直接扩频通信毕业设计含实现代码

1 绪论

1.1 扩频通信系统发展概述

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[5]。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 扩频通信系统的理论基础及其优越性

在传统的无线电通信系统中，信号的格式的设计是：在保证通信质量的前提下，为

了在系统所能使用的射频频带中能尽可能多地传输信息，所以要求信号的带宽不要过宽，

一般信号带宽与信息的带宽是接近的，传统的无线电通信系统就是采用这种窄带信号(Sn)

概念的系统，称之为窄带系统。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[5]：

)N /P 1Wlog C 2+=（

式中：C 是信道可能传输的最大信息速率，即信道容量；W 为信道带宽；N 为白噪声的

平均功率；P 是信号的平均功率。从上式中可以看出：在信噪比很小的条件下，可以用

增加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。设Bs 表示传输信号时所占

有的带宽(信号带宽)，B0表示原始信号(信息带宽)，则可以把通信系统按Bs/B0的比值分

为三类[5]：

⎪⎩

⎪⎨⎧>--⇒扩频通信宽带通信窄带通信 100 10050 21B0Bs 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。

另外，根据柯捷尔尼可夫关于信息差错传输概率的公式[13]为：

)/(0N S f Pow j =

式中：j Pow 为差错概率，E 为信号能量，N 0为噪声功率谱密度。

0,/WN N F E T E S =∆⨯==

式中：为T 为信息持续时间，△F 为信息带宽

)

/()

//()

/()/(0P j G N S f F W N S f N STW f N E f Pow ⨯=∆⨯===

因此，可通过提高处理增益G P 降低对S/N 的要求，在强干扰条件下保证可靠安全的通信。

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。理论上讲它可以在信噪比为负值，即信号被噪声淹没的情况下，将信号提取出来。对于单频及多频都有比较强的抑制作用，即使采用同类型的信号干扰，也由于扩频码序列之间的不相关性，干扰不起太大作用。

（2）扩频通信的另一个优越性是其隐蔽性好。由于扩频信号的频带较宽，所以信号的功率谱密度很低，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。

1.3 仿真软件MATLAB概述

MATLAB原意为“矩阵实验室—MATrixLABoratory”，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。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。