毕业设计（论文）基与Systemview 的直序扩频系统的仿真与实现

目 录中文摘要.英文摘要.引言.11直序扩频概述1.1 现代通信的安全需要.21.2 直序扩频的发展历史.21.3 本文的主要内容和工作.22直序扩频的基本理论和概念2.1扩展频谱通信概述.32.2直序扩频通信概述 .52.3直序扩频信号的发送与接收.62.3.1扩频调制.72.3.2相关解扩.72.4直序扩频系统的性能.82.5直序扩频在工程中的实际应用.103 PN码的产生3.1扩频码序列.113.1.1伪随机序列的产生 .113.2 m序列.133.2.1自相关和互相关函数.153.2.2 m序列的平均功率谱密度.153.2.3 SSRG的.163.2.4 m序列生成表.174 基与Systemview 的直序扩频系统的仿真与实现4.1 Systemview仿真系统概述.174.2直序扩频系统仿真.194.2.1直序扩频系统原理仿真.194.2.2 MSK直序扩频相关解调系统在Systemview上的仿真.214.2.3 PSK直序扩频信号数字相关解调在Systemview上的仿真.254.3 MSK与PSK仿真对比.285 扩频技术的总结与展望5.1工作总结.295.2扩频技术的发展趋势.295.3超宽带技术.295.4多载波调制技术.295.5软件无线电. .30结论.31致谢 .32参考文献.33摘 要扩展频谱通信(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。在本文中主要研究了扩频通信中的直序扩频通信。直序扩频技术是目前使用比较广泛的一种扩频技术，由于它在发送端用扩频码序列进行扩频调制，在接收端用相关解调技术，使其具有许多窄带通信难于替代的优良性能。 本文主要阐述了直序扩频技术的基本原理以及实现扩频的关键技术伪随机序列，并叙述了伪随机序列的产生、性质，讲述了直序扩频的调制与解调，同时研究了在Systemview系统下的仿真实现，以及它的未来发展趋势。关键词直序扩频； 伪随机序列ABSTRACTExpand the frequency chart correspondence ( Spread Spectrum Communication), fiber optic Communication the and satellite Communication are three advanced transfer mode in communication in the information age Studied the keeping of Spread Spectrum correspondence inside preface Spread Spectrum correspondence primarily in this text.Keeping the preface Spread Spectrum technique is good function that more extensive a kind of Spread Spectrum technique in current usage, because of it is sending out to carry to proceed with the Spread Spectrum code preface row the Spread Spectrum makes, at receive to carry to use related the solution adjusts the technique, making its have many narrow take the correspondence difficult in act for. This text expatiates to keep the technical and basic principle in Spread Spectrum in preface and realizes the key technique of the Spread Spectrum primarily false with machine preface row, and describe false with the creation, kind of the machine preface row, related to keep the preface Spread Spectrum make with solve to adjust, undering the system of Systemview studied at the same time of imitate true now, and it of future development trend. Keyword: Direct sequence spread spectrum，PN sequence35直序扩频技术的仿真与应用引 言随着个人通信业务的发展以及全球定位系统的应用，人们对信息传输安全性的要求越来越高，扩频通信是通信的一个重要分支和无线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，它不仅在军事通信中占有相当重要的地位，而且正迅速地渗透到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。到现在为止，使用扩频技术的用户已经超过一亿 。无线通信已经成为电信产业最大的部门之一。现在在移动通信中得到广泛的应用，因此扩频技术的历史经历了两个发展阶段，而目前它在这两个领域仍占据重要的地位。以后在卫星通信，数据传输，定位，授时系统中都有使用。今后，在卫星通信，移动通信系统，定位系统等领域将会得到进一步广泛使用。因此，研究扩频技术具有很大实用价值。在本文里研究了扩频的原理和它的关键技术PN码，并通过仿真比较了不同方式调制解调的优缺点，从而展望到扩频在未来不同领域的应用。1 直序扩频技术概述1.1 现代通信的安全需求随着无线网络的发展应用，人们对其的安全要求也越来越注重，希望信息能安全准确的传输到目的地。人们常用的保密方式就是对信息进行加密，但在信息的传输过程中信息可能被干扰、截获或破译。 扩展频谱技术在50年前第一次被军方公开介绍，用来进行保密传输。从一开始它就被设计成抗噪音、抗干扰、抗阻塞和抗未授权检测。在扩展频谱方式中，信号可以跨越很宽的频段,数据基带信号的频谱被扩展至几倍几十倍再被搬移至射频发射出去。这一做法虽然牺牲了频带带宽，但由于其功率密度随频谱的展宽而降低，甚至可以将通信信号淹没在自然背景噪声中，因此其保密性很强。要截获或窃听、侦察这样的信号是非常困难的，除非采用与发送端相同的扩频码与之同步后再进行相关的检测，否则对扩频信号是无能为力的。正是由于扩频技术的这些特点使得它满足了信息安全传输的要求，并得到快速发展。1.2 直序扩频技术的发展历史扩频通信系统是在50年代中期产生的，其最初的应用包括军事抗干扰通信、导航系统、抗多径实验系统以及其它方面。 扩频技术的最初构想是在第二次世界大战期间形成的。在战争后期，干扰和抗干扰技术成为决定胜负的重要因素。战后得出了“最好的抗干扰措施就是好的工程设计和扩展工作频率”的结论。跳频通信的思路就是在这段时期出现的：如果对窄带信号使用编码的频率控制，则可以使其在任何时间占据宽频段中的任何一部分，这样敌人要进行干扰就必须维持很宽的频段。另一方面，直序扩频则起源于导航系统中高精度测距。 自从扩频通信的概念在50年代开始成熟以后，此后的二十多年扩频通信技术仍得到很大的发展，但都只是局部的发展，如硬件的改进和应用领域的拓展。一直到80年代初期，扩频通信的概念都只是在军事通信系统中得到应用，这种状况到了80年代中期才得到改变。美国联邦通信委员会（FCC）于1985年5月发布了一份关于将扩频技术应用到民用通信的报告。从此，扩频通信技术获得了更加广阔的应用空间。而个人通信业务（PCS）的发展终于使扩频技术迎来了另一次大发展的机遇。1.3 本文的主要内容和工作本文研究了扩频系统的发展背景和发展历史，并在第二章和第三章中阐述了直序扩频通信的原理和核心技术PN码的产生，在第四章中用Systemview系统进行了简单的仿真，通过前面的研究和了解，展望了直序扩频技术在未来的信息社会中的发展趋势以及在新的领域中的新的应用，2 直序扩频的基本理论和概念2.1 扩展频谱通信概述2.1.1 扩展频谱通信的定义 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”。扩频调制信道载波调制信道编码信源编码信源解扩频符号解调信道译码信源译码信息输 出 图1典型扩展频谱系统框图信号功率谱干扰信号噪声信号由图1可看出它主要由原始信息，信源编译码，信道编译码（差错控制），载波调制与解调，扩频调制与解扩频和信道六大部分组成。信源编码的目的是去掉信息的冗余度，压缩信源的数码率，提高信道的传输效率。差错控制的目的是增加信息在信道传输中的冗余度，使其具有检错或纠错能力，提高信道传输质量。调制部分是为使经信道编码后的符号能在适当的频段传输，如微波频段，短波频段等。扩频调制和解扩是为了某种目的而进行的信号频谱展宽和还原技术。扩频通信一般分为直序扩频和跳频。直序扩频和跳频系统都有很强的保密性能。对于直扩系统而言，射频带宽很宽，谱密度很低，甚至淹没在噪音中，就很难检查到信号的存在。由于直扩信号的频谱密度很低，直扩系统对其它系统的影响就很小。直扩系统一般采用相干解调解扩，其调制方式多采用BPSK、DPSK、QPSK、MPSK等调制方式。而跳频方式由于频率不断变化、频率的驻留时间内都要完成一次载波同步，随着跳频频率的增加，要求的同步时间就越短。因此跳频多采用非相干解调，采用的解调方式多为FSK或ASK，从性能上看，直扩系统利用了频率和相位的信息，性能优于跳频。2.1.2 扩频通信的理论基础 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/DF . (1)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： C WLog2(1十P/N) . (2)式中：C - 信道容量(用传输速率度量) W - 信号频带宽度 P - 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PN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PN(SN)情况下，传输信息。该公式说明在一定的信道容量条件下，可以用减少发送信号功率、增加信道带宽的办法达到提高信道容量的要求；可以采用减少带宽而增加信号功率的办法来达到。信道容量可以通过带宽与信噪比的互换而保持不变。2.1.3 扩频通信的主要性能指标 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G也称扩频增益(Spreading Gain) 它定义为频谱扩展前的信息带宽DF与频带扩展后的信号带宽W之比： GWDF 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。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： Mj = G (S/N)out + Ls 其中：Mj - 抗干扰容G - 处理增益 (SN)out - 信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比 Ls - 接收系统的工作损耗2.1.4 扩频通信的特点扩频通信方式与常规的窄道通信方式是有区别的： 一是信息的频谱扩展后形成宽带传输； 二是相关处理后恢复成窄带信息数据。正是由于这两大持点，使扩频通信有如下的优点： 抗干扰 抗噪音 抗多径衰落 具有保密性 功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率 可多址复用和任意选址 高精度测量2.2 直序扩频概述2.2.1直序扩频定义直接序列扩频（Direct sequence spread spectrum）工作方式，简称直扩(DS)方式，是扩频技术的一种，直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN码（伪噪声码）进行摸二加。2.2.2直序扩频通信原理原理是用伪随机编码序列去调制载波。由于一般所使用的伪随机序列速率远大于信码，所以经过调制以后，信号的能量被扩散到一个很宽的频带上，它的功率谱与噪声相似。在接收端，用与发送端同步的相同的伪随机序列解调接收信号，则最终有用信号可以恢复为窄带的中频信号，而干扰信号则仍然为宽带信号，在通过一个滤波器之后其大部分能量可被滤除。下图为直序扩频系统原理框图载波发生器数据时钟功率放大器调制器模2和加法器PN码发生器 （a）发射机时钟同步PN码发生器本振调制器数据输出解调器中放混频器 图2（b）接收机 2.2.3直扩系统的特点l 频谱的扩展是直接由高码率的扩频码序列进行调制而得到的。 l 扩频码序列多采用伪随机码，也称为伪噪声(PN)码序列。 l 扩频调制方式多采用BPSK或QPSK等幅调制。扩频和解扩的调制解调器多采用平衡调制器，制作简单又能抑制载波。 l 模拟信息调制多采用频率调制(FM)，而数字信息调制多采用脉冲编码调制(PCM)或增量调制(DM)。 l 接收端多采用产生本地伪随机码序列对接收信号进行相关解扩，或采用匹配滤波器来解扩信号。 l 扩频和解扩的伪随机码序列应有严格的同步，码的搜捕和跟踪多采用匹配滤波器或利用伪随机码的优良的相关特性在延迟锁定环中实现。 l 一般需要用窄带通滤波器来排除干扰，以实现其抗干扰能力的提高。2.3 直扩信号的发送与接收直扩系统发送接收系统的原理方框中，在发端输入信息要经过信息调制“扩频和射频调制”，在收端接收到的信号要经过变频、解扩和信息解调。与一般模拟或数字通信系统比较，信息识别与解调、射频的上变频和下变频，情况基本相同。 直扩通信系统的主要特点在于直扩信号的产生，即扩频调制和直扩信号的接收，即相关解扩。2.3.1 扩频调制 一般说来，都是用高码率的PN码脉冲序列去进行调制扩展信号的频谱的。通常采用的调制方式为BPSK，输入信号与PN 码在平衡调制器调制而输出展宽的扩频信号；图3中已经表示出直扩扩频调制的原理图。图中平衡调制器的输出信号的中心频率位置决定于输入的载波频率，在这里是载频抑制的。而两个边带则为展宽的频谱，它决定于调制PN码脉冲的宽度。PN码码率越高，或脉冲宽度越窄，扩展的频谱越宽。平衡调制器的一个重要特性是输出的调制信号是载波抑制的。无载波发射，既可节省功率，又可使扩频信号更加隐蔽，不易被发觉。平衡调制器对两个输入信号来说相当于乘法器。 如果载波信号用Acosvct表示，脉冲信号用m(t)表示，则输出信号为二者乘积： Am(t)cosvct 如果m(t)取值为土l，则输出信号根据三角公式可分解为相位相差180的两个分量之和，它相当于只有两个边频而无载波。但在直扩系统 中，调制脉冲不是周期性的规则脉冲，而是PN码脉冲序列。在图3中已示出周期性的脉冲序列的频谱，而是呈(sinx/x)2型的分布。因此，实际PN码调制载波获得的功率谱边呈(sinx/x)2型分布， 除了BPSK调制获得扩频信号外，还可以采用QPSK及MSK调制来进行扩频调制。 2.3.2 相关解扩 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，一个简单的譬喻就是用像片去对照找人。如果想在一群人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。图3中已表示出基本的解扩过程。也就是在收端产生与发端完全相同的PN码，对收到的扩频信号，在平衡调制器中再一次进行二相相移键控调制。发端相移键控调制后的信号在收端又被恢复成原来的载波信号。一个必要的条件是本地的PN码信号的相位必须和收到的相移后的信号在相移点对准，才能正确地将相移后的信号再翻转过来。由此可见，收发两端信号的同步十分重要。另外从图3(b)中的频谱图上也可以看出，平衡调制器把收到的展宽的信号解扩成信息调制的载波。最后经带通滤波器输出。以上所述就是所谓的相关解扩过程。通常为了处理方便，大多在中频进行。也就是接收到的扩频信号，先在变频器中先变换到中频，再进入到平衡调制器中解扩。其后接中频带通滤波器输出。有时为了避免强干扰信号从平衡调制器的输入端绕过它而泄漏到输出端去，可以来用外差相关解扩。本地产生的PN码先与本地振荡器产生的与接收信号差一个中频信号的本地振荡信号在下面一个平衡调制器进行调制，产生本地参考信号。它是一个展宽了的信号。然后，此本地参考信号与接收的信号在上面一个平衡调制器调制成中频输出信号。这时平衡调制器实际上起的是混频器的作用。由于它的输入信号与输出信号不同，也就不会发生强干扰信号直接绕过去的泄漏了。并且后面还有一个中频带通滤波器，可以起到滤除干扰的作用。相关解扩过程对扩频通信至关重要。正是这一解扩过程大大提高了系统的抗扰能力。 图4(a)示出一直扩接收机的简化框图。输入信号除直扩信号外，还有连续载波干扰和宽带信号干扰。图4(b)中示出三种信好的处理过程。由于解扩相关器对连续载波起作扩频的作用，把它变换成展宽的直扩信号。同理，对输入的不是相同PN码调制的宽带信号也进一步展宽2倍。这两种信号经窄带滤波器后，只剩下一小部分干扰信号能量。与解扩出的信息调制载波相比较，输出的信噪比大大提高了。由此可见，频带展得越宽，功率谱密度越低，经窄带滤波后残余的干扰信号能量就更小了。这里也可以看出，在接收端，窄带滤波器对提高抗干扰性起作很关键的作用，因而在实际应用中，对其性能指标的要求也就很严格。相关解扩在性能上固然很好，但总是需要在接收端产生本地PN码。这一点有时带来许多不方便。因为匹配滤波和相关检测的作用在本质上是一样的，可以用匹配滤波器来解扩直扩信号。所谓匹配滤波器，就是与信号相匹配的滤波器，它能在多种信号或干扰中把与之匹配的信号检测出来。这同样是一种“用相片找人”的方法。对于视频矩形脉冲序列来说，无源匹配滤波器就是抽头延迟线上加上加法累加器，时称为横向滤波器。2.4直序扩频系统的性能 直序扩频系统的抗干扰性 直序扩频信号的抗截获性 直序扩频码分多址通信系统 直序扩频系统的抗多径干扰性能 直序扩频测距定时系统 图3 (a), (b), (c) 图42.5直序扩频在工程中的实际应用扩频技术最初在无绳电话中获得成功应用，因为当时已经没有可用的频段供无绳电话使用，而扩频通信技术允许与其它通信系统共用频段，所以扩频技术在无绳电话的通信系统中获得了其在民用通信系统中应用的第一次成功经历。而真正使扩频通信技术成为当今通信领域研究热点的原因是码分多址（CDMA）的应用。 90年代初，在第一代模拟蜂窝通信系统的基础上，出现了PCS研究的热潮。要实现PCS并考虑其长期发展，需要FCC为其分配100200 MHz的带宽，而与频谱分配相关的一个重要技术因素就是多址技术。当时频谱资源的分配已经是非常拥挤，不存在还未分配且可用的一段宽达100 MHz的频谱资源。要为PCS分配可用的频段就只有2种方案：一是为PCS分配一段专用频谱，使正在使用该频谱的用户换到其它的频段；另一种办法就是让PCS与其它用户共享一段频谱。采取第一种方案将要遇到巨大的政治和经济阻碍：当时只有政府使用的一些频段还比较宽松，因此只能是让政府用户换用其它频段来为PCS腾出频谱资源；同时换用频段意味着已有设备的射频部分需要改造。因此第二种方案成为合理的选择。扩频技术为共享频谱提供了可能。使用扩频技术能够实现码分多址，即在多用户通信系统中所有用户共享同一频段，但是通过给每个用户分配不同的扩频码实现多址通信。利用扩频码的自相关特性能够实现对给定用户信号的正确接收；将其他用户的信号看作干扰，利用扩频码的互相关特性，能够有效抑制用户之间的干扰。此外由于扩频用户具有类似白噪声的宽带特性，它对其它共享频段的传统用户的干扰也达到最小。由于采用CDMA技术能够实现与传统用户共享频谱，因此它也就成为PCS首选的多址方案。随着PCS以及蜂窝移动通信的发展，CDMA技术已经成为不可或缺的关键技术。扩频通信技术也在民用通信中找到更为广阔的应用空间,而关于CDMA技术的研究热潮也一直延续到现在. 同时直序扩频在全球定位系统、电力载波通信、蓝牙技术等领域也的到广泛的应用。3 PN码的产生3.1 扩频码序列l 在扩展频谱通信中需要用高码率的窄脉冲序列。现在实际上用得最多的是伪随机码，或称为伪噪声(PN)码。这类码序列最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。因为噪声具有完全的随机性，也可以说具有近似于噪声的性能。但是，真正的随机信号和噪声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，故称为伪随机码或PN码。l 在扩频通信系统中对发端PN码的同步是个至关重要的环节，没有对发端PN码的捕获和同步就根本无法实现解扩，也就无法获得扩频通信的各项优势。3.1.1伪随机序列（PN码）的产生：扩频码中应用最广理论研究最深入的是m序列,又称最大长度序列移位寄存器序列移位寄存器序列是指由移位寄存器输出的由“1”和“0”构成的序列。相应的时间波形是指由“1”和“-1”构成的时间函数，如图6所示。移位寄存器序列的产生如图7 。主要由移位寄存器和反馈函数构成。移位寄存器内容为或1，反馈函数的输入端通过系数与移位寄存器的各级状态相联（）输出通过反馈线作为的输入。移位寄存器在时钟的作用下把反馈函数的输出存入，在下一个时钟周期又把新的反馈函数的输出存入而把原的内容移入，依次循环下去，不断输出。根据反馈函数对移位寄存器序列产生器分类：（1）性反馈移位寄存器序列产生器（LFSRSG）：如果为的模2加。（2）反馈移位寄存器序列产生器（NLFSRSG）：如果不是的模2加。扩频码中应用最广理论研究最深入的是m序列,又称最大长度线性反馈移位寄存器序列. 图5伪随机码产生器(b)1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0(a)图6（a）移位寄存器序列 （b）移位寄存器波形反馈线输出移位寄存器时钟图7移位寄存器序列生成器3.2 m序列 m序列是最长线性移位寄存器序列的简称。由于m序列容易产生、规律性强、有许多优良的性能，在扩频通信中最早获得广泛的应用。 顾名思义，m序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。在二进制移位寄存器发生器中，若n为级数，则所能产生的最大长度的码序列为2n1位。 m序列的一些基本性质： 在m序列中一个周期内“1”的数目比“0”的数目多 l位。例如上述7位码中有4个“1”和3个“0”。 在15位码中有8个“l”和7个“0”。 在下表中列出长为15位的游程分布。 111101011001000游程分布 游程长度(比特) 游程数目 所包含的比特数 “1”的 “0”的 1 2 2 4 2 1 1 4 3 0 1 3 4 1 0 4 游程总数8 合计15 一般说来，m序列中长为R(1 R n 2)的游程数占游程总数的l2k。 m序列和其移位后的序列逐位模二相加，所得的序列还是m序列，只是相移不同而已。 m序列发生器中移位寄存器的各种状态，除全0状态外，其他状态只在m序列中出现一次。 m序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产生m序列。理论分析指出，产生的m序列数由下式决定： F(2n 1) / n 其中由F(X)为欧拉数(即包括1在内的小于X并与它互质的正整数的个数)m序列的产生m序列产生器的结构在设备中，m序列可以用硬件产生，也可以用软件产生，然后存在ROM中。在硬件中可使用移位寄存器，也可用声表面滤波器件等延迟线来产生。用移位寄存器产生m序列，从结构上又有两种方式，一种是简单线性码序列发生器(SSRG)，另一种是模块式码序列发生器(MSRG)，前一种结构如图8 a，参加反馈的各级输出经多次模二加后把最后结果送入第一级。第二种结构如图8 b，多级的输出都可能与反馈信号模二和后送入下一级，因为n级码产生器是由几个相同模块构成，因而称为模块式结构，每个模块中包括一级触发器和一级模二加构成。不管哪种结构都需有全“0”起动电路，否则由于某种原因（如启动）发生器可能死在全“0”状态。(a)SSRG输出(b)MSRG 图8 m序列产生器结构3.2.1 自相关和互相关函数在扩展频谱系统中，不管是通信系统还是测距系统，都非常注重研究扩频码的自相关和互相关特性。特别是在码分多址通信系统中，码序列的过大的自相关旁瓣和互相关峰值会使码捕获的虚警概率增加，对雷达系统（扩频方式）也是类似影响。自相关函数定义为 为捕获序列，也常用表示互相关函数定义为其中、为两个码序列。对二进制时间离散码序列，自相关函数和互相关函数的计算可简化如下:把两个码序列进行逐对和逐比特比较（模2加），则自相关（或互相关）值为一致比特数减不一致比特数，逐次改变从，则可得到自相关（或互相关）函数，如图9。0N+1N-1N-11-1图9 m序列自相关函数3.2.2 m序列的平均功率谱密度m序列是一种伪随机序列，根据平稳随机过程理论，它的平均功率谱密度为其自相关函数的付氏变换，即其中为自相关函数，在一个周期内，即0PTC. M序列功率谱密度由上图可见m序列谱特点：谱是离散的，因为是周期性的。谱线间隔为，如N很大，则谱线间隔很小，近似为连续谱。第一个零点在处，主瓣宽度为。时，。N很大时，3.2.3 SSRG的反馈系数首先，对移位寄存器状态和它的运转特性，可以通过n维矢量矩阵的运算来表示。如对n=4其中(j)表示第j次移位，(j+1)表示第j+1次移位，矩阵中表示反馈系数即为的第j+1时刻的输出，以下第i行的1表示在j+1时刻的输出为j时刻的输出。对n级在中第一行：完全表明了反馈函数与各级寄存器的关系，其它各行只是表明下一级输入是前一级的输出，只是状态的延时，所以能否构成最大长度序列，完全取决于。换句话说，完全表达了寄存器的状态转移。特征方程和特征多项式：特征多项式对研究移位寄存器序列的产生起到非常重要的作用，是一个重要工具。对于的A矩阵，将行列式定义为的特征多项式，称方程为特征方程，记为，其中I为单位矩阵为参数。3.2.4 m序列生成表在给定n之后找出本原多项式，从而确定，即确定了具体反馈连接方式，利用反商（逆）可使具体实现方式加倍。若给定的反馈逻辑,则利用反商得到的系数形式为，称为镜像序列。SSRG与MSRG序列之间关系：与为同一序列，但相位不同。例：n=4，表给出123412341234111111111111011101111110101100110111010100011010101010000101110101001011011000101100001110010110100111000011010001101000001010110100000101010010100010100001110011011001111011101101111111111111(a) (b) (c) 可见，(a)与(c)为同一m序列，但相移不同，二者与(b)码互为镜像。从表中看出，反馈抽头的数目为偶数，不可为奇数。很容易理解，如为奇数则会静止在全1状态。4 基与Systemview的直序扩频系统的仿真与实现4.1 Systemview仿真系统概述4.1.1 Systemview仿真系统的基本功能SystemView是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计，到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。SystemView借助大家熟悉Windows窗口环境，以模块化和交互式的界面，为用户提供了一个嵌入式的分析引擎。使用SystemView时，用户只需要关心项目的设计思想和过程，用鼠标点击图标即可完成复杂系统的建模、设和测试，而不必花费太多的时间和精力通过编程来建立系统仿真模型。4.1.2 Systemview仿真系统的特点(1) 能仿真大量的应用系统 (2) 快速方便的动态系统设计与仿真使用了用户 (3) 在报告中方便地加入SystemView的结论 (4) 提供基于组织结构图方式的设计 (5) 多速率系统和并行系统 (6) 完备的滤波器和线性系统设计 (7) 先进的信号分析和数据块处理 (8)可扩展性 (9) 完善的自我诊断功能下图为SystemView仿真系统的仿真界面4.1.3 Systemview仿真系统的基本流程进入SystemView设置系统运行时间添加图标，设置图标属性连接图符运行系统可在分析窗口中显示信号对输入的信号进行频谱分析结束仿真24.2直序扩频系统仿真4.2.1 直序扩频系统原理仿真 图4.1直序扩频系统仿真电路图在上图中数据信号源使用了一个较低频率（图符0）的随机序列通过一个1HZ的低通滤波器来代替。扩频用的PN码采用了10KHZ的PN码（图符2）。扩频调制是通过乘法器直接用PN码调制数据信号，合成后的扩频复合信号同样是直接用更高的载波（图符12）进行调制发射。同时在上图中还使用了干扰信号源。 上图为直序扩频系统仿真原理图以下为仿真结果：图4.2经过预处理后的输入信号波形图4.3 经过整形后的输出信号波形图4.4 未加干扰前的已调信号频谱图图4.5 加入干扰后的已调信号频谱图从以上四个图可观察到，在100KHZ附近有较强的干扰存在，而解扩后的信号与输入的信号波形基本一致，完全未受干扰影响，当不断加大噪声或干扰的幅度，使起达到系统的抗干扰门限时，则不能准确地恢复原始波形。4.2.2 MSK直序扩频相关解调系统在SystemView上的仿真信息数据扩频调制信息解调卷积器相关峰处理器信息解调MSK调制本地信号发生器 伪码发生器 MSK直序扩频相关解调系统原理框图 图4.6 MSK直序扩频相关解调的仿真电路图图标49是信号源库中的用户自定义输出图标，子系统图标51为扩频伪随机序列发生器和扩频调制器子系统，子系统12完成MSK调制，发送的MSK信号可由观察窗50来观察，子系统图标25是本地码产生模块，由图标7、8、9组成的时间窗截取两个周期的M序列，由子系统图标100进行MSK调制，作为本地参考信号。通过相关峰处理子系统图标133，完成相关峰顶点时刻的提取，最后由图标子系统136完成信息的解调。MSK直序扩频相关解调系统仿真电路图标参数设置图标序号图标名称参数设置1信号源库，阶跃信号发生器Amp= -1V, Start= -6.4s, Offset=0 V2，9信号源库，阶跃信号发生器Amp= 0 V, Start=0 s, Offset=0 V,4DSP库，格式转换器Data Type Out=IEEE General,Register Out=64bit,Exponent Out=11bits5DSP库，格式转换器Data Type Out=IEEE General,Register Out=64bit,Exponent Out=11bits6DSP库，卷积器Operation=Convolve, FFT Size=8.192E+3 sample8信号源库，阶跃信号发生器Amp= -1V, Start= 12.8s, Offset=0 V49信号源库，自定义信号源No of Assigned Outputs=5,Algebra p(0)=1, p(1)=1,P(2)=0, p(3)=0, p(4)=012，100子系统PSK转换法MSK调制器子系统25子系统本地参考信号发生器51子系统伪码发生器和扩频调制器子系统133子系统相关峰处理子系统136子系统十进制到二进制信息转换子系统113子系统信息解调子系统0，7加法器无3，10乘法器无48，50，132，143观察窗库，分析型观察窗无以下为MSK仿真结果W0:解调输出(t48)W1:扩频数据(t50)W2:发送MSK信号(t132) W3:视频相关峰 (t142) W4:中频相关峰W5:相关峰负微分结果(t144)接收的MSK信号与本地参考信号直接进行卷积运算可以得到中频相关峰。中频相关峰顶点信号与幅度闸门进行“与”运算，就可以得到唯一的视频相关峰。中频相关峰进入相关峰子系统可的到幅度均为正的相关峰包络。为了提取相关峰的顶点，首先将该包络进行负微分，最后可得到相关峰包络负微分结果波形。从上图视频相关峰波形可以看出，在第一主峰前旁瓣较大，主瓣比大约为3.9，着是非循环相关的结果。在第1主峰和第二主峰之间，旁瓣比约为7，这是循环相关的结果。4.2.3 PSK直序扩频信号数字相关解调在SystemView上的仿真低通滤波器Sin2fot数字相关器扩频调制后的序列PSK信号PSK调制器 相关峰低通滤波器cos2fot PSK直序扩频数字相关解调系统原理图图4.7 PSK直序扩频数字相关解调系统仿真电路图待发送的扩频码序列与正弦信号源图标15产生的载波信号相乘完成PSK调制。PSK扩频信号可由观察窗图标12观察。在接收端，首先用正弦信号源图标190产生的与调制载波相干的本地载波与接收的信号相乘来进行相干解调。相干解调后的I路和Q路信号分别经图表193、94进行低通滤波。为了后面进行采样处理，信号先经过增益图标195、196进行一定增益的放大，是信号幅度限制在+2V以内。经过限幅的I路和Q路信号进入数字相关峰子系统图标20进行数字相关解扩处理。最后输出3个信号，分别是I路信号的相关峰、Q路信号的相关峰、整个系统采用正交检测法得到的相关峰。PSK直序扩频数字相关解调系统仿真电路图标参数设置图标序号图标名称参数设置8信号源库，阶跃信号发生器Amp= -1V, Start= 3.2s, Offset=0 V9信号源库，阶跃信号发生器Amp= 1V, Start=0 s, Offset=0 V,15,190信号源库，正弦信号发生器Amp= 1V, Freq=60 M Hz, Phase=00193,194算子库，线性系统与滤波器Linear Phase Lowpass IIR,8 Poles, Fc=15 MHz195,196算子库，增益放大器Gain Units =Linear,Gain=420子系统数字相关器子系统197子系统扩频伪码发生器子系统7加法器无11,19,191,192乘法器无10,12,13,14,201,202观察窗库，分析型观察窗无以下为PSK方式的仿真结果：图4.8 Q路相干解调滤波器输出波形 图 4.9 I路相干解调滤波器输出波形 图4.10 I相关峰图4.11 Q相关峰 图4.12 中频相关峰从上面五个图可以看出，随着本地载波初相位的变化，I路和Q路的解调输出以及I路和Q路的相关峰幅度均有变化。当本地载波与调制载波正交时，I路输出相关峰幅度几乎为0；当本地载波与调治载波同相时，Q路输出相关峰幅度几乎为0。但经过I、Q两路相关峰的合成，最后输出的相关峰的幅度变化不大。4.3 MSK与PSK的仿真对比根据不同用户需求不同，直序扩频系统在调制、解调和解扩各部分可以采用多种方案。PSK方式易于调制和解调，但PSK信号带宽较宽，频带利用率低，频谱特性不好。相比于PSK信号，MKS信号具有带窄、频谱主瓣能量集中、旁瓣滚降衰减快、频带利用率高等优点，因此，在很多保密通信要求较高的直序扩频系统中，大多采用MSK调制方式。5 扩频技术的总结与展望5.1 工作总结经过收集资料研究了解直序扩频的相关原理知识，了解了直序扩频有着其独特的优点使它在无论军事还是民用领域方面都有着广泛的应用。5.2 扩频技术的发展趋势 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。 3G设计的目标主要是支持多媒体业务的高速数据传输，因此其研究主要集中在新标准和新硬件的开发。而对于3G以后的发展，不同的研究者有不同的观点。但是从用户的观点看，4G应该具备以下的主要特