毕业设计（论文）-WCDMA系统研究与仿真

中国人民公安大学本科毕业论文（设计）27WCDMA系统研究与仿真摘 要：WCDMA（宽带码分多址）是一种无线通信技术，是中国联通目前采用的3G通讯标准，作为3G的主流标准，WCDMA技术已逐步走向成熟。本文首先对第三代通信系统中的WCDMA系统的发展历程和基本原理作了简要介绍，然后对其进行了系统的研究分析，分析了通信各个环节的运行机理，并利用Matlab软件中的Simulink模块对WCDMA的扩频系统进行仿真设计，并给出了实现方法和仿真结果，在给定条件下运行了仿真程序，得到了预期的结果。关键词：WCDMA；扩频；SimulinkResearch and Simulation of WCDMA SystemsAbstract: WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) is a wireless communication technology, China Unicoms 3G communication standard currently used as the mainstream 3G standard, WCDMA technology has gradually matured. This article first third-generation WCDMA communication system in a systematic study of the system were analyzed using Matlab Simulink software module for WCDMA, spread spectrum system simulation design, and gives an implementation and simulation results, then run the design under emulation program to get the desired results.Keywords: WCDMA; spread spectrum; Simulink目 录1.引言11.1移动通信系统发展历程和WCDMA的产生11.3 本文主要内容22WCDMA系统构成32.1WCDMA通信基本模型和主要参数:32.2信源编码与信源解码43.基于MATLAB的WCDMA系统的扩频实现方案123.1 Simulink简介123.2Simulink的功能123.3 Simulink 中常用的模块库133.4直接序列扩频通信的基本原理153.5扩频系统的总设计模型153.6BPSK 调制与解调203.7解扩与检波214.仿真参数设置以及结果分析224.1参数设置224.2 仿真分析25致 谢26参考文献271.引言1.1移动通信系统发展历程和WCDMA的产生上个世纪80年代，第一代(IG)模拟蜂窝移动通信系统虽然频谱利用率低、保密性能差，但是其实现了无线的语音通信，是人类从有线通信进入无线通信的标志。90年代初期，第二代(2G)数字蜂窝移动通信系统开始应用，它弥补了模拟无线通信的一些缺陷，并在无线话音的业务上增加了低速率的数据传输业务，但是其主要还是为了实现话音通信的无线化，不能为高速率的数据通信业务提供支持。所以近年来出现了2.5代移动通信系统，在一定程度上加强第二代移动通信系统数据传输的能力，但还是不能有效地支持高速率的数据通信业务，因此其进一步发展受到很大的限制。第三代移动通信系统是基于因特网的飞速发展、各种无线通信业务需求量的加大，人们对高速率数据传输迫切要求下应运而生。WCDMA全名是 Wideband Code Division Multiple Aeeess，中文译名为“宽带分码多工存取”，是在欧洲和日本几种技术的基础上，采用 MCFDD双工模式的一个ITU(国际电信联盟)标准，与GSM(Global System for Mobile Communications)网络具有很好的兼容性和互操作性，并能够为各种无线设备提供较高速率的数据传输。WCDMA系统的传输速率在局域网可达ZMb/S，在宽带网能达到384Kb/s，因此能够有效的支持无线话音、图像、数据以及视频通信业务。在人口密集的地方，第二代通信系统的语音线路容易产生堵塞，为了在一条线路上传送更多的语音呼叫信号，WCDMA采用了异步传输模式(ATM)，从而把呼叫数目成倍的提高，由原来的30个提高到300个。WCDMA系统解决了第二代移动通信系统在同一条传输通道中，同一时间内不能同时进行语音通信和数据传输的问题，它采用了电路交换和分包交换技术。其中用电路交换技术实现语音通信，通过分包交换技术用户在接听电话时可以访问因特网，大大提高了移动电话的使用效率。费用方面，由于第三代移动通信承载了语音业务和高速率的数据业务，因此它的费用可分为两部分。第一部分:语音通信所产生的费用，按照用户语音通信接入的时间进行计算。第二部分:数据业务，由于数据业务是通过分包交换技术实现的，因此它的费用计算不同与语音业务的按接入时间计算，而是通过数据的传送量来计算。1.2 3G移动通信几种技术方案的比较 WCDMA CDMA 2000 TD-SCDMA 多址接入方式 DS-CDMA MC-CDMA DS-CDMA 双工方式 FDD/TDD FDD TDD 载频间隔（MHz） 5 1.25 / 3.75 1.6 码片速率 （Mchip/s） 3.84 1.2288 / 3.6864 1.28 帧长 10ms 20ms 10ms（含两个子帧） 基站同步方式 不需要 GPS/GLONASS同步方式 GPS或者网络同步方式 功率控制 快速闭环功控：1500Hz； 外环功控 快速闭环功控：800Hz；外环功控 闭环功控：0200Hz； 外环功控 切换方式 扇区间软切换、小区间软切换和载频间硬切换 支持软切换和更软切换 接力切换 语音编码 AMR 8k/13k QCELP / 8k EVRC AMR 1.3 本文主要内容本文的主要内容可分为三个部分。第一部分主要介绍WCDMA系统的发展历程和基本原理以及与其他3G无线通信技术的区别；第二部分介绍系统的信号传输机理，并分析了各个环节的运行方式。最后一部分，利用MATLAB中的Simulink组件对WCDMA系统中的重要模块扩频部分进行了仿真设计，列出了具体的仿真方法，并进行了仿真实现，然后针对已经设计的扩频系统进行结果分析，主要包括关键步骤的结果分析，并得出最后结论，达到了预期的效果。2WCDMA系统构成2.1WCDMA通信基本模型和主要参数:系统组成如图1所示。图1 WCDMA系统的信号传输过程WCDMA是一个带宽直扩码分多址（DS-CDMA）系统，即通过用户数据与由CDMA扩频码得来的伪随机比特（称为码片）相乘，从而把用户信息比特扩展到宽的带宽上去。为支持很高的比特速率（最高可达2Mbps），采用了可变扩频因子和多码连接。使用3.84Mbps的码片速率需要大概5MHz的载波带宽。带宽约为1MHz的DS-CDMA系统，通常被称为窄带CDMA系统。WCDMA所固有的较宽的载波带宽使其能够支持高的用户数据速率，并且也具有某些性能方面的优势，例如增强的多径分集能力。网络运营商可以依据其运营牌照，以等级式的小区分层的形式，使用多个这样的5MHz载频来增加容量。实际的载频要根据载频间的干扰情况，以200kHz为一个基本单位在大约4.4-5MHz之间选择。WCDMA支持各种可变的用户数据速率，换句话说，就是它能很好地支持带宽需求的概念。在每个10ms期间，用户数据速率是恒定的。然而这些用户之间的数据容量帧与帧之间是可变的。这种快速的无线容量分配一般由网络来控制，以达到分组数据业务的最佳吞吐量。WCDMA支持两种基本的工作模式：频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。在FDD模式下，上行链路和下行链路分别使用两个独立的5MHz的载波；在TDD模式下只使用一个5MHz的载波，在上下行链路之间分时共享。上行链路是移动台到基站的连接，下行链路是基站到移动台之间的连接。TDD模式在很大程度上是基于FDD模式的概念和思想的，加入它是为了弥补基本WCDMA系统的不足，也是为了能使用ITU为IMT-2000分配的那些不成对频谱。2.2信源编码与信源解码WCDMA系统采用自适应多速率（Adaptive Multi-Rate，AMR）语音编解码技术，多速率声编码器是一个带8种信源速率的集成声码器，这8种速率包括：12.2kbps（GSM-EFR）、10.2kbps、7.95kbps、7.40kbps、（IS-641）、6.70kbps（PDC-EFR）、5.90kbps、5.15kbps和4.75kbps。AMR比特速率可以由无线接入网来控制。为了实现与现有无线网络的互连互通，有些模式与现有网络是相同的，比如，12.2kbpsAMR声码器相当于GSM-EFR编解码器，7.4bps相当于US-TDMA的声码器，而6.7kbps的相当于日本的PDC声码器。AMR声码器能够根据指令在20ms的语音帧间进行比特速率的切换，但是进行AMR模式切换时，需要使用带内信令。AMR声码器处理基于20ms的语音帧，相当于在采样频率为8000/s点时要处理160个样本。多速率声码器的编码方式为代数码激励线性预测编码。话音编码器输出的话音参数比特在传输之前需要按照它们的主观重要性来重新排序，并且重排后，还需要根据它们对错误的敏感性进一步重排。这些参数分为3种不同的重要级别：A、B、C级。A级是最敏感的，因此要采用最好的信道编码。AMR还包括了错误隐蔽机制。详细的说，帧置换的目的是隐蔽由丢失的语音帧带来的影响。当发生多个语音帧丢失时，通过消音来指示到用户的信道中断，以避免产生讨厌的杂音，这就是帧置换过程的好处。AMR声码器可以容忍A类比特大约1%的误帧率而不会带来话音质量的恶化。对应的A类比特的误比特率为万分之一左右。对于B类和C类来说，可以相对高一些。根据空中接口的负荷以及话音连接的质量，无线接入网络控制AMR语音连接的比特速率。在高负荷期间，比如忙时，就有可能采用较低的AMR速率在保证略低的语音质量的同时提供较高的容量。当然，如果移动终端离开了小区覆盖范围，并且已经达到了它的最大发射功率，可以利用较低的AMR速率来扩展小区的覆盖范围。因此，利用AMR编码，就有可能在网络容量、覆盖以及话音质量间按运营商的要求进行折中。概括的说，AMR编解码技术有以下几个特点：1.多速率：8种编码速率，从12.2Kbps到4.75Kbps。多种语音速率与目前各种主流移动通信系统使用的编码方式兼容，有利于设计多模终端2.根据用户离基站远近，自动调整语音速率，减少切换，减少掉话3.根据小区负荷，自动降低部分用户语音速率，可以节省部分功率，从而容纳更多用户2.3信道编码和交织编码目的：在原数据流中加入冗余信息，使接收机能够检测和纠正由于传输媒介带来的信号误差，同时提高数据传输速率。目前使用较多的是卷积编码和Turbo编码（1/2，1/3），使用编码增加了无效负荷和传输时间，适合纠正非连续的少量错误。交织目的：打乱原来的数据排列规则，按照一定的顺序重新排列。交织作用：减小信道快衰落带来的影响。交织示例：输入数据 A = (x1 x2 x3 x4 x5 x25)输出数据 A= (x1 x6 x11 x16 x25)1 6 11 16 212 7 223 8 234 9 245 10 25交织技术的优缺点：优点：交织技术是改变数据流的传输顺序，将突发的错误随机化。提高纠错编码的有效性。缺点：带来了附加的额外延时。在特殊情况下，若干个随机独立差错有可能交织为突发差错。2.4扩频与解扩扩展频谱（SS:Spread Spectrum)通信简称扩频通信。在发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽，在收端采用相同的扩频码进行相关解调来解扩以恢复所传信息数据。其理论基础为Shannon定理：C=B*log2(1+S/N)C：信道容量，单位b/s B：信号频带宽度，单位HzS：信号平均功率，单位WN：噪声平均功率，单位W结论：在信道容量C不变的情况下，信号频带宽度B与信噪比S/N完全可以互相交换，即可以通过增大传输系统的带宽以在较低信噪比的条件下获得比较满意的传输质量.CDMA采用的是直接序列扩频（DSSS），即将需要传送的信号与速率远大于信息速率的伪随机序列编码（扩频码）直接混合，这样调制信号的频谱宽度远大于原来信息的频谱宽度。系统原理如图2和图3所示。高速扩频序列低速信号TX解调信号RX高速扩频序列扩频信号图2 扩频原理框图 图3 扩频前后的频谱对比解扩：一般采用相关检测或匹配滤波的方法来解扩。 所谓相关检测，一个简单的譬喻就中去寻找某个不相识的人，最简单有效的方法就是手里有一张某人的照片，然后用照片一个一个的对比，这样下去，自然能够找到某人。同理，当你想检测出所需要的有用信号，有效的是用像片去对照找人。如果想在一群人方法是在本地产生一个相同的信号，然后用它与接收到的信号对比，求其相似性。换句话说，就是用本地产生的相同的信号与接收到的信号进行相关运算，其中相关函数最大的就最可能是所要的有用信号。2.5调制与解调调制的作用是把需要传递的信息送上射频信道。采用不同的调制方式可以极大地影响空中接口提供数据业务的能力：R99/R4：采用QPSK，下行最大数据速率2.7MbpsHSDPA：采用16QAM，下行最大数据速率14.4Mbps2.6射频系统上面详细讨论了扩频调制和相关解扩的问题。但是直扩系统总是离不开发射机把信号通过天线辐射出去，也离不开天从空间收到的信号经接收机再进行处理。射频系统就是指的发射机相接收机而言。现在的问题是常规的窄带通信系统的收发信机能不能用在直扩系统呢? 回答是否定的。不应忘记直扩信号是宽带信号。直扩系统就必须具有适应这种宽带PN码信号的特点。下面就是一些直扩射频系统的特点。直扩发射机常见时中频是70MHz，此时调制信号的带宽不超过20MHz。射频频率由中频变频得到，而不用倍频。因为倍频能使相位关系产生变化，会改变或甚至完全去掉DS调制。对于末级功率放大器，则要求其要有足够的带宽，以允许直扩信号可以顺利的通过。保持线性放大当然是希望的，但要求并不十分严格，因相位特性非线性不致引起大的问题。射频系统阻抗匹配很重要，特别要注意使电压驻波比达到一定的要求，因为在宽带运用时频率范围很广，驻波比会随频率而变，应使阻抗在宽度范围内尽量匹配。直扩接收机的问题要复杂一些，因为除有用宽带信号外，还存在其他干扰信号。直扩系统接收机的线性很重要，限幅会引起6dB信噪比的损失。从接收机前端到相关器要求保持线性，不仅在信号范围内，也包含干扰。自动增益控制只能部分地解决问题。通常应尽量把相关器靠近前端，使相关器前高电平级尽量的少，这样做的结果也降低了对本振信号电平的要求。另外，一般认为接收机前端最好能复盖整个宽频带，用改变本振频率经混频得到固定的中频信号。但由于干扰信好的存在，这会导致大量的干扰信号落入中频通带内，故一般最好不用宽带放大。一个理想的直扩接收系统应使有用信号得到放大，而干扰信号被滤除。故接收机前端应调谐在PN码钟率的两倍。当然，实际上有多种接收机的结构可供我们选择。2.7 RAKE接收机在CDMA扩频系统中，信道带宽远远大于信道的平坦衰落带宽。不同于传统的调制技术需要用均衡算法来消除相邻符号间的码间干扰，CDMA扩频码在选择时就要求它有很好的自相关特性。这样，在无线信道中出现的时延扩展，就可以被看作只是被传信号的再次传送。如果这些多径信号相互间的延时超过了一个码片的长度，那么它们将被CDMA接收机看作是非相关的噪声，而不再需要均衡了。由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以CDMA接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。其实RAKE接收机所作的就是：通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并把它们合并在一起。图4-2所示为一个RAKE接收机，它是专为CDMA系统设计的经典的分集接收器，其理论基础就是：当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上可被看作是互不相关的。图4 RAKE接收机框图带DLL的相关器是一个具有迟早门锁相环的解调相关器。迟早门和解调相关器分别相差1/2（或1/4）个码片。迟早门的相关结果相减可以用于调整码相位。延迟环路的性能取决于环路带宽。由于信道中快速衰落和噪声的影响，实际接收的各径的相位与原来发射信号的相位有很大的变化，因此在合并以前要按照信道估计的结果进行相位的旋转，实际的CDMA系统中的信道估计是根据发射信号中携带的导频符号完成的。根据发射信号中是否携带有连续导频，可以分别采用基于连续导频的相位预测和基于判决反馈技术的相位预测方法。如图6、图7所示。图5 基于连续导频信号的信道估计方法图6 使用判决反馈技术的间断导频条件的信道估计方法LPF是一个低通滤波器，滤除信道估计结果中的噪声，其带宽一般要高于信道的衰落率。使用间断导频时，在导频的间隙要采用内插技术来进行信道估计，采用判决反馈技术时，先硬判决出信道中的数据符号，在已判决结果作为先验信息（类似导频）进行完整的信道估计，通过低通滤波得到比较好的信道估计结果，这种方法的缺点是由于非线性和非因果预测技术，使噪声比较大的时候，信道估计的准确度大大降低，而且还引入了较大的解码延迟。延迟估计的作用是通过匹配滤波器获取不同时间延迟位置上的信号能量分布（如图4-5所示），识别具有较大能量的多径位置，并将它们的时间量分配到RAKE接收机的不同接收径上。匹配滤波器的测量精度可以达到1/41/2码片，而RAKE接收机的不同接收径的间隔是一个码片。实际实现中，如果延迟估计的更新速度很快（比如几十ms一次），就可以无须迟早门的锁相环。图7 匹配滤波器的基本结构延迟估计的主要部件是匹配滤波器，匹配滤波器的功能是用输入的数据和不同相位的本地码字进行相关，取得不同码字相位的相关能量。当串行输入的采样数据和本地的扩频码和扰码的相位一致时，其相关能力最大，在滤波器输出端有一个最大值。根据相关能量，延迟估计器就可以得到多径的到达时间量。从实现的角度而言，RAKE接收机的处理包括码片级和符号级，码片级的处理有相关器、本地码产生器和匹配滤波器。符号级的处理包括信道估计，相位旋转和合并相加。码片级的处理一般用ASIC器件实现，而符号级的处理用DSP实现。移动台和基站间的RAKE接收机的实现方法和功能尽管有所不同，但其原理是完全一样的。对于多个接收天线分集接收而言，多个接收天线接收的多径可以用上面的方法同样处理，RAKE接收机既可以接收来自同一天线的多径，也可以接收来自不同天线的多径，从RAKE接收的角度来看，两种分集并没有本质的不同。但是，在实现上由于多个天线的数据要进行分路的控制处理，增加了基带处理的复杂度。3.基于MATLAB的WCDMA系统的扩频实现方案3.1 Simulink简介Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和 综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观 的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。S imulink 具有适应面广、结构和流程清晰及 仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 S imulink 已被广泛 应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。3.2Simulink的功能Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于 MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。S imulink可以连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率 系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单 击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink 是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。 对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，S imulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。3.3 Simulink 中常用的模块库（1）信宿（S inks）模块库：包括显示或将输出回写的模块。Display 显示输 入的值；Output 创建子系统的输出端口或外部输出端口；Scope、F loat Scope 显示 仿真时产生的信号；StopSimulation 当输入不等于零时停止仿真；Terminator 将未 连接的输出端口作为终端；XY Graph 显示 XY 坐标图。（2）信源（Sources）模块库：包括产生各种信号的模块。BandLimited White Noise 为连续系统引入白噪声；C hirp S ignal 产生一个扫频信号；C lock 产生和显示 仿真时间；Constant 产生一个常量值；Digital C lock 在特定的采样间隔产生仿真时 间；Ground 将未连接的输入端口接地等。（3 ） 连续（Continuous）模 块库： 包括 线性函 数模型 。包 括有微 分单元（Derivative）积分单元（Integrator）、线性状态空间系统单元（StateSpace）、 线性传递函数单元（Transfer Fen）、延时单元（Transport Delay）、可变传输延时单 元（Variable Transport Delay）、指定零极点输入函数单元（ZeroPole）。（4）数学操作（Simulink Math Operations 和 FixedPoint Blocket Math）模块 库：包含常用的数学函数模块。包括输入信号绝对值单元（Abs），计算一个复位 信号幅度与或相位单元（Complex to MagnitudeAngle），计算一个复位信号的 实部与虚部单元（Complex to RealImag）等数学函数。（5）通信模块库（Comunications Blockset）信源（Comm Sources）：在这个库中，可以形成随机或伪随机信号，也可以读 取文件或模拟压控振荡器（VCO）来产生非随机信号。Bernoulli Random Binary Generator 模块：产生伯努利分布的二进制随机数。Binary Vector Noise Generator 模块：产生可以控制1的个数的二进制随机向 量。RandomInteger Generator 模块：产生范围在（0M-1）内的随机整数。Poission Int Generator 模块：产生洎松分布的随机整数。 PN Sequence Generator 模块：产生伪随机序列。 Gaussian Noise Generator 模块：产生离散高斯白噪声。 Rayleigh Noise Generator 模块：产生瑞利分布的噪声。Uniform Noise Generator 模块：产生在一个特定区域内的均匀噪声。Voltage-Controlled Oscillator 模块：实现压控振荡器。信宿（Comm S inks）：此库中提供了信宿和显示的模块，以使对通信系统的分 析更加简便。Triggered Write to F ile 模块：在输入信号上升沿向文件写入数据。 Enor Rate Calculation 模块：计算输入信号的误比特率和误符号率。 信源编码（Source Coding）模块库：信源编码分为两个基本步骤：信源编码和信源译码。信源编码用量化的方法将一个源信号转化成一个数字信号。所得信 号的符号都是在某个有限范围内的非负整数。信源译码就是从信源编码的信号恢 复出原来的信息。信道（Channel）模块库：提供各种通信信道模型，比如高斯白噪声信道等。错误侦测与校验（Enor Detection Correction）模块库：提供用于分析输入输出的模块，比如计算误码率的模块。调制解调（Modulation）模块：分为数字调制解调和模拟调制解调，再细分又 可分为幅度调制、相位调制以及频率调制。3.4直接序列扩频通信的基本原理直接序列扩频系统（DS，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, 其基本原理为：在发送端，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，恢复出来原来的信息。在直扩系统中，由于干扰信号与伪随机序列不相关，在接收端被扩展，使落入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。3.5扩频系统的总设计模型扩频通信系统主要组成分为7个部分，分别为信源部分、扩频部分、调制部分、信道传输部分、解调部分、解扩部分和信宿部分。其系统组成框图如图8所示. 图8 扩频系统的系统框图首先发端输入的信息先经过信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽以后的信号调制到射频发送出去。在接收端接收到宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发送端相同的扩频码序列去解扩。最后经信息解调，恢复成原始信息输出。相比较于我们通常所用的通信系统(窄带通信)，可以将扩频通信系统称“宽带通信”系统，因为传输信号所占据的带宽(W)远大于原始信息本身实际所需的最小(有效)带宽(AF)。扩频系统的可行性，是从信息论的基本公式引申而来的。信息论中有关信息容量的香农(Shannon)公式为: 式中，C为信道容量，W为信号频带宽度，P为信号功率，N为白噪声功率。在给定的信息传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比PIN是可以互换的。即可以通过增加频带宽度的方法来降低信噪比。当带宽增大到一定程度，允许信噪比很低，有用信号功率接近噪声功率，甚至淹没在噪声中。扩频通信系统正是利用带宽的扩展来降低对信噪比的要求。这样就可以大大的提高通信系统的抗干扰能力。由前面对于扩频系统的分析可以知道，在扩展频谱通信中需要用到高码率的窄脉冲序列。目前使用的最多的是伪随机码，或者称为伪噪声码(PN).这种码序列最重要的特性就是具有近似于随机信号的性能。而因为噪声具有完全的随机性，所以我们也可以说它具有近似噪声的性能。但是，真正的噪声序列是不能重复再现和产生的，我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，所以就称为伪随机码或者PN码。我们选用随机信号或具有噪声性能的信号来传输信息是因为，理论研究表明，在信息传输中各种信号之间的差别越大越好，这样两个信号就不容易混淆，也就是说，相互之间不易发生千扰，所以就不会发生误判。理想的传输信息的信号形式应该是类似噪声的随机信号，因为取任何时间上的两段噪声来比较都不会完全相似，当用它们来代表两种信号的时候，其差别就最大。在设计扩频码时应该具有的如下理想特性:1)有尖锐的自相关特性;2)有处处为零的互相关:3)不同码元数平衡相等;4)有足够的编码；5)有尽可能的复杂度；6)工程上易于实现。在此次仿真中，系统的信源采用一个随机整数产生序列，扩频部分利用 PN 码与输入的信号进行扩频，扩频后等待送入信道。扩频模块仿真用 MATLAB 工具箱中的 Simulink通信仿真模块实现，其仿真模型如图9所示.图9 扩频的仿真模型扩频后的信号经由QPSK模块调制，然后经过AWGN信道： 图10 AWGN信道模型 最后经过解扩得到原来的波形，整个扩频系统的模型如图11所示。图11 扩频系统模型仿真运行后的波形图如图12、图13和图14所示： 图12 波形输入 图13 PN码波形图 图14 PN码扩频后的波形输出3.6BPSK 调制与解调本次仿真采用的是BPSK调制，调制与解调Simulink 模型及用户信息经 BPSK调制后波形如图15和图16所示。图15 用户经BPSK 调制之后的波形输出 图16 用户经BPS K 解调之后的波形输出3.7解扩与检波解扩时使用的 PN 码和扩频时使用的一致。这样才能保证解扩出相应的信息。解扩波形如图17所示。 图17 用户解扩的波形输出4.仿真参数设置以及结果分析4.1参数设置扩频调制组成部分为信源，PN码发生器等。仿真参数设定为：数码率为1Kb/s，扩频码长为255bit，扩频码率为255kb/s。打开Mat1b界面，选择Simulk子软件，打开Simulink Library Browser,输入关键词,如PN Sequence Generator,只需要输入PN即可，Simulink Library Browser会自行搜索包含这两个字母的模块。1. PN码发生器PN码发生器用于生成扩频码，生成的是0,1分布的序列，需要通过极性转换器将其转换为-1，+1分布的序列才可以通过乘法器直接相乘，进行BPSK调制。具体的参数设置如图18所示。图18 PN码发生器参数设计图PN码发生器参数设计中Generator polynomial是m序列的参数设置，仿真中设置为100011101。Initial states 是初始状态，这个值可以自行设定，只是不能出现全“0”态。Output mask vector 是偏移覆盖矢量，主要是将生成的PN码平移。该参数一般和初始状态共同作用，平时保持默认0即可。Sample time 是采样时间，也就是PN码速率的设定值，由于PN码发生器采用的是m码序列，8阶m码发生器一个周期只有255bit，所以这里的码速率设定为255kb/s。3频谱示波器的参数设置比较复杂，具体如图19所示。图19 频谱示波器参数设置图频谱示波器的参数设置分为4部分：第一部分示波器属性(Scope Properties),主要是负责设置示波器的输入特性；第二个部分为显示特性(Display Properties),主要负责显示界面上的设置；第三个部分为坐标轴属性(Axis Properties)，在本仿真中需要将Axis Properties中横坐标范围从0,fs/2变为-fs/2,fs/2；第四个部分是线属性(Line Properties),保持默认值即可。这里主要介绍示波器属性。第一个选择框是“Buffer input”，如果选中，则进入的采样值会先形成一个帧，在进行FFT变换，如果没有选中，则需要在外部设置一个Buffer input模块，否则无法进行FFT变换，频谱示波器也不会有显示。Buffer size 表示帧的长度，这里保证帧的长度覆盖一个PN码周期，具体的设定还需要看实际情况而定，仿真中设定帧长为1024bit。Specify FFT length 用来输入FFT变换的长度。如果选中这个选项，下面就会出现输入FFT长度的输入框，没有选中则输入框不会出现。4.2 仿真分析运行程序文件，即开始仿真。设计程序的功能是利用PN码发生器对输入信号进行扩频调制。仿真结束后，双击模块的示波器，即可观察到输入信号和输