectrum communication system of synchronous principle, this paper describes direct sequence spread spectrum communication system, and the directly spread spectrum communication system simulation and theory analysis, achieve the expected effect. The paper theoretically analyzes the direct sequence spread spectrum communication system of anti-jamming performance.

This system includes signal generation part, sending part, receiving part, modulation and demodulation, add expansion and solution expansion of five parts. And with BPSK system as an example, the theoretical analysis results are ber, achieve the expected effect. This paper studies the direct sequence spread spectrum communication system, for the following spectrum communication system laid a foundation.

Keywords: Direct sequence spread spectrum communication system Simulink MATLAB Simulation

目 录

第1章 绪论 ·········································································································· 1 1.1 直接扩频通信系统的应用背景 ··········································································· 1 1.2 直接扩频通信系统的意义 ················································································· 1 1.3 直接扩频通信系统的特点 ················································································· 1 1.4 直接扩频通信系统的发展 ················································································· 3 第2章 直接扩频通信系统技术 ·················································································· 4 2.1 直接序列扩频基本理论 ···················································································· 4 2.1.1 扩频通信的理论基础 ·················································································· 4 2.1.2 扩频增益和抗干扰容限 ··············································································· 5 2.2 直接序列扩频的基本原理 ················································································· 6 2.3 直接序列扩频的基本原理················································································ 9 2.3.1 直扩系统的抗干扰性 ·················································································· 9 2.3.2 直扩系统的抗截获性 ················································································ 10 2.3.3 直扩码分多址通信系统 ············································································· 11 2.3.4 直扩系统的抗多径干扰性能 ······································································· 11 2.3.5 直扩测距定时系统 ··················································································· 12 2.3.6 扩频序列通信系统的同步原理 ···································································· 12 第3章 基于Simulink的直接序列扩频通信系统的仿真 ················································· 14 3.1 直接序列扩频通信系统功能模块的连接及设置 ···················································· 14 3.1.1 功能模块的连接 ······················································································ 14 3.1.2 直接序列扩频通信系统功能模块的连接及设置 ··············································· 17 3.2 直接序列扩频通信系统功能的实现 ··································································· 23 3.3 总结 ·········································································································· 28 第4章 直接扩频通信系统性能分析 ·········································································· 29 4.1 直接序列扩频系统误码率的仿真 ······································································ 29 4.2 仿真结果分析 ······························································································ 31 4.3 结论 ·········································································································· 32 第5章 应用 ········································································································ 33 参考文献 ·············································································································· 34 致谢 ···················································································································· 35 附录 ···················································································································· 36 附录A 外文资料 ······························································································· 36

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第1章 绪 论

1.1 直接扩频通信系统的应用背景

直接序列扩频技术是当今人们所熟知的扩频技术之一。这种技术是将要发送的信息用伪随机码(PN码)扩展到一个很宽的频带上去,在接收端,用与发端扩展用的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理,恢复出发送的信息。

它是二战期间开发的,最初的用途是为军事通信提供安全保障,是美军重要的无线通信保密技术。这种技术使敌人很难探测到信号。即探测到信号,如果不知道正确的编码,也不可能将噪声信号重新会变成原始的信号。有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员Hedy Lamarr 和钢琴家George Antheil提出的[1]。十九世纪八十年代才引起关注,将它用于敌对环境中的无线通信系统。

1.2 直接扩频通信系统的意义

直接扩频解决了短距离数据收发信机如:卫星通信系统(GPS)、3G移动通信系统、WLAN和蓝牙技术等应用的关键问题。扩频技术也为提高无线电频率的利用率提供帮助。直接扩频通信系统具有抗干扰性强、隐蔽性好、易于实现码分多址、抗多径干扰、直扩通信速率高、有很强的保密性能等优点[2]。可见,对直接序列扩频通信系统的研究具有非常重大的意义。但也有不足,直扩系统除了一般通信系统所要求的同步以外,还必须完成伪随机码的同步,以便接受机用此同步后的伪随机码去对接受信号进行相关解扩。所以,设计一个能够克服这些缺点的直接扩频通信系统相当重要。

1.3 直接扩频通信系统的特点

1、 直序扩频通信系统的优点 (1)抗干扰性强

抗干扰是扩频通信主要特性之一,比如信号扩频宽度为100倍,窄带干扰基本上不起作用,而宽带干扰的强度降低了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的。因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到,所以即使以同类型信号进行干扰,在不知道信号的扩频码的情况下,由于不同扩频编码之间的不同的相关性,干扰也不起作用。正因为扩频技术抗干扰性强,

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美国军方在海湾战争等处广泛采用扩频技术的无线网桥来连接分布在不同区域的计算机网络。

(2)隐蔽性好

因为信号在很宽的频带上被扩展,单位带宽上的功率很小,即信号功率谱密度很低,信号淹没在白噪声之中,别人难以发现信号的存在,加之不知扩频编码,很难摄取有用信号,而极低的功率谱密度,也很少对于其他电讯设备构成干扰。

(3)易于实现码分多址(CDMA)

直扩通信占用宽带频谱资源通信,改善了抗干扰能力,是否浪费了频段呢?其实正相反,扩频通信提高了频带的利用率。正是由于直扩通信要用扩频编码进行扩频调制发送,而信号接收需要用相同的扩频编码作相关解扩才能得到,这就给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性,分配给不同用户不同的扩频编码,就可以区别不同的用户的信号,众多用户,只要配对使用自己的扩频编码,就可以互不干扰地同时使用同一频率通信,从而实现了频率复用,使拥挤的频谱得到充分利用。发送者可用不同的扩频编码,分别向不同的接收者发送数据。同样,接收者用不同的扩频编码,就可以收到不同的发送者送来的数据,实现了多址通信,提高了频谱利用率[3]。另外,扩频码分多址还易于解决随时增加新用户的问题。

(4)抗多径干扰

无线通信中抗多径(发射的信号经多条不同路径传播)干扰一直是难以解决的问题,利用扩频编码之间的相关特性,在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号,也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强,从而达到有效的抗多径干扰。

(5)直扩通信速率高

直扩通信速率可达 2M,8M,11M,无须申请频率资源,建网简单,网络性能好。

(6)有很强的保密性能。

对于直扩系统而言,射频带宽很宽,谱密度很低,甚至淹没在噪音中,就很难检查到信号的存在。由于直扩信号的频谱密度很低,直扩系统对其它系统的影响就很小。

2、直扩通信系统的不足

直扩系统除了一般通信系统所要求的同步以外,还必须完成伪随机码的同步,以便接收机用此同步后的伪随机码去对接受信号进行相关解扩。直扩系统随着伪随机码字的加长,要求的同步精度也就高,因而同步时间就长。

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1.4 直接扩频通信系统的发展

由于它的抗噪声的特性,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的电磁环境里,它对其他传统微波设备造成最小的干扰,同时对附近其他设备有更高的抗扰性。上世纪80年代末,晶体电子技术的先进程度已经足以提供商用的、成本效益好的直接序列扩频系统。现在直扩技术被广泛应用于包括计算机无线网等许多领域。扩频技术在发展的初始阶段,就已经实现了理论和技术上的重大突破,在此后的发展过程中主要是硬件的改善和性能的提高。

随着移动通信的迅猛发展,目前3G系统由研制开发逐步进入商用并且向第四代无线多媒体通信飞速发展。根据ITU的标准,世界各大电信公司联盟均提出了自己的第三代移动通信系统方案,虽然第三代移动通信系统的标准差异很大,但采用码分多址技术已经达成共识。直扩码分多址,由于具备通信容量大、能充分利用话音的统计特性、平滑的越区切换、通信容量的软特性等优点被作为未来移动通信中最具竞争力、最有前景的无线多址接入技术[4]。无线扩频通信作为另一种有效的补充通信手段,已在金融系统得到了越来越广泛的应用。

发展到现在,扩频技术理论和技术都已趋于完善,主要应从系统的角度考虑总体性能,且与其它新技术结合应用。因此,应用的驱动一直是扩频技术发展的强大动力,未来的无线通信系统,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。

随着科技的发展,扩频技术必将获得更加广阔的应用空间。

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第2章 直接扩频通信系统技术

2.1 直接序列扩频基本理论

2.1.1 扩频通信的理论基础

直接序列(DS:Direct Sequence)扩频,就是直接用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。在接收端,用相同的扩频码序列去进行解扩,把展宽的扩频信号还原成原始的信息。

人们总是想方设法使信号所占的频谱尽量窄,以获得频率资源利用率的提高。但扩频通信在发送端用扩频码调制,使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽,在接收端采用相同的扩频码进行相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输窄带信息呢?主要是为了通信的安全可靠性。这可用信息论和抗干扰理论的基本观点来说明:

根据香农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出的信道容量公式,香农公式:

S CBlog2(1) (2-1)

N式中:C--信息的传输速率(信道容量)单位bs; 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[5]。

由式(2-1)中可以看出:

为了提高信息的传输速率C,可以从两种途径实现,即加大带宽B或提高信噪比SN。换句话说,当信号的传输速率C一定时,信号带宽B和信噪比SN是可以互换的,即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求,当带宽增加到一定程度,允许信噪比进一步降低,有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处。

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输差错概率的公式

EPefn0 (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no之比的函数。设信息持续时间为T,或数字信息的码元宽度为T,则信息的带宽Bm为

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Bm信号功率S为

S1 (2-3) T1 (2-4) T已调(或已扩频)信号的宽度为B,则噪声功率为

Nn0B (2-5)

将式(2-3)、(2-4)、(2-5)代入式(2-2),可得

ST PefBNSBfNB (2-6)

m公式(2-6)指出,差错概率Pe是输入信号与噪声功率之比(SN)和信号带宽与信息带宽之比(B/Bm)二者乘积的函数,信噪比与带宽是可以互换的。它同样指出了用增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处。

综上所述,将信息带宽扩展100倍,甚至用1000倍以上的带宽信号来传输信息,就是为了提高通信的抗干扰能力,即在强干扰条件下保证可靠安全的通信。这就是扩频通信的基本思想和理论依据。

2.1.2 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,在接收端解扩还原了信息,这样的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。理论分析表明,各种扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。一般把扩频信号带宽W与信息带宽△F之比称为处理增益GP,即

GPW (2-7) F式(2-7)表明了扩频系统信噪比改善的程度。除此之外,扩频系统的其他一些性能也大都与GP有关。因此,处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。

系统的抗干扰容限Mj定义如下:

SMjGPLS

N0 (2-8)

式(2-8)中:(S/N)= 输出端的信噪比,LS = 系统损耗

由此可见,抗干扰容限Mj与扩频处理增益GP成正比,扩频处理增益提高后,抗干扰容限大大提高,甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。通常的扩频设

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备总是将用户信息(待传输信息)的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍,以尽可能地提高处理增益。

2.2 直接序列扩频的基本原理

所谓直接序列扩频(DS),就是直接用具有高速率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。而接收端,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[6]。图2-1示出了直扩通信系统的原理方框图。

信码m(t) BPSK调制 PN 码 载波 信息 扩频解调 BPSK解调 本地PN码 本地载波 图2-1 直扩通信系统的组成框图

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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Tb。加入扩频解调器,图中为模2加法器,扩频码为一个伪随机码(PN码),记作p(t)。伪码的波形如图 2-2 中的第(2)个波形,其码元宽度为TP,且取。通常在DS系统中,伪码的速率RP远远大于信码速率Rm,即RpRm,,也就是说,伪码的宽度TP远远小于信码的宽度Tb,ctmtpt(RPRm)

这样才能展宽频谱。模2加法器的运算规则可用下式表示

c(t)m(t)p(t) (2-9) 当m(t)与p(t)符号相同时,c(t)为0;而当m(t)与p(t)不同时,则为1。c(t)的

c(t)与p(t)m(t)波形如图2-2所示中的第(3)个波形。由图可见,当信码m(t)为0时,

相同;而当信码m(t)为1时,则c(t)为p(t)取反既是。显然,包含信码的c(t)其码元宽度已变成了Tp,即已进行了频谱扩展。其扩展处理增益也可用下式表示 GP10lgTb TP (2-10)

在Tb一定的情况下,若伪码速率越高,即伪码宽度(码片宽度)Tp越窄,则扩频处理增益越大。

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经过扩频,还要载频调制,以便信号在信道上有效的传输。图2-2中采用二相相移键控方式。调相器可由环行调制器完成,即将c(t)与载频Acos1t相乘,输出为s1(t)。即

s1(t)c(t)Acos1t (2-11) 式(2-11)中,

0码1当二进制序列为 (2-12) c(t)1码1当二进制序列为因此,经过扩频和相位调制后的信号s1(t)为

Acos1t s1(t)Ac(t)cos1t (2-13)

Acos1t由上面讨论可知,经过扩频调制信号c(t)可看作只取1的二进制波形,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),最后得到的是抑制载波双边带振幅调制信号。这里假定平衡调制器是理想对称,码序列取+1、1的概率相同,即调制信号无直流分量,这样平衡调制器输出的已调波中,无载波分量。s1(t)通过发射机中推动级、功放和输出电路加至天线发射出去。

通常载波频率较高,或者说载波周期Tc较小,它远小于伪码的周期Tp,即满足

TcTp。但图2-2中(4)示出的载波波形Tc=宽度为Tp,这是为了便于看清楚一些,

否则要在一个Tp期间内画几十个甚至几百个正弦波。对于BPSK来说,主要是看清楚已调波与调制信号之间的相位关系。图2-2中的第(5)个图为已调波s1(t)的波形。这里,当c(t)为1码时,已调波与载波取反相;而当c(t)为0码时,取同相。已调波与载波的相位关系如图2-2中的第(6)个图所示。

接收端的工作原理:

假设发射的信号经过信道传输,不出现差错,经过接收机前端电路(包括输入电路、高频放大器等),输出仍为s1(t)。这里不考虑信道衰减问题,因为对PSK调制信号而言,重要的是相位问题,这里的假定对分析工作原理是不受影响的。相关器完成相干解调和解扩。接收机中的本振信号频率与载波相差为一个固定的中频。假定收端的伪码(PN)与发端的PN码相同。接收端本地调相情况与发端相似,这里的调制信号是p(t),即调相器输出信号s2(t)的相位仅取决于p(t),当p(t)=1时,

s2(t)的相位为;当p(t)=0时,s2(t)的相位为0。信号s2(t)的相位如图2-2中(7)

所示。

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相关器的作用在这里可等效为对输入相关器的s1(t)、s2(t)相位进行模2加。对二元制的0、而言,同号模2加为0,异号模2加为。因此相关器的输出的中频相位如图2-2中的(8)所示。然后通过中频滤波器。滤除不相关的各种干扰,经解调恢复出原始信息。

这一过程说明了直扩系统的基本原理和它是怎样通过对信号进行扩频与解扩处理从而获得提高输出信噪比的好处的。它体现了直扩系统的抗干扰能力。

2.3 直接序列扩频的基本原理

2.3.1 直扩系统的抗干扰性

直扩系统最早应用是在军事通信中作为很强抗干扰性的通信手段。直扩系统对窄带干扰、宽带干扰等,都具有抗干扰能力,其抗干扰能力大小就是前面提出的扩频处理增益GP,GP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的原理。

图2-3为直扩系统抗宽带干扰的示意图。

这里的宽带干扰是泛指的与扩频信号不相关的,在CDMA通信网中,其它用户的信号就是一种宽带干扰。相关处理前,信号频谱是很宽的,经相关处理后,有用信息被解扩,其功率谱集中于信息带宽内,而宽带干扰通过相关器,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,对信号频带之外的各种干扰起到很大的抑制作用,从而提高了输出的信噪比。

功率频谱 A有用信号 干扰信号 干扰电平 解扩后的有用信号信息带宽B 白限热噪声电平 Rc fc f Rc

f (a)接收机输入的信号及干扰的功率谱 (b)相关器输出的信号及干扰的功率谱

图2-3 直扩系统抗宽带干扰的示意图

对单频或窄带干扰,直扩系统有很强的抗干扰能力。图2-4(a)为解扩前的功率

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谱,窄带干扰功率很大,由于干扰与本地扩频码(PN码)是不相关的。对干扰来说,相关器起到扩展频谱的目的,功率谱密度就大大下降,其中对信号有害的干扰分量只有落入信息带宽部分,从而抑制了大部分干扰。由于有用信号能顺利通过窄带滤波器,因此提高了输出的信噪比。

A 窄带干扰信有用信号 A解扩后的有用信干扰被扩展频 2Rc f fi ffc (a)未解扩的功率谱 (b)解扩后的功率谱 图2-4 直扩系统抗窄带干扰示意图 2.3.2 直扩系统的抗截获性

截获敌方信号的目的在于: (1)发现敌方信号的存在, (2)确定敌方信号的频率, (3)确定敌方发射机的方向。

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。

如果满足直扩信号在接收机输入端的功率低于或与外来噪声及接收机本身的热噪声功率相比拟的条件、则一般接收机发现不了直扩信号的存在。另外,由于直扩信号的宽频带特性,截获时需要在很宽的频率范围进行搜索和监测,也是困难之一。因此,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的存在,和弄清楚其参数,即直扩信号的检测与估值问题[7]。

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2.3.3 直扩码分多址通信系统

多址通信系统指的是许多用户组成的一个通信网,网中任何两个用户都可以通信,而且许多对用户同时通信时互不不扰。应用直扩系统就很容易组成这样一个多址通信系统(网)。

具体的做法是给每一个用户分配一个PN码作为地址码。首先,利用直扩信号中PN码的相关特性来区分不同的用户,每个用户只能收到其他用户按其地址码发来的信号,此时自相关特性出现峰值,可以判别出是有用信号。对于其他用户发来的别的信号,因PN码不同时互相关值很小,不会被解扩出来。其次,利用直扩信号中频谱扩展,功率谱密度很低的特性,可以有许多用户共用同一宽频带。此时相互之间干扰很小,可以当作噪声处理。另外,每个用户占用的频宽很窄,相对说来,频谱利用率也是高的[8]。

实现直扩码分多址通信值得注意的问题有: 1、是要选择有优良互相关特性的码。

一般多采用有二值或三值相关特性的码作为地址码。同时还需要有一定的数量。Gold码就可以作为地址码来用,它既有较优良的相关特性,也有足够的数量可供选。

2、是要注意克服“远-近”问题。

所谓“远一近”问题指的是距离近的用户的信号强,它会干扰距离远的弱信号的接收。解决的办法是采用自动功率控制,自动调节各用户的发射功率,使达到接收机时各用户信号功率基本相等,也就是满足接收机输入端等功率的条件,才能正确地区分有用信号。

3、是同时通话的用户数,决定于整个网内的噪声水平。

因此,直扩码分多址系统是一种噪声受限的系统。随着用户数的增加,通信质量逐渐变坏。

2.3.4 直扩系统的抗多径干扰性能

多径信道就是发射机和接收机之间电波传播的路径不止一条。例如由于大气层的反射和折射,以及由于建筑物等对电波的反射都是形成多径信道的原因。不同的传播路径使电波在幅度上衰减不同,到达时间的延迟也不同。

直扩系统能够同步锁定在最强的直达路径的电波上。其它有延迟到达的电波,由于相关解扩的作用,只起到噪声干扰的作用。这就是利用PN码的自相关特性,只要延迟超过半个PN码时片,其相关值就很小,可作为噪声来对待。另外,如果

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采用不同时延的匹配滤波器,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,起到增加接收信号能量的作用。

因此,直扩系统是一种有效的抗多径干扰的通信系统。

2.3.5 直扩测距定时系统

直扩系统的发展是从测距开始的。电磁波在空间是以固定的光速传播的。如果测定了电波传播的时间,也就测定了距离。

用直扩信号来测取和定时有独特的优点。当采用一个较长周期的PN码序列作为发射信号、用它于目的地反射回来或转发回来的PN码序列的相位进行比较,即比较两个码序列相差的时片数,就可以看出其时间差,也就能换算出发射机与目的地之间的距离。不难把码片选得很窄,即码的钟速率很高,则可以高精度的测距与定时,基本的分辨率即一个码片。

此外,有了精确的测距的定时系统,不难形成一个精确的定位系统;按照简单的几何关系,已知两个点的位置(坐标)和距离,及其在某一平面上分别与第三点的距离,也就能确定第三点的坐标位置。

2.3.6 扩频序列通信系统的同步原理

任何数字通信系统都是离散信号的传输,要求收发两端信号在频率上相同和相位上一致,才能正确地解调出信息。扩频通信系统也不例外。一个相干扩频数字通信系统,接收端与发送端必须实现信息码元同步、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,直扩系统才能正常的工作。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的关键技术。信息码元时钟可以和PN码元时钟联系起来,有固定的关系,一个实现了同步,另一个自然也就同步了。对于载频同步来说,主要是针对相干解调的相位同步而言。常见的载频提取和跟踪的方法都可采用,例如用跟踪锁相环来实现载频同步。因此,这里我们只需讨论PN码码元和序列的同步。

一般说来,在发射机和接收机中采用精确的频率源,可以去掉大部分频率和相位的不确定性。但引起不确定性的因素如下:

1、收发信机的距离引起传播的延迟产生的相位差; 2、收发信机相对不稳定性引起的频差; 3、收发信机相对运动引起的多普勒频移; 4、以及多径传播也会影响中心频率的改变。

因此,只靠提高频率源的稳定度是不够的,需要采取进一步提高同步速率和精

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度的方法。

同步系统的作用就是要实现本地产生的PN码与接收到的信号中的PN码同步,即频率上相同,相位上一致[9]。同步过程一般说来包含两个阶段:

1、接收机在一开始并不知道对方是否发送了信号,因此,需要有一个搜捕过程,即在一定的频率和时间范围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的信号与本地信号在相位之差纳入同步保持范围内,即在PN码一个时片内。

2、一旦完成这一阶段后,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的频率和相位发生偏移,同步系统能加以调整,使收发信号仍然保持同步。

如果由于采种原因引起失步,则重新开始新的一轮搜捕和跟踪过程。因此,整

接收信号 宽带滤波解调器 输出搜捕器件 PN码发生器 压控钟源 码跟踪器 图2-5 同步系统搜捕和跟踪原理图 个同步过程是包含搜捕和跟踪两个阶段闭环的自动控制和调整过程。

图2-5为同步系统搜捕和跟踪原理图,图中接收到的信号经宽带滤波器后,在乘法器中与本地PN码进行相关运算。此时搜捕器件,调整压控钟源,调整PN码发生器产生的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,由其调整压控钟源,使本地PN码发生器与外来信号保持同步。

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第3章 基于Simulink的直接序列扩频通信系统的仿真

3.1 直接序列扩频通信系统功能模块的连接及设置

3.1.1 功能模块的连接

根据仿真系统框图,用鼠标点击并移动所需功能模块到合适的位置,将鼠标移到有关功能模块的输出端(有一个向外的箭头),选中该输出端并移动鼠标到另—个功能模块的输入端(有—个向内的箭头),移动时出现虚线。到达所需输入端时,释放鼠标左键,相应的连接线出现,表示该连接已完成。重复上述连接过程,直到完成全部连接,组成仿真系统。

1、连接时,应注意下列几点:

1)从功能模块输出端连接到另一功能模块的输入端,也可从一个功能模块输入端反向连接到另一个功能模块的输出端;

2)一个输出端连接多个输入端时,可采用从—个功能模块输入端连接到另一个功能模块输出端的方法,或直接与该功能模块输出端的引出线连接。在连接时,可在连接线交点处按下“Shift”键,再释放鼠标左键;

3)移动连接线位置的方法是,选中连接线,在连接线的各转角处出现小方块,鼠标选中所需方块,拖动到合适位置后释放鼠标左键;

4)增加连接线转折点的方法是,选中连接线,鼠标移到所需增加转折点处,按下“Shift”键,点击鼠标左键,移动转折点到所需位置;

5)连接线的复制、粘贴和剪切等操作方法与Windows对应的操作方法相同; 2、功能模块的参数设置

使用者需设置功能模块参数后,方可进行仿真操作。不同功能模块的参数是不相同的,用鼠标双击该功能模块自动弹出相应的参数设置对话框。

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图3-1 传递函数模型参数设置对话框

例如,图3-1是传递函数模型功能模块的对话框。功能模块对话框由功能模块说明和参数设置框组成。功能模块说明框用于说明该功能模块使用方法和功能;参数框用于设置该功能模块的参数。例如传递函数参数框由分子和分母多项式两个编辑框组成,在分子多项式框中,用户可输入系统模型的分子多项式,在分母多项式框中,输入系统模型的分母多项式等[10]。设置功能模块的参数后,点击OK软键进行确认,将设置参数送仿真操作画面,并关闭对话框。

3、仿真系统操作参数设置

在仿真操作前,应设置仿真操作的参数。包括仿真器参数和示波器参数的设置。 1)仿真器参数设置

点击图3-1操作画面“Simulation”下拉式菜单“Simulation Parameters…”选项,弹出如图3-2所示的仿真参数设置画面。共有解算器(Solver)、工作空间输人输出(Workspace I/O)、诊断(Diagnostics)、高级属性(Advanced)和实时工作室(Real—Time Workshop)等5个页面。

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图3-2 仿真器参数设

置对话框

解算器页面用于设置仿真开始和终止时间,解算器类型(定步长和变步长两类)和具体的解算算法、最大最小步长和初始步长、容许误差(相对和绝对误差)、输出方式和精细因子设置等。通常,仿真操作时可根据仿真曲线设置终止时间和最大步长,以便得到较光滑的输出曲线。

工作空间输入输出页面用于将仿真操作窗口的仿真结果送(写)到MATLAB工作空间,或将数据从工作空间读到仿真操作窗口。诊断页面用于对仿真中出现的异常情况进行诊断。高级属性页面用于模型参数的在线组态和优化操作。实时工作室页面用于设置系统目标文件、暂存构成文件和构成命令,建立目录等[11]。 2)示波器参数设置

当采用示波器显示仿真曲线时,需对示波器参数进行设置。示波器有单踪和双踪示波器两种。单踪示波器指显示输入信号(可以有多个输入信号)与时间关系的设备,双踪示波器指显示两个输入信号之间关系的设备。

(1)单踪示波器参数设置操作 点击已存在的示波器,弹出如图3-3所示的单踪示波器显示画面,点击画面的图标“

”,弹出如图3-4所示的示波器属性对话框,

分2个页面。用于设置显示坐标窗口数、显示时间范围、标记和显示频率或采样时间等。时间范围应与仿真器终止时间一致,以便最大限度显示仿真操作数据。鼠标右键点击示波器显示窗口,从弹出菜单选择“Autoscale”,或直接点击图标“settings”,或直接点击图标“

”,

可在响应曲线显示后自动调整纵坐标范围;从弹出的菜单选择“Save current axes

”,将当前坐标轴范围的设置数据存储。此外,还

有打印和对X、Y或同时放大或恢复等操作。

(2)双踪示波器参数设置操作 双踪示波器的参数即该功能模块的参数,有X和Y坐标的范围和采样时间设置。

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3-3 单踪示波器显示画面

图3-4 单踪示波器属性对话框

3.1.2 直接序列扩频通信系统功能模块的连接及设置

在MATLAB中,用于通信系统仿真的模块主要由两大部分构成:通用仿真模块和专用仿真模块。它们分别属于标准仿真子模块库和通信子模块库。

一个典型的Simulink模块由信源、系统及信宿等三部分组成。他们的关系如图3-5所示。

信源 系统 信宿 图3-5 Simulink模型的典型结构

信源提供系统的输入信号,如常量、正弦波、方波等;系统是对仿真对象的数学抽象,比如是连续线性系统,还是非连续线性系统?对输入信号进行求和,还是对输入信号进行了一次调制?信宿是接收信号的部分,用户可以把它送到示波器中显示出来,或者保存到相应的.mat文件。

通信系统仿真的基本步骤如下:

1)建立数学模型:根据通信系统的基本原理,将整个系统简化到源系统,确定

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总的系统功能,并将各部分功能模块化,找出各部分之间的关系,画出系统流程框图模型。

2)仿真系统:根据建立的模型,从SIMULINK 通信模型库(MATLAB 所提供的Communication Toolbox SIMULINK Block Library)的各个子库中,将所需要的单元功能模块拷贝到Untitled 窗口,按系统流程框图模型连接,组建要仿真的通信系统模型。

3)设置、调整参数:参数设置包括运行系统参数设置(如系统运行时间、采样速率等)和功能模块运行参数设置(正弦信号的频率、幅度、初相;低通滤波器的截至频率、通带增益、阻带衰减等)。

4)置观察窗口,分析仿真数据和波形:在系统模型的关键点处设置观测输出模块,用于观测仿真系统的运行情况,以便及时调整参数,分析结果。

5)生成新的模块:对于Communication Toolbox 中没有的功能模块,可以根据已掌握的技术生成所需新的子模块,例如由C 或Fortran 编写MEX 文件,编译成DLL 后利用SIMULINK 提供的封装(Masking)功能封装或自定义模块库,以便随时调用。

下面就对直接序列扩频通信系统里的扩频与解扩、BPSK调制、编码信道AWGN信道进行了Simulink模块仿真。

用到的主要模块如图3-6所示

图3-6 仿真用到的主要模块

1)Scope——将输入信号在示波器中显示出来。 2)Display——将输入信号以数字的形式显示出来。

3)Error Rate Calculation——计算输入信号的比特或符号错误率。 4)AWGN channel——AWGN信道。 5)PN Sequence Generator——生成PN序列。

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6)Bernoulli Binary Generator——生成Bernoulli分部二进制数。 7)BPSK Demodulator Basband ——BPSK解调。 8)BPSK Modulator Basband——BPSK调制。 1、扩频与解扩的Simulink仿真图

扩频模块包括伪随机码生成和相关运算两个部分。不同的伪随机码表示着不同的扩频方式。常用的伪随机码有m序列(最大长度移位寄存器序列)、Gold码序列等。在直序扩频序列通信系统中,每一用户都分配到一固定的PN序列,用户之间的PN序列都是互为正交的,以使得每一用户不受到其他用户的干扰。扩频的过程可以简而言之为在发送端用PN码序列将载有信息的信号扩频到某个较宽的带宽上,然后在信道上进行传输。

解扩过程与扩频过程完全相同,也是将输入解扩模块的信号用伪随机码进行扩频处理。同时,要求接收端解扩频用的伪随机码与发送端扩频用的伪随机码不仅码字相同,而且相位相同;否则,将会导致期望用户的信号自身相互抵消。

解扩处理将扩频后的信号压缩到信息频带内,由宽带信号恢复为窄带信号;同时,解扩处理的结果也扩展了干扰信号,降低了干扰信号的功率谱密度,使之进入到信息频带内的功率下降,从而使系统获得处理增益,提高了系统的抗干扰能力。

图3-7是用户信息被扩展的框图。

图3-8是扩频的仿真模型,图中一个随机序列与PN码序列异或相乘得一个新的序列,使随机序列的频谱被扩展。图3-9的第一个波形输入的随机信号的波形,第二个波形是扩频后的波形,第三个波形是生成的PN码序列的波形。

图3-7 扩频框图 PN码序列 用户信息 扩频后的信息 19

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图3-8 扩频仿真模型

图3-9 输出的PN码扩频波形图

2、BPSK调制的Simulink仿真图

BPSK是二进制相移键控,在二进制数字调制中,当正弦载波相位随二进制数字基带信号离散变化时,则产生BPSK信号。通常用已调信号载波的0°和180°分别表示二进制数字基带信号的1和0。理想的BPSK调制可使载波相位瞬时变化180°。BPSK信号的调制原理图如图3-10所示。

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开关电路 cosωct ebpsk(t) 180°移相 S(t) 图3-10 BPSK调制原理图

BPSK信号的解调通常都是采用相干解 调,解调器原理图如图3-11所示,在相干 解调过程中需要用到与接收到的BPSK信号 同频同相的相干波。

图3-12是BPSK调制与解调框图,图3-13是BPSK调制与解调的Simulink模型,3-14是信

ebpsk(t) 相乘器 输出 cosωct 图3-11 BPSK解调原理图 源输入的随机数字信息的波形,图3-15是随机数字信息经BPSK调制后的频谱图。

随机数字信息 BPSK调制 信道 BPSK解调 输出信息 图3-12 BPSK调制与解调框图

图3-13 BPSK调制与解调模型

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图3-14 信源产生的随机序列

图3-15 BPSK调制仿真频谱图

3、编码信道的Simulink仿真图

在数字通信系统中,编码器的输出是某一数字序列,而译码器输入同样也是一数字序列,它们在一般情况下是相同的数字序列。因此,从编码器输出端到译码器

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输入端的所有转换器及传输媒质可用一个完成数字序列变换的方框加以概括,这个方框就称为编码信道。如图3-16所示。本设计中采用AWGN作为编码信道,所谓AWGN信道,是指信号在信道中传输时加入了高斯白噪声,如图3-17的仿真波形中第一个图形为输入信息,第二个波形为加入高斯白噪声后的波形。

图3-16 AWGN信道仿真

图3-17 通过 AWGN信道输出前和输出后的波形

3.2 直接序列扩频通信系统功能的实现

假设该系统以BPSK方式调制,数据传输率为100bps,扩频码片速率为2000chips,信号通过AGWN信道后受到了频率为200Hz的正弦信号的干扰,建立系统模型并观察各个阶段信号的波形与频谱,测试传输信号的误码率。

发射端的仿真模型如图3-18所示:

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图3-18 发射端仿真模型

在上面的模型中Bernoulli Binary Generator即伯努力二进制发生器,产生的数据流相当于信源,其采样时间(sample time)设置为1/100,即数据流的传输速率为100bps。PN Sequence Generator 用于产生PN序列,设置其采样时间(sample time)为1/2000,即扩频码片速率为2000chip/s。由于相乘时数据流的传输速率要与扩频码片序列相同,因此可用Rate Transition 提升数据流的传输速率,将其out put sample time设置为1/2000。Unipolar to Bipolar Converter模块用于将单极性码变为双极性码,Bipolar to Unipolar Converter则刚好相反。乘法器输出的就是扩频序列。通过示波器Scope1可以观察原信息序列、PN序列和扩频序列。为了方便观察原来信号和扩频后信号的频谱变化,我们希望频谱观察范围达到8kHz,需要被观察信号的采样率达到16000次/s,因此在模型中使用Rate Transition模块是需要观测的信号的采样率达到16000次/s。

图3-19 原数据信号的频谱

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图2-20 扩频信号的频谱

图3-21 三路信号的时域波形

接收端的仿真模型如图3-22所示。

图3-22 接收端仿真模型

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其中从解扩开始为接收端。AWGN为高斯白噪声信道,设置其噪声的均值为10。正弦信号发生器产生频率为200Hz的单频干扰。PN Sequence Generator为本地PN序列,是与发射机中的PN序列完全相同的。从加法器出来的信号即为接收到的信号,其中包含有有用信号,噪声和干扰,该信号和本地PN序列相乘进行解扩,Scope1频谱仪中的频谱就是解扩后的接收信号的频谱,其中有用信号被还原为窄带信号,噪声和干扰的频谱反而被展宽。利用Error Rate Calculation 模块对误码率进行测试,其中Tx为发送端,Rx为接收端,中间加入2个数据码元的延迟是为了补偿接收延迟。BPSK Demodulator Baseband1为BPSK解调器。

图3-23 接收到的信号频谱

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图3-24 解扩后信号的频谱

图3-25 解调后信号的频谱

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图3-26 发送序列和解调之后的序列

结合发送端扩频信号的频谱,可以看到,发送端信号的功率峰值在接收信号功率峰值之下,说明有用信号淹没在了噪声之中,大大增强了抗干扰能力。从解扩后的频谱可以看出,只有有用信号的频谱被还原成窄带信号,其他信号的频谱反而被展宽。从误码率的统计来看,当信号受到200Hz单频正弦信号和噪声均值为10的噪声的干扰时,误码率约为0.025,在实际通信中是远远达不到要求的。

3.3 总结

对通信系统进行仿真,可以帮助我们更加理解相关技术的原理、特点等相关知识,帮助我们建立起系统的概念,通过将一个个模块结合起来形成一个系统,可以提高我们搭建系统模型的能力。通过对直接序列扩频系统的仿真,使我们更加理解了直接序列扩频的相关原理,对其特点有了更加深刻的体会。在今后的学习研究中,在实际条件不允许的情况下,我们应该多利用系统仿真的方法来学习相关的内容,加深对原理的理解,提高自己的能力。

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第4章 直接扩频通信系统性能分析

4.1 直接序列扩频系统误码率的仿真

根据香农定理可知:

CBlog(1S) (4-1) N式中:C--信息的传输速率(信道容量)单位bs; 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(4-1)中可以看出:

在给定信号功率s和噪声功率n的条件下用一种编码系统,以很小的误码率,接近c的传输速率传输信息。

根据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输差错概率的公式

Pef(E) (4-2) n0式中:Pe为误码率,f为信号的频率,E 为信号的能量,n0为噪声功率谱密度。

此公式指出,差错概率Pe是信号能量E与噪声功率谱密度no之比的函数。设信息持续时间为T,或数字信息的码元宽度为T,则信息的带宽Bm为

1 Bm (4-3)

T由前面的分析可知 :

ESTBSB (4-4) n0NNBm式(4-4)说明,Pe是由以和带宽B互换。

SSB决定的,传输一定带宽Bm的信息,信噪比可NNBm对于二进制信息序列的扩频通信,假设信息速率为R,码元间隔为Tb传输信息的有效带宽为Bc(BcR)。

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1,RS石家庄铁道大学四方学院毕业设计

在直接扩频通信系统中,采用Matlab工具箱中的伪随机序列函数来生成伪随机序列,此中的PN码具有多个码位的0、1序列,他们是经过严格挑选的,具有良好的自相关性,但彼此之间却近似是相互正交,与线性无关,在众多码型中,它们很容易识别出与自己相同的码型,而不容易与其它码型相混淆,利用在发射机中的PN序列,将窄带的信息序列扩展为带宽信号送入信道传输,在接收端将接收的带宽信号与发送端同步的PN序列相乘,解扩出窄带的信息序列,而各种干扰信号被与PN序列的相乘处理扩展为带宽形式,最终将干扰信号的能量消弱

B[13]

倍。 R在调制器中,信息序列的带宽扩展为BBc,由于传输中普遍存在干扰,因此在仿真时必须考虑到干扰信号对判决器判决结果的影响。假设在信号传输过程中受到干扰信号为余弦形式作用,则该信号电流为:

i(t)AJcos(2fJt)

式中:fJ为发送信号带宽内的干扰频率。

i(t)与c(t)相乘使余弦形式的干扰变为带宽干扰,其能量谱密度为J0PJ/B,

2式中:PJAJ/2为干扰信号的平均能量。为了更直观地分析直扩信号抑制正弦干

扰的效果,建立Monte Carlo仿真模型,见图4-1。

均匀噪声发生器 重复 LC次

图4-1 直扩系统Monte Carlo仿真模型

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高斯噪声发生器 正弦信号发生器 u1L PN序列发生器 比较 判决器 差错 计数器 石家庄铁道大学四方学院毕业设计

由图可以看出,由随机数发生器产生一系列二进制数据信息,每个信息重复LC次,LC对应于每个信息所包含的伪码码片数,并与另一个随机数发生器产生的PN序列c(n)相乘,在该序列上叠加方差为2N0/2高斯白噪声和i(n)Asin(0n)的正弦干扰信号,其中00,且ALC。在解调器中,进行与PN序列互相官运算,并且将组成各信息的LC个样本求和。将加法器的输出送到判决器,对信号和门限值比较,以确定传送的数据为1还是1。

4.2 仿真结果分析

为了观察Monte Carlo模型的仿真效果,首先分析无干扰时的误码率仿真曲线与理论计算值,见图4-2。

图中的曲线,其中一条是根据理论值公式做出仿真,另一条是根据图得到的曲线,可以看出,两条曲线吻合得很好。这说明在仿真过程中,建立的各模块的数学模型以及各模块之间的联系是正确的,仿真结果可以作为评估直扩系统判决器的实验依据。

图4-2 无干扰时的误码率曲线

加入噪声和干扰后,取LC10,用3个不同的正弦信号干扰,其振幅分别为3,

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7,12。在误码率运算中加性噪声的方差是固定的,总共进行了1万次运算,而且在每次运算中,信号能量取值都满足所需的信噪比要求,从而得到了图4-3所示仿真曲线,可见,正弦干扰信号的振幅越大,误码率越大。

图4-3 不同振幅干扰下的误码率仿真曲线

4.3 结论

在文中建立的Monte Carlo仿真模型,可以对各种直接序列扩频通信系统的误码率进行仿真分析,仿真结果表明,直扩系统的判决器能以较小的差错概率恢复出原始信号,判决器具有优良的性能。

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第5章 应 用

随着通信技术和各种新型元器件的发展,在打赢现代高技术战争的迫切要求下,各国军方都不断加速新的抗干扰通信方式的研究.进入20世纪80年代,扩频通信已广泛应用于军事通信领域,成为电子战中通信对抗和反对抗中的一种必不可少的重要手段,而直接序列扩频通信作为扩频通信的一种,在超长波对潜通信、舰艇战术卫星通信、微波通信等通信领域中得到了广泛应用。

直接序列扩频通信具有很强的抗截获和抗干扰能力,近年来对该通信方式的研究已成为通信对抗领域的重点。在直接序列扩频通信原理及其特点的基础上,针对不同的干扰方式,分别对直接序列扩频通信系统的抗干扰能力进行分析。在此基础上,根据目前直接序列扩频通信的军用情况,对直扩电台的战术应用进行研究,提出解决电台组网时台间相互干扰以及“远近效应”的可能措施。

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参考文献

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致 谢

本次毕业设计是在郭中华老师的精心指导和帮助下完成的。做论文设计时,由于自己经验的匮乏,难免有许多考虑不周全的地方,如果没有老师的督促指导和同学们的帮助,想要完成这个设计是难以想象的。

首先,我要感谢我的指导老师郭老师。半年来,郭老师对我的学业倾注了大量的心血,使我在获取知识的同时,综合能力得到较大的提高。学位论文从选题到实验到最后定稿,郭老师都精心的指导和帮助。郭老师那渊博精深的知识,务实严谨、精益求精的治学态度和一丝不苟的工作作风,深深的感染了我,也让我改变了粗心大意,做事马马虎虎的坏毛病。我相信这对我以后的工作和学习都有很大的帮助。

我还要感谢和我一起做毕业设计的同学们。一人遇到困难时,大家都一起讨论一起修改,“一人有难大家帮”,难题一会儿就解决了。如果没有大家的帮助,我的毕业设计也不会进行的那么顺利。这也让我感受到了集体的温暖!

我也要感谢大学四年来所有的老师,为我们打下牢固的专业知识基础,才让我们有能力完成这次毕业设计 。

最后谢谢母校四年来对我的培养!

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附 录

附录A 外文资料

The Application of one point Multiple Access Spread Spectrum

Communication System

Liu Jiangang, Nanyang City, Henan Province Electric Power Industry Bureau Nanyang City in the outskirts of Central cloth 35 to 11 kv substation farm terminals, their operation management rights belong to the Council East, Rural Power Company west (the eastern suburb of agricultural management companies -- four, the western suburbs of Rural Power Company Management 7), Scheduling of the various stations of the means of communication to the original M-150 radio and telephone posts. 2002 With the transformation of rural network, the remote station equipment into operation and communication channels to put a higher demand .As PUC Dispatch Communication Building to the east and west of farmers -- the difference between a company linked to fiber, Therefore, if 11 substations and the establishment of a transfer Link Building links Point may be the data and voice were sent to two rural power companies dispatch room, Rural Network scheduling for the implementation of automation to create the necessary conditions.

Given the status and power grid substation level, nature, taking into account the carrier and optical-fiber communications to conduct multiple forwarding, increasing the instability factor, considering the cost and conditions of the urban construction, Finally decided to adopt wireless spread-spectrum technology to establish that 11 farm terminal substation communication system. This paper describes the spread spectrum technology and the current system of the building.

1. The basic concept of spread-spectrum communication.

Spread Spectrum Communication's basic characteristics, is used to transmit information to the signal bandwidth (W) is far greater than the practical information required minimum (effective) bandwidth (△ F) , as the ratio of processing gain GP .

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GP = W/△F

As we all know, the ordinary AM, FM, or pulse code modulation communications, GP values in the area more than 10 times, collectively, the \"narrow-band communication\even thousands of times, can be called \"broadband communications.\"

Due to the spread-spectrum signal, it is very low power transmitters, transmission space mostly drowned in the noise, it is difficult to intercepted by the other receiver, only spreading codes with the same (or random PN code) receiver, Gain can be dealt with, and despreading resume the original signal.

2. The technology superiority of spread-spectrum communication .

Strong anti-interference, bit error rate is low.As noted above, the spread spectrum communication system due to the expansion of the transmitter signal spectrum, the receiver despreading reduction signal produced spreading gain, thereby greatly enhancing its interference tolerance . Under the spreading gain, or even negative in the signal-to-noise ratio conditions, can also signal from the noise drowned out Extraction, in the current business communications systems, spread spectrum communication is only able to work in a negative signal-to-noise ratio under the conditions of communication.

Anti-multi-path interference capability, increase the reliability of the system. Spread-spectrum systems as used in the PN has a good correlation, correlation is very weak. different paths to the transmission signal can easily be separated and may in time and re-alignment phase, formation of several superimposed signal power, thereby improving the system's performance to receive increased reliability of the system.

Easy to use the same frequency, improving the wireless spectrum utilization.Wireless spectrum is very valuable, although long-wave microwave have to be exploited, and still can not meet the needs of the community. To this end, countries around the world are designed spectrum management, users can only use the frequency applications, rely on the channel to prevent the division between the channel interference.

Due to the use of spread-spectrum communication related receive this high-tech, low signal output power ( \"a W, as a general-100 mW), and will work in the channel noise and thermal noise in the background, easy to duplicate in the same area using the same frequency, can now all share the same narrow-band frequency communications resources.

Spread spectrum communication is digital communications, particularly for digital

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voice and data transmission while, spread spectrum communication with their own encryption, only in the same PN code communication between users, is good for hiding and confidential in nature, facilitating communications business . Easy to use spread-spectrum CDMA communications, voice compression and many other new technologies, more applicable to computer networks and digitization of voice, image information transmission.

Communication is the most digital circuits, equipment, highly integrated, easy installation, easy maintenance, but also very compact and reliable. The average failure rate no time was very long.

We have decided to adopt the spread-spectrum communication technology construction of 11 farm terminal substation communications system, Due to the spread-spectrum communication by the line-of-sight transmission distance restrictions, has become unstoppable system design premise.

If the PUC scheduling Building and 11 substations have stopped, and the problem becomes more complicated, use spread spectrum system on the feasibility greatly reduced. Therefore, we look at the city Aerial topographical map, initially identified has not stopped to consider systems design, and requests the companies used this equipment Spread Spectrum 11 points transmission routing of the measured and the results have been satisfactory.

Then spread spectrum wireless equipment market supply of cash, Initially, we selected a series of Spread Spectrum Comlink third generation products. Because most of the point-to-point mode, Merit function of the spread-spectrum equipment in a point-to-multipoint application environments encountered many problems : First is the issue of frequency resources. Even a minimum of 64 kbit / s data rate radio, space also occupied bandwidth 5 MHz, Because 32 of the PN code isolation is only about 15 dBm, the project had to use frequency division multiple access 35 db to get around the theoretical isolation. 11 stations will use 11 frequency, frequency greater waste of resources. Comlink and Spread Spectrum products in the same frequency to achieve a point-to-multipoint communications.

Second antenna erection problems, point-to-point equipment for the main radio station, the main station need to set up a number of terminal antennas, the vast majority of domestic engineering companies used by the U.S. Conifer 24 dBi parabolic semi-cast magnesium grid directional antenna. vertical polarization - 1 m wide, it is difficult to top

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the layout and avoid flap flap and the mutual interference, Although the project can be set up to take stratified, or through cooperation and on the road to one or more omnidirectional antenna launch, However, as construction of a road and the signal attenuation, transmission result is not satisfactory.

In addition, the RF cable laying, The application of network management software such factors we have also decided to adopt the final 1:00 Comlink Multiple Access Spread Spectrum products. Its system configuration, as shown in Figure 2:

3. Routing Analysis

Combining visual distance access and use the radio and antenna gain, cable attenuation and environmental factors, and testing the design is reasonable, determine the attenuation affluent channel capacity. Spread spectrum microwave link attenuation depends on the reliability margin.

Attenuation margin calculation formula : FG= GSG + GANT - LGL - LPL FG——Attenuation margin ; GSG——System Gain (dB);

GANT——Antenna Gain (dBi);

LGL——Connectors and cables attenuation (dB); LpL—— Channel attenuation (dB)。

Gain spread spectrum radio system : GSG = +27 - (-97) = 124 (dBm);

Antenna Gain : master-use 2.4 GHz, 12 dBi Omni-Directional Antenna, stop-use 2.4 GHz, 24 dBi parabolic directional antennas;

Connector and cable attenuation : cable attenuation of about 3 dB, as a joint dB attenuation, LGL = 3 + 1 = 4 (dB);

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Channel attenuation to the farthest distance from the building scheduling substation (27 km) as an example : LPL = 92.4 + + 20lg27 20lg2.4 = 128 (dB);

Therefore attenuation cushion : FG = 124 + 12 + 24-2 × 4-128 = 24 (dB). Calculated from the amount of affluent link can be seen, the program has larger reserves and thus the rational design of the program, According to the measured and the results showed the channel can ensure quality and reliability.

4. Operation of the system.

System since May 2003 has been put into operation more than two years, each station to transmit information, there are two phones, 600 or 1200 Porter remote information operations, clear voice station, Channel stability, without error, System not had any serious interruptions and failures, equipment operating normally. Thus, the spread spectrum link to the design and equipment selection has been very good to meet the voice and remote automated information transmission, Network for the safe and stable operation to provide a reliable guarantee.

5. Concluding remarks .

Spread-spectrum technology in the initial stages of development, it has become a theory and a major technological breakthrough, Later in the development process is the improvement and hardware performance improved. Development to the present, spread-spectrum technology and the theory has been almost perfect, mainly from the point of view of overall performance, and other new technology applications. Therefore, the application has been driven by the development of spread-spectrum technology is a powerful driving force, the future wireless communication systems, such as mobile communications, Wireless LAN, global personal communications, spread spectrum technology will certainly play an important role.

Although fiber technology in the power system communication applications become increasingly common. But the county power communication network or higher cost-effective

communications

network,

1:00

Multiple

Access

microwave

communications will continue to play an important role in spread spectrum technology and will enjoy even broader application of space.

From:www.baiduwenku.com

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一点多址扩频通信系统的应用

刘建刚 河南省南阳市电力工业局

在南阳市郊区环布着11座35 kv农用终端变电站,其运行管理权分属市局东、西郊农电公司(其中东郊农电公司管理4座,西郊农电公司管理7座),调度到各站的通信方式原为150 M无线电和邮电市话。2002年随着农网改造的进行,各站远动设备投入运行,对通信通道提出了更高要求。由于市局调度通信大楼到东、西郊农电公司之间分别有光纤相连,故如果这11座变电站建立了和调通大楼的联系,则可将各站数据和话音分别送往两个农电公司调度室,从而为农网调度自动化的实施创造必要的条件。

鉴于电网现状和变电站的等级、性质,考虑到载波和光纤通信要经过多次转接,增加了不稳定因素,综合考虑成本及市区施工条件,最后决定采用无线扩频技术建立这11座农用终端变电站的通信系统。本文简要介绍了扩频技术及在此次系统建设中的应用。

1、扩频通信技术的基本概念

扩频通信的基本特点,是其传输信息所用信号的带宽(W)远大于信息本身实际所需的最小(有效)带宽(△F),其比值称为处理增益GP

GP = W/△F

众所周知,在普通的调幅、调频或脉冲编码调制通信中,GP值一般都在十 多倍范围内,统称“窄带通信”,而扩频通信的GP值高达几百甚至几千倍,可以称为“宽带通信”。

由于扩频后的信号,它的发射功率很低,传输时大多淹没在空间的噪声中,因此很难被其它接收机截获,只有具有相同扩频码(或称PN随机码)的接收机,才能获得处理增益,解扩并恢复出原发的信号。

2、扩频通信技术的优越性

抗干扰性强,误码率低。如上所述,扩频通信系统由于在发送端扩展信号频谱,在接收端解扩还原信号,产生了扩频增益,从而大大地提高了抗干扰容限。根据扩频增益不同,甚至在负的信噪比条件下,也可以将信号从噪声的淹没中提取出来,在目前商用的通信系统中,扩频通信是惟一能够工作于负信噪比条件下的通信方式。

抗多径干扰能力强,增加了系统的可靠性。由于扩频系统中采用的PN码具

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有很好的自相关性,互相关性很弱,不同路径传输来的信号能容易地被分开,并可在时间和相位上重新对齐,形成几路信号功率的叠加,从而改善了接收系统的性能增加了系统的可靠性。

易于同频使用,提高了无线频谱利用率。无线频谱十分宝贵,虽然从长波到微波都已得到开发利用,仍然满足不了社会的需求。为此,世界各地都设计了频谱管理机构, 用户只能使用申请获得的频率,依靠频道划分来防止信道之间发生干扰。

由于扩频通信采用了相关接收这一高技术,信号发送功率极低(< 1 W,一般为1~100 mW),且可工作在信道噪声和热噪声背景中,易于在同一地区重复使用同一频率,也可以与现今各种窄带通信共享同一频率资源。

扩频通信是数字通信,特别适合数字话音和数据同时传输,扩频通信自身具有加密功能,只能在PN码相同的用户之间进行通信,隐蔽性好,保密性强,便于开展各种通信业务。扩频通信容易采用码分多址、语音压缩等多项新技术,更加适用于计算机网络以及数字化的话音、图像信息传输。

扩频通信绝大部分是数字电路,设备高度集成,安装简便,易于维护,也十分小巧可靠,平均无故障率时间也很长。

在我们决定采用扩频通信技术建设这11座农用终端变电站的通信系统之后,由于扩频通信的传输距离受到视距的限制,阻挡就成为系统的设计前提。若市局调度大楼和11座变电站之间有阻挡,则问题就变得较为复杂,选用扩频系统的可行性就大打折扣。因此,我们查看了我市航测地形图,初步确定没有阻挡才考虑进行系统设计,并请有关公司用扩频设备对这11个点的传输路由进行了实测,结果令人满意。

根据当时市面上无线扩频设备现货供应情况,我们初步选定了Comlink扩频系列第三代产品。因为大多数在点对点方式下,功能优异的扩频设备在一点对多点的应用环境中遇到许多问题:首先是频率资源问题,即使最低64 kbit/s数据速率的电台,空间带宽也要占用5 MHz,由于32位PN码的码间隔离度只有15 dBm左右,所以工程上不得不采用频分多址,以获得35 db左右的理论隔离度。11个站就要使用11个频点,频率资源浪费较大,而Comlink扩频产品可在同一频点实现一点对多点通信。其次是天线架设问题,点对点设备,对于主站的多个电台,需要在主站端架设多个天线,国内工程绝大多数采用美国Conifer公司24 dBi的半抛物面铸镁栅格定向天线,垂直极化面展宽1 m,很难在塔顶布置且避开侧瓣和后瓣的相互干扰,虽然工程上可以采取分层架设,或是通过合路器并至一个或多个全向天线发射,但由于施工及合路器的信号衰减等原因,传输效果并不理想。

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此外,射频电缆的铺设、网管软件的应用等因素也使我们最后决定采用Comlink

一点多址扩频产品。其系统配置,如图2所示。

3、路由分析

结合可视通道距离、选用的电台、天线增益、电缆衰耗及环境因素,检验设计是否合理,确定通道的衰耗富裕量。扩频微波链路的可靠性取决于衰减裕量。

衰减裕量计算公式FG= GSG + GANT - LGL - LPL 式中 FG——衰减裕量; GSG——系统增益(dB); GANT——天线增益(dBi); LGL——接插件及电缆衰耗(dB); LpL——通道衰耗(dB)。

扩频电台系统增益:GSG = +27 - (-97) = 124(dBm);

天线增益:主站端选用2.4 GHz,12 dBi的全向天线,分站端选用2.4 GHz,24 dBi的抛物面定向天线;

连接头及电缆衰耗:电缆衰耗约为3 dB,接头衰耗为1 dB,LGL= 3 + 1 = 4 (dB); 通道衰耗,以距离调度大楼最远的变电站(27 km)为例:LPL = 92.4 + 20lg2.4 + 20lg27 = 128(dB);

因此衰减余量为:FG= 124 + 12 + 24 - 2×4 - 128 = 24(dB)。

从计算出的链路富裕量可以看出,该方案有较大储备,因此本方案设计合理,并根据实测结果表明可保证通道的质量和可靠性。

4、系统运行情况

系统自2003年5月投入运行至今已有两年多时间,每站传输信息有两路电话、600或1200波特的远动信息一路,各站话音清晰,通道稳定,无误码,系统未出现过严重中断和故障,设备运行正常。因此,该扩频链路的设计及设备选型已很好地满足了话音及远动自动化信息的传输要求,为电网的安全稳定运行提供了可靠保

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证。

5、结束语

扩频技术在发展的初始阶段,就已经实现了理论和技术上的重大突破,在此后的发展过程中主要是硬件的改善和性能的提高。发展到现在,扩频技术理论和技术都已趋于完善,主要应从系统的角度考虑总体性能,且与其它新技术结合应用。因此,应用的驱动一直是扩频技术发展的强大动力,未来的无线通信系统,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。

虽然光纤技术在电力系统通信中应用越来越普遍,但在县级电力通信网或者要求较高性价比的通信网中,一点多址微波通信仍将发挥重要作用,而扩频技术也必将获得更加广阔的应用空间。

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