基于MATLAB的直接序列擴頻通信系統的仿真模型

摘要：擴展頻譜通信技術是一種高技術通信傳輸方式，利用偽隨機碼序列擴展窄帶信號的帶寬，又在接收端使其恢復成窄帶原始信號，大大降低了信噪比，所以擴頻通信系統比傳統的窄帶通信系統抗干擾能力更強。擴展頻譜系統的優點是傳輸信息安全性高，抗干擾性強。以二進制數字擴頻通信系統的構成原理為基礎，在MATLAB中建立直接序列擴頻系統的仿真模型，對頻譜圖進行擴頻過程分析，并通過誤碼率掌握直擴系統的抗干擾能力，對擴頻通信系統的研究掌握具有一定的進步作用。

關鍵詞：擴頻通信；直接序列；MATLAB

一、前言

擴展頻譜通信作為一種高技術通信傳輸方式，給各國帶來了巨大的社會和經濟效益。擴展頻譜系統的優點是傳輸信息安全性高，抗干擾性強[1]。目前，擴展頻譜通信的應用十分廣泛，主要是軍事和民用兩大方面，擴頻技術成為通信技術的熱點和焦點。本文介紹了擴展頻譜通信技術，詳細描述了直接序列擴展頻譜技術的實現過程，在MATLAB軟件中利用SIMULINK工具箱建立直接序列擴頻系統的仿真模型，并通過誤碼率分析直接序列擴頻系統的抗干擾能力，對擴頻通信系統的研究掌握具有一定的推動作用。

二、二進制數字擴頻通信系統的構成原理

（一）理論依據

擴頻通信是系統占用的頻帶寬度遠遠大于要傳輸的原始信號帶寬，且與原始信號帶寬無關。在發送端，頻帶的展寬是通過編碼及調制的方式來實現的，在接收端，則用與發送端完全相同的擴頻碼進行相關解調的方式來恢復信息數據[2]。

擴展頻譜通信的原理基礎是香農公式：

C=Wlog2（1+S/N） （1）

上式中，C為信道容量，單位為bit/s，W為帶寬，S為信號功率（W），N為噪聲功率，S/N為信號功率與噪聲功率之比即信噪比。

我們令信道容量C為定值，并對上式中的香農公式進行變換得：

C/W=1.44×ln（1+S/N） （2）

在有干擾的情況下，當S/Nlt;1時，對公式（2）用冪指數展開，忽略高次項可得：

C/W=1.44×S/N （3）

或" " W=0.7×C×N/S （4）

從公式（4）我們可以得出，假設信道容量（C）為一定值，那么信道帶寬（W）和信噪比（S/N）就可實現互換。換而言之，要保證系統在較低信噪比S/N情況下仍能正常進行信息傳輸，我們只要通過增加頻帶寬度W就可以了。另外，我們可以保持信噪比S/N不變，增加系統信道帶寬，這樣我們就可以得到較低的信息差錯率。

（二）擴頻通信技術分類

擴頻通信的優勢就在于其具有很強的抗干擾能力，如在信噪比相同的情況下，擴頻通信與通信系統的帶寬比起來要大很多[3]。擴展頻譜通信技術比傳統通信技術在發射端和接收端分別多了PN碼序列擴頻與解擴步驟，擴頻通信系統發射端利用PN碼序列拓展頻帶，利用寬帶信號傳輸信息，接收端使用相同的PN碼序列對已調制信號進行相關解調。由于PN碼序列處理的位置不同可以分為直接序列擴展頻譜、跳頻擴展頻譜、跳時擴展頻譜及線性調頻，這是擴頻通信的四種最基本的工作方式[4]。在這四種方式中，直接序列擴頻通信和跳頻擴頻通信在實際應用中很常用到，本文主要研究直接序列擴頻通信的工作方式。

（三）直接序列擴頻

偽噪聲系統利用偽隨機碼PN，與發射信號進行模二加運算，生成一偽隨機碼序列，將該序列擴展到十分寬的頻帶上，接著調制載波從天線發射出去信號[5]。在天線接收到擴頻信號后利用和發射端相同且碼速同步的PN碼序列對接收到的信號進行相關解擴，由于收、發端PN碼相同，可以解擴為窄帶信號，然后擴展加入高斯白噪聲的帶寬，噪聲功率降低進而減少對信號通頻帶內的干擾。直接序列擴頻系統由于抗干擾性十分強，被廣泛應用。

（四）直接序列擴頻系統構成部分

直接序列擴頻系統的構成如圖1所示，分別為信源、PN碼擴頻、BPSK調制、AWGN信道傳輸、BPSK解調、PN碼解擴、信宿。

信源部分：發送原始信號到信道中；

擴頻部分：主要是PN碼序列發生器，它產生的PN碼，與原始信號進行模二加運算生成偽隨機碼序列，然后發射到調制器；

調制部分：直擴系統采用BPSK調制載波；

解調部分：由于二進制相移鍵控是以未調制載波的初相位作為參考，所以要求接收端要有與之同頻同相的本地載波；

解調部分：與發端相同的PN碼；

信宿：接受已恢復的原始信號。

（五）直接序列擴頻的PN碼序列

由于M序列具有優良的自相關特性，所以它被認為是一種重要的擴頻碼序列（PN碼序列）。M序列是規律性很強的最長線性移位寄存器序列，因為M序列的生成方法十分簡便，所以被廣泛運用于擴頻技術領域。M序列是由多級移位寄存器或其他延遲元件通過線性反饋產生的最長的碼序列。移位寄存器序列是由移位寄存器單元輸出的1和0所組成的序列，以及它相應的時間波形是由1和-1構成為時間的函數。

幾乎所有的PN碼序列都是用移位寄存器來產生的，其中最大長度線性移位寄存器簡稱為M序列，其成為直接序列擴頻系統中常用的擴頻序列，該序列是由多級移位寄存器或其他延遲元件通過線性反饋產生的最長碼序列。可以假設在二進制移位寄存器中，移位寄存器為m級，那么它最多能產生2m-1位偽隨機序列，這是因為此時移位寄存器是去除掉全0狀態，還余下2m-1種狀態。

三、直接序列擴頻仿真

（一）設計思路流程

直接序列擴頻系統（DSS）的設計首先要對系統進行分析，劃分出PN碼生成子系統、BPSK調制子系統等五大子系統，建立各個子系統的模型，然后對各子系統的功能及實現原理進行細致研究選出合適的算法完成各系統模塊的編程。接著利用MATLAB完成各子系統仿真模型的搭建，運行仿真系統判斷是否成功，對運行結果進行分析，對各項參數和指標進行評估，以判斷系統是否符合要求，如果是，表明仿真成功；否則需要修改參數重新運行系統。

（二）直接序列擴頻系統仿真流程圖

根據圖1直接序列擴頻系統構成框圖（七大組成：信源部分、擴頻部分、調制部分、信道傳輸部分、解調部分、解擴部分和信宿）的分析，做出直接序列擴頻系統的主要流程圖如圖2所示。

（三）直接序列擴頻調制仿真模型

圖3中由伯努利發生器產生原始信號，由于直接序列擴頻系統需要-1、+1分布，所以原始信號要經過雙極性碼變換器把0、1單碼變換為雙極性。本次實驗使用GOLD碼序列作為擴頻碼序列，也經過雙極性變換器把0、1變換為雙極性，然后將二者輸出信號分別連至頻譜儀觀察頻譜，同時把兩輸出信號進行乘法運算輸送到信道后加高斯白噪聲，分別觀察信道加入噪聲前后的頻譜圖并進行分析。

（四）直接序列擴頻解調仿真模型

與擴頻調制模型相對應加入解調和解擴部分，同時再加一個誤碼率分析儀構成如圖4所示的直接序列擴頻解調仿真模型。最小相移鍵控解調 （M-PSK Demodulator Passband）對解擴后的信號進行解調，恢復基帶信號。誤碼率分析儀（Error Rate Calculation）在直擴系統中經過解擴和解調恢復成的原始信號要與發射端的原始信號進行比對，顯示接收到的數據、錯誤的比特數和誤碼率。

（五）仿真結果分析

因為原始信號帶寬設置為1kHz，由圖5擴頻后信號頻譜圖可以看出，帶寬拓寬為大約60kHz，由圖6解擴后恢復的原始信號頻譜可以看出，信號帶寬恢復成1kHz。

四、結語

本文研究直接序列擴展頻譜通信系統的擴頻過程和抗干擾性能，使用MATLAB中的SIMULINK工具箱設計與仿真直接序列擴展頻譜通信系統，仿真實現了偽噪聲系統從偽隨機PN碼的產生到擴頻、調制，信道中加入噪聲，解擴接收信號最后解調還原成原始窄帶信號的過程。觀察了原始信號、擴頻、解擴等幾個過程的頻譜圖，并對這些頻譜圖進行對比，分析信源發射的信號頻譜從拓寬到還原的過程。從結果可看到，通過調制解調后所得信息碼與源碼基本一致，驗證了所見直接擴展頻譜通信系統模型的正確性。

參考文獻

[1]王靜.基于擴頻的通信衛星上行鏈路臨界干擾方法研究[D].鄭州：戰略支援部隊信息工程大學，2022.

[2]白春惠.直接序列擴頻通信抗干擾能力研究[J].艦船電子工程，2019，39（04）：55-58.

[3]鄢冉.基于MATLAB的直接序列擴頻通信系統仿真分析[J].數字通信世界，2018（06）：52-53.

[4]趙旭東，任斌，胡明宇，等.基于Systemview的擴頻通信系統的設計與仿真[J].電子設計工程，2016，24（17）：98-100.

[5]孫曉雅.擴頻通信技術的應用及其系統的工作原理[J].電子技術與軟件工程，2015（05）：46.

作者單位：福州工商學院

■ 責任編輯：張津平