基于MATLAB的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型

蘭勝坤

摘要：擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)是一種高技術(shù)通信傳輸方式，利用偽隨機(jī)碼序列擴(kuò)展窄帶信號的帶寬，又在接收端使其恢復(fù)成窄帶原始信號，大大降低了信噪比，所以擴(kuò)頻通信系統(tǒng)比傳統(tǒng)的窄帶通信系統(tǒng)抗干擾能力更強(qiáng)。擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是傳輸信息安全性高，抗干擾性強(qiáng)。以二進(jìn)制數(shù)字?jǐn)U頻通信系統(tǒng)的構(gòu)成原理為基礎(chǔ)，在MATLAB中建立直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的仿真模型，對頻譜圖進(jìn)行擴(kuò)頻過程分析，并通過誤碼率掌握直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾能力，對擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的研究掌握具有一定的進(jìn)步作用。

關(guān)鍵詞：擴(kuò)頻通信；直接序列；MATLAB

一、前言

擴(kuò)展頻譜通信作為一種高技術(shù)通信傳輸方式，給各國帶來了巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是傳輸信息安全性高，抗干擾性強(qiáng)[1]。目前，擴(kuò)展頻譜通信的應(yīng)用十分廣泛，主要是軍事和民用兩大方面，擴(kuò)頻技術(shù)成為通信技術(shù)的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。本文介紹了擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)，詳細(xì)描述了直接序列擴(kuò)展頻譜技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程，在MATLAB軟件中利用SIMULINK工具箱建立直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的仿真模型，并通過誤碼率分析直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力，對擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的研究掌握具有一定的推動(dòng)作用。

二、二進(jìn)制數(shù)字?jǐn)U頻通信系統(tǒng)的構(gòu)成原理

（一）理論依據(jù)

擴(kuò)頻通信是系統(tǒng)占用的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于要傳輸?shù)脑夹盘枎挘遗c原始信號帶寬無關(guān)。在發(fā)送端，頻帶的展寬是通過編碼及調(diào)制的方式來實(shí)現(xiàn)的，在接收端，則用與發(fā)送端完全相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)的方式來恢復(fù)信息數(shù)據(jù)[2]。

擴(kuò)展頻譜通信的原理基礎(chǔ)是香農(nóng)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(nóng)公式進(jìn)行變換得：

C/W=1.44×ln（1+S/N） （2）

在有干擾的情況下，當(dāng)S/N<1時(shí)，對公式（2）用冪指數(shù)展開，忽略高次項(xiàng)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(shè)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(shí)現(xiàn)互換。換而言之，要保證系統(tǒng)在較低信噪比S/N情況下仍能正常進(jìn)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(tǒng)信道帶寬，這樣我們就可以得到較低的信息差錯(cuò)率。

（二）擴(kuò)頻通信技術(shù)分類

擴(kuò)頻通信的優(yōu)勢就在于其具有很強(qiáng)的抗干擾能力，如在信噪比相同的情況下，擴(kuò)頻通信與通信系統(tǒng)的帶寬比起來要大很多[3]。擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)比傳統(tǒng)通信技術(shù)在發(fā)射端和接收端分別多了PN碼序列擴(kuò)頻與解擴(kuò)步驟，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)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(diào)制信號進(jìn)行相關(guān)解調(diào)。由于PN碼序列處理的位置不同可以分為直接序列擴(kuò)展頻譜、跳頻擴(kuò)展頻譜、跳時(shí)擴(kuò)展頻譜及線性調(diào)頻，這是擴(kuò)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(kuò)頻通信和跳頻擴(kuò)頻通信在實(shí)際應(yīng)用中很常用到，本文主要研究直接序列擴(kuò)頻通信的工作方式。

（三）直接序列擴(kuò)頻

偽噪聲系統(tǒng)利用偽隨機(jī)碼PN，與發(fā)射信號進(jìn)行模二加運(yùn)算，生成一偽隨機(jī)碼序列，將該序列擴(kuò)展到十分寬的頻帶上，接著調(diào)制載波從天線發(fā)射出去信號[5]。在天線接收到擴(kuò)頻信號后利用和發(fā)射端相同且碼速同步的PN碼序列對接收到的信號進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，由于收、發(fā)端PN碼相同，可以解擴(kuò)為窄帶信號，然后擴(kuò)展加入高斯白噪聲的帶寬，噪聲功率降低進(jìn)而減少對信號通頻帶內(nèi)的干擾。直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)由于抗干擾性十分強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用。

（四）直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)構(gòu)成部分

直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，分別為信源、PN碼擴(kuò)頻、BPSK調(diào)制、AWGN信道傳輸、BPSK解調(diào)、PN碼解擴(kuò)、信宿。

信源部分：發(fā)送原始信號到信道中；

擴(kuò)頻部分：主要是PN碼序列發(fā)生器，它產(chǎn)生的PN碼，與原始信號進(jìn)行模二加運(yùn)算生成偽隨機(jī)碼序列，然后發(fā)射到調(diào)制器；

調(diào)制部分：直擴(kuò)系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制載波；

解調(diào)部分：由于二進(jìn)制相移鍵控是以未調(diào)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(diào)部分：與發(fā)端相同的PN碼；

信宿：接受已恢復(fù)的原始信號。

（五）直接序列擴(kuò)頻的PN碼序列

由于M序列具有優(yōu)良的自相關(guān)特性，所以它被認(rèn)為是一種重要的擴(kuò)頻碼序列（PN碼序列）。M序列是規(guī)律性很強(qiáng)的最長線性移位寄存器序列，因?yàn)镸序列的生成方法十分簡便，所以被廣泛運(yùn)用于擴(kuò)頻技術(shù)領(lǐng)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(chǎn)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(yīng)的時(shí)間波形是由1和-1構(gòu)成為時(shí)間的函數(shù)。

幾乎所有的PN碼序列都是用移位寄存器來產(chǎn)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(kuò)頻系統(tǒng)中常用的擴(kuò)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(chǎn)生的最長碼序列?？梢约僭O(shè)在二進(jìn)制移位寄存器中，移位寄存器為m級，那么它最多能產(chǎn)生2m-1位偽隨機(jī)序列，這是因?yàn)榇藭r(shí)移位寄存器是去除掉全0狀態(tài)，還余下2m-1種狀態(tài)。

三、直接序列擴(kuò)頻仿真

（一）設(shè)計(jì)思路流程

直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)（DSS）的設(shè)計(jì)首先要對系統(tǒng)進(jìn)行分析，劃分出PN碼生成子系統(tǒng)、BPSK調(diào)制子系統(tǒng)等五大子系統(tǒng)，建立各個(gè)子系統(tǒng)的模型，然后對各子系統(tǒng)的功能及實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行細(xì)致研究選出合適的算法完成各系統(tǒng)模塊的編程。接著利用MATLAB完成各子系統(tǒng)仿真模型的搭建，運(yùn)行仿真系統(tǒng)判斷是否成功，對運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析，對各項(xiàng)參數(shù)和指標(biāo)進(jìn)行評估，以判斷系統(tǒng)是否符合要求，如果是，表明仿真成功；否則需要修改參數(shù)重新運(yùn)行系統(tǒng)。

（二）直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)仿真流程圖

根據(jù)圖1直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)構(gòu)成框圖（七大組成：信源部分、擴(kuò)頻部分、調(diào)制部分、信道傳輸部分、解調(diào)部分、解擴(kuò)部分和信宿）的分析，做出直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的主要流程圖如圖2所示。

（三）直接序列擴(kuò)頻調(diào)制仿真模型

圖3中由伯努利發(fā)生器產(chǎn)生原始信號，由于直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)需要-1、+1分布，所以原始信號要經(jīng)過雙極性碼變換器把0、1單碼變換為雙極性。本次實(shí)驗(yàn)使用GOLD碼序列作為擴(kuò)頻碼序列，也經(jīng)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(shí)把兩輸出信號進(jìn)行乘法運(yùn)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(jìn)行分析。

（四）直接序列擴(kuò)頻解調(diào)仿真模型

與擴(kuò)頻調(diào)制模型相對應(yīng)加入解調(diào)和解擴(kuò)部分，同時(shí)再加一個(gè)誤碼率分析儀構(gòu)成如圖4所示的直接序列擴(kuò)頻解調(diào)仿真模型。最小相移鍵控解調(diào) （M-PSK Demodulator Passband）對解擴(kuò)后的信號進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)基帶信號。誤碼率分析儀（Error Rate Calculation）在直擴(kuò)系統(tǒng)中經(jīng)過解擴(kuò)和解調(diào)恢復(fù)成的原始信號要與發(fā)射端的原始信號進(jìn)行比對，顯示接收到的數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤的比特?cái)?shù)和誤碼率。

（五）仿真結(jié)果分析

因?yàn)樵夹盘枎捲O(shè)置為1kHz，由圖5擴(kuò)頻后信號頻譜圖可以看出，帶寬拓寬為大約60kHz，由圖6解擴(kuò)后恢復(fù)的原始信號頻譜可以看出，信號帶寬恢復(fù)成1kHz。

四、結(jié)語

本文研究直接序列擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻過程和抗干擾性能，使用MATLAB中的SIMULINK工具箱設(shè)計(jì)與仿真直接序列擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)，仿真實(shí)現(xiàn)了偽噪聲系統(tǒng)從偽隨機(jī)PN碼的產(chǎn)生到擴(kuò)頻、調(diào)制，信道中加入噪聲，解擴(kuò)接收信號最后解調(diào)還原成原始窄帶信號的過程。觀察了原始信號、擴(kuò)頻、解擴(kuò)等幾個(gè)過程的頻譜圖，并對這些頻譜圖進(jìn)行對比，分析信源發(fā)射的信號頻譜從拓寬到還原的過程。從結(jié)果可看到，通過調(diào)制解調(diào)后所得信息碼與源碼基本一致，驗(yàn)證了所見直接擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)模型的正確性。

參考文獻(xiàn)

[1]王靜.基于擴(kuò)頻的通信衛(wèi)星上行鏈路臨界干擾方法研究[D].鄭州：戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué)，2022.

[2]白春惠.直接序列擴(kuò)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(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真分析[J].數(shù)字通信世界，2018（06）：52-53.

[4]趙旭東，任斌，胡明宇，等.基于Systemview的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（17）：98-100.

[5]孫曉雅.擴(kuò)頻通信技術(shù)的應(yīng)用及其系統(tǒng)的工作原理[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（05）：46.

作者單位：福州工商學(xué)院

■ 責(zé)任編輯：張津平