扩频通信系统毕业设计论文.doc

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1、扩频通信系统扩频信号产生电路的研究与设计摘要本论文主要介绍扩频通信系统的主要原理、CDMA扩频通信技术以及扩频信号产生电路的原理、电路设计与仿真。同时本文主要研究了扩频通信系统中的M序列产生电路、时钟信号产生电路的设计和扩频信号产生电路的设计、研究。这三个电路是扩频通信系统中的关键电路。最后，在理论证明的基础上应用Multisim仿真扩频信号产生电路，并使用M序列产生电路产生M序列码，时钟信号产生电路产生相应需要的时钟信号，从而完成扩频信号的产生。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

2、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”。频通信具有许多窄带通信难以替代的优良性能， 使得它能迅速推广到各种公用和专用通信网络之中。简单来说主要有以下几个优点：抗干扰性强，误码率低，易于同频使用，抗多径干扰，扩频通信是数字通信，扩频通信绝大部分是数字电路。关键词 扩频通信、时钟信号产生、Multisim仿真。绪论11、 扩频通信系统概述21.1、 扩频通信技术21.1.1、 扩频通信的基本原理21.1.2、 扩频通信的主要特点21.1.3、 扩频通信系统的分类31.2、 CDMA扩频通信系统41.2.1、 CDM

3、A扩频通信原理框图41.2.2、 CDMA扩频通信实现过程42、 扩频信号产生电路设计52.1、 设计思想及电路图52.2、 时钟信号产生电路设计52.3、 伪随机码产生电路63、 基于MULTISIM的扩频信号产生电路仿真设计63.1、 Multisim仿真电路介绍63.1.1、 Multisim操作主窗口73.1.2、 元件库栏73.2、 512K时钟信号产生电路仿真83.2.1、 仿真电路设计83.2.2、 仿真信号83.3、 M序列产生电路仿真103.3.1、 仿真电路设计103.3.2、 仿真信号103.4、 扩频信号产生电路仿真103.4.1、 仿真电路设计103.4.2、 仿真信

4、号114、 结论12谢词13参考文献13绪论随着现代生活节奏不断的提高，人们对移动通信技术的需求也越来越高，第三代移动通信技术势必取代第二代移动通信技术。CDMA系统采用的主要技术是扩频通信技术，因为它具有扩频通信系统所固有的优点，如抗干扰、抗多径、隐蔽、保密和多址能力等。显然，这些特点更加符合现代人们的需求。扩频通信系统在频道资源越来越紧张的今天可以很好的解决无线传输频道拥挤的问题，并提供更高的保密性能，因此扩频通信技术得到了快速的发展和广泛的应用。在现代通信中遇到的一个重要问题就是抗干扰问题。随着通信事业的迅速发展，各类通信网的简历，使得有限的频率资源更加拥挤，相互之间的干扰更为严重，如何

5、防止和降低这种相互之间的干扰，就成为一大难题。扩展频谱（SS ，Spread Spectrum，简称扩频）技术具有很强的抗干扰性，其多址能力、保密、抗多径等功能倍受人们的关注，被广泛的应用于军事通信和民用通信中。扩频通信系统扩展频谱技术，将信号扩展到很宽的频带上，在接收端对扩频信号进行相关处理即带宽压缩，恢复成窄带信号。对干扰信号而言，由于与扩频信号不相关，则被扩展到一个很宽的频带上，使之进入信号通频带内的干扰功率大大的降低，相应增加了相关器输出端的信号/干扰比，对大多数认为干扰而言，扩频通信系统都具有很强的对抗能力。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

6、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。 真正实用的扩频通信系统是在50年代中期发展起来的。麻省理工学院林肯实验室开发的扩频通信系统F9C-A/Rake系统被公认为第一个成功的扩频通信系统，在该系统的研制过程中，首次提出了瑞克(RAKE)接收的概念并成功应用，该系统也是第一个真正实用的宽带通信系统。第一个跳频扩频通信系统BLADES也在这段时

7、期研制成功，在该系统中第一次利用移位寄存序列实现纠错编码。在此期间，喷气实验室（JPL）在其空间任务中完成了伪码产生器的设计以及跟踪环路的设计。本论文研究了扩频通信系统相关知识，通过查阅相关资料，对扩频通信系统中的扩频信号产生与时钟信号产生的方法进行了研究。同时，确定并绘制扩频信号产生电路与时钟信号产生电路的原理图，对电路工作原理进行说明。确定采用的元器件型号、功能和相关的主要参数以及来源，并利用Multisim对扩频信号产生电路进行了仿真研究；时钟信号产生电路的研究与设计。用Multisim电路仿真软件，实现产生相应的时钟信号控制下，m序列和信息码准确的模2加运算实现扩频，得到了扩频后的信号

8、。1、 扩频通信系统概述1.1、 扩频通信技术1.1.1、 扩频通信的基本原理扩频通信，即扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication），它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。其实现方法是在通信系统的发送端用一个带宽比信息带宽宽的多的扩频码（伪随机码）对信息数据进行调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的宽度，且与所传信息数据无关。在接收端使用完全相同的扩频码（伪随机码），对接收到得扩展频谱信号进行解扩，以恢复所传信息数据，人们把传输扩频信号的通信系统为扩频通信系统。扩频通信的理论基础源于香农定理，公式为：C = WLog2(1+S/

9、N)，式中：C-信息的传输速率 S-有用信号功率 W-频带宽度 N-噪声功率。由式中可以看出：为了提高信息的传输速率C，可以从两种途径实现，既加大带宽W或提高信噪比S/N。换句话说，当信号的传输速率C一定时，信号带宽W和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以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，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。1.1.2、 扩频通信的主要特点扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，它与光纤通信、

10、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。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”。扩频通信具有许多窄带通信难以替代的优良性能， 使得它能迅速推广到各种公用和专用通信网络之中。简单来说主要有以下几项优点:(1)抗干扰性强，误码率低如上所述，扩频通信系统由于在发送端扩展信号频谱，在接收端解扩还原信息，产生了扩频增益，从而大大地提高了抗干扰能力。根据扩频增

11、益不同，甚至在负的信噪比条件下，也可以将信号从噪声的淹没中提取出来，在目前商用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作于负信噪比条件下的通信方式。各种形式人为的干扰(如电子对抗中)或其他窄带或宽带(扩频)系统的干扰，只要波形、时间和码元稍有差异，解扩后仍然保持其宽带性，而有用信号将被压缩。对于脉冲干扰， 由于在信号的接收过程中，它是一个被一次模二相加过程，可以看成是一个被扩频过程，其带宽将被扩展，而有用信号却是一个被二次模二相加过程，是一个解扩过程，其信号被恢复(压缩)后，保证高于干扰。由于扩频系统这一优良性能，其误码率很低，远高于普通的微波通信（如通常所说的一点多址）的效果，完全能满足目前国内通

12、信传输质量的要求。应该说，抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点；（2）易于同频使用，提高了无线频谱利用率无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波都已得到开发利用，仍然满足不了社会的需求。为此，世界各地都设计了频谱管理机构， 用户只能使用申请获得的频率，依靠频道划分来防止信道之间发生干扰。由于扩频通信采用了相关接收这一高技术，信号发送功率极低，且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率，也可以与现今各种窄带通信共享同一频率资源；（3） 抗多径干扰在无线通信中，抗多径干扰问题一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性；在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号

13、，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰；（4） 扩频通信是数字通信特别适合数字话音和数据同时传输，扩频通信自身具有加密功能，保密性强，便于开展各种通信业务。扩频通信容易采用码分多址、语音压缩等多项新技术，更加适用于计算机网络以及数字化的话音、图像信息传输；（5）扩频通信绝大部分是数字电路设备高度集成，安装简便，易于维护，也十分小巧可靠，便于安装，便于扩展，平均无故障率时间也很长。1.1.3、 扩频通信系统的分类扩频通信系统的关键问题是在发信机部分如何产生宽带的扩频信号，在收信机部分如何解调扩频信号。根据通信系统产生扩频信号的方式，可以分为下列几种。（1）

14、 直接序列扩频，简称直扩（DS）是用待传输的信息信号与高速率的伪随机码波形相乘后，去直接控制射频信号的某个参量，来扩展传输信号的带宽。用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。（2） 载波频率跳变扩频，简称跳频（FH）载荷信息的载波信号频率受伪随机序列的控制，快速地在给定的频段中跳变，此跳变的频带宽度远大于所传送信息的频谱宽度。（3） 跳时扩频通信，简称跳时（TH）主要用于时分多址(TDMA)通信中。与跳频系统相似，跳时是使发射信号在时间轴上离散地跳变。我们先把时间轴分成许多时隙，这些时隙在跳时扩频通信中通常称为时片，若干时片组成一跳时时间帧。在一帧内哪个时隙发射信号由扩频码序列去进行控制。因此

15、，可以把跳时理解为：用一伪随机码序列进行选择的多时隙的时移键控。由于采用了窄得很多的时隙去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。（4）混合扩展频谱通信几种不同的扩频方式混合应用，常见的有频率跳变-直接序列混合系统(FH/DS)，直接序列-时间跳变混合系统(DS/TH)，频率跳变-时间跳变混合系统(HF/TH)等。它们比单一的直接序列、跳频、跳时体制有更优良的性能。1.2、 CDMA扩频通信系统1.2.1、 CDMA扩频通信原理框图CDMA扩频通信原理框图在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再调制到射频发送出

16、去。在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。再经信息解调、恢复成原始信息输出。由此可见，般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。 与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。1.2.2、CDMA扩频通信实现过程CDMA移动通信系统采用的基本扩频方法是直接序列扩频（DS-SS），直接序列扩频是直接用伪随机发生器产生扩频码（伪随机码）在发送端去扩展基带信号的带宽，而接收端，用相同的扩频码（伪随机码）进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信

17、息。直接扩频通信是在发送端输入信息码元，经语音编码调制后变为带宽为B1（即基带信号带宽）的信号，送入扩频调制器，用伪随机发生器产生的扩频码（伪随机码）去对基带信号做扩频调制，形成带宽为B2（B2B1)、功率谱密度极低的扩频信号，进过扩频的信号，还要进行载频调试，在发射。在接收端，用与发端相同的扩频码（伪随机码）对接收到得扩频信号进行解扩，把宽带信号恢复成通常的基带信号，然后再经过常规的解调，即可恢复出所传输的信息，完成信息的传输。2、 扩频信号产生电路设计2.1、 设计思想及电路图本设计思想为：扩频信号产生电路用D触发器和异或门来实现。电路图如图2-1所示，信息码采用速率2 kb/s二进制码，

18、伪随机码的速率64 kb/s。在时钟信号256k的控制下在，信息码和伪随机码通过两个D触发器4013和异或门74LS86的作用下，信息码和m序列可以准确的模2加运算，从而产生扩频信号。图2-12.2、 时钟信号产生电路设计图2-2.512K时钟信号发生器及分频电路前部分电路产生512K时钟信号之后，后面接一分频器以便产生本系统所需各种时钟信号，采用双16进制计数器74LS393实现分频，共可实现2分频，1A计数器时钟端输入的是512K信号，可得从74LS393（1A）的3脚到6脚输出依次为256K，128K，64K，32K，从74LS393（2A）的6脚到3脚输出依次为16K，8K，4K，2K

19、。这样就得到了各种我们需要的时钟信号。2.3、 伪随机码产生电路图2-3 m序列发生器电路图在实际应用时，常常是根据需要确定所要求的码长，有p=2-1确定移位寄存器的级数r，查本原多项式表，确定F(x)，由F(x)就可以决定线性移位寄存器的反馈连线。本设计产生m序列的方法是采用7级移位寄存器网络实现，m序列发生器电路如图2-3所示。此电路由贾博尧同学提供。3、 基于Multisim的扩频信号产生电路仿真设计3.1、 Multisim仿真电路介绍Multisim是以Windows为基础的板级仿真工具，提供了一个非常大的元件数据库。适用于模拟/数字线路板的设计，最突出的特点是用户界面友好，尤其是多

20、种可放置到设计电路中的虚拟仪表很有特色，这些仪表包括数字万用表、函数发生器、瓦特表、示波器、波特图图示仪、字符产生器和逻辑分析仪等，使电路仿真分析操作更合适电子工程人员的工作习惯，与目前流行的某些EDA仿真工具相比，更具人性化设计特色。3.1.1、 Multisim操作主窗口Multisim操作主窗口3.1.2、元件库栏a) 时钟电路所用到的元件 非门 双四位二进制计数器示波器b) M序列产生电路所用到的元件双上升沿D触发器 异或门3.2、 512K时钟信号产生电路仿真3.2.1、 仿真电路设计图3-1 512K时钟信号产生电路图如图3-1所示的基于Multisim仿真电路有512K时钟信号产

21、生电路原理的分析，最后，用双四位二进制计数器74LS393N与非门7404N构成了512K时钟信号产生的仿真电路。由7404N输出的信号，完成512K时钟信号产生。3.2.2、 仿真信号（1） 512K时钟信号仿真图如下图3-2 为512K时钟信号仿真图；图3-2 为512K时钟信号仿真图（2） 分频后得到的信号仿真图分频后分别得到256KHz、128KHz、64KHz、32KHz、16KHz、8KHz、4KHz、2KHz的仿真图，如下为分频后得到的信号仿真图； 256KHz128KHz 64KHz 32KHz 16KHz 8KHz 4KHz 2KHz3.3、 M序列产生电路仿真3.3.1、

22、仿真电路设计如图3-3所示，采用7级移位寄存器网络实现，m序列码发生器电路，利用7个双上升沿D触发器74LS74连接，经过异或门74LS86之后，产生的m序列码为 0011101。根据需要确定所要求的码长，有p=2-1确定移位寄存器的级数r，查本原多项式表，确定F(x)，由F(x)就可以决定线性移位寄存器的反馈连线图3-3 m序列码发生器电路图3.3.2、仿真信号打开仿真开关，在连续脉冲的作用下，示波器的图形变化；如下图3-4 为M序列信号示波图；图3-4 为M序列信号示波图3.4、 扩频信号产生电路仿真3.4.1、仿真电路设计如图4-1所示的基于Multisim仿真电路有几部分电路组成，电路

23、之一是采用7级移位寄存器网络实现，m序列发生器电路，如图3-3所示。电路之二是时钟信号电路产生512K时钟信号之后，后面接一分频器以便产生本系统所需各种时钟信号，采用双四位二进制74LS393实现分频，共可实现2分频，如图3-1所示。电路之三是由D触发器和异或门来实现的扩频信号产生电路，最后产生扩频信号完成设计。图4-1扩频信号仿真电路3.4.2、仿真信号（1） 扩频信号仿真图4-2 为扩频信号仿真图4、 结论扩频通信系统扩频信号产生电路的研究与设计已经结束，在这段时间里面我学到了很多在课本上学不到的知识，也遇到了很多在学习的过程中遇不到的问题。此次课题研究过程让我摆脱了单纯的理论知识学习状态

24、，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。 虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。比如512K时钟电路研究与设计，M序列的研究与设计，总体扩频信号产生电路研究与设计电路等，各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。和老师的

25、沟通交流更使我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求。 在扩频信号的产生电路图的设计过程中让我遇到了困难，原因本人虽然掌握了扩频通信系统相关专业的知识，但是不能将相关专业知识和实际设计结合好。以及本人对于此次课题研究中所使用软件操作不熟练等因素。是此次课题研究的最大的困难。这个困难最后在指导老师的全力帮助之下攻克了。设计出了扩频信号产生电路，并且运用仿真软件成功的完成仿真。得出了仿真结果。使我熟练地掌握了仿真软件的操作技能。正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，让我在未来的工作学习中更加坚不可摧。使我的应变能力，沟通力和理解力得以提高。 回想此次

26、课题设计，从不知道毕业论文怎么写，到顺利如期的完成本次毕业设计。经历了很多困难，但是学到了很多知识，明白了许多道理。让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设计新产品的出现，并争取尽快的掌握这些先进的技术，更好的为通信行业做出我力所能及的贡献谢词毕业设计是学校培养人才的一个重要阶段，是我们毕业前的学习的最后阶段，是对大家在大学所学知识的一个最好的成绩单。时间过的很快，短暂的课程设计即将结束了，我在短短的几周内将三年所学习的知识进行乐意次全面的回顾，学习，对扩频通信有了更深一层的了

27、解，设计是对我们所学的理论知识运用到实践中的一个重要体现。通过设计我不仅温习了以前所学习的专业知识，还学到了很多关于扩频通信的知识，更深刻的体会到了同学之间，师生之间那份真挚的感情。本论文从课题选择到具体的写作过程，都在杨琇清老师的悉心指导和严格要求下完成，论文初稿与定稿无都凝聚着杨琇清老师的心血和汗水，在毕业设计旗舰，杨琇清老师为我提供了许多专业知识上的指导和建议，没有这样的帮助和关怀和熏陶，我不会这么顺利的完成毕业设计。在此向杨琇清老师表示深深的感谢和崇高的敬意！在临近毕业之际，我还要借此机会向在这三年中给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们三年来的辛勤栽培。不积跬步何以至

28、千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。同时，在撰写论文过程中，我也参考了许多书籍和论文，在这里我也想有关作者表示感谢。我还要对跟我同组的各位同学表示感谢，你们给了我很多的启发和帮助，提出了许多的宝贵意见，在此我表示深深的感谢！参考文献1杨秀清，裴春梅，廉诗阳，移动通信技术M.北京，人民邮电出版社出版社， 2011.2 罗文兴，移动通信技术M.北京，机械工业出版社，2010.3 郭梯云，邬国扬，李建东，移动通信M.西安.西安电子科技大学出版社， 2006.4 田日才，扩频通信M.北京，清华大学出版社，2007.5 范助文，张卫东，寻洋洋，直接序列扩频系统的仿真实现M.北京，中国矿业大学信息与电气工程学院，2009.6 张平川，现代通信原理与技术简明教程M.北京，北京大学出版社，2006.7 黄蓉，电子设计自动化M.北京，中国林业出版社，2006.8 黄蓉，电子设计自动化技能训练M.北京，中国林业出版社，2006.9 刘自强，CDMA在中国M.南京，南京出版社，2006.10 吴伟陵，移动通信原理M.北京，电子工业出版社，2005.11 在线科技文献数据库和各类中文科技文献数据库。