扩频技术论文范文

以下是小编精心整理的《扩频技术论文范文(精选3篇)》，供需要的小伙伴们查阅，希望能够帮助到大家。【摘要】文章簡述了扩频数字通信系统相关内容。在扩频技术基础上，引入了跳频扩频系统的模型，并对系统进行了较详细地分析。特别是对扩频跳频系统的特性和实现原理进行较全面地分析，得到了扩频跳频信号的关系数学表达式。同时，通过对跳频扩频的同步过程进行了分析，验证了跳频扩频通信有极强的抗干扰能力和多址通信能力。

第一篇：扩频技术论文范文

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

第二篇：基于扩频技术的跳频扩频分析

【摘要】文章簡述了扩频数字通信系统相关内容。在扩频技术基础上，引入了跳频扩频系统的模型，并对系统进行了较详细地分析。特别是对扩频跳频系统的特性和实现原理进行较全面地分析，得到了扩频跳频信号的关系数学表达式。同时，通过对跳频扩频的同步过程进行了分析，验证了跳频扩频通信有极强的抗干扰能力和多址通信能力。

【关键词】扩频；伪随机；码元；跳频

作者：佘明辉 余 轮

第三篇：无线扩频技术在将军集团的应用

摘要：扩频技术就是将所传输信息的带宽扩展很多倍，然后发送出去，这时发送信号所占据的信道带宽远大于信息本身的带宽，与此同时，调制到高频的信号发射功率谱也将大大降低。采用无线扩频技术同时也可以解决有线网络布线困难、用户办公地点不固定等难题，可以将不同区域、难以布线的建筑物，通过无线的方式与中心网络相连，实现两地通讯。文章通过对将军集团无线扩频技术的应用，对无线网的优势和发展趋势形成较深的认识和理解。

关键词：无线网;OTC;扩频通信技术;局域网;带宽

一、无线扩频通信技术简介

扩展频谱通信(spread SpectrumCommunication)技术(以下简称扩频通信)，早在第二次世界大战期间就已提出，其发展也基本上是在军事领域随着电子对抗发展起来的。

随着无线通信的广泛应用，无线频道变得非常拥挤，频道资源非常紧张，干扰繁多且严重。由于扩频通信技术的很多优点可以克服这些问题，并且可以提供更高的保密技术，因此，从20世纪80年代末，美国联邦通信委员会(FCC)规划了ISM波段并批准扩频通信使用该频段来，扩频通信技术得到了快速的发展和广泛的应用。

二、无线扩频通信技术基本原理

扩频通信的理论基础是仙农定理：

C=W Log 2(1+S/N)

式中：C—信道容量，W—传输带宽，S/N——信号功率/噪声功率。由此可得：在信息速率一定时，可以用不同的信号带宽和相应的信噪比来实现传输。即信号带宽越宽则传信噪比越低，甚至在信号被噪声淹没的情况下也可以实现可靠通信。因此，将信号的频谱扩展，则可以实现低信噪比传输，并且可以保证信号传输有较好的抗扰干性和较高的保密性。

目前常用的扩频通信实现方法主要有：直接序列扩频(Direct Sequence Spreadspectrum)、跳频(Frequency Hoppmg)、跳时(Time Hoppmg)、宽带线性调频(Chip Modulation)等方式。以上方法中最常用的是直接序列扩频和跳频。

三、无线扩频技术的特点

(一)抗干扰性强

首先，扩频通信系统扩展的频谱越宽。抗干扰性能越强。如果信号频带展宽10倍，干扰信号需要在更宽的频带上进行干扰，因此分散了干扰功率，在总功率不变的条件下，其干扰强度只有原来的1/10。其次，在接收端是采用扩频码序列进行相关检测，所以即使是同类型信号进行干扰，如果不能检测出有用信号的码序列，由于不同码序列之间不同的相关性，干扰的影响会很少。

(二)不干扰性好

扩频信号的发射功率谱很低。发射功率限小于或等于1W，不影响已有的任何无线通信设备的正常运行，使大气空间的电磁环境较干净。

(三)抗多径干扰能力强，增加了系统的可靠性

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。不同路径传输出的信号能够容易地被分离开，并能够在时间和相位上重新对齐，增加了系统的可靠性。

(四)抗衰落性能好

一般来讲，无线电信号传播时，衰落是有频率选择性的，而扩频信号将信号功率扩展到很宽频带中，其中一部分信号频率出现的衰落，不会对信号整体接收产生太大影响。

(五)有很强的隐蔽性和保密安全性

随着无线局域网的不断发展，对于用户来说网络的安全性越发成为一个关注的焦点。网络的安全性到底如何，怎样才能最大限度地隔绝外来黑客、病毒、工业间谍的侵入以及网络内部某些别有用心的用户越权登录等等，这些都是网络管理员最为头疼的问题。

(六)传输速率高，误码率低

目前扩频技术的发展。使扩频通信传输速率可达10Mbps，并且传输可靠，误码率可以低于10-8。

(七)多址通信能力强

由于扩频通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码之间的相关解扩才能得到，这就为频率复用和多址通信提供了基础。

四、无线扩频技术与其他网络的方式的比较

在探讨无线扩频技术的同时，首先对无线网和有线网进行比较。无论是现在还是将来，无论是局域网还是城域网。无线网络都不会完全替代有线网络，这两者之间永远是互助的关系，就像我们既需要听广播，又需要看有线电视;既要在海底铺设电缆，又要在太空放置卫星。

第一，有线局域网的局限性。有线局域网有着传输速度快、产品种类全和产品价位低等显著的优点，但同时它也有着如受地理环境和工作条件限制等很多显著的缺点。一是特殊地理环境的制约。如山地、港口和开阔地等特殊的地理位置和环境将对有线网络的布线工程有着极强的制约力，此时，如果坚持采用有线网络，将存在施工周期长和后期维护困难等问题。但是如采用OTC Wirdess公司的无线网络产品，用户就可轻松地在距离为25公里、传输速度为2Mbps或最大距离为12公里、传输速度为11Mbps的条件下与服务器或其他计算机进行通信，而无须为地理位置和环境担心。二是工作地点不确定。在一些比较特殊的情况下，工作人员可能不会固定在某一点工作，而是在某一范围内进行工作，如库房管理、施工现场和实地勘测等，这时若采用有线网络，将对工作带来诸多不便。还有一种情况，就是如建筑、公路铺设、煤矿和油田等工作单位，不会有一个长期不变的工作地点，那么使用有线网络就意味着每个工程都要进行一次布线工程。如使用OTCWireless公司的无线网络产品进行连网，任何地方都会随信号发射中心移动，只要在信号覆盖范围之内网络都会随之出现，而不会出现重新布线的问题。

第二，公共数据网络的局限性。在城区内公共数据网络有着网络覆盖面积广、受地理环境的影响小等优点，但同时它也有着如传输速度、租用费用昂贵、施工周期长等显著的缺点。随着计算机网络通信技术的不断发展，用户已经由以前所要求的简单的语音及少量数据传输，变成了要求语音、数据及多媒体图形图像的同时传输，并且在不久的将来，保安监控和自动化控制也将被要求进行传输，这使得公共数据网络中原来的高速线路端口相当拥挤，低速线路速度不够的情况更为紧张。目前公共数据网络虽然有512K DDN专线，但是租用费用相当昂贵，虽然ISDN的初装费较少，但速度又只有128K，并且租赁费用需要不断地交下去，且公司所购的产品又不能纳入公司的固定资产管理，这对公司来讲，将是一个不小的损失。使用OTC Wireless公司的无线网络产品，可将使传输速度从512K提高到最高2

Mbps甚至是5Mbbps或11Mbps的速度，并且不但不用交纳昂贵的租赁费用，还能够将所购产品纳入公司的固定资产。

五、无线扩频技术在将军集团的应用背景

将军集团的网络系统建成于1998年，随着集团信息化的发展，网络建设也有了迅速提高，仅济南卷烟厂就有信息点700多个，分布于各个部门、各个角落。通过这个网络系统，真正实现了数据传递和数据共享，大大方便了生产和管理工作，提高了工作效率。但是，集团信息化的发展不仅济是济南卷烟厂，还需要将销售部门、物业公司、医院、学校、烟叶仓库等单位和部门都并入烟厂的企业网中。为此，信息中心曾考虑到用各种方案来实现整个集团的联网。由于以上单位和部门离中心机房较远，通过重新布线的方式是无法实现的。当时考虑到用拨号的方式或租用电信光缆的方式，但由于其速度问题和费用等问题。皆不适合于集团的网络发展。经过信息中心多次考察和论证，最终选择了无线扩频技术，并采用了OTC公司的无线产品构建了无线子网。

六、无线扩频技术在集团的具体应用

通过无线扩频技术，我们已经在将军集团内建立了5个无线子网，并将这些子网并入到了集团的局域网当中。通过对以上部门或单位信息流量的统计和分析，采用了不同频率的无线通讯设备。其中，销售公司、物业公司采用了OTC公司的11M无线产品，其实施方式是采用了一点对多点的方是，即在信息中心机房的房顶上架设了1个24DB的全向天线，通过EZYLink2511-11无线传输设备直接连接到中心的交换机上，另外一端分别架设了1个24DB的定向天线，通过EZYLink2511-11无线传输设备连接到其内部的交换机上，两端分别通过无线网服务器管理软件和客户端管理软件进行设置，实现通讯。学校、医院、烟叶仓库采用了OTC公司的5M无线产品，也是采用了一点对多点的方式，除了带宽不一样外，其构建方式基本相同。无线网路的拓扑结构如图1所示。

无线扩频技术的使用解决了将军集团各分散单位联网难的问题，通过无线网使集团的各分支机构连接起来，真正实现了数据的快速通讯和资源共享，充分利用了信息资源。

七、结论

无线网技术的使用解决了集团统一组建局域网的困难，实现和加速了MIS系统、办公自动化等软件在集团的推广和应用，为集团的信息化建设提供了有效的技术保障。目前，无线扩频技术不但实现了集团各分散区域的网络连接，而且在车间内部也得到了广泛的应用。随着无线网技术的成熟和发展。无线网技术在集团的网络建设中会起到越来越大的作用。

作者：王聚军　李　栋