电力系统通信课程设计报告scut模板.doc

电力系统通信课程设计报告scut

55

资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除。

电力系统通信技术
课程设计报告

作者姓名
xxx
指导教师
xx
学科专业
xxxx
班级学号
xx
所在学院
xxxx
论文提交日期
-1
报告成绩

任务书
一.设计题目
扩频通信系统的仿真与分析
二.设计的主要内容
扩频通信技术以其抗干扰、 隐蔽、 保密和多址等优越性已广泛应用于电力通信、 导航、 测距、 定位等领域。本设计通MATLAB仿真软件, 针对直接扩频系统, 建立仿真模型, 熟悉该系统的基本原理, 进行特性分析, 进一步了解扩频通信在CDMA通信系统中的应用。
1 、 DS直接序列扩频通信系统的仿真分析, 在理论上阐述扩频通信的基本原理和理论基础, 说明扩频通信的优点, 以及相关概念的综述, 并对抗多径干扰做了详细的分析;
2、 扩频通信的关键技术-----扩频编码的概念、 分类、 相关性的意义及各种码型的特性一一加以介绍和分析;
3、 设计一个扩频通信系统, 利用MATLAB中SIMULINK仿真工具进行建模和分析, 重点对PN码, m序列进行验证分析, 加深对扩频通信技术的理解。
三. 目的
1) 掌握MATLAB的程序设计方法;
2) 学会利用SIMULINK仿真工具进行建模和分析, 能熟练使用MATLAB的通信工具箱;
3) 熟悉扩频通信技术的基本原理和特性分析;
4) 理解扩频通信在CDMA通信系统的应用。
四、 具体要求
必做内容:
( 小组七) 设计m序列发生器, 码序列为N=位 m＝8单用户, 信道信噪比SNR=4dB, 4.5dB, 5dB, 5.5 dB, 多路径传输中设计两路径。对所设计码型的自相关和互相关特性, 不同情况下的通信性能指标( 如信噪比等) 分析。
选做内容:
1 在各自基础上, 设计不同的Gold序列发生器, Walsh序列发生器, 并与原m序列发生器进行比较。
2扩频通信在IS-95 CDMA通信中的应用分析和仿真验证。如前向通道和反向通道中, 地址码的选用分析, 性能分析。

目录
任务书 I
第一章 绪论 1
1.1 课程设计目的和意义 1
1.2 设计主要内容 1
第二章 扩频通信技术 2
2.1 扩频通信基本概念 2
2.2扩频通信的主要参数分析 2
2．3扩频通信主要特点 3
2.4扩频技术及扩频码 3
2.5 CDMA扩频通信系统 4
第三章M序列发生器及通信系统设计 6
3.1 m序列简介 6
3.2 m序列的产生 6
3.3 m序列性质 7
3.5 m序列自相关性分析 11
3.6 m序列互相关性分析 13
第四章M序列通信系统设计 15
4.1 m序列扩频通信系统基本要求 15
4.2 m序列扩频通信系统组成 15
4.3 m序列扩频通信系统仿真分析 17
4.4 m序列扩频通信系统总结 19
第五章 GOLD序列发生器设计 19
5.1 GOLD序列简介 19
5.2 Gold序列的基本性质 20
5.3 GOLD序列发生器设计 21
5.4 Gold序列自相关系数分析 24
5.5 Gold序列互相关函数分析 25
第六章 WALSH序列发生器设计 28
5.1Walsh码简介 28
5.2Walsh码发生器编程实现 29
5.3 Walsh码自相关系数分析 32
5.4 Walsh码互相关函数Matlab编程实现 33
第六章 总结 35
参考文献 36
说 明 37

摘要 近年来, 扩频通信技术被广泛应用于移动通信、 导航、 卫星通信、 电力通信等诸多领域, 因其自身所具有的抗干扰能力强、 隐蔽性好、 可实现码分多址等特点, 未来应用前景将更加广阔。本文经过对扩频通信基本原理的阐述及对M序列、 Gold序列及Walsh序列的分析, 利用Matlab软件Simulink实现对M序列发生器、 M序列通信系统、 Gold序列发生器、 Walsh序列发生器的仿真, 并进行m序列自相关及互相关特性的分析以及不同信噪比下通信系统传输特性比较。
关键词 扩频通信 m序列 Gold序列 Walsh序列 Matlab/Simulink仿真

第一章 绪论

1.1 课程设计目的和意义

课程设计的目的: 经过实际地完成给定任务全面地熟悉电力系统通信的基本内容, 并对Matlab软件及Simulink仿真环境有了更加系统化的认识, 从而锻炼每一位同学的Matlab编程及操作能力, 使之更能适应本专业未来的发展要求。
课程设计的意义: 对电力系统通信的概念有了更加深刻的体会, 同时也加强了对工具软件的操作能力, 无论是即将参加工作的同学或是继续深造的同学都有十分重大的提升价值。

1.2 设计主要内容

设计工作主要分为四大部分:
( 1) 要设计m序列发生器, 码序列为N=位 m＝8单用户, 信道信噪比SNR=4dB, 4.5dB, 5dB, 5.5 dB, 多路径传输中设计两路径, 以及对所设计码型的自相关和互相关特性, 不同情况下的通信性能指标( 如信噪比等) 的分析;
( 2) 在原有m序列基础上, 设计不同的Gold序列发生器, Walsh序列发生器, 并与原m序列发生器进行比较;
( 3) 完成扩频通信在IS-95 CDMA通信中的应用分析和仿真验证。如前向通道和反向通道中, 地址码的选用分析, 性能分析;
( 4) 对上述设计进行归纳总结, 并写出自己的心得体会
第二章 扩频通信技术
2.1 扩频通信基本概念
扩展频谱( SS:Spread Spectrum) 通信简称扩频通信, 是指经过调制、 扩频使得已调信号带宽远大于调制信号带宽并在接收端经过解频、 解调的方式来将接收信号恢复到原信息带宽的一种系统。采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱的方法能够换取信噪比上的优势, 接收机输出的信噪比相对于输入端的信噪比有了很大的改进, 从而提高了系统的抗干扰能力、 抗多径传输效应的能力并使同一频带上多用户同时使用成为可能。
扩频通信的基本理论是根据信息论中的香农( Shannon) 公式, 即

式中: C为系统的信道容量( bit/s) ; B为系统信道带宽( Hz) ; S为信号的平均功率; N为噪声功率。
香农公式表明了一个系统信道无误差地传输信息的能力与存在于信道中的信噪比( S/N) 及用于传输信息的系统信道带宽( B) 之间的关系。为了提高信息的传输速率C, 能够从两种途径实现, 即加大带宽W或提高信噪比S/N。当信号的传输速率C一定时, 信号带宽B和信噪比S/N是能够互换的, 即增加信号带宽能够降低对信噪比的要求, 当带宽增加到一定程度, 允许信噪比进一步降低, 甚至能够达到有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下。扩频通信系统就是利用宽带传输技术来换取信噪比上的优势, 这为扩频通信提高基础。

2.2扩频通信的主要参数分析

( 1) 扩频增益是扩频通信的一个重要参数, 反映了系统抗干扰能力的强弱, 是对信噪比改进程度的度量, 定义为接收机相关器输出信噪比和输入信噪比之比, 即
其中: Rs 为扩频码的传输速率, Rd 为信息数据的传输速率, Bs 为扩频码的带宽, Bd 为信息数据的带宽。
( 2) 干扰容限: 为了描述扩频系统在干扰环境下的工作性能, 引入干扰容限的概念, 干扰容限的定义为
Mj=G-[Ls+(So/No)]
式中, So/No为输出信噪比; Ls为系统损耗; G为扩频增益。干扰容限能够解释为当干扰功率超过信号功率Mj( dB) 时, 系统就不能正常工作。

2．3扩频通信主要特点

扩频通信之因此得到重视和发展, 并成为近代通信主要研究和发展的方向, 是因为它具有其它通信系统不能与之相比的独特性能。
1) 抗同频干扰性能好。接收机采用相关运算只接收PN码相同的扩频信号, 对所有载波频率相同的信号或干扰具有很强的抑制能力。
2) 良好的抗衰落性能。一般信道中的衰落是有频率选择性的, 不会对宽频带的扩频信号接收产生太大的影响。
3) 抗多径干扰能力强。由于扩频系统中采用的PN码具有很好的自相关性, 互相关性很弱, 不同的路径传输来的信号能容易地被分离开, 并在时间和相位上重新对齐, 形成几路信号功率的叠加, 从而改进了接收系统的性能, 增加了系统的可靠性。

2.4扩频技术及扩频码

扩频通信系统中扩频能够看作是两个调制过程, 第一步, 使用传统的调制方式调制有效信号; 第二步, 使用扩频编码调制载波, 使其扩展到一个非常大的带宽内, 实现频谱展宽。而扩频技术主要可分为直接序列扩频技术、 跳频扩频技术、 跳时扩频技术、 线性调频以及混合调频扩频技术。
其中, 码分多址主要利用直接序列扩频技术, 即直扩技术。它的原理是使用快速变化的二进制比特流调制射频载波信号, 这种二进制比特流看上去是随机的, 实际上是按照特定的算法由数字电路产生的, 称为伪随机码。在伪随机码的调制下, 载波的相位在0度～180度之间跳跃变化, 被调制后的载波与有效信息进行混合, 经过发射机发射。相应的接收机内能够产生相同的伪随机码, 按照发射的逆过程解调, 从而解析出有效信号。

直接序列扩频调制的基本原理图如下图所示。在一般情况下调制方式能够是调幅、 调频、 调相和其它任何形式的振幅或角度调制。但最常使用的是差分相移键控( DPSK) 方式。

图2.1: 扩频通信原理
在发射机端, 要传送的信息先转换成二进制数据或符号, 与伪随机码( PN码) 进行模2和运算后形成复合码, 再用该复合码直接调制载波。在接收机端, 用与发射机端完全同步的PN码对接收信号进行解扩后经解调器还原输出原始数据信息。
在扩频系统中, 信号频谱的扩展是经过扩频码实现的, 对扩频码一般有以下要求: ( 1) 易于产生; ( 2) 具有随机性; ( 3) 扩频码应具有尽可能长的周期, 使干扰者难以经过扩频码的一小段去重建整个码序列; ( 4) 扩频码应具有双值自相关函数和良好的互相关特性, 以有利于接收时的截获和跟踪及多用户应用。
理论上说, 用纯随机序列去扩展信号频谱是最理想的。但在接收机中为了解扩应当有一个同发送端扩谱码同步的副本。因此, 实际工程中, 我们只能用伪随机或伪噪声( PN) 序列作为扩频码。在直扩系统中, 扩频码中应用最广的是m序列, 又称最大长度序列, 另外还有Gold序列以及Walsh序列等。

2.5 CDMA扩频通信系统

CDMA通信系统是最具代表性的扩频通信技术应用, 它的基本工作方式有直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum, 简称DS)方式、 跳变频率(Frequency Hopping, 简称FH)方式以及跳变时间(Time Hopping, 简称TH)方式三种。其中, 直扩(DS)方式同另外两种方式比较, 实现频谱扩展方便, 无论对通信、 测距应用还是其它应用都很合适, 因此是最典型的一种扩频通信方式。
CDMA扩频通信系统包含两个基本技术: 一个是码分技术, 其基础是扩频技术; 另一个是多址技术。
当前的CDMA系统就是采用m序列及由其产生的其它PN序列作为地址码, 利用它们的不同相位来区分不同用户。在第三代移动通信系统中分别采用了m序列、 Gold序列及M序列作为地址编码, 用Walsh序列作为信道编码。因而, PN码的选择直接影响到CDMA系统的容量、 抗干扰能力、 接入和切换速度等性能。
CDMA信道的区分也是靠PN序列来进行的, PN序列较好的相关特性( 自相关特性尖锐; 互相关特性较弱) , 加上实现和编码方案简单等特点, 使其在未来的移动通信系统中处于至关重要的位置。

第三章M序列发生器及通信系统设计
3.1 m序列简介

m序列是最长线性移位寄存器的简称。所谓线性反馈移位寄存器, 就是指反馈逻辑线路只由模2和构成, 由n级串联的移位寄存器和反馈逻辑线路组成的动态移位寄存器。
多级移位寄存器中, 若N为移位寄存器的级数, n级移位寄存器共有个状态, 除去全0状态外还剩下不种状态, 因此它能产生的最大长度的码序列为位。产生m序列的线性反馈移位寄存器称作最长线性移位寄存器。
产生m序列的移位寄存器的电路结构, 其反馈线连接不是随意的, m序列的周期P也不能取任意值, 而必须满足, 式中, n是移位寄存器的级数。

图3.1: 线性反馈移位寄存器

3.2 m序列的产生

图3.2: n级线性移位寄存器
图中Ci表示反馈线的两种可能连接方式, Ci=1表示连线接通, 第n-i级输出加入反馈中; Ci=0表示连线断开, 第n-i级输出未参加反馈。
一般形式的线性反馈逻辑表示式为

将等式左边的an移至右边, 并将an=C0an(C0=1)带入上式, 则上式能够写成

定义一个与上式相对应的多项式

其中x的幂次表示元素的相应位置。该式为线性反馈移位寄存器的特征多项式, 特征多项式与输出序列的周期有密切关系。当F(x)满足下列三个条件时, 就一定能产生m序列:
( 1) F(x)是不可约的, 即不能再分解多项式;
( 2) F( x) 可整除xn+1, 这里p=2n+1;
( 3) F( x) 不能整除xn+1, 这里q<q.
满足上述条件的多项式称为本原多项式, 这样产生m序列的充要条件就变成了如何寻找本原多项式。

3.3 m序列性质
( 1) 均衡性。在m序列一个周期中‘1’的个数比‘0’要多1位, 这表明序列平均值很小。
( 2) m序列与其移位后的序列模2相加, 所得的序列还是m序列, 只是相位不同而已。例如: 1110100与向又移3位的序列1001110相对应模二相加后的序列为0111010, 相当于原序列向右移一位后的序列, 仍为m序列。
( 3) m序列发生器中移位寄存器的各种状态, 除全0状态外, 其它状态只在m序列中出现一次。
( 4) 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:

其中φ( X) 为欧拉数。例如5级移位寄存器产生31位m序列只有6个。

( 5) m序列具有良好的自相关性, 其自相关系数:

从m序列的自相关系数能够看出m序列是一个狭义伪随机码。

3.4 m序列发生器的设计

在m序列生成器中, 只有当生成多项式是本原多项式 , 即生成多项式不可约时, 才能够生成一个长度最大的m序列。调用Matlab软件的primpoly函数可得到当n=8时的本原多项式。
>> x=primpoly(8,'all');
D^8+D^4+D^3+D^2+1
D^8+D^5+D^3+D^1+1
D^8+D^5+D^3+D^2+1
D^8+D^6+D^3+D^2+1
D^8+D^6+D^4+D^3+D^2+D^1+1
D^8+D^6+D^5+D^1+1
D^8+D^6+D^5+D^2+1
D^8+D^6+D^5+D^3+1
D^8+D^6+D^5+D^4+1
D^8+D^7+D^2+D^1+1
D^8+D^7+D^3+D^2+1
D^8+D^7+D^5+D^3+1
D^8+D^7+D^6+D^1+1
D^8+D^7+D^6+D^3+D^2+D^1+1
D^8+D^7+D^6+D^5+D^2+D^1+1
D^8+D^7+D^6+D^5+D^4+D^2+1

从中选择 D^8+D^6+D^3+D^2+1 利用线性反馈移位寄存器组成m序列生成器, 并经过matlab软件及simulink进行仿真。
采用如下图所示两种实现方法:

图3.3: PN( m) 序列仿真接线图1

图3.4: PN( m) 序列仿真接线图2

分别使用Memory和Unit Delay 两种实现方式, SampleTime均取1。
反馈接线方式为( 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1)
初始状态值为( 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1)

图3.5: PN序列生成对比接线图

图3.6: PN序列生成器( PN Sequence Generator) 参数设置

接线图如上图所示, 将上述两种实现方式与Simulink自带的PN序列生成器( PN Sequence Generator) 所产生的图像进行比较得到scope的图像( Time Range=100 Y axis=+-2) 如下图:

图3.7: PN序列生成器( PN Sequence Generator) 参数设置

经检验采用Memory和Unit Delay 两种实现方式与Simulink自带的PN序列生成器结果并无出入。

以下是采用Matlab编程实现PN( m) 序列图像生成函数代码:
function [ pn ] = Final_PNgenerator_wuqike( n,k )
for i=1:n-1
a(i)= 0;
end
a=[a,1];
pn=[a(n)];
for i=1:(2.^n)-1
m=[a(n)];
for j=2:n
if (k(j)==1) m= xor(m,a(j-1)) ;end
end
a=[a(n),a(1:n-1)];
a(1)=m;
pn=[pn,a(n)];
end
pn1=[];
for r=1:2^n-1
for v=1:10
pn1 = [pn1,pn(r)];
end
end
plot (pn1);
axis([0,10*(2^n-1), -1.2 , 1.2]);
grid;
end
在Matlab Command Window中键入
>> Final_PNgenerator_wuqike( 8,[1 0 1 1 0 0 1 0 1] )
得到PN序列图像及数据序列( 略)

图3.8: Matlab编程实现PN(M)序列图像( N=8 ,[1 0 1 1 0 0 1 0 1])

3.5 m序列自相关性分析
周期为p 的m序列的自相关函数为:
其中:
A － 该序列与其j次移位序列一个周期中对应元素相同数目
D － 该序列与其j次移位序列一个周期中对应元素不同数目
P － 序列周期　
上式可改写为:

由移位相加特性和均衡特性, 可知m序列的自相关函数为:

对于一个周期为的m序列( 取值1或0) , 当时, m序列的自相关函数出现峰值1; 当偏离0时, 相关函数曲线很快下降; 当, 相关函数值为; 当时, 又出现峰值; 如此周而复始。当周期P很大时, m序列的自相关函数与白噪声类似。这一特性很重要, 相关检测就是利用这一特性, 在‘有’或‘无’信号相关函数值的基础上识别信号, 检测自相关函数值为1的码序列。

假设码序列周期为P, 码元宽度为, 那么自相关系数是以为周期的函数。图中横坐标以表示

图3.9: m序列的自相关函数
在的范围内, 自相关系数为

以下是采用Matlab编程实现m序列自相关系数图像代码:

function [ Rcor ] = Final_PNselfcor_wuqike( n ,k )

for i=1:n-1
a(i)= 0;
end
a=[a,1];
pn=[a(n)];
for i=1:(2^n)-1
m=[a(n)];
for j=2:n
if (k(j)==1) m= xor(m,a(j-1)) ;end
end
a=[a(n),a(1:n-1)];
a(1)=m;
pn=[pn,a(n)];
end
pn1=pn;
Rcor=[];
for t=0:3*(2^n-1)
s=0;
for i=1:2^n-1
if (pn(i)==pn1(i)) s=s+1 ; end
end
con=(s-(2^n-1-s))/(2^n-1);
Rcor=[Rcor,con];
pn1=[pn1(2^n-1),pn1(1:2^n-2)];
end
t=[0:3*(2^n-1)];
plot (t,Rcor);
axis([0,3*(2^n-1), -0.1 , 1.2]);
grid;
end

在Matlab Command Window中键入
>> Final_PNselfcor_wuqike( 8 ,[1 0 1 1 0 0 1 0 1])
得到m序列自相关系数图像及数据序列( 略)

图3.10: Matlab编程实现m序列自相关系数图像( N=8 ,[1 0 1 1 0 0 1 0 1])
由此可见Matlab编程实现的m序列自相关系数峰值明显, 与预期结果一致, 编程无误。

3.6 m序列互相关性分析

两个码序列的互相关函数是两个不同码序列一致程度( 相似性) 的度量, 它也是位移量的函数。当使用码序列作为区分地址时, 则必须选择码序列互相关函数值很小的码, 以避免用户之间互相干扰。因此必须讨论互相关的问题。
研究表明, 两个长度周期相同, 由不同反馈系数产生的两个m序列, 其互相关函数与自相关函数相比, 没有尖锐的二值特性, 是多值的。作为地址码而言, 希望选择互相关函数越小越好, 这样便于区分不同用户, 或者说, 抗干扰能力强。
两个码序列之间的互相关函数为

在二进制情况下, 假设码序列周期为P的两个m序列, 其互相关函数为

式中, A为两序列对应位相同的个数, 即两序列模2加后”0”的个数; D为两序列对应位不同的个数, 即两序列模2加后”1”的个数。

以下是采用Matlab编程实现m序列互相关函数图像代码:
function [ Rcor ] = Final_PNcrosscor_wuqike( n,k1,k2 )
for i=1:n-1
a(i)= 0;
end
a=[a,1];
pn1=[a(n)];
for i=1:(2^n)-1
m=[a(n)];
for j=2:n
if (k1(j)==1) m= xor(m,a(j-1)) ;end
end
a=[a(n),a(1:n-1)];
a(1)=m;
pn1=[pn1,a(n)];
end
for i=1:n-1
a(i)= 0;
end
a=[a,1];
pn2=[a(n)];
for i=1:(2^n)-1
m=[a(n)];
for j=2:n
if (k2(j)==1) m= xor(m,a(j-1)) ;end
end
a=[a(n),a(1:n-1)];
a(1)=m;
pn2=[pn2,a(n)];
end
Rcor=[];
for t=0:3*(2^n-1)
s=0;
for i=1:2^n-1
if (pn1(i)==pn2(i)) s=s+1 ; end
end
con=(s-(2^n-1-s));
Rcor=[Rcor,con];
pn2=[pn2(2^n-1),pn2(1:2^n-2)];
end
t=[0:8:8*3*(2^n-1)];
plot (t,Rcor);
axis([0,8*3*(2^n-1), -50 , 50]);
grid;
end

在Matlab Command Window中键入

>> Final_PNcrosscor_wuqike( 8,[1 0 1 1 0 0 1 0 1],[1 1 1 1 0 0 1 1 1] )

得到m序列互相关函数图像及数据序列( 略)

图3.11: Matlab编程实现m序列互相关函数图像
( N=8 ,[1 0 1 1 0 0 1 0 1], [1 1 1 1 0 0 1 1 1])

第四章m序列通信系统设计

4.1 m序列扩频通信系统基本要求

m序列发生器, 码序列为N=位 m＝8单用户, 信道信噪比SNR=4dB, 4.5dB, 5dB, 5.5 dB, 多路径传输中设计两路径。

4.2 m序列扩频通信系统组成

图4.1: 采用Matlab/Simulink仿真得到的扩频通信系统

以下为各个模块说明及参数设置:

( 1) 信源: Random Integer
说明: 用于产生随机信号, 作为整个系统的信号来源, 即信源, 设置的信源为二进制( 0和1) 信号。
参数:
M-ary number
2
Initial number
23
Sample time
1/19200

( 2) 伪随机序列发生器: PN Sequece Generator
说明: PN伪随机序列发生器能根据设定的线性移位寄存器接线的相关系数和给定的寄存器初始值, 产生m序列数据。
参数:
Generator polynomial
[1 0 1 1 0 0 1 0 1]
Initial states
[0 0 0 0 0 0 0 1]
即采用n=8、 反馈参数为[1 0 1 1 0 0 1 0 1]的m序列

( 3) 数字信号调制/解调器( M-PSK Modulator Baseband/M-PSK Demodulator Baseband)
[16-PSK] :
说明: 16进制移相键控, 其载波的相位有16种,主要完成对信号的调制和解调。
参数:
M-ary number
16
Phase offset(rad)
Pi/16

(4)传输路径数: Multiple Paths
说明: 每个用户的信号经过不同的传输路径, 每条路径之间会有一定的延时。
参数:
Number of paths:
2
Path delays:
[0 3]
Input sample time:
1/19200
(5)信道: AWGN Channel
说明: 传输信道为加性高斯白噪声信道。在加性高斯白噪声信道模块中, 可进行信号功率和信噪比的设置。
参数:
SNR( dB)
4
SNR( dB)
4.5
SNR( dB)
5
SNR( dB)
5.5
( 6) Rake接收机: Rake Combiner
说明: 此模块先与之前多路径延时传输的信号同步, 然后再利用调扩的信号来解扩信号, 信号经过积分器然后输出。
参数:
Delay vector
[0 3]
Samples to integrate
50

( 7) 误码率统计: Error Rate Calculation
说明: 将输入的信号与接收到的信号进行比较, 统计出传输的总码数、 错误的码数和误码率。其中第一行表示误码率, 第二行表示误码数, 第三行表示总码数。
它具有两个输入端口: 第一个端口( Tx) 接收发送方的输入信号, 第二个端口(Rx)接收接收方的输入信号。

4.3 m序列扩频通信系统仿真分析

采用不同的信道信噪比进行系统的仿真, 得出如下结果:

图4.2: S/N=4dB时信源与解调后的信号对比

图4.3: S/N=4.5dB时信源与解调后的信号对比

图4.4: S/N=5dB时信源与解调后的信号对比

图4.5: S/N=5.5dB时信源与解调后的信号对比

由图可知, 发送信号与接收信号绝大部分是相同的, 由于信道存在高斯白噪声, 因此, 会有一定的误码。
调制解调方式: 16进制移相键控16-PSK

信噪比( dB)
扩频码型
扩频码长
采样周期(s)
每帧采样数
用户误码率
4
m序列
255
1/(19200*50)
50
0.00447
4.5
m序列
255
1/(19200*50)
50
0.0025
5
m序列
255
1/(19200*50)
50
0.00156
5.5
m序列
255
1/(19200*50)
50
0.000937
4.4 m序列扩频通信系统总结

( 1) 经过扩频传输后所解调所得到的信号波形与信源波形几乎一致, 但相比于信源波形, 解调所得到的信号波形有少许延迟。
( 2) 对于相同的扩频码型( m序列) 、 扩频码长、 采样周期、 每帧采样数, 信噪比不同用户的误码率也不同, 在同种条件下信噪比越大, 用户接收到的误码率越小。

第五章 GOLD序列发生器设计

5.1 GOLD序列简介

m序列虽然性能优良, 但同样长度的m序列个数不多, 且序列之间的互相关值并不都好。R·Cold于1967年提出了一种基于m序列的码序列, 称为Gold码序列。
Gold码序列由两个m序列按下述方法演变而来的:
如有两个m序列, 它们的互相关函数的绝对值有界, 且满足以下条件:

我们称这一对m序列为优选对。
设有一对周期均为N=2r-1、 码长相同的m序列优选对｛a｝, ｛b｝, 以其中任意一个序列为基准序列, 如｛a｝, 对另一个序列｛b｝进行移位i次, 得到｛b｝的移位序列｛bi｝, 然后与序列｛a｝进行模二相加得到一个新的周期为N的序列｛c｝, 则新序列｛c｝即为Gold序列, 既｛ci｝=｛a｝+｛b｝i=0, 1, 2, ...., N
产生gold序列的程序代码如下: gold=mod(out1+out2,2);

图5.1: Gold序列的产生方框图
Gold序列有较优良的自相关和互相关特性, 构造简单, 产生的序列数多, 因而获得了广泛的应用。
Gold序列具有三值互相关函数, 其值为:

其中,
当r为奇数时, gold序列中约有50%的码序列归一化相关函数值为-1/p。当r为偶数但又不是4的倍数是, 约有75%的码序列归一化互相关函数值为-1/p。

5.2 Gold序列的基本性质

(1)平衡性: Gold 码序列分为平衡码和非平衡码。Gold序列的平衡特性有3种,也就是Gold序列有3种”0”和”1”情况:
①”1”码元数目仅比”0”码元数目多一个,这就是平衡Gold序列。
②”1”码元过多。
③”1”码元过少。
后两种序列是不平衡Gold序列。当n为奇数时,在周期N的N+2个Gold序列中, 有2n-1个序列是平衡的。即平衡码数量占50%,非平衡码数量占50%。当n为偶数, 但不能被4整除时,在周期N=2n-1的N+2个Gold序列中, 平衡码占75%,非平衡码占25%。相比较而言,m序列是平衡的,”1”码和”0”码的个数基本相等。
(2)自相关特性: Gold证明了Gold码序列的自相关函数的所有非最高峰的取值是三值。其自相关函数值所有非最高峰取值R如下式。其中p=2n-1,p为Gold码序列的周期。

在位移k=0 , R取得最高峰, 即R=1,此时同m序列一样, 具有尖锐的自相关峰值。
因此Gold码序列应具有四个值的自相关函数值。上式中t的取值是, 当n为奇数时, 。当n为偶数,且不是4的整倍数时, 。
(3)互相关特性: Gold码序列具有较好的互相关特性, Gold码序列的互相关函数值的最大值不超过其m序列优选正确互相关值。Gold码也具有三值互相关函数值, 其取值同上式。当n为奇数时, 序列族中约50%的码序列的互相关函数值为-1/p; 而n为偶数时, 有75%的码序列的互相关函数值为-1/p。

5.3 GOLD序列发生器设计

满足以上条件的一对m序列为优选对, 由于n=8是4的倍数, 故无法构成优选对。

n
N
优选对序列1
优选对序列2
5
31
[ 5 2 0 ]
[ 5 4 3 2 0 ]
6
63
[ 6 1 0 ]
[ 6 5 2 1 0 ]
7
127
[ 7 3 0 ]
[ 7 3 2 1 0 ]
9
511
[ 9 4 0 ]
[ 9 6 4 3 0 ]
10
1023
[ 10 3 0 ]
[ 10 8 3 2 0 ]
11
2047
[ 11 2 0 ]
[ 11 8 5 2 0 ]

图5.2: 常见优选正确生成多项式表

参照上图所示的一些常见优选正确生成多项式表, 选择n=9, N=511 ,优选对序列选择为[ 9 4 0 ]及[ 9 6 4 3 0 ]

图5.3: Gold序列生成对比接线图

图5.4: 两个优选对序列生成波形及进行模二相加后生成的Gold序列
( 上2图为优选对序列, 最底部图为生成Gold序列图)

图5.5: 双Memory线性寄存器组模二相加生成Gold序