基于Simulink的直接序列擴頻通信系統抗干擾的仿真實現

王玲

(中國傳媒大學理工學部信息工程學院，北京 100024)

基于Simulink的直接序列擴頻通信系統抗干擾的仿真實現

王玲

(中國傳媒大學理工學部信息工程學院，北京 100024)

主要研究了直接序列擴頻通信系統(DSSS)的抗干擾能力。利用Simulink對直接序列擴頻通系統的發射機模塊和接收機模塊進行仿真設計，在高斯信道中加入不同中心頻率、幅度的窄帶干擾。通過傳輸過程中各個波形和頻譜變換圖，研究直擴系統誤碼率、信噪比和擴頻增益的關系。當窄帶干擾強度超過系統抗干擾容限時，使用自適應濾波器中的LMS(最小均方差)和RLS(最小遞推二乘)濾波器來抑制窄帶干擾。仿真結果表明：自適應濾波具有良好放任窄帶干擾抑制效果，但RLS算法復雜仿真時間長，LMS收斂速度較慢。

直接序列擴頻；Simulink；窄帶干擾；自適應濾波

1 引言[1-3]

在眾多的通信技術中，擴頻通信技術由于具有獨特的抗干擾能力以及很寬的使用頻帶而在軍事通信領域中備受青睞。它是將發送的信息被展寬到一個很寬的頻帶上，在接收端通過相關接收，將信號恢

復到信息帶寬的一種系統。采用擴頻信號進行通信的優越性在于用擴展頻譜的方法可以換取信噪比上的好處，即接收機輸出的信噪比相對于輸入的信噪比有很大改善，從而提高了系統的抗干擾能力。但在窄帶干擾條件下，由于其頻帶很窄，常常落入有用信號的頻帶中，對信號的傳播造成強干擾，其干擾強度容易超出DSSS的干擾容限，因此需要通過有效的干擾抑制技術提高系統性能。目前常用的干擾抑制技術主要分為基于預測的干擾抑制技術和變換域干擾抑制技術。本文根據擴頻通信的原理，利用MATALB提供的可視化仿真工具Simulink建立了擴頻通信系統仿真模型，基于自適應濾波技術中的LMS(最小均方差)和RLS(最小遞推二乘)濾波器仿真研究了擴頻通信的抑制窄帶抗干擾的能力，目的是通過搭建的通信實時仿真實驗系統，在課堂教學中可以當堂演示，使抽象的理論知識具體化、形象化，使擴頻知識變得通俗易懂、容易掌握，并且還能為以擴頻通信為基礎的現代通信的研究和設計提供依據。

2 擴頻通信技術

2.1 理論基礎

擴頻通信的基本理論是根據信息論中的Shannon公式，即

C=Blog2(1+S/N)

(1)

式中：C為系統的信道容量(bit/s)；B為系統信道帶寬(Hz)；S為信號的平均功率；N為噪聲功率。

Shannon公式表明通信系統信道具有無誤差地傳輸信息的能力與信道中的信噪比(S/N)和用于傳輸信息的系統信道帶寬(B)之間的有密切關系。該此公式給出兩個最重要的概念：一是在一定的信道容量的條件下，可以用減少發送信號功率、增加信道帶寬的辦法達到提高信道容量的要求；二是可以采用減少帶寬而增加信號功率的辦法來提高信道容量。

擴頻增益是擴頻通信的重要參數，它反應了擴頻通信系統抗干擾能力的強弱，其定義為接收機相關器輸出信噪比和接收機相關器輸入信噪比之比，即

(2)

式中，Si和S0分別為接收機相關器輸入、輸出端信號功率；Ni和N0分別為相關器的輸入、輸出端干擾功率；Rs為偽隨機碼的信息速率，Rd為基帶信號的信息速率；Bs為頻譜擴展后的信號帶寬，Bd頻譜擴展前的信號帶寬。

2.2 仿真流程[4]

擴頻通信與一般的通信系統相比，主要是在發射端增加了擴頻調制，而在接收端增加了擴頻解調的過程，擴頻通信按其工作方式不同主要分為直接序列擴頻系統、跳頻擴頻系統、跳時擴頻系統、線性調頻系統和混合調頻系統。現以直接序列擴頻系統為例說明擴頻通信的仿真實現方法。圖1為加入窄帶干擾的直擴系統仿真流程圖。

圖1 加入窄帶干擾的直擴系統仿真流程圖

由加入窄帶干擾的直擴系統仿真流程圖可以看出，在發射端，信源經BPSK調制之后輸出的信號與偽隨機碼產生器產生的偽隨機碼進行模2加，產生一速率與偽隨機碼速率相同的擴頻序列，這樣得到已擴頻調制的射頻信號。在接收端，接收到的擴頻信號用與發射端同步的偽隨機序列對擴頻調制信號進行相關解擴，經BPSK解調后，恢復為原始信息序列信息。

3 系統仿真模型的建立[5-6]

Simulink的主要特點在于使用戶可以通過簡單的鼠標操作和拷貝等命令建立起直觀的系統框圖模型，用戶可以很隨意地改變模型中的參數，并可以馬上看到改變參數后的結果，從而達到方便、快捷地建模和仿真的目的。依據圖1的仿真流程，在Simulink中搭建了圖2所示的加入窄帶干擾的直擴系統仿真模型圖，系統主要參數如下：

信源碼：隨機二進制序列，碼速率1kb/s，帶寬1kHz；PN碼：8階m序列，碼速率255kb/s。

調制方式：BPSK調制；信道：AWGN(高斯白噪聲)信道；干擾：單音干擾，多音干擾；自適應濾波器：LMS濾波器，RLS濾波器。

圖2 加入窄帶干擾的直擴系統仿真模型圖

3.1 主要模塊設計及參數設置[7]

基于MATLAB /Simulink所建立的擴頻通信系統的仿真模型，能夠反映擴頻通信系統的動態工作過程，可進行波形觀察、頻譜分析和性能分析等，同時能根據研究和設計的需要擴展仿真模型，實現以擴頻通信為基礎的現代通信的模擬仿真，為系統的研究和設計提供強有力的平臺。

信源：隨機整數發生器(Random Integer generator)作為仿真系統的信源，隨機整數發生器產生二進制隨機信號，采樣時間、初始狀態可自由設置，從而滿足擴頻通信系統所需信源的要求。sample time為1/1000，即設置信源信息速率為1000bps。圖3為仿真得到信源頻譜。

圖3 信源信號的頻域圖

圖4 信源信號經擴頻之后的頻域圖

擴頻與解擴：PN序列生成器模塊(PN Sequence Generator)作為偽隨機碼產生器，擴頻過程通過信息碼與PN碼進行雙極性變換后相乘加以實現。解擴過程與擴頻過程相同，即將接收的信號用PN碼進行第二次擴頻處理。設置為Eb/n0模式，sample time為1/2.55e05，即設置擴頻碼碼片速率為225Kchip/s。圖4為擴頻之后信號的頻譜，可見信源帶寬為1KHz，擴頻之后帶寬變為了255KHz。

調制與解調：使用二相相移鍵控PSK方式進行調制、解調。調制由正弦載波與雙極性擴頻碼直接相乘實現，采用相干解調法進行解調。

信道：傳輸信道為加性高斯白噪聲信道。在加性高斯白噪聲信道模塊中，可進行信號功率和信噪比的設置。當選擇信噪比模式的時候，我們還要設置symbol period為1/2.55e05，即為進入信道的信號采樣速率。

單音干擾：選擇sine函數模塊，設置幅度、頻率和采樣率，來模擬單音或多音干擾。

濾波：具體設置參數如圖5所示：

圖5 LMS和RLS濾波器的參數設置

誤碼計算：誤碼計算由誤碼儀實現，誤碼儀在通信系統中的主要任務是評估傳輸系統的誤碼率，它具有兩個輸入端口：第一個端口(Tx)接收發送方的輸入信號，第二個端口(Rx)接收接收方的輸入信號。

4 仿真結果分析[9]

4.1 加入單音干擾的分析

在給出下列仿真的條件下，觀察仿真運行情況。信息速率1kb/s，幅度為1；偽隨機序列采用8階m序列，傳輸速率為1kpb/s的m序列；單音干擾中心頻率為50Hz，幅度1v加入信噪比6dB的高斯信道進行仿真。在這樣的仿真條件下，理論上可獲得1倍的擴頻增益。圖6信號經過50Hz、1V單音干擾，6dB高斯信道后頻域放大細節圖，圖7干擾后的信號經解擴后頻域圖。如圖7所示，解擴后，有用信號恢復1kHz帶寬，干擾信號被擴頻，落入有用信號頻帶內的干擾能量大大減少。

圖6 信號經過單音干擾及高斯信道后頻域放大圖

圖7 干擾后的信號經解擴后頻域圖

此時仿真得到系統誤碼率為0.1064，可見信號受到了一定的干擾產生了誤碼。把此仿真中使用的單音干擾頻率設置為5000Hz，幅度為1V是，在相同信噪比下得到誤碼率為0.002999，可見直擴頻系統具有一定的抗窄帶干擾的能力。給定不同的信噪比，仿真得到繪制5000Hz、1V單音干擾情況下的誤碼率曲線，與不含單音干擾的曲線對比，可見兩曲線比較接近，如圖8，充分體現了直擴系統抗窄帶干擾的能力。

圖8 加入5000Hz、1V單音干擾后誤碼率曲線與不含單音干擾曲線對比

4.2 加入多音干擾的分析

將單音干擾變為多音干擾，使用中心頻率為50Hz和100Hz、幅度都為1的兩路正弦信號，加入高斯信道中，形成多音干擾信號，進行仿真。圖9為信號經過50Hz、100Hz 1V多音干擾，6dB高斯信道頻域放大圖，圖10為信號經過含50Hz和100Hz、幅度1V多音高斯干擾解擴后頻域圖。

圖9 信號經過多音干擾及高斯信道后頻域放大圖

圖10 干擾后的信號經解擴后頻域圖

由圖9可見，在50Hz和100Hz處有干擾信號尖峰，落在了有用頻帶內。從圖10可以看出多音干擾信號經過解擴后，其能量可以被分散。再經BPSK解調后，接收端信號與發送端信號對比，得到的誤碼率為0.1924，與單音干擾為50Hz、幅度為1V時誤碼率為0.1064相比，誤碼率相對高一些。在不同信噪比下仿真得到的誤碼率曲線圖，并且與50Hz幅度1V單音干擾、100Hz幅度都為1V的單音干擾的誤碼率曲線作對比，即圖11，可見相同幅度下，多音干擾相對于單音干擾，對系統造成的誤碼率較高，多音干擾可以看作兩個單音干擾的疊加。

圖11 多音、單音干擾誤碼率曲線對比

4.3 自適應濾波器抗單音干擾仿真[8]

利用Simulink里面的LMS自適應濾波器、RLS自適應濾波器模塊，進行窄帶干擾的抑制。為了觀察濾波器對的窄帶干擾的抑制效果，因此窄帶干擾使用前面仿真過的中心頻率為50Hz，幅度分別為1V和30V的單音干擾，高斯信道信噪比為6dB。

(1)使用LMS最小均方差濾波器

使用LMS Filter模塊進行窄帶干擾抑制仿真。將LMS濾波器添加在解擴之前，濾波器輸入信號為含有高斯白噪聲、50Hz幅度1V單音干擾的信號，濾波器的期望信號為通過高斯信道但不含單音干擾的信號。LMS濾波器長度為12，步長為0.4。經過對中心頻率為50Hz，幅度為1V的單音干擾使用LMS自適應濾波器技術后，仿真得到不同信噪比下的誤碼率曲線，與之前不用濾波器的誤碼率曲線作對比，如圖12所示。可見單音干擾都得到了良好的抑制，得到了較低的誤碼率。

圖12 50Hz1V單音干擾使用LMS濾波器、不使用濾波器曲線、不含單音干擾曲線對比

由圖12可見，添加了LMS濾波器的誤碼率曲線相比沒有使用濾波器的曲線下將迅速，更接近不含單音干擾時的誤碼率曲線，說明LMS濾波器具有良好的抗窄帶干擾功效。但是LMS濾波器的步長太小收斂速度較慢，但如果取大的步長，濾波糾錯的能力又降低，因此使用LMS濾波器時要多幾次測試步長，權衡收斂速度和濾波效果。

(2)RLS最小遞推二乘濾波器

使用RLS Filter模塊進行窄帶干擾抑制仿真。將RLS濾波器添加在解擴之前，濾波器輸入信號為含有高斯白噪聲，和中心頻率為50Hz、幅度1V的單音干擾的信號，濾波器的期望信號為通過高斯信道但不含單音干擾的信號。RLS濾波器長度為64，遺忘因子為1，初始權值為0。用仿真得到的誤碼率繪制直擴頻系統含50Hz、1V單音干擾時，使用RLS濾波器后不同信噪比下的誤碼率曲線如圖13所示，與之前不使用濾波器的誤碼率曲線、不含單音干擾的曲線作對比。由圖13可見，添加了RLS濾波器后，誤碼率曲線下將迅速，很接近不含單音干擾的曲線，說明RLS濾波器具有良好的抗窄帶干擾功效。但是仿真過程耗時較長，使用RLS濾波器后速度明顯比使用LMS濾波器要慢，可見RLS濾波器的計算較為復雜。

圖13 50Hz、1V單音干擾使用RLS濾波器、不使用濾波器曲線、不含單音干擾曲線對比

(3)LMS濾波器與RLS濾波器效果對比

將LMS、RLS濾波器的關于50Hz、1V單音干擾抑制的誤碼率曲線，與不使用自適應濾波器的50Hz、1V單音干擾誤碼率曲線，和不含單音干擾的誤碼率曲線，如圖14對比。由圖14可見對50Hz、1V的單音干擾，使用兩種濾波器后誤碼率都比不使用濾波器時降低很多，都達到了抗窄帶干擾的效果。但是通過仿真分析可知：(1)RLS濾波器的誤碼率更低，比LMS濾波器的誤碼率曲線更接近不含單音干擾的曲線，可見RLS濾波器的干擾抑制效果更好，但是使用RLS濾波器后仿真時間較長，其仿真速度明顯比使用LMS濾波器時慢很多，可見其計算較復雜。(2)LMS濾波器仿真較快，但是其收斂速度與步長參數有關，當步長較大時收斂速度快，但同時濾波效果變差，當步長較小時濾波效果好但收斂速度又變慢，因此需要多測試幾組參數來權衡步長大小與濾波效果。

圖14 使用LMS、RLS濾波器誤碼率曲線與不使用濾波器曲線、不含單音干擾曲線對比

5 結論

擴頻通信以其較強的抗干擾、抗衰落、抗多徑性能而成為第三代通信的核心技術，本文利用MATLAB提供的可視化工具箱Simulink建立了擴頻通信系統仿真模型，詳細講述了各模塊的設計，并給出了仿真建模中需注意的問題。在給定仿真條件下，運行了仿真系統，驗證了所建仿真模型的正確性。通過仿真研究了使用自適應濾波器進行擴頻窄帶干擾抑制性能增益和輸出端信噪比的關系，仿真結果表明，在DSSS的干擾容限內，DSSS通信系統具有一定的抗干擾能力。針對較強的窄帶干擾，自適應濾波技術LMS和RLS都可以達到抗窄帶干擾的效果。在相同誤碼率下，RLS抑制窄帶干擾的能力比LMS強，但是需要較大的復雜度仿真時間長。

[1]劉學勇.詳解MATLAB/Simulink通信系統建模與仿真[M]. 北京：電子工業出版社，2011.

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(責任編輯：王謙)

Simulation of Interference Suppression of Direct Spread Spectrum Communication System Based on Simulink

WANG Ling

(Science and Technology School，Communication University of China，Beijing100024，China)

The visual simulation tool Simulink provided by Matlab is used to build transmitter module and receiver module of DSSS communication system and the narrow-band interference in different carrier frequency and amplitude is added to the AWNG channel.The relationship among BER，SNR and spreading gain of DSSS system is researched by means of every waveform and spectrum transformation diagram in the transmission process. When theNarrow-Band Interference overstep the tolerance of the DSSS system，we can use the adaptive filter such as LMS(Least Mean Square)filter and RLS(Recursive Least Square)filter to improve suppressing Narrow-Band Interference. The simulation confirmed that the adaptive filter has a good effect onNarrow-Band Interference suppression. The RLS filter’s algorithm is complex so its simulation time is long. The LMS filter’sconvergence speed is slow.

direct sequence spread spectrum；Simulink；narrow-band interference；adaptive filter

2015-10-10

王玲(1974-)，女(漢族)，中國傳媒大學理工學部信息工程學院副教授.E-mail：wangling@cuc.edu.cn

TN911.4

A

1673-4793(2015)06-0021-07