Spread Spectrum Communication System and MATLAB Simulation
Abstract: This thesis expounds the basic principles of spread spectrum communication , and then the article mainly acts according to the Shannon theorem and tan oak Czechoslovakia you Nepal may the husband latent antijamming theory,With the aid of MatLab toolbox and Monte Carlo simulation algorithm,it has established the direct sequence spread spectrum communications system simulation model which does not have when the disturbance through the analysis error rate simulation curve and theory predicted value,had proven constructs the simulation model the accuracy.
Key words：Spread spectrum；communication；MATLAB
1 Introduction
1.1 Spread Spectrum Communication System
Spread spectrum communication, namely, spread spectrum communications (Spread Spectrum Communication), with fiber-optic communications, satellite communications, with access to the information age as the three major high-tech communications transmission. Spread spectrum communication is to send the information to be pseudo-random data is coded (spread spectrum sequence: Spread Sequence) modulation, spread spectrum and then the realization of transmission; the receiving end is using the same modem code and related processing, the restoration of the original data. Spread spectrum communication system has three main characteristics.
Carrier is an unpredictable or so-called pseudo-random broadband signal. Carrier data bandwidth than the modulation bandwidth is much wider.
Receiving process is generated by local broadband carrier signal and receiving a copy of the signal to the broadband signal to achieve.
The main way of spread spectrum are as follows: Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) using high-speed pseudo-random code on to the low-speed data transmission spread spectrum modulation; Frequency-hopping system using pseudo-random code to control the carrier frequency in a wider band of the change; TH is the data transmission time slot is a pseudo-random; Chirp frequency system is a linear extension of the process of change. Combination of a number of ways of hybrid systems is often applied.
The most important measure of spread-spectrum system is an indicator of spreading gain, also known as processing gain. It is precisely because of the spread spectrum system itself with its performance characteristics with a series of advantages.
1.2 The purpose of spread spectrum communication studies and significance
Spread spectrum communication is an important branch of communication and channel the direction of development of communication systems. Spread-spectrum technology, with strong anti-interference ability, confidentiality, and is easy to realize the advantages of multiple-access communications, so the technology is receiving increasing attention. In recent years, with very large scale integrated circuit technology, the rapid development of microprocessor technology, as well as the application of some new components, spread spectrum communications is technically feasible to enter a new level, not only in an important military communications status, and are quickly penetrated into the personal communications and computer communications and other civilian areas, to become the new century, the most potential of communication technologies. The study is spread spectrum communication with far-reaching significance, I through the thesis the design, conduct in-depth study of the spread spectrum communication technology and its applications for simulation, knowledge will be summarized and summed in order to consolidate the basic knowledge of communications for the After the individual to lay a foundation to study and work.
2 The basic principles of spread spectrum communication
2.1 The definition of spread spectrum communication
The so-called spread spectrum communications, can be simply expressed as follows:'Spread spectrum communication technology is a means of information transmission, Share some of its signal bandwidth is much larger than the minimum mass of information necessary bandwidth. The expansion of the band through a separate code sequence to complete, using the method of coding and modulation to achieve, with the mass of information has nothing to do. Receiving end in the same synchronization code related to receiving, despreading and recovery of the mass data. 'This definition includes the meaning of the following three aspects:
1) The signal spectrum by a broadening.
We know that the transmission of any information needs to a certain bandwidth, as the information bandwidth.For example, the human voice information bandwidth of 300Hz --- 3400Hz, television image information bandwidth of MHz. In order to make full use of frequency resources, which are roughly the same as far as possible the signal bandwidth to transmit information. In the radio communication bandwidth RF signals with the mass of information is comparable to the bandwidth. Such as the AM signal used to transmit voice messages, voice messages of their bandwidth for twice the bandwidth. Television broadcasting RF signal bandwidth is only the video signal bandwidth more than doubled. These are among the narrow-band communications. General FM signal, or pulse code modulation signals, their bandwidth and the information ratio of bandwidth to only a few dozen. Spread spectrum communication signals and information bandwidth than the bandwidth of up to 100 --- 1000, belonging to broadband communications. Why use such a wide-band signal to transmit information? Do not waste valuable resources in the frequency of it?
2)The use of spread-spectrum code sequence modulation signal approach to broadening the spectrum.
We know that in time limited signal, its spectrum is infinite. For example, very narrow pulses, the spectrum is very wide. Sig
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扩频通信系统及MATLAB仿真
摘 要：本文先阐述了扩频通信的基本原理、主要性能指标及其工作特点, 然后本文根据香农定理和柯捷尔尼可夫潜在抗干扰理论,借助MatLab工具箱和Monte Carlo 仿真算法,建立了直接序列扩频通信系统仿真模型. 通过分析无干扰时的误码率仿真曲线与理论计算值,证明了所建仿真模型的正确性。
关键词：扩频；通信；MATLAB。
1 引言
1.1 扩频通系统概述
扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码(扩频序列：Spread Sequence)调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。扩频通信系统具备3个主要特征：
载波是一种不可预测的，或称之为伪随机的宽带信号
载波的带宽比调制数据的带宽要宽得多
接收过程是通过将本地产生的宽带载波信号的复制信号与接收到的宽带信号相关来实现的。
频谱扩展的方式主要有以下几种:直序扩频(DSSS)使用高速伪随机码对要传输的低速数据进行扩频调制；跳频系统则利用伪随机码控制载波频率在一个更宽的频带内变化；跳时则是数据的传输时隙是伪随机的；线性调频系统中的频率扩展则是一个线性变化的过程。几种方式组合的混合系统也经常得到应用。
衡量扩频系统最重要的一个指标就是扩频增益，又称为处理增益。正是因为扩频系统本身具有的特征使其性能具有一系列的优势。
1.2 研究扩频通信的目的和意义
扩频通信是通信的一个重要分支和信道通信系统的发展方向。扩频技术具有抗干扰能力强、保密性好、易于实现多址通信等优点，因此该技术越来越受到人们的重视。近年来，随着超大规模集成电路技术、微处理器技术的飞速发展，以及一些新型元器件的应用，扩频通信在技术上已迈上了一个新的台阶，不仅在军事通信中占有重要地位，而且正迅速地渗透到了个人通信和计算机通信等民用领域，成为新世纪最有潜力的通信技术之一。因此研究扩频通信具有很深远的意义，本人通过毕业论文设计，进行深入地研究扩频通信技术及对它进行仿真应用，将所学的知识进行归纳与总结，从而巩固通信专业基础知识，为以后的个人学习和工作打下基础。
2 扩频通信的基本原理
2.1 扩频通信的定义
所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：“扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”。这一定义包含了以下三方面的意思：
(1) 信号的频谱被展宽了。
我们知道，传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。例如人类的语音的信息带宽为300Hz --- 3400Hz，电视图像信息带宽为数MHz。为了充分利用频率资源，通常都是尽量采用大体相当的带宽的信号来传输信息。在无线电通信中射频信号的带宽与所传信息的带宽是相比拟的。如用调幅信号来传送语音信息，其带宽为语音信息带宽的两倍；电视广播射频信号带宽也只是其视频信号带宽的一倍多。这些都属于窄带通信。一般的调频信号，或脉冲编码调制信号，它们的带宽与信息带宽之比也只有几到十几。扩展频谱通信信号带宽与信息带宽之比则高达100 --- 1000，属于宽带通信。为什么要用这样宽的频带的信号来传输信息呢? 这样岂不太浪费宝贵的频率资源了吗?
(2) 采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。
我们知道，在时间上有限的信号，其频谱是无限的。例如很窄的脉冲信号，其频谱则很宽。信号的频带宽度与其持续时间近似成反比。1微秒的脉冲的带宽约为1MHz。因此，如果用限窄的脉冲序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信号。如下面介绍的直接序列扩频系统就是采用这种方法获得扩频信号。这种很窄的脉冲码序列，其码速率是很高的，称为扩频码序列。这里需要说明的一点是所采用的扩频码序列与所传信息数据是无关的，也就是说它与一般的正弦载波信号一样，丝毫不影响信息传输的透明性。扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。
(3) 在接收端用相关解调来解扩。
正如在一般的窄带通信中，已调信号在接收端都要进行解调来恢复所传的信息。在扩频通信中接收端则用与发送端相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解调，恢复所传的信息。换句话说，这种相关解调起到解扩的作用。即把扩展以后的信号又恢复成原来所传的信息。这种在发端把窄带信息扩展成宽带信号，而在收端又将其解扩成窄带信息的处理过程，会带来一系列好处。弄清楚扩频和解扩处理过程的机制，是理解扩频通信本质的关键所在。
2.2 扩频通信的理论基础
长期以来，人们总是想法使信号所占领谱尽量的窄，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:
(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1.7 --- 3.1kHz，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)公式为：
(2)
- 式中：
--- 信道容量(用传输速率度量)
--- 信号频带宽度
--- 信号功率
--- 白噪声功率
式(2)说明，在给定的传输速率不变的条件下，频带宽度和信噪比是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比()情况下，传输信息。扩展频谱换取信噪比要求的降低，正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。
扩频通信可行性的另一理论基础，为柯捷尔尼可夫关于信息传输差错概率的公式：
（3）
式中：
-- 差错概率
--- 信号能量
--- 噪声功率谱密度
信号功率 (为信息持续时间)
噪声功率 (W为信号频带宽度)
信息带宽
则式(3)可化为：
（4）
式(4)说明，对于一定带宽 的信息而言，用值较大的宽带信号来传输，可以提高通信抗干扰能力，保证强干扰条件下，通信的安全可靠。亦即式(4)与式(2)一样，说明信噪比和带宽是可以互换的。
总之，我们用信息带宽的100倍，甚至1000倍以上的宽带信号来传输信息，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地通信。这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。
学过模拟通信的读者都很熟悉一个指标，即信号平均功率和噪声平均功率的比值，简称为信噪比（或称为SNR）。在数字通信系统中，通常用信噪比的归一化形式作为性能指标。为每比特能量，等于信号能量与每比特持续时间的乘积; 是噪声功率谱密度，等于噪声功率与带宽之比；又因为每比特持续时间与比特速率互为倒数，可用代替，因此有下列表达式成立：
== (1.1)
以不为单位的数据速率是数字通信中最常用的指标之一，为简化描述，本书将比特速率简记为。为强调是的归一化带宽和比特率形式，将式（1.1）转化为
(1.2)
图1与的关系曲线
数字通信系统性能最重要的度量之一是误码率与的关系曲线（见图1），若，则。无量纲比值是数字通信系统性能的一个标准指标，可以将系统所需的作为比较两个通信系统性能优劣的量度：在给定差错概率的条件下，所需的越小，检测的准确性就越高.
初学数字通信的读者可能会怀疑参数的有用性。在模拟通信中，是一个非常有用的指标，其分子表示期望保持的传输功率大小，分母表示噪音干扰的大小。但为什么在数字通信中要使用与之不同的指标（每比特能量与噪声功率谱密度之比值）呢？下面给出对这个问题的解释。
在1.2.4节中，我们将功率信号定义为平均功率有限而能量无穷大的信号，而将能量信号定义为平均功率等于零而能量有限的信号。这样的分类在对模拟信号和数字信号做比较时是非常有用的。我们将模拟信号归类为功率信号。这有什么意义呢？通常模拟波形的持续时间为无限长，不需要做分割或加时间窗。对时域无限的电信号波形而言，其能量为无穷大，因此不能用能量来描述该信号。对模拟信号而言，功率（或能量传输速率）是一个更有用的参数。
然而，数字通信系统采用时间长度为码元间隔的波形来发送和接收码元。每个码元的平均功率（在整个时间轴上取平均）等于零，所以功率不能用于描述数字信号。因此对于数字信号应该采用能在时间窗内度量信号的测度。换而言之，码元能量（功率在上的积分）是一个更适合于描述数字信号波形的参数。
接收能量可以很好地描述数字信号，但这还没有说明为什么是数字系统的一个很好的指标。数字波形是代表数字信息的媒介，信息可能包含1比特（二进制）、2比特（四进制）、hellip;hellip;、10比特（1024进制）等。与这种离散信息结构完全不同，模拟通信系统的信息源是无限量化的连续波。数字系统的衡量指标必须在比特级上比较两个系统的性能。因为数字信号波形只可能包含1比特、2比特、hellip;hellip;、10比特等的信息，所以用无法对数字信号进行描述。例如，若给定差错概率，某二进制数字信号所需的是20。注意，数字信号波形与其包含的数字含义等价。因为二进制波形包含1比特信息，所以每比特所需的是20。若信号是1024进制，所需的仍为20。由于该波形包含10比特信息，所以每比特所需的为2。由此产生一个问题，为什么不用更适合的参数——比特级别上的能量相关参数来描述这个指标呢？与相同，也是一个无量纲比值。
下列表达式证明了这点： =焦耳/瓦每赫兹=瓦.秒/瓦.秒
2.3 扩频通信的主要性能指标
1）处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。 处理增益也称扩频增益(Spreading Gain) 它定义为频谱扩展前的信息带宽与频带扩展后的信号带宽W之比：
（5）
在扩频通信系统中．接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽为DF的信息，而排除掉宽频带W中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。因此，处理增益G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。
2）抗干扰容限
是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为：
（6）
其中：
--- 抗干扰容
--- 处理增益
--- 信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比
--- 接收系统的工作损耗
码间干扰：
如图描述了典型数字通信系统的滤波问题。整个系统（发送机、接收机和信道）中有各种类型的滤波器（以及惰性电路元件，如电感和电容）。在发送端，将脉冲或电平形式的消息符号进行调试，经滤波后变成符合带宽要求的脉冲。对于基带系统，信道（电缆）中存在的分布电抗使脉冲信号发生失真。一些带通系统（如无线系统）通常是衰减信道，这类信道相当于不期望的滤波器致使信号发生失真。为了补偿发射机和信道引起的失真，接受滤波器通常是均衡滤波器或接受/均衡滤波器。图给出了这类系统的一个简单模型，它将所有的滤波作用等效为一个系统传输函数:
(2.1)
其中，表示发送滤波器，表示信道内的滤波器，表示接受/均衡滤波器。代表整个系统的传输函数，综合了发射机、信道和接收机链路中所有的滤波作用。在一个二进制PCM通信系统中（如NRZ-L），检测器根据接收信号的采样与门限值的比较做出判决。例如图中的检测器，若接受信号大于零，则判决发送比特为1；若小于零，则判决比特为0。由于系统的滤波作用，接收脉冲之间会发生交迭，见图。脉冲出现拖尾占据了相邻码元间隔，从而干扰了信号检测过程，进而造成误差性能的降低；这类干扰称为码间串扰（ISI）。即便没有噪声，滤波和信道引起的失真也会导致码间串扰。在某些情况下，是固定的，问题就变为如何确定和，从而使的输出信号获得最小的码间串扰。
奈奎斯特研究了接收端不产生码间串扰的接收脉冲形状问题。他证明：要使码元速率
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