李姝仪  00101114  1404358975@qq.com

摘要：介绍了直接序列扩频通信的理论基础和模型,并通过MATLAB提供的Simulink 仿真平台对直扩通信系统进行了仿真,在不同的条件下运行了仿真系统。

关键词：扩频增益，信噪比，误码率，直扩通信

Abstract: The

theory base and the model of the direct sequence spread spectrum

communication technology are presented. The simulation model of the

direct sequence spread spectrum communication system is built by

using Simulink,which is provided by MATLAB.In addition,the

simulation program is run on the basis of different simulation

condition.

Keywords:

spread spectrum gain,signal- to- noise ratio,error rate,direct

sequence spread spectrum communication

1.引言

扩展频谱通信(Spread Spectrum

Communication)，简称扩频通信，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。扩频通信是在发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的带宽，在收端采用相同的扩频码进行相关解调来解扩以恢复所传信息数据。频带的扩展是通过一个独立的码序列(一般是伪随机码)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。

本文用MATLAB提供的Simulink平台对扩频通信中最常用的直扩通信系统进行了仿真。

2 扩频通信的理论依据：

2.1香农定理

由Shannon定理C = B*Log2(1+S/N)可知：在信道容量C不变的情况下，信号频带宽度B与信噪比S/N完全可以互相交换，即可以通过增大传输系统的带宽以在较低信噪比的条件下获得比较满意的传输质量。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。

2.2扩频通信的特性与特点：

扩频是一种数字调制技术，其发送信号的带宽远大于所传信息所需要的带宽。有许多技术可以使信号的带宽远大于最小所需带宽，例如编码和调频，但这些技术不属于扩频。扩频调制有如下几个特性：

(1)信号带宽远大于所传信息所需要的带宽；

(2)扩频调制用扩频码(spreading code),扩频码独立于所传数据；

(3)接收端的解扩使用同步扩频码与接收信号进行相关。

扩频系统的特点有：抗干扰能力强，可进行多址通信，安全保密，数模兼容，抗衰落，抗多径。

2.3扩频系统分类

扩频的实现一般有两种形式：直接序列(direct

sequence,DS)及跳频(frequency

hopping,FH)。其中直接序列扩频系统又称直接序列调制系统或伪噪声系统(PN系统)，是目前应用较为广泛的一种扩展频谱系统。

2.4直接序列扩频系统

图一 直接序列扩频系统

2.5扩频增益

扩频通信的一个重要参数是扩频增益, 反映了系统抗干扰能力的强弱, 是对信噪比改善程度的度量, 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。

2.6 扩频码

在扩展频谱系统中，伪随机序列起着很重要的作用。在直扩系统中，用伪随机序列将传输信息扩展，在接收时又用它将信号压缩，并使干扰信号功率扩散，提高了系统的抗干扰能力。

白噪声是一种随机过程，瞬时值服从正态分布，有很好的相关性。伪随机序列是针对白噪声演化而来的，只有0、1两种电平。当伪随机码足够长时，由中心极限定理知，它将趋于正态分布。常用的伪随机码有PN序列、GOLD序列、WALSH码和OVSF码。

2.7 扩频通信调制方式

直扩系统一般采用频率调制(FM)或相位调制(PM)的方式来进行数据调制, 在码分多址通信中,其调制多采用BPSK、DPSK、QPSK、MPSK 等方式。本文重点分析了QPSK(四相移相键控)调制方式对系统性能的影响。

3．Simulink 简介

MATLAB 是一种数学应用软件, 经过多年的发展, 开发了包括通信系统在内的多个工具箱, 成为目前科学研究和工程应用最广泛的软件包之一。Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具, 是一种基于MATLAB 的框图设计环境, 是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包, 被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模, 它也支持多速率系统, 也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型,Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口( GUI) , 这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成, 它提供了一种更快捷、直接明了的方式, 而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

4 仿真模型建立

4.1仿真电路图

基于MATLAB /Simulink 所建立的扩频通信系统的仿真模型,能够反映扩频通信系统的动态工作过程,可进行波形观察、频谱分析和性能分析等，同时能根据研究和设计的需要扩展仿真模型，实现以扩频通信为基础的现代通信的模拟仿真。

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。

图二 Simulink仿真电路图

(1)信源：贝努利二进制序列产生器(Bernoulli Binary Generator)作为仿真系统的信源，采样时间0.01s。

(2)扩频与解扩：PN序列生成器模块(PN Sequence Generator),扩频过程通过信息码与PN 码进行双极性变换后相乘加以实现。解扩过程与扩频过程相同,但是要保持同步。采样时间0.0005s。

(3)调制与解调：使用QPSK 方式进行调制、解调。用Simulink自带的调制解调模块实现。

(4)加扰：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。在传输时人为加上300hz的单频干扰。

(5)误码率：误码计算由误码仪(Error Rate Calculation)实现，有两个输

(6)星座图：用Discrete-Time Scatter Plot

Scope模块。观察通过AWGN信道前后的星座图。

4.2 仿真条件

数据传输率为Ra = 100bps，扩频码片速率为Rc =2000chip/s，Rc/Ra = 20，信噪比30dB,采用QPSK调制方式。仿真时间设为2s。 “Bernoulli Binary Generator”产生数据流，其采样时间设置为0.01 秒，这样输出的数据速率为100bps。“PN Sequence Generator”产生伪随机扩频序列，其采样时间设置为0.0005 秒，这样输出的码片速率为2000chip/s。为了使得扩频模块(乘法器)上的数据采样速率相同，需要对数据流进行升速率处理。“Unipolar to Bipolar Converter”完成数据和扩频序列的双极性变换。乘法器输出即为扩频输出，其码速率等于采样速率，即每个采样点代表一个码片。为了使得频谱观察范围达到4KHz，需要被观察信号的采样率达到8000次/秒，为此，以升速率模块配合采样保持模块将调制输出信号采样率提高到8000次/秒。

5.说明

(1)在扩频通信建模中，扩频与解扩使用的PN

码以及调制和解调所使用的载波必须保持同步，因此要注意伪随机码模块和调制解调模块的参数设置。

(2)在误码率计算中，接收到的信号，由于经过扩频解扩、调制解调、相关统计等处理，会存在一个延迟，在误码仪模块的对话框中要设置一个合适的延迟。

(3)在发端输入的信息经过扩频和数字调制后，实际中还需要射频调制在发送，在接收端收到的宽带射频信号，也需要变频至中频，然后再由本地产生的与发端同步的相同的扩频码序列去相关解扩，再经数字解调得到原始信号。本次仿真就省去了射频调制和接收端混频这两步。

6. 仿真分析

信源发生器产生的原始基带信号是一个窄带信号，由其频谱可知其带宽约为100hz。

图三 原始基带信号频谱

当原始基带信号经QPSK数字调制及扩频后，如图可见带宽约为2khz，被展宽了20倍。

图四 扩频后的信号频谱

在信道中存在各种各样的干扰和噪声。干扰指恶意干扰或通信用户之间的相互干扰等，噪声则指由多种微小的随机因素所造成的综合结果。将扩频的信号混入300hz的单频干扰，再通过AWGN信道模拟信号传输过程中的干扰和噪声。当噪声够大时，经过信道传输并添加单频干扰后，扩频信号被淹没在噪声和干扰之中。

图五

加扰并经过AWGN信道后的信号频谱

在接收端接收到扩频信号后，用与发端同步的伪随机序列对扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为原始基带信号调制后的频带，然后再进行QPSK解调。而对于干扰信号和噪声，由于和伪随机序列不相关，在相干解扩器的作用下，相当于进行了一次扩频。干扰信号和噪声的频谱被扩展后，其谱密度降低，这样就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器输出的信噪比提高，从而提高了系统的抗干扰能力。

图六

解扩输出的信号频谱

原始基带信号与扩频序列：

图七

原始扩频信号与扩频信号(部分)

将原始基带信号与解扩接收到的扩频信号对比,扩频系统较好的完成了信息的传输：

图八

原始基带信号和接收信号

这是QPSK调制后的星座图以及经过加扰和噪声后的星座图。且信噪比越大，差错越少，误码率越小：

图九 QPSK星座图

图十

加扰和经过AWGN信道后的星座图

7.总结

扩频通信最初应用于军事，主要是因为它能将信号隐藏在背景噪声下，以及它能抑制窄带干扰和它不易被对方发现并截获的特性。在商用方面，扩频的抗窄带特性使其常用于无绳电话中。它抵抗ISI即多用户共享频带的特性使其适用于蜂窝系统和无线局域网中。最终，它已经成为第二代、第三代蜂窝系统及第二代无线局域网的技术基础。

参考文献

[1] 邵佳，董辰辉.

MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲[M] 北京：电子工业出版社，2009.

[2] 孙屹，吴磊.

Simulink通信仿真开发手册[M] 北京：国防工业出版社，2004.

[3]曾兴雯，刘乃安，孙献璞. 扩展频谱通信及其多址技术[M] 西安：西安电子科技大学，2004.

[4]Andrea Goldsmith. Wireless

Communications[M] 北京：人民邮电出版社，2006.

[5]张辉，曹丽娜. 现代通信原理与技术[M] 西安：西安电子科技大学，2008.

[6]范伟,翟传润,战兴群.基于MATLAB 的扩频通信系统仿真研究[A]

上海:上海交通大学电子信息与电气工程学院.

[7] 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2007,29(3):39～42.