DS扩频通信系统抗窄带干扰性能研究资料.pdf
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1、- I - DS扩频通信系统抗窄带干扰性能研究 边# (陕西理工学院物理与电信工程学院通信班,陕西汉中723003) 指导教师:陈莉 摘要扩频通信技术是现代通信系统中的一种新兴的通信方式,其较强 的抗干扰、抗衰落和抗多径性能以及频谱利用率高、多址通信等诸多优点越来越为人 们所认识,并被广泛地应用于军事通信和民用通信的各个领域,从而推动了通信事业 的发展。 文中主要阐述了扩频通信技术的理论依据和基本概念,结合扩频通信技术的分类 和原理简单介绍了直接序列扩展频谱、跳频扩频通信系统、频率跳变-直接序列混合 系统。并以伪随机码序列作为扩频函数的直接序列扩展频谱通信系统的模型为例,重 点讨论其抗干扰能力
2、,并在此理论基础上建立起直接序列扩频通信系统抗正弦干扰、 抗窄带干扰的仿真模型。最后,简单概述了扩频通信的发展趋势,及它的两个主要应 用。 关键词 扩频通信 , 直接序列扩频通信 , 抗干扰, 仿真 中图分类号 TN771 文献标志码 A - II - Study of narrowband interference suppression in DS spread spectrum communication system Bian # # (Grade10,Class4,Major of Communication Engineering , School of Physics and t
3、elecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,China) Tutor: Chen Li Abstract Spread spectrum communication technology is the modern communication system of a new kind of communication mode, its strong anti-interference, fight decline and spectrum anti-multipath pe
4、rformance and high efficiency and multi-access communication, and many other advantages for people place more and more understanding, and is widely used in military communications and civil communication each domain, so as to promote the development of the cause of the communication. This paper main
5、ly expounds the spread spectrum communication technology the theoretical basis and basic concept of combining the spread spectrum communication technology principle and the classification of the brief introduction the direct sequence spread spectrum, frequency-hopping spread spectrum communication s
6、ystem, frequency hopping - direct sequence mixing system. And with pseudo-random code sequence as the direct sequence spread spectrum function model of spread spectrum communication system as an example, mainly discussed the anti interference ability, and based on this theory in establish direct seq
7、uence spread spectrum communication system fight sine interference, a simulation model of narrowband interference resistance. Finally, simple summarizes the development trend of spread spectrum communication, and its two main application. Key words spread spectrum communication, Direct Sequence Spre
8、ad Spectrum Communication Systems, anti-interference, emulation Chinese Library Classification TN771 Document code A - 1 - 目 录 摘要 . I Abstract II 1 绪论.1 1.1 扩频通信系统的发展 2 1.2 仿真软件 MATLAB 概述 3 1.3 本次课程设计工作 4 2 扩频通信技术原理 . 5 2.1 扩频通信的理论基础 5 2.2 扩频通信系统的分类 6 3 直接序列扩频系统 . 8 3.1 直接序列扩频通信系统简介. 8 3.2 直接序列扩频通信系
9、统抗干扰性能分析 . 10 3.2.1 直扩系统的抗窄带干扰能力 . 11 3.3 直扩系统的特点 12 4 直扩系统性能分析和仿真 . 14 4.1 建立抗窄带干扰仿真模型 14 4.2 仿真结果及其分析 15 心得 16 致 谢 17 参考文献 18 附 录 19 通 信 原 理 课 程 设 计 - 2 - 1 绪 论 扩展频谱通信(简称扩频通信)技术是当今信息社会最为先进的无线电通信技术 之一,由于扩频技术具有抗干扰能力强、抗截获、抗多径、多址能力强、保密性好及 测距精度高等一系列优点,因而越来越受到人们的重视。随着大规模和超大规模集成 电路技术、微电子技术、数字信号处理技术的迅猛发展,
10、以及一些新型器件的出现, 使得扩频技术在无线局域网,2G、3G 移动通信,卫星全球定位,军用通信,航天通 信和深孔探测等诸多领域得到了较为广泛的应用。 1.1 扩频通信系统的发展 扩频通信 (spread spectrum communication)是近几年内迅速发展起来的一种通信技 术。在早期研究这种技术的主要目的是为提高军事通信的保密和抗干扰的性能,因此 这种技术的开发和应用一直是处于保密状态。美国在20世纪 50 年代中期,就开始了 对扩频通信的研究,当时主要侧重在空间探测、卫星侦察和军用通信等方面。以后, 随着民用通信的频带拥挤日益严重,又由于近代微电子技术、信号处理技术、大规模 集
11、成电路和计算机技术的快速发展,与扩频通信有关的器件的成本大大地降低,从而 进一步推动了扩频通信在民用领域的发展金额应用,而且也使扩频通信的理论和技术 也得到了进一步的发展。目前在军事上,它已经广泛应用于各种战略和战术通信的系 统中,成为电子战中反干扰的一种重要的手段。扩频技术在军事应用上的最成功的范 例可以以美国和俄国的全球卫星定位系统(GPS和GLONASS)以及美军的联合战术分布 系统(JTIDS)为代表; GPS和GLONASS在民用上也都得到了广泛的应用,这些系统的 技术基础就是扩频技术。扩频的码分多址技术应用于蜂窝移动通信中时,大大降低了 噪声和衰落的影响,同时还避免了复杂的频率分配
12、和时隙划分等技术上的困难,并可 以省去保护频带或时隙,极大地提高了蜂窝通信系统中小区的频率复用度,使信号频 谱利用率得到提高。 1990年1月,国际无线电咨询委员会(CCIR,现为 ITUR)在研究未来 民用陆地移动通信系统的计划报告中已明确地建议采用扩频通信技术。美国已制定出 了基于 CDMA 蜂窝技术的 IS-95标准, Samsung 、Motorola等公司也已相继推出了各自 的CDMA 移动通信商用实验网已开通运行,并取得了良好的效果。 扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用,到目前为止,其最主要的 两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统,而跳频系统与直扩系统则分别是
13、在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而言,跳频系统主要在军事通信中对抗故意 干扰,在卫星通信中也用于保密通信,而直扩系统则主要是一种民用技术。面对全世 界范围内对移动通信日益增加的要求,CDMA 将是无线通信中最主要的多址介入手 通 信 原 理 课 程 设 计 - 3 - 段。在本世纪,扩频技术将得到更加广泛的应用。 从扩频技术的历史可以看出,每一次技术上的大发展都是由巨大的需求驱动的。 军事通信抗干扰的驱动以及个人通信业务的驱动使得扩频技术的抗干扰性能和码分多 址能力得到最大限度的挖掘。展望未来,第四代移动通信系统(4G)的驱动无疑会使扩 频技术传输高速数据的能力得到更大的拓展。 1.2 仿
14、真软件 MATLAB 概述 MATLAB 是由美国 MathWorks公司推出的软件产品。MATLAB 原意为 “ 矩阵实验 室( “ Matric Laboratory” 的缩写 ),它是目前控制界国际上最流行的软件,它除了传统的 交互式编程之外,还提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据和图象处理、 Windows编程等便利工具。 MATLAB 还配备了大量工具箱,特别是还提供了仿真工具 软件SIMULINK 。MATLAB 在80年代一出现,首先是在控制界得到研究人员的瞩目。 随着MATLAB 软件的不断完善,特别是仿真工具SIMULINK 的出现,使 MATLAB 的应 用范围越来越广
15、。随着 MATLAB 库函数和仿真工具箱的不断扩充,使其在系统仿真与 分析、信号处理、图像处理等方面的应用越来越广泛。MATLAB 具有 3 大特点: (1)功能强大,包括数值计算和符号计算,计算结果和编程可视化,数学和文 字统一处理,离线和在线皆可计算; (2)面友好,语言自然。MATLAB 以复数矩阵为计算单元,指令表达与标准教 科书的数学表达式相近; (3)开放性强。 MATLAB 有很好的可扩充性,可以把它当作一种更高级的语言 去使用,可容易地编写各种通用或专用应用程序。正是由于MATLAB 的这些特点, 使它获得了对应用学科(特别是边缘学科和交叉学科)的极强适应力,并很快成为应 用学
16、科计算机辅助分析设计、仿真、教学乃至科技文字处理不可缺少的基础软件,成 为欧美高等院校、科研机构教学与科研必备的基本工具。 在 MATLAB 中,Simulink 是一个比较特别的工具箱,它具有两个显著的功能: Simu(仿真)与Link(链接) ,是实现动态系统建模、仿真的一个集成环境。具有模 块化、可重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点,可大大提高系统仿真的效 率和可靠性;同时进一步扩展了MATLAB 的功能,可实现多工作环境间文件互用和 数据交换。 Simulink 提供了友好的图形用户界面(GUI) ,模型由模块组成的框图来 表示,用户建模通过简单的单击和拖动鼠标的动作就能完成。
17、Simulink 的模块库为用 户 提 供 了 多 种 多 样 的 功 能 模 块 , 其 中 有 连 续 系 统 ( Continuous) 、 离 散 系 统 (Discrete) 、非线性系统( Nonlinear)等几类基本系统构成的模块,以及连接、运算 模块。而输入源模块(Sources )和接收模块( Sinks)则为模型仿真提供了信号源和 结果输出设备。本文就是利用编制MATLAB 仿真 m 文件进行直接序列扩频通信系统 通 信 原 理 课 程 设 计 - 4 - 的性能仿真及其分析。 1.3 本次课程设计工作 这次课程设计是围绕我们上学期所学的通信原理这门课而展开的,此外也包
18、括计算机文化基础 、 高级程序设计 、 微型计算机原理与接口技术、 EDA 技 术本次等学科内容。课程设计的任务是让我们设计、编程并测试一个小型的通信电 路系统,其中需要我们综合运用通信原理课程的知识,通过调查研究、查阅资 料、方案论证与选定;设计和选取硬件电路;设计相应的程序、组装和调试电路系 统,测试指标及分析讨论,进一步来完成设计任务。 扩频通信技术本身的优越性,使其成为未来通信方式的主流。而直接序列扩频通 信系统实扩频通信系统应用广泛的一种方式,本文主要分析了直接序列扩频通信系统 的基本通信原理,说明其抗干扰的性能。并根据数学分析模型建立MATLAB 仿真模型 进行系统性能分析,主要有
19、:抗正弦干扰、窄带干扰,进而对仿真结果进行分析说明 直扩系统的性能。本次课程设计中,我的课题便是与直接序列扩频相关的-直接序列 抗窄带扩频系统性能研究。 通 信 原 理 课 程 设 计 - 5 - 2 扩频通信技术原理 扩展频谱( SS, Spread Spectrum,简称扩频)技术具有许多特有的优点。将其用于 通信系统中,可以大大提高通信系统的抗干扰性能。将其用于移动通信系统,不但可 以实现 CDMA移动通信系统,而且能减轻甚至消除由于移动信道多径时延扩展所引 起的频率选择性衰落对数字移动通信系统性能的影响。扩频通信技术已成为当今无线 电通信的主流技术。 2.1扩频通信的理论基础 扩频通信
20、技术是一种信息传输方式,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需要的带宽,在收端采用相同的扩频码进行相关处理后再进行解 调,以恢复所传信息数据,进而使通信更安全可靠。 在扩频通信系统中,信号格式的设计思想与窄带概念是信息论的奠基者Claude E.Shannon在20世纪 40年代提出的。根据无线传输信道容量的理论公式,即香农公 式: C=B lb(1+S/N) 式中: C是信道可能传输的最大信息速率,即信道容量,单位为b/s ;B为信号频 带宽度 , 单位为 Hz;N为白噪声的平均功率, S是信号的平均功率,单位为W 。从上式中 可以看出:在信噪比很小的条件下,可以用增加
21、带宽的办法来提高系统的抗干扰性 能,以保证信道容量不变。换句话讲,在信道容量相同的条件下,宽带系统比窄带系 统的抗干扰性能要好,所以当信噪比太小而且不能保证通信质量时,可以采用增加带 宽的方法来改善通信质量。 需要指出的是,当 B增加到一定程度后,信道容量C 不可能无限的增加。有香农公 式可知,信道容量 C与信号带宽 B成正比,增加 B,势必会增加 C,但当 B增加到一定程 度后, C增加缓慢。由于 N=nB ,因而随着 B增大, N也要增加,从而使信噪比下降,影 响到C的增加。 由于扩频技术在传输扩频信号时,并不增加发射信号的平均功率,仅是将要传输 的信号的频带扩展后,再进行传输的。因此扩频
22、通信系统在信道上传输的信号功率谱 密度就很低。这种系统可以在信噪比很小的情况下,甚至在信号已被噪声淹没的情况 下,仍可保持可靠的通信。扩频通信的基本特点是传输信息所用的信号带宽远大于信 息本身的带宽,也因为如此,扩频通信具有一些其它通信方式无法比拟的优越性: (1)扩频通信最为显著的优越性是其极强的抗干扰性。由于扩频系统采用了扩 展频谱技术,将信号扩展到很宽的频带上,在接收端对扩频信号进行带宽压缩,恢复 通 信 原 理 课 程 设 计 - 6 - 成窄带信号。对干扰信号而言,由于与扩频信号不相关,故被扩展到一个很宽的频带 上使之进入信号的通频带内的干扰功率大大降低,相应的增加了相关器输出端的信
23、噪 比,因而扩频系统具有较强的抗干扰能力。扩频系统的抗干扰能力主要取决于系统的 扩频增益,或称为处理增益。 (2)扩频通信的另一个优越性是其隐蔽性好。扩频通信本身就是一种多址通 信,即扩频多址( SSMA ,Spread Spectrum Multiple Access) 。由于扩频信号的频带 较宽,所以信号的功率谱密度很低,近似于噪声,有的系统可在-20-15dB,敌方不 容易发现信号的存在,在战争中,扩频信号的被截获率很低,可以进行隐蔽通信。从 民用通信方面来说,由于扩频信号的隐蔽性好,它对目前使用的各中窄带通信系统干 扰很小。理论和实验证明,在原有的窄带通信的频带内同时进行扩频通信,不需
24、要分 配另外的频段,即可实现。 (3)扩频通信可以很容易地实现码分多址,提高频带的利用率。由于扩频通信 中存在扩频码序列的扩频调制,利用不同码型的扩频码序列之间优越的自相关性和互 相关性,对不同的用户分配不同的码型,使多个用户公用一个宽频带,提高了系统的 容量。同时还有利于组网、选呼、增加保密性及解决新用户随时入网的问题。 除此之外,扩频通信还具有良好的抗多经干扰的能力,使无线通信的性能变得更 加可靠。除通信以外,扩频系统还可用于定时、定位及测距,应用在导航、雷达等系 统中。 2.2 扩频通信系统的分类 通信理论和通信技术的研究是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题 展开的所以有效性和
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- DS 通信 系统 窄带 干扰 性能 研究 资料
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