基于MATLAB的扩频通信仿真

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1、基于MATLAB勺扩频通信仿真1. 仿真原理其多址能力、保密、抗多径等功能也倍受人们的关扩频技术，将信号扩展到很宽的频谱上， 在接 恢复成窄带信号。对干扰信号而言，由于与扩频 使之进入信号通频带内的干扰功率大大的降低，扩展频谱通信具有很强的抗干扰性， 注，被广泛的应用于军事通信和民用通信中。 收端对扩频信号进行相关处理即带宽压缩， 信号不相关，则被扩展到一个很宽的频带上, 具有很强的对抗能力。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序 设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的为科学研究、工程设计以及并在很大程度

2、上摆脱了MATLAB进行通信仿真有建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中， 必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案， 传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式。使用两种方式，分别是使用 m文件编写程序和用 SIMULINK进行可视化建模。长期以来，人们总是想法使信号所占频谱尽量的窄，以充分利用十分宝贵的频谱资源。为什么要用这样宽频带的信号来传送信息呢？简单的回答就是主要为了通信的安全可靠。扩频通信的基本特点是传输信号所占用的频带宽度（W ）远大于原始信息本身实际所需的最小（有效）带宽（DF），其比值称为处理增益 Gp:Gp =W / AF

3、(1)众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，如话音为1.7kHz3. 1kHz,电视图像则宽到数兆赫。为了充分利用有限的频率资源，增加通路数目，人们广泛选择不同调制方式,采用宽频信道（同轴电缆、微波和光纤等），和压缩频带等措施，同时力求使传输的媒介中传 输的信号占用尽量窄的带宽。因现今使用的电话、广播系统中，无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式，Gp值一般都在十多倍范围内，统称为“窄带通信”。而扩频通信的 Gp值，高 达数百、上千，称为“宽带通信”。扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。信息论中关于信息容量的香农 （Shannon论式为：C =Wlog2

4、 (1 + P /N )(2)其中:C信道容量（用传输速率度量）,W 信号频带宽度，一一信号功率，N 白噪声功率。式（2）说明，在给定的传输速率 C不变的条件下，频带宽度 W和信噪比P /N是 可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比P /N （S /N）情况下，传输信息。扩展频谱换取信噪比要求的降低，是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基 础。扩频通信与一般的通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接收端增加了扩频解调的过程，扩频通信按照其工作方式不同主要分为直接序列扩频系统、跳频扩频系统、跳时扩频系统、现行调频系统和混合调频系统。现以直接序列扩频系统为例

5、说明扩频通信的 实现方法。下图1为直接序列扩频系统的原理框图。y+- 7 b编辑版word图1直接序列扩频系统原理图由直扩序列扩频系统原理图可以看出，在发射端，信源输出的信号与伪随机码产生器产生的伪随机码进行模 2力口，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样得到已扩频调制的射频信号。在接收端，接受到的扩频信号经高放和混频后，用与发射端同步的伪随机序列对扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息序列的频带，然后进行解调，恢复出所传输的信息。2. SIMULINK模型建立基于MATLAB/Simulink所建立的扩频通信系统的仿真模型，能够反映扩频通信系统的

6、 动态工作过程，可进行波形观察、品剖分析和性能分析等，同时能根据研究和设计的需要扩 展仿真模型，实现以扩频通信为基础的现代通信的模拟仿真，为系统的研究和设计提供强有力的平台。图2为基于MATLAB/Simulink的扩频通信系统的仿真模型。2 基于 Simulink 的扩频通信系统的仿真模型编辑版 word2.1 随机整数发生器(Random Integer genarator)随机整数发生器(Randon Integer generator)(乍为仿真系统的信源，随机整数发生器产生二进制随机信号，采用时间、初始状态可自由设置，从而满足扩频通信系统所需信源的要求。ck P an- aia e-

7、t.eE s Z Ra3kdoB Til it e ger G&iLeT- =a t orFLindoa Zntti&rUnit二 muehmtm Hard 二二 uni.三di sir i tut ei znt egex s in. the THZLge十二 riieza Y ii ths 舅3_” Runt&r. ParaH?terzOKCiTictlHelpApply2.2 PN 序列发生器(PN Sequence Generator)用PN序列发生器(PN Sequence Generator)产生伪随机码，对基带信号进行扩频。扩频过程通过信息码与 PN码进行双极性变换后相乘加以实现。

8、解扩过程与扩频过程相同，即将接收的信号用 PN码进行第二次扩频处理。二T WL Frazie-ta3E(f -outputs Sample& owt Iraaer2.3 最小相移键控调制( M-PSK Modulator Passband)对基带信号进行数字调制，将频谱从基带搬移至频带，以实现远距离传输的效果。3it二ConstlNation arderine：.Bnar r2.4加性高斯白噪声信道( AWGN Channel)信号通过加性高斯白噪声信道，以达到对信号的传输后进行再进行解扩解调的目的。信道信噪比参数设置为负数，可验证扩频通信系统具有良好的抗噪声能力。编辑版word2.5 最小相

9、移键控解调(M-PSK Demodulator Passband)对解扩后的信号进行解调，恢复基带信号。p Fars3eters Jf-ary nuaibeT ：色1Outcut trpi: | BitCojiittllntion. orda-rin: | BiRUFSymbol per icwd (s):Baseband 3aspIes peT 5鼻bol:CaTrit Erequ.ncF .KzJ :日侬CaTrier Qnitia-l pha&e radInput Eszap-le t ime 5：|o ml/a；2.6 误码率分析仪(Error Rate Calculation)在误码

10、率计算中，接收到的信号，由于经过扩频解扩、调制解调、相关统计等处理，会 存在一个延迟，在误码仪模块的对话框中要设置一个合适的延迟。卜 Far 口巨，巨士言 RiSftt port5 tcx siLilation2.7其他设置2.7.1 RELAY 的设置2.7.1 product 的设置2.7.3 display 的设置2.7 .4频谱分析仪（spectrum scopR的设置系统中有四个频谱分析仪器，分别命名为：baseband mod、SS和DSS。其中，baseband能观察基带信号的频谱；mod能观察到基带信号调制到频带后的频谱；SS能观察扩频后的频谱；DSS能观察解扩解调后的接受端输

11、出信号的频谱。这四个频谱分析仪的参数设置大致一致，其前方的零阶保持器的采样时间略有不同。i- S&aetru MoxBlock farweterEZ btEebsL&dCcapLle and d3xplar thi period&eru of each input Xcnfrasa baEtd InpLtE to th* block stould uei the butftiir.s, optlcn.频谱分析仪名称BasebandModSSDSS采样时间（s）0.0011/300000.001/310.0013. M文件编写仿真程序用m文件编写的MATLBA程序来实现观察系统在不同信噪比下的误

12、码率变化情况。此仿真要实现扩频码的产生、发射机部分、接收机部分、信道仿真部分以及误码分析部分，此外还有进行循环仿真以达到绘出信噪比与误码率见的函数图。3.1 扩频码的产生选取m序列作为仿真系统的扩频码，产生函数如下：function mout = mseq(stg, taps, inidata, n)%变量含义说明% stgm序列阶数% taps线性移位寄存器的系数% inidata 序列的初始化% n输出序列的数目% mout输出的m序列% f nargin 1for ii=2:nmout(ii,:) = shift(mout(ii-1,:),1,0);endend3.2 发射机部分发射机部

13、分包括扩频和调制两部分。3.2.1 QPSK调制部分此处采用QPSK调制，相比SIMULINK的M-PSK调制的实现要求要低一些。function iout,qout=qpskmod(paradata,para,nd,ml)%各变量含义说明% paradata输入数据% iout输出的实部数据% qout输出的虚部数据% para并行信道数% nd输入数据个数% ml调制阶数m2=ml./2;paradata2=paradata.*2-1;count2=0;for jj=1:ndisi = zeros(para,1);isq = zeros(para,1);for ii = 1 : m2isi

14、 = isi + 2.A( m2 - ii ) .* paradata2(1:para),ii+count2);isq = isq + 2.人(m2 - ii ) .* paradata2(1:para),m2+ii+count2); endiout(1:para),jj尸isi;qout(1:para),jj尸isq;count2=count2+ml;end3.2.2 扩频部分function iout, qout = spread(idata, qdata, codel)%变量含义说明% idata输入序列实部% qdata输入序列虚部% iout输出序列实部% qout输出序列虚部% c

15、odel扩频码序列switch nargincase 0 ,1 error(lack of input argument);case 2codel = qdata;qdata = idata;endhn,vn = size(idata);hc,vc = size(codel);if hn hcerror(lack of spread code sequences);endiout = zeros(hn,vn*vc);qout = zeros(hn,vn*vc);for ii=1:hniout(ii,:) = reshape(rot90(code1(ii,:),3)*idata(ii,:),1,

16、vn*vc);qout(ii,:) = reshape(rot90(code1(ii,:),3)*qdata(ii,:),1,vn*vc); end3.3 信道仿真部分实现高斯白噪声代码函数function iout, qout = comb2(idata, qdata, attn)%各变量含义说明% idata输入序列实部% qdata输入序列虚部% iout输出序列实部% qout输出序列虚部% attn根据信噪比得到的信号衰减水平v = length(idata);h = length(attn);iout = zeros(h,v);qout = zeros(h,v);for ii=1:

17、hiout(ii,:) = idata + randn(1,v) * attn(ii);qout(ii,:) = qdata + randn(1,v) * attn(ii);end3.4 接收机部分3.4.1 接收机的解扩部分函数function iout, qout = despread(idata, qdata, codel)%各变量含义说明% idata输入序列实部% qdata输入序列虚部% iout输出序列实部% qout输出序列虚部% codel扩频码序列switch nargincase 0 ,1 error(lack of input argument);case 2code1

18、 = qdata;qdata = idata;endhn,vn = size(idata);hc,vc = size(code1);vn= fix(vn/vc);iout = zeros(hc,vn);qout= zeros(hc,vn);for ii=1:hciout(ii,:) = rot90(flipud(rot90(reshape(idata(ii,:),vc,vn)*rot90(code1(ii,:),3);qout(ii,:) = rot90(flipud(rot90(reshape(qdata(ii,:),vc,vn)*rot90(code1(ii,:),3); end3.4.2

19、 接收机解调部分的函数function demodata=qpskdemod(idata,qdata,para,nd,ml)%各变量含义说明% idata输入数据的实部% qdata输入数据的虚部% demodata解调后的数据% para并行的信道数% nd输入数据个数% ml调制阶数demodata=zeros(para,ml*nd);demodata(1:para),(1:ml:ml*nd-1)=idata(1:para),(1:nd)=0;demodata(1:para),(2:ml:ml*nd)=qdata(1:para),(1:nd)=0;编辑版 word3.5 误码计算和绘图部分

20、%误码率分析noe2 = sum(sum(abs(data-demodata);nod2 = user * nd * ml;noe = noe + noe2;nod = nod + nod2;% fprintf(%dt%en,ii,noe2/nod2);end%数据文件ber = noe / nod;fprintf(%dt%dt%dt%en,ebn0,noe,nod,noe/nod);fid = fopen(BER.dat,a);fprintf(fid,%dt%et%ft%ftn,ebn0,noe/nod,noe,nod);fclose(fid);err_rate_final(ebn0+6)=

21、ber;end%性能仿真图figuresemilogy(SNR,err_rate_final,b-*);xlabel(信噪比 /dB) ylabel(误码率) axis(-5,10,0,1) grid on3.6 初始化设置以及仿真循环设置Main函数为 clear all;cic编辑版wordsrmlbrnd=256000.0;=2;=sr * ml;=100;SNR=-5:1:10;%*user = 1;stage = 3;ptapl = 1 3;disp(start%*for ebn0=-5:1:10%符号速率%调制阶数%比特速率%符号数% Eb/No扩频码初值设定*%用户数%序列阶数%

22、第一个线性移位寄存器的系数1）;扩频码的产生*% m序列仿真循环次数% QPSK调制%扩频% 添加高斯白噪声（AWGN）%解扩% QPSK解调code = mseq(stage,ptap1,regi1,user);code = code * 2 - 1;clen = length(code);%*仿真运算开始 * nloop = 1000;noe= 0;nod= 0;for ii=1:nloop%* 发射机 * data = rand(user,nd*ml) 0.5;ich, qch = qpskmod(data,user,nd,ml); ich1,qch1 = spread(ich,qch,

23、code);ich2 = ich1;qch2 = qch1;%* 接收机 *ich3,qch3 = comb2(ich2,qch2,attn); sampl = irfn * IPOINT + 1;ich4 = ich3(:,sampl:IPOINT:IPOINT*nd*clen+sampl-1);qch4 = qch3(:,sampl:IPOINT:IPOINT*nd*clen+sampl-1);ich5 qch5 = despread(ich4,qch4,code);demodata = qpskdemod(ich5,qch5,user,nd,ml);%*误码率分析 *noe2 = sum

24、(sum(abs(data-demodata);nod2 = user * nd * ml;noe = noe + noe2;nod = nod + nod2;%*数据文件 *ber = noe / nod;fprintf(%dt%dt%dt%en,ebn0,noe,nod,noe/nod);fid = fopen(BER.dat,a);fprintf(fid,%dt%et%ft%ftn,ebn0,noe/nod,noe,nod); fclose(fid);err_rate_final(ebn0+6)=ber;%*性能仿真图 *figuresemilogy(SNR,err_rate_final

25、,b-*);xlabel(信噪比 /dB)ylabel(误码率) axis(-5,10,0,1)grid ondisp(end)；4.仿真结果与分析4.1.1 Simulink 仿真结果基带信号的频谱如下-505F叫uency (kHz)Frame_ 5S6编辑版word经调制后频谱如下-|D| x|伊 bodlpl / odFil* 才$ Chumels Windaw Help1015O51-mp -BPIr七匚Ee工扩频后频谱如下_in刈h窜 萼 1 ndew H图4仿真结果的值1010,101Q-11C4E r i u-1 I=: r-卜与FJi.-,二hLFI-Jw-rna - 1 F

26、fILsA1:t1才1tIB置stsVsETES1rK直B1eVEIB9B-T1 s氐当-1r1S-KI-VSTS9BTssrE一L*rX.1、-一i-1r-ir 产 U L 1-一-L-A*r- rI-7-i 匚r-*-_|=-506信噪比旧日10图5信噪比和误码率的关系函数图象4.2.2 m 文件的仿真结果分析通过观察可知，信噪比越大，系统的误码率越小。这符合通信原理的规律。从图中还可得知，在负的信噪比条件下，扩频通信系统还能有比较小的误码率。可知扩频系统的抗干扰性能很好，能在负信噪比条件下工作。这是因为扩频系统特有的频谱扩展特点和特有的解扩技术，能使有用信号淹没在伪噪声之中，通过相关解扩

27、将之还原。5. 实验总结此次仿真通过 MATLAB 的 SIMULINK 仿真实现了扩频系统从PN 码产生到扩频和调制后发送到通过加性高斯白噪声然后接收后解扩和解调还原的过程。 观察了几个阶段 的频谱，对比了各频谱之间的变化，分析了扩频系统抗干扰能力及其抗干扰的原因。除此之外， 还通过 m 文件的编程， 第一步观察了不同信噪比条件下扩频通信系统的误码率的大小。分析了扩频通信系统抗干扰能力的优越性。使用 SIMULINK 仿真和 M 文件仿真有各自的好处。SIMULINK 是可视化的，有模块库的支持，使用十分方便； M 文件仿真有很好的计算能力。他们都是通信仿真里面的两把利剑，有些大的系统可能会用到两者的混合仿真。所以，熟悉这两种仿真方式是通信仿真中必不可少的。此次仿真只是粗略地对扩频通信系统进行了仿真， 还有各种实际环境中的因素没有考虑。如：中频解调、信道的衰落、传输的损耗等等因素。在往后的仿真中，还可将上诉因素加入到系统中， 也可对不同扩频增益的扩频通信系统研究其不同信噪比下的误码率情况。由于篇幅有限，不再赘述。（此文档部分内容来源于网络， 如有侵权请告知删除， 文档可自行编辑修改内容，供参考，感谢您的配合和支持）编辑版 word