基于MATLAB的直接序列扩频通信系统性能仿真分析

史玥

（渤海大学 辽宁 锦州 121000）

基于MATLAB的直接序列扩频通信系统性能仿真分析

史玥

（渤海大学 辽宁 锦州 121000）

直接序列扩频通信系统（DS-CDMA）因其抗干扰性强、隐蔽性好、易于实现码分多址（CDMA）、抗多径干扰、直扩通信速率高等诸多的优点[1]，而被广泛应用在各行各业中。针对频通信广泛的应用，本论文采用MATLAB工具箱中的SIMULINK通信仿真模块和MATLAB函数对直接序列扩频通信系统进行了分析和仿真，希望本论文的研究及分析工作能够为直接序列扩频通信系统性能的研究提供一定的借鉴意义。

直接序列扩频；码分多址；MATLAB；SIMULINK；借鉴

1.前言

扩展频谱通信是现代通信系统中的一种新兴的通信方式，由于其具有较强的抗扰性、抗衰落、抗多径性能以及频谱利用率高、多址通信等诸多优点，因此，其正在被越来越多的人们所熟悉，并且被广泛的应用于军事通信和民用通信的各个领域，从而推动了通信事业的快速发展。

扩频通信，即扩展频谱通信，它与卫星通信、光纤通信一起被誉为进行信息时代的三大高技术通信方式[2]。扩频通信是将待传输的信息数据被伪随机编码调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始数据信息。这种通信方式与常规的窄道通信方式是有区别的：首先，信息在频谱扩展后形成宽带传输；其次，相关处理后恢复成窄带信息数据。本论文采用Matlab对扩频通信中最常用的直接序列扩频通信系统的性能进行了仿真实验，研究了部分对系统性能产生影响的因素，希望本论文的研究工作能够为以后扩频通信系统在各个不同领域的应用和研究提供参考的价值。

2.直接序列扩频通信系统

2.1 直接序列扩频通信系统模型

直接序列扩频技术是当今人们所熟知的扩频技术之一。这种技术是将要发送的信息用伪随机码（PN码）扩展到一个很宽的频带上面去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关的处理，恢复出发送的信息[3]。

它是在二战期间开发的，最初的用途是为军事通信提供安全保障，是美军重要的无线保密通信技术。这种技术使敌人很难探测到信号。即使探测到信号，如果不知道正确的编码，也不可能将噪声信号重新汇编成原始的信号。直接序列扩频解决了短距离数据收发信机，如：卫星定位系统、WLAN和蓝牙技术等相关的应用关键问题。扩频技术也为提高无线电频率的利用率提供了帮助。

下图2-1为直接序列扩频通信系统的工作原理图。从该图中可以很明确的了解到直接序列的工作原理：首先，需要在发端输入的数字信号信息，先由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以便展宽信号的频谱，对于扩频码序列它一般是采用PN码的。展宽后的信号再调制到射频发送出去。调制多采用DPSK、MPSK、BPSK等调制方式[4]。

在接收端收到的信号进行解调（一般是采用相干解调）。然后，再由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩，恢复成原输入的信息输出。

图2-1 扩频通信工作原理图

由此可见，一般的扩频通信系统都要进行两次调制和相应的解调。一次调制为扩频调制，二次调制为射频调制，以及相应的解扩和射频解调。与一般的通信系统进行相互比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。

2.2 直接序列扩频通信的理论基础

总的来说，在地质勘测过程出现难以权衡的问题时，要以环境保护为准绳，切不可为了当地的经济发展而破坏生态环境。勘查单位在进行相关的铀矿地质勘测工作时，为了坚决落实绿色勘测的概念，除了要明确责任意识，认真做好本职工作，确保人民的生活环境以外，还需要当地人民对政府工作的理解和支持。

长期以来，人们总是想方设法使信号所占的频谱尽量窄，以充分提高十分宝贵的频率资源利用率。但扩频通信在发送端用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽，在接收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复出所传信息数据。为什么要用宽频带信号来传输窄带信息呢？主要是为了通信的安全可靠性。这可用信息论和抗干扰理论的基本观点来说明：

根据香农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出的信道容量公式，香农公式[5]：

式中：C--信息的传输速率（信道容量）单位b/s；S--信号平均功率单位W；B--频带宽度单位Hz； N--噪声平均功率单位W。

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B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B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。

柯捷尔尼可夫在其潜在抗干扰性理论中得到如下关于信息传输差错概率的公式[6]：

此公式指出，差错概率Pe是信号能量E与噪声功率谱密度之比的函数。设信息持续时间为T，或数字信息的码元宽度为T，则信息的带宽Bm为

信号功率S为

已调（或已扩频）信号的宽度为B，则噪声功率为

将式（2-3）~（2-5）代入式（2-2），可得

上面公式指出，差错概率Pe是输入信号与噪声功率之比（S/N）和信号带宽与信息带宽之比（B/Bm）二者乘积的函数，信噪比与带宽是可以互换的。它同样指出了用增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处。

综上所述：将信息带宽扩展100倍，甚至用1000倍以上的带宽信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全的通信。这就是扩频通信的基本思想和理论依据。

2.3 对扩频增益进行介绍

通常，在衡量扩频系统抗干扰能力的优劣的时候，引入“处理增益”这个概念，一般也称为扩频增益，定义为接收机相关器输出信噪比和接收机相关器的输入信噪比之比[7]，即：

式中Si和S0分别为接收机相关器的输入、输出端信号功率，Ni和N0分别为相关器的输入、输出端干扰功率[8]。在各种干扰情况下，系统的扩频增益是不相同的，这里仅仅对高斯白噪声干扰情况下的扩频增益做简单的推导，并且以直接序列扩频系统下的情况来做说明。假定系统中有K个通信用户，分别用不同的PN码来调制信息数据。假设理想功率控制的情况，设P是接收的每一个用户的信号功率，系统的扩频带宽为W，噪声的功率增谱密度用N0来表示，则接收端接收到的有用信号功率谱为P/W，接收到的其它用户的干扰功率谱为（K-1）P/W，那么，该通信用户的输入信噪比等于：

经接收机扩频解调后，该通信用户的信号被全部接收但信号带宽已变换到基带内，设基带信号的信息速率为Rb，此时，有用信号的功率谱为P/Rb，其它用户或干扰噪声信号与用户信号的地址码不相关，就不能够得到解调，因为它们的功率谱密度保持不变。则输出信噪比为：

由式（2.8）和（2.9）容易得到扩频解调前后的扩频增益，输出信噪比与输入信噪比为：

对于直接序列扩频系统来讲，W为伪随机码的信息速率。式（2.10）给出了扩频通信中扩频解调处理对信噪比的改善情况，它决定了系统抗干扰能力的强弱，是扩频系统的一个非常重要的性能指标。

2.4 直接序列扩频通信系统框图

直接序列（DS）扩频是一种直接用具有高码元速率的PN码序列在发送端扩展基带信号的频谱，在接收端用相同的PN码序列进行解扩，把展带的扩频信号还原成原始的信息[9]。下图2-2为直接序列系统的组成及原理框图。

图2-2 直接序列扩频系统组成原理框图

3.对Simulink仿真技术进行介绍

Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统[10]。在SIMULINK环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。SIMULINK包含有SINKS（输入方式）、SOURCE（输入源）、LINEAR（线性环节）、NONLINEAR（非线性环节）、CONNECTIONS（连接与接口）和EXTRA（其他环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户也可以定制和创建用户自己的模块。

用SIMULINK创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过SIMULINK的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真非常有用。采用SCOPE模块和其他的画图模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。除此之外，用户还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。

模型分析工具包括线性化和平衡点分析工具、MATLAB的许多工具及MATLAB的应用工具箱。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。

4.对仿真结果进行分析

为了观察Monte Carlo模型的仿真效果，首先分析无干扰时的误码率仿真曲线与理论计算值，见图4-1。

图中的曲线，其中一条是根据理论值公式做出仿真，另一条是根据图得到的曲线，可以看出，两条曲线吻合得很好。这说明在仿真过程中，建立的各模块的数学模型以及各模块之间的联系是正确的，仿真结果可以作为评估直扩系统判决器的实验依据。

图4-1 无干扰时的误码率曲线

图4-2 不同振幅干扰下的误码率仿真曲线

5.结束语

直接序列扩频通信具有很强的抗截获和抗干扰能力，近年来对该通信方式的研究已成为通信对抗领域的重点。在直接序列扩频通信原理及其特点的基础上，针对不同的干扰方式，分别对直接序列扩频通信系统的抗干扰能力进行分析。在此基础上，根据目前直接序列扩频通信的军用情况，对直扩电台的战术应用进行研究，提出解决电台组网时台间相互干扰以及“远近效应”的可能措施。

[1]张辉，曹丽娜.现代通信原理与技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.

[2]JohnG.Proakis等.数字通信[M].北京：电子工业出版社，2002.

[3]张葛祥，李娜.MATLAB仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2003.

[4]王立宁等.MATLAB与通信仿真[M].北京:人民邮电出版社，2000.

[5]刘敏，魏玲.MATLAB通信仿真与应用[M].北京：国防工业出版社，2001.

TP309

A

1009-5624（2016）05-0041-03

史玥（1994.～），女，辽宁省大连市人，锦州市太和区渤海大学 通信工程专业本科生