扩频通信原理分析论文

摘要：直接扩频通信系统中载波同步环节的相关解调对于系统性能具有极大的影响作用。以往的系统中经常可能出现载波同步准确率低的情况。对于直接扩频通信系统载波同步环节，通过Simulink仿真进行研究改进，在信号进入载波同步环节后进行Kalman线性滤波，尽可能地去除噪声部分影响。下面小编整理了一些《扩频通信原理分析论文 (精选3篇)》仅供参考，希望能够帮助到大家。

扩频通信原理分析论文 篇1：

直扩通信系统中的窄带干扰抑制及仿真

摘 要:该文针对直扩通信系统在抗窄带干扰方面的局限性,提出在解扩前应用自适应窄带干扰抑制技术,并进行了仿真,仿真结果表明,直扩通信系统中采用自适应窄带干扰抑制技术,可有效的抑制强窄带干扰,保证通信系统数据传输的正确性。

关键词:窄带干扰抑制 抗干扰性能分析 仿真

1 时域窄带干扰抑制技术基本原理

时域窄带干扰抑制技术主要是利用自适应的算法来调整一个横向滤波器的系数,以达到抑制干扰的目的。窄带干扰是非高斯的,样值间有很强的相关性,可以从过去取样值来估计当前样值;而扩频信号和噪声频谱平坦,以切普率取样的样值之间几乎不相关。当接收信号同时包含宽带成分和窄带成分时,如果产生一个接收信号的预测值,那么预测值中将主要是窄带信号的预测值。利用窄带信号和宽带信号在可预测性上的差异,得到一个窄带干扰的精确复制,然后在接收信号中消除复制出的信号,从而达到抑制窄带干扰的目的。

时域窄带干扰抑制技术的优点是不需要很多干扰信号的先验知识,就可以有效地抑制窄带干扰,且基于时域的抑制技术能更彻底的抑制干扰,但自适应算法需要迭代运算,需要收敛时间,使得实时性比较差,同时其收敛速度慢,往往只能处理平稳的窄带干扰。

基于最速下降法的LMS算法的迭代公式如下:

(1)

(2)

其中μ为步长因子。

设x(k)包含正弦干扰信号和扩频信号b(k),以同频率的正弦信号作为理想参考信号,系统框图如图1所示。

2 时域自适应窄带干扰抑制技术在扩频通信系统中仿真及分析

对于采用时域窄带干扰抑制方法进行仿真,系统仿真参数设置如下,码元速率256kbps,比特速率512kbps,调制方式采用BPSK,扩频序列采用m序列,序列阶数为3阶,扩频因子31,信干比-35dB,窄带干扰信号采用正弦信号,FIR滤波器的阶数N(即滤波器抽头个数)为128,自适应步长u=0.0002,输入信号抽样点数(即数据长度)为1024,采用LMS时域自适应算法进行滤波,滤波前后信号频谱图如图3、图4所示。

图2为扩频信号频谱,图3为加有点频干扰的接收到的扩频信号频谱,从图中可以看出有明显的干扰,图4为经过滤波后的信号频谱,从图中可以看出在干扰信号频点附近频谱明显下陷,即干扰信号得到了抑制,当然接收信号能量也受到了一定程度的损失,小部分的频谱损失对接收的影响非常有限,不影响后面的解扩处理。

3 通信系统抗干扰性能分析

衡量一个通信系统的抗干扰能力的指标就是抗干扰容限,本系统中采用扩频技術和自适应干扰抑制技术:扩频倍数31,处理增益为10log31=14.9dB,解调所需Eb/n0为10dB,抗干扰容限=14.9-10=4.9dB,采用自适应窄带干扰抑制技术后,从仿真结果可看出,窄带干扰抑制能力提高了近20dB。因此,在系统遇到强窄带干扰的情况下,采用在解扩前将窄带干扰抑制掉,再进行解扩,是一种很好的抗强窄带干扰的方法。

4 结语

文章针对扩频通信中在抗强窄带干扰方面存在的局限性,提出在扩频通信系统中采用自适应干扰抑制技术,并进行了仿真,仿真结果表明,系统抗干扰效果显著增强,为提高通信系统的抗干扰性能的工程实现奠定了基础,具有一定的现实意义。

参考文献

[1] 胡广书.数字信号处理理论、算法与实现[M].北京:清华大学出版社,2003.

[2] 张贤达.现代信号处理[M].北京:清华大学出版社,1995.

[3] 龚耀寰.自适应滤波器[M].北京:电子工业出版社,1989.

[4] 邓记才,裴炳南.一种求解LMS算法收敛步长阈值的新方法[J]信号处理,1996,12(2):52～56.

作者：田立芳 张红民

扩频通信原理分析论文 篇2：

直接扩频通信同步技术研究

摘要：直接扩频通信系统中载波同步环节的相关解调对于系统性能具有极大的影响作用。以往的系统中经常可能出现载波同步准确率低的情况。对于直接扩频通信系统载波同步环节，通过Simulink仿真进行研究改进，在信号进入载波同步环节后进行Kalman线性滤波，尽可能地去除噪声部分影响。通过搭建科斯塔斯环进行相关载波的提取，最终观察系统仿真误码率，发现改进后的系统误码率更低，具有更好的通信传输性能。

关键词：直接扩频通信;Simulink仿真;BPSK调制;Kalman滤波器;载波同步

Key words： direct spread spectrum communication; simulink simulation; binary phase shift keying modulation; Kalman filer; carrier restoration

1引言

直接扩频通信系统凭借其在信号传输之前首先进行信号的扩频处理，使信号在传输过程中可以有效地减小噪声的干扰，使其非常适合低信噪比和强干扰的环境。实际应用中，同步是决定一个系统能否顺利完成信息传输的关键。研究过程中引入了卡尔曼滤波算法进行线性的信号的处理。相对于以往通过大量繁杂代码形式进行通信系统的建模与仿真，本文通过Simulink与直接扩频技术的结合进行研究、仿真。Simunlink仿真极大简化了系统工作量，使得可以将更多的精力放在问题的解决与处理上面[1]。

2 直接扩频通信系统

2.1香农定理

香农定理指出，如果信息源的信息速率R小于或者等于信道容量C，那么，在理论上存在一种方法可使信息源的输出能够以任意小的差错概率通过信道传输。

在被高斯白噪声干扰的信道中，传送的最大信息速率C由下述公式确定。

该式通常称为香农公式。C是数据速率的极限值，单位bit/s;W为信道带宽，单位Hz;S是信号功率(瓦)，N是噪声功率(瓦)。其中的S/N是为信号与噪声的功率之比，无量纲[2]。

2.2 直接扩频通信系统原理

直接序列扩频，顾名思义就是直接用具有高码率的擴频码序列在发端去扩展信号的频谱，而在接收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。直扩信号经伪噪声码解扩后变成了窄带信息，从而使增益提高了若干倍。扩展频谱的特性取决于所采用的扩频码序列的码型和码片速率。本文采用PN码产生模块产生m序列，主要研究直扩系统的载波同步环节，假设接收端的PN码为已知。直接扩频通信系统基本模型如图1所示[3]。

3 同步算法

3.1载波调制

信号传输过程中一般需要发送的数据的频率是低频的，如果按照本身的数据的频率来传输，不利于接收和同步。因此将信号进行高频载波再进行传输[4]。

假设在发送端产生码元宽度为[Tb]的信号m(t)，图2第1个图形中为0、1两个码元。扩频码为m序列产生的PN码，记作p(t)。伪码的波形如图 2中的第2个波形，图中设置其码元宽度为[Tp]，有图2可知[Tb=16Tp]。

3.2 载波的提取

载波同步又称载波恢复(carrier restoration)，即在接收设备中产生一个和接收信号的载波同频同相的本地振荡(local oscillation)，供给解调器作相干解调用。要想实现相干解调，必须有相干载波。因此，载波同步是实现相干解调的先决条件[5]。提取载波的方法有两类，一类是在发送信号中专门插入一载波或导频信号，这种方法叫作插入导频法;另一种方法是自同步法，从接收到的已调信号中直接提取。

本文采用频率为128kHz，幅度为1V的正弦波作为载波进行调制。接收机部分采用自同步发将解扩的信号输入到搭建的科斯塔环(Costas)环电路。科斯塔环(Costas)环载波跟踪原理图如图3所示。

3.3 Kalman滤波器

卡尔曼滤波以最小均方误差为最佳估计准则，采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻的估计值和当前时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出当前时刻的估计值， Kalman滤波是目前应用最为广泛的滤波方法[6]。卡尔曼滤波方程主要有以下5个核心公式：

其中，[xk]， [xk-1]分别表示k时刻的先验状态估计值、k-1时刻的后验状态估计值;[ Pk-1]表示[xk-1]的协方差;[Pk]表示即[xk]的协方差;A是状态转移矩阵;Q是过程激励噪声协方差;B是将输入转换为状态的矩阵。[Kk是]滤波增益矩阵;[xk]是k 时刻的后验状态估计值; H是状态变量到观测的转换矩阵;[ zk]表示测量值，是滤波的输入;[Pk]表示[xk]的协方差;[R是测量噪声协方差;(zk-Hxk)]与卡尔曼增益乘积用来修正先验值的预测观测和实际观测之间的残差，从而得到后验值。

利用MATLAB库中自带的Kalman滤波器，对其参数进行设置，此Kalman滤波器的输出为4*1的矩阵输出，因此在仿真过程中遇到矩阵和向量的转换问题，我们采用集线器和分流器进行解决。Kalman滤波器模型如图所示[7]。仿真测试结果如图4所示。

4 Simulink仿真模型及结果分析

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。Simulink 的模块库为用户提供了多种多样的功能模块。本文通过Simulink 进行仿真搭建，该模型主要搭建了发射机、信道传输与接收机部分，重点研究载波同步环节与Kalman滤波的加入，观察系统最终误码率及星座图，确定系统性能[8]。

4.1发射机仿真模型

首先通過伯努利二进制模块进行速率为1000bps的基带信号模拟产生，之后通过极性转换器将信号的幅值范围转换到[-1，1]。同时加入64bit的PN码产生模块与极性转换器，进行扩频码的预准备。通过乘法器模拟二进制信号的扩频过程，通过FFT频谱显示器可明显看到扩频后信号峰值频谱转移到64KHz。之后加入128KHz的载波信号，进行载波调制，通过示波器FFT频谱显示器可观察到载波信号相位改变，说明调制成功。

4.2 AWGN信道

射频传输过程，将信号通过白噪声信道，加入Kalman滤波的仿真过程中我们观察10dB及0.5dB等不同干扰的情况，发现本系统在0.5dB信噪比环境下仍有较好的传输性能，如图8、图9所示。

4.3 接收机仿真模型

主要研究载波同步环节，信道输出后，采用已知的PN码进行相关解扩，之后将信号输入自行搭建的科斯塔斯环部分，进行相关载波的提取[9] 。通过scope1可明显观察到VCO输出的载波波形与加入载波波形相位及频率一致，如图10所示。

通过科斯塔斯环的波形最终输出后大致为解调波形，然而在较低信噪比的环境下，以往的直扩系统仍会有较大信号误差出现。本文创新性的加入Kalman线性滤波器在解调信号之后，尽可能减小系统传输误差。0.5dB 信噪比环境下未加Kalmanl滤波器系统信号对比如图11所示，0.5dB信噪比环境下加入Kalman滤波器信号对比如图12所示。

总结：相对于以往通过大量繁杂代码形式进行通信系统的建模与仿真，本文通过Simulink与直接扩频技术的结合，进行相关环节的研究。通过搭建科斯塔斯环进行相关载波的提取，最终观察加入Kalman滤波器改进后的直接序列扩频系统仿真误码率，发现改进后的系统误码率更低，具有更好的通信传输性能[10]。达到进一步改善扩频通信系统的性能，提高扩频通信系统的安全性、可靠性以及适应未来更复杂的通信环境的目的。

参考文献：

[1] 孙忠潇.Simulink仿真及代码生成技术入门到精通[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015.

[2] 张蕾，郑实勤.基于MATLAB的直接序列扩频通信系统性能仿真分析研究[J].电气传动自动化，2007(3).

[3] 邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析[M].北京：清华大学出版社，2008.

[4] 赵刚.扩频通信系统实用仿真技术[M].北京：国防工业出版社，2009.

[5] 杨颖，陈培，王云，等.扩频通信同步系统中锁相环的设计[J].哈尔滨工程大学学报，2010，31(2)：243-248.

[6] 黄小平，王岩.卡尔曼滤波原理及应用：MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社，2015.

[7] 杨鹏生，吴晓军，张玉梅.改进扩展卡尔曼滤波算法的目标跟踪算法[J].计算机工程与应用，2016(5).

[8] 熊瀛，张华.基于Simulink的直接序列扩展频谱通信系统仿真研究[J].现代电子技术，2008，31(5)：63-65.

[9] 范伟，翟传润，战兴群.基于MATLAB的扩频通信系统仿真研究[J].微计算机信息杂志，2006(19).

[10] 高丙坤，阎胜玉，袁静，等.直接序列扩频通信系统误码率的仿真分析[J].大庆石油学院学报，2002(2).

【通联编辑：梁书】

作者：高红兵 任世杰 丁季 刘宸岐 王法虎 孙童

扩频通信原理分析论文 篇3：

基于MATLAB的跳频扩频通信系统的仿真研究

摘 要：随着我国科技的日新月异，随之而来就产生了很多新型的通信方式，如扩展频谱通信就是其中一种，对于跳频通信，它则是扩展频谱通信当中的一种，对于跳频方面的通信、扩展频谱方面的通信、自适应方面的通信、高速数字方面的通信数据通信系统等，它们是被称为“九零年代的通信技术” [1]，并且，在当时也是发展非常火热的通信技术。由于跳频通信具有其他通信技术无法比拟的优势，如它的抗干扰能力是非常强的，因此，在军事上面是在广泛的应用跳频通信技术的。

关键词：扩展频谱通信;跳频通信;Matlab

1 对跳频通信进行数学模型建立及对系统原理进行描述

对于跳频扩频通信，它的基本理论依据主要是根据信息论中的Shannon公式来的[4]，下式为它的具体公式描述：

c Blb(1 P / N)

在上式中，对于参数c、B、P及N，它们所代表的含义分别如下。其中，N，表示为噪声功率;c，代表系统的信道容量(bits/s);P，表示为信号的平均功率;对于B，则表示为系统的信道带宽(Hz)。通过上式可以很明确、很清晰的知道，当满足一定条件(如在一定的信道容量之条件下)，可以采用增加信道带宽的办法、或者通过减少发送信号功率的办法等，来对信道的带宽进行减少、或者采取一定的方式来对信道的容量进行提高，这样就能够增加发送信号方面的功率，更进一步，使得信道的容量发生变化，并且不断的得到提高 [5]。

对于跳频系统，由于它的载波频率是在不断发生变化的，如果想要在接收机中对载波相位进行跟踪，很明显，要实现该种情况是比较困难的，所以，在一般情况之下，我们是选择可非相干解调方式作为跳频扩频通信系统的调制方式，并且，该种调制方式所具有的优势是其它调制方式不能够相比的，而频移键控FSK调制则是经常采用的方式。对于数据载波为a(t)，以及数据速度Ra，对它们的取值分别为+1和-1，当进行移频键控调制(即频率偏差为Δf)后，它所输出的等效低通信号为b(t)[6]，具体的表达式如下式1-1所示：

b(t) exp( j2πa(t )f ) (1-1)

在跳频扩频通信系统中，我们把伪随机序列控制下的瞬时频率定义为f(t)[7]，它会随着时间的不断改变，而对应的瞬时频率f(t)的取值在频率点fi，i=1，2，3，4…，N上也会发生改变[8]。那么，对于跳频载波信号，它的等效低通信号C(t)如下式：

c(t) exp(j2f (t)) (1-2)

对于跳频扩频通信系统，它主要是以跳频载波来实现对数据调制信号的频率进行搬移的一个过程[9]，通过这样一个过程，则跳频扩频通信系统所输出的等效低频信号d(t)如下式1-3所示;

d(t) b(t)c (t)

exp(j2(a(t)f f (t))) (1-3)

在跳频扩频系统的接收端，采用同步伪随机码控制的频率、以及伪随机变化的载波和接收信号作为混频，在这样的条件下，所得到的系统输出信号为bxj，它的表达式如下式1-4所示： bsj (d(t) N(t) I(t))c (t)

exp(2 ja(t)f ) (N (t)

I(t))exp( j2f (t)) ， (1-4)

对于上式1-4，它的参数N(t)、I(t)所代表的含义如下：N(t)，它表示噪声;I(t)，它则表示干扰信号。通过采用同步跳变的本地恢复载波来实现对接收信号进行混频后，在这样的情况下，就能得到解跳后的宽带干扰信号、窄带信号b(t)、以及信号噪声等。

2 跳频的主要技术指标及关键技术

对于一个跳频扩频通信系统而言，它所包括的技术指标主要有：①跳频频率的数目;②跳频的带宽;③跳频码的周期;④跳频的速率;⑤跳频系统的同步时间。对于这些技术指标，它们所代表的含义分别如下：①跳频频率的数目。在一般情况下，通过对跳频信号的处理增益 ，这样就能够得到相等的跳频点数。②跳频的带宽。在通常情况之下，跳频的带宽是与抗部分频带的干扰能力存在一定关系的。③跳频码的周期。倘若跳频图案的延续时间越长，那么，这样就会使敌方破译变得更加的困难，因此，其抗截获 的能力就越强。④跳频的速率。顾名思义，就是指每秒钟频率跳变的次数，决定跳频图案延续时间的长度。⑤跳频系统的同步时间。针对该同步时间的相关定义是非常多的，但这里主要是指对于跳频图案，要使其系统收发双方的时间达到一致，即完全同步，并且，对于通信所需要的相关时间也要进行建立。

3 对系统进行仿真模型的建立

3.1 对Simulink仿真工具进行概述

在本论文的研究过程中，采用的仿真工具是基于MATLAB提供的仿真平台Simulink。另外，采用Simulink仿真平台来建模是很方便的，它所带有的软件包是能够对相关的數据进行仿真、进行分析的，是一个动态系统。它能够支持的系统也是非常多的，如连续系统、线性系统等。

3.2 模型建立

在基于Simulink仿真软件的基础上面建立起来的跳频扩频通信系统仿真模型，通常情况之下，它能够对跳频扩频通信系统的整个工作过程进行实时监控及反映相关的问题，对于系统扩频前后的频谱，通过该仿真软件能够实时的观测。

4 对仿真结果进行分析

为了更加准确、更加合理的得到本论文研究的跳频扩频通信系统的仿真精确结果，所设定的相关仿真条件如下：对于所采用的跳频载频，它是采用伪随机整数方面的信号控制系统来进行实现的;对跳频点数设定为64个;对于跳频的频率间隔，是把它设定为50跳/秒;数据调制采用FSK，并且频率的间隔为200HZ;对于每个符号，它的采样点数为120。我们把本次系统仿真实验的时间设定为1000s。

5 结束语

本论文首先对跳频扩频通信系统的数学建模进行了简单介绍，然后对跳频通信的系统工作原理进行了概述，对跳频的主要技术指标及关键技术进行了介绍，接着，对Simulink仿真工具进行概述及对其进行相关模型的建立，最后，就是采用Simulink仿真软件对跳频扩频通信系统进行模型的建立，并进行了仿真研究。在进行仿真实验前，设定了相关的仿真条件，如跳频点数、采样点数、跳频频率间隔等相关条件，这样设定的目的是为了保证仿真的实验结果更加准确。

参考文献

[1] 陈高平等.扩频通信技术在CDMA中的应用[J].通信技术，2012，(07)：54-59.

[2] 刘素心.基于MATLAB的通信系统的实验仿真设计[J].实验室科学，2014，(06)：100-107.

[3] 曾兴雯等.扩展频谱通信及其多址技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004：62-67.

作者：杨传山