基于MATLAB的直接序列扩频通信系统的仿真模型

Matlab心得交流 2023年11月9日浏览：934

摘要：扩展频谱通信技术是一种高技术通信传输方式，利用伪随机码序列扩展窄带信号的带宽，又在接收端使其恢复成窄带原始信号，大大降低了信噪比，所以扩频通信系统比传统的窄带通信系统抗干扰能力更强。扩展频谱系统的优点是传输信息安全性高，抗干扰性强。以二进制数字扩频通信系统的构成原理为基础，在MATLAB中建立直接序列扩频系统的仿真模型，对频谱图进行扩频过程分析，并通过误码率掌握直扩系统的抗干扰能力，对扩频通信系统的研究掌握具有一定的进步作用。

关键词：扩频通信;直接序列;MATLAB;

一、前言

扩展频谱通信作为一种高技术通信传输方式，给各国带来了巨大的社会和经济效益。扩展频谱系统的优点是传输信息安全性高，抗干扰性强[1]。目前，扩展频谱通信的应用十分广泛，主要是军事和民用两大方面，扩频技术成为通信技术的热点和焦点。本文介绍了扩展频谱通信技术，详细描述了直接序列扩展频谱技术的实现过程，在MATLAB软件中利用SIMULINK工具箱建立直接序列扩频系统的仿真模型，并通过误码率分析直接序列扩频系统的抗干扰能力，对扩频通信系统的研究掌握具有一定的推动作用。

二、二进制数字扩频通信系统的构成原理

（一）理论依据

扩频通信是系统占用的频带宽度远远大于要传输的原始信号带宽，且与原始信号带宽无关。在发送端，频带的展宽是通过编码及调制的方式来实现的，在接收端，则用与发送端完全相同的扩频码进行相关解调的方式来恢复信息数据[2]。

扩展频谱通信的原理基础是香农公式：

基于MATLAB的直接序列扩频通信系统的仿真模型的图1

上式中，C为信道容量，单位为bit/s,W为带宽，S为信号功率（W),N为噪声功率，S/N为信号功率与噪声功率之比即信噪比。

我们令信道容量C为定值，并对上式中的香农公式进行变换得：

基于MATLAB的直接序列扩频通信系统的仿真模型的图2

在有干扰的情况下，当S/N<1时，对公式（2）用幂指数展开，忽略高次项可得：

基于MATLAB的直接序列扩频通信系统的仿真模型的图3

从公式（4）我们可以得出，假设信道容量（C）为一定值，那么信道带宽（W）和信噪比（S/N）就可实现互换。换而言之，要保证系统在较低信噪比S/N情况下仍能正常进行信息传输，我们只要通过增加频带宽度W就可以了。另外，我们可以保持信噪比S/N不变，增加系统信道带宽，这样我们就可以得到较低的信息差错率。

（二）扩频通信技术分类

扩频通信的优势就在于其具有很强的抗干扰能力，如在信噪比相同的情况下，扩频通信与通信系统的带宽比起来要大很多[3]。扩展频谱通信技术比传统通信技术在发射端和接收端分别多了PN码序列扩频与解扩步骤，扩频通信系统发射端利用PN码序列拓展频带，利用宽带信号传输信息，接收端使用相同的PN码序列对已调制信号进行相关解调。由于PN码序列处理的位置不同可以分为直接序列扩展频谱、跳频扩展频谱、跳时扩展频谱及线性调频，这是扩频通信的四种最基本的工作方式[4]。在这四种方式中，直接序列扩频通信和跳频扩频通信在实际应用中很常用到，本文主要研究直接序列扩频通信的工作方式。

（三）直接序列扩频

伪噪声系统利用伪随机码PN，与发射信号进行模二加运算，生成一伪随机码序列，将该序列扩展到十分宽的频带上，接着调制载波从天线发射出去信号[5]。在天线接收到扩频信号后利用和发射端相同且码速同步的PN码序列对接收到的信号进行相关解扩，由于收、发端PN码相同，可以解扩为窄带信号，然后扩展加入高斯白噪声的带宽，噪声功率降低进而减少对信号通频带内的干扰。直接序列扩频系统由于抗干扰性十分强，被广泛应用。

（四）直接序列扩频系统构成部分

直接序列扩频系统的构成如图1所示，分别为信源、PN码扩频、BPSK调制、AWGN信道传输、BPSK解调、PN码解扩、信宿。

信源部分：发送原始信号到信道中；

扩频部分：主要是PN码序列发生器，它产生的PN码，与原始信号进行模二加运算生成伪随机码序列，然后发射到调制器；

调制部分：直扩系统采用BPSK调制载波；

解调部分：由于二进制相移键控是以未调制载波的初相位作为参考，所以要求接收端要有与之同频同相的本地载波；

解调部分：与发端相同的PN码；

信宿：接受已恢复的原始信号。

（五）直接序列扩频的PN码序列

由于M序列具有优良的自相关特性，所以它被认为是一种重要的扩频码序列（PN码序列）。M序列是规律性很强的最长线性移位寄存器序列，因为M序列的生成方法十分简便，所以被广泛运用于扩频技术领域。M序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。移位寄存器序列是由移位寄存器单元输出的1和0所组成的序列，以及它相应的时间波形是由1和-1构成为时间的函数。

几乎所有的PN码序列都是用移位寄存器来产生的，其中最大长度线性移位寄存器简称为M序列，其成为直接序列扩频系统中常用的扩频序列，该序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长码序列。可以假设在二进制移位寄存器中，移位寄存器为m级，那么它最多能产生2m-1位伪随机序列，这是因为此时移位寄存器是去除掉全0状态，还余下2m-1种状态。

基于MATLAB的直接序列扩频通信系统的仿真模型的图4

图1 直扩系统构成框图

基于MATLAB的直接序列扩频通信系统的仿真模型的图5

图2 直接序列扩频系统仿真流程图

三、直接序列扩频仿真

（一）设计思路流程

直接序列扩频系统（DSS）的设计首先要对系统进行分析，划分出PN码生成子系统、BPSK调制子系统等五大子系统，建立各个子系统的模型，然后对各子系统的功能及实现原理进行细致研究选出合适的算法完成各系统模块的编程。接着利用MATLAB完成各子系统仿真模型的搭建，运行仿真系统判断是否成功，对运行结果进行分析，对各项参数和指标进行评估，以判断系统是否符合要求，如果是，表明仿真成功；否则需要修改参数重新运行系统。

（二）直接序列扩频系统仿真流程图

根据图1直接序列扩频系统构成框图（七大组成：信源部分、扩频部分、调制部分、信道传输部分、解调部分、解扩部分和信宿）的分析，做出直接序列扩频系统的主要流程图如图2所示。

（三）直接序列扩频调制仿真模型

图3中由伯努利发生器产生原始信号，由于直接序列扩频系统需要-1、+1分布，所以原始信号要经过双极性码变换器把0、1单码变换为双极性。本次实验使用GOLD码序列作为扩频码序列，也经过双极性变换器把0、1变换为双极性，然后将二者输出信号分别连至频谱仪观察频谱，同时把两输出信号进行乘法运算输送到信道后加高斯白噪声，分别观察信道加入噪声前后的频谱图并进行分析。

（四）直接序列扩频解调仿真模型

与扩频调制模型相对应加入解调和解扩部分，同时再加一个误码率分析仪构成如图4所示的直接序列扩频解调仿真模型。最小相移键控解调（M-PSK Demodulator Passband）对解扩后的信号进行解调，恢复基带信号。误码率分析仪（Error Rate Calculation）在直扩系统中经过解扩和解调恢复成的原始信号要与发射端的原始信号进行比对，显示接收到的数据、错误的比特数和误码率。

基于MATLAB的直接序列扩频通信系统的仿真模型的图6

图3 直接序列扩频调制仿真模型

基于MATLAB的直接序列扩频通信系统的仿真模型的图7

图4 直接序列扩频解调仿真模型

基于MATLAB的直接序列扩频通信系统的仿真模型的图8

图5 扩频后信号频谱图

（五）仿真结果分析

因为原始信号带宽设置为1kHz，由图5扩频后信号频谱图可以看出，带宽拓宽为大约60kHz，由图6解扩后恢复的原始信号频谱可以看出，信号带宽恢复成1kHz。

四、结语

本文研究直接序列扩展频谱通信系统的扩频过程和抗干扰性能，使用MATLAB中的SIMULINK工具箱设计与仿真直接序列扩展频谱通信系统，仿真实现了伪噪声系统从伪随机PN码的产生到扩频、调制，信道中加入噪声，解扩接收信号最后解调还原成原始窄带信号的过程。观察了原始信号、扩频、解扩等几个过程的频谱图，并对这些频谱图进行对比，分析信源发射的信号频谱从拓宽到还原的过程。从结果可看到，通过调制解调后所得信息码与源码基本一致,验证了所见直接扩展频谱通信系统模型的正确性。

基于MATLAB的直接序列扩频通信系统的仿真模型的图9