通信仿真技术实验报告扩频通信，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。具有巨 大的发展前景。扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)的原理发表的很早，它 是将待传送的信息数据被伪随机编码也就是扩频序列调制，实现频谱扩展以后再 在信道中传输，接收端则采用与发送端完全相同的编码进行解调和相关处理，从 而恢复出原始的信息数据。从这里我们可以看出，扩展频谱通信(以下简称扩频 通信)作为一种新的通信方式与一般的常见的窄带通信方式是不同的，它们刚好 相反，它是在发送端经过扩展频谱以后，在信道中进行宽带传输，然后在接收端 进行相关处理以及解扩后恢复成窄带后解调数据。恢复出原始信息数据。因此， 扩频通信具有伪随机编码调制和相关处理两个特点。也正是这两个特点，使得扩 频通信方式有许多优点:如抗干扰、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、可以用于高精度 测量等。正是由于扩频通信方式具有上述的优点，所以扩频通信虽然是一种新型的通 信方式，但是引起了人们的广泛注意，得到了迅速的发展和广泛的应用。从扩频通信的应用发展来看，真正开始研究它的应用的是在上个世纪50年 代中期美国开始的。刚开始一直用于军事通信领域，因为在军事通信中，一般通 信方式在强干扰存在的情况下，很难准确的检测出发送来的信号，由于扩频通信 具有很好的保密信和抗干扰性，所以首先开始了在军事通信领域的应用。成为扩 频通信研究发展的开端，从此，军事通信机关对军事通信、空间探测、卫星侦察 等方面广泛应用扩频通信技术。60年代以来，随着民用通信事业的发展，频带拥挤问题日益突出，成为通信 技术发展上的一个突出的问题。随着信号处理技术、大规模集成电路和计算机技 术的发展，编码和相关处理能够方便的进行，通信技术的发展，推动了扩频通信 理论、方法、技术等各方面的研究发展和应用普及。军事产品开始向民用转化。 在80年代开始在民用领域得到应用。为了满足日益增长的民用通信容量的需求 和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和 未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、 微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。扩频通信理论方法、技术和应用的发展，经历了几个阶段，第一阶段是在 1977 年前后，在早期建立的扩频通信理论的基础上，卓有成效的丰富和发展了扩频通 信的理论、方法和实用技术，1977 年 8 月的 IEEE 通信汇刊的扩频通信专集和 1978 年在日本东京都举行的国际无线通信咨询委员会全会对扩频通信的专门研 究集中反映了扩频通信的研究成果，开始了世界性的对扩频通信的全面研究。第 二个阶段的显著标志是扩频通信开始民用。1982 年美国第一次军事通信会议， 公开展示了扩频通信在军事通信中的主导作用，报告了扩频通信在军事通信各个 领域的应用，并开始了扩频通信的民用调查。这是扩频通信发展的第二个阶段。 扩频通信发展的第三个阶段开始于 1985 年 5 月美国联邦通信委员会制定了民用 公共安全、工业、科学与医疗和业余无限电采用扩频通信的标准和规范。以后世 界各国相继行动，组织扩频通信专门研究机构和学术团体，开始了扩频通信的深 入研究和广泛应用，这就是扩频通信发展的第三个阶段。近年来，第三代移动通 信的飞速发展，把扩频通信的研究、应用和发展都推向了新的阶段。一、实验项目名称：跳频扩频通信系统的设计及simulink仿真二、有关扩频系统的背景介绍扩展频谱(Spread Spectrum, SS)通信系统广泛应用于军事通信、移动通信、 雷达、导航、测距、定位等领域。它利用频谱扩展技术将需要发送的信息信号扩 展到一个很宽的频带上,使射频带宽比信息带宽宽得多,然后再发送出去。在接 收端则通常通过相干解扩将信号重构出来。这种通信系统以占用比原始信号带宽 宽得多的射频带宽为代价,来获得更强的抗干扰能力和更高的频谱利用率。在通信系统中采用扩频技术有许多优点：比如具有较强的抗干扰能力；具有 较强的隐蔽性和抗测向、抗侦察能力；具有优良的多址接入能力,是码分多址的 关键技术；具有很强的抗频率选择性衰落的能力；抗多径干扰；可进行高分辨率 的测向、定位等等。按照扩频方式的不同,扩频通信系统主要可分为：直接序列扩展频谱系 统(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)跳频系统(Frequency Hopping, FH) 跳时系统(Time Hopping, TH)。跳频是扩频的另外一种方式。 在跳频系统中，调制载波频率受伪随机码的 控制，不断地以伪随机规律跳变，以躲避点干扰和窄频干扰。跳频系统可以看成 是载波频率按照指定的伪随机规则跳变的多元频移键控(M-FSK)系统。根据跳 频速率(R跳/s)与传输信息速率(R bps)之间的关系，可以将跳频系统分为 ha慢跳频系统和快跳频系统：若(R R)，则为快跳频，反之为慢跳频。ha三、实验目的：本实验的目的是通过搭建跳频扩频系统的模型，了解跳频扩频通 信系统的原理，并掌握simulink的操作使用方法。四、实验内容设数据流波形为a(t)，数据速率为R，其取值为双极性的(1)，进行FSKa调制(频偏设为纣)后输出信号的等效低通信号为b(t),有b(t)= e j 2 兀 a (t) Af设伪随机序列控制下的瞬时频率取值为f(t),随着时间改变,f(t)取值在频率点 f，i=1,N上改变。跳频载波信号的等效低通信号为c(t)设为：ic(t) =e j 2f (t)跳频就是以跳频载波对数据调制信号的频率搬移过程，跳频输出的等效低通 信号d(t)是：d (t) = b(t) - c(t) = e j2兀(a(t)Af + f (t)在接收端，以同步PN码控制的频率伪随机变化的载波(其等效低通信号为 发送载波c(t)的共轭信号c*(t)和接收信号混频(相乘)进行解跳频，得到解扩 输出信号b(t)为b(t) = (d (t) + n(t) + J (t) x c * (t)=d (t) x c * (t) + (n (t) + J (t) x c * (t)=ej2兀(a(t)Af+f(t)x e- j2吋(t)+ (n(t) + J (t) x e- j2吋(t)=ej 2 兀(a( t)Af)+ (n (t) + J (t) x e - j 2 吋(t)其中，n (t)和J (t)分别表示噪声和干扰信号，并且c(t)c*(t) = 1，以同步 跳变的本地恢复载波对接收信号混频后，就得到了解调后的窄带信号b(t)和宽 带的噪声以及干扰信号。同样，以窄带滤波器即可滤除大部分噪声和干扰，达到 抗干扰的目的。跳频系统是一种瞬时窄带系统。在接收机端，本地恢复载波也受伪随机码的 控制，并保持与发送的跳频变化规律一致，这样，以频率跳变的本地恢复载波对 接收信号进行变频(相乘)后，就能得到解扩(解跳频)信号，然后对解扩后的 信号再进行相应的解调即可恢复数据。由于跳频系统中载频不断改变，在接收机 中跟踪载波相位较为困难，所以跳频系统中一般不采用需要相干方式解调的调制 方式，如PSK等，而是采用一些可非相干解调的调制方式，最常用的是FSK调 制。五、实验记录以及结果分析设数据速率为100bps，数据调制采用2FSK方式，频率间隔为100Hz。跳频 频点为32个，调频频率间隔为50Hz，调频速率为50跳/S。设以伪随机整数控 制跳频的载频，接收机中解跳所用的本地恢复载波理想地跟踪了发送载波频率变 化。新到设为 AWGN 信道。该系统属于一个慢跳频扩频系统。跳频输出信号带宽约为50 x 32二1600 Hz， 其等效低通信号频率变化范围为-80 800Hz。为了使仿真观测范围达到 -20002000Hz，信号采样率应设置为4000次/s,所以每一个传输数据码元的 仿真采样点数为40点。跳频速率为50跳/s,故每跳持续时间为0.02s，对应的采 样点数为 80 点。伪随机码采用 m 序列，也可采用 Gold 序列。将伪随机码中每 5bit 转换为一个 031 的随机整数，以控制跳频载波的输出频率。由于假设接 收机伪随机码是理想同步的，且信道没有时延，因此在模型中可直接用发送方的伪随机码作为接收机恢复的伪随机序列。|Ln rLnrzJT1CUlliEli冏Ll-FSKaklli Bins;*GeiixIWSK1问财E=s=barKiE-FFT誘站*Fk51二-+j% n bnws-!Csbl3li:i RiEnurfeK：加8斯即Sire.VsTLEtFTGks,.r,ScpeZWltW-rSKN-rSK:制岀血防Bbsrd毗询errr.i+y.fibddBJrrBasdendlLTW-+4y Llsnfi厂： FundicnI曲I册E空8述图1跳频扩频传输系统的仿真模型图2 PN序列发生子系统根据以上分析建立传输测试模型。二进制信源数据采用Bernoulli BinaryGenerator产生，模块中采样时间设为0.01s。然后用M-FSK Modulator Baseband 模块完成2FSK调制，其参数设置为：调制元数为2,频率间隔为100Hz,每个 符号的采样点数为40,这样调制输出的将是采样率为4000次/s的信号。由PN 序列转换得到的0-31随机整数由子系统Subsystem PN Sequence产生，子系统中， PN序列模块的采样时间间隔设置为1/250s，并设置按帧输出，每帧5个样值（即 5个码片），将帧格式转换为基于取样的信号后，用Bit to Integer Converter将每5 码片转换为一个随机整数输出，作为跳频载波频率点的控制信号。输出随机整数 的速率是250/5=50个/s,等于跳频速率。跳频器采用M-FSK Modulator Baseband】 完成，其设置参数是：调制元数32,输入数据类型为整型，频率间隔为50,每 符号的采样点数为80,这样该模块将输出在32个频点上跳频速率为50次/s的 伪随机跳频载波信号。它是复信号，采样率与2FSK信息调制的输出信号相同， 为4000次/s。信息调制输出和跳频载波进行相乘以实现跳频扩频。扩频输出经过AWGN信道并加入一个150Hz的单频正弦波作为干扰源。在接收端，本地跳频载波是发送跳频载波信号的共轭信号，以相乘完成解跳 后,用M-FSK Demodulator Baseband完成2FSK信息解跳，其设置与信息调制器 对应。与发送数据相比，解调输出数据将会延迟一个码元间隔时间（0.01s）。系 统中可对比观察收发数据波形，测试误码率，并用频谱仪观测跳频，信道传输以 及解跳，解调前后的信号频谱，如图3-5。O0-|图3跳频前信号频谱Q cnI0/lcHz图4跳频后信号频谱图5调制波形和解调波形设置AWGN信道的噪声方差为1,单频正弦波幅度为1,执行仿真后则可得 到各关键传输点的信号频谱。可以看到，2FSK信息调制输出的频谱频率间隔为 100Hz，跳频扩频后的信号频谱中存在32个调频频点，间隔50Hz扩频带宽为 1600Hz。六、参考文献王玉德，王金新.基于MATLAB的跳频扩频通信系统的仿真研究J