直接序列扩频通信系统仿真与分析

刘馥嘉 孙杜娟 柏羽

【摘要】直接序列扩频通信系统抗干扰性强、隐蔽性好、易于提高信号接收质量、易于实现码分多址、抗多径干扰、增加信道容量等众多优点，在军事战术通信等领域得到广泛应用。本文扩频通信理论为基础，分析了伪随机序列，并用 Matlab对直接序列扩频通信系统进行了仿真分析。

【关键词】直接序列扩频通信 伪随机序列

【中图分类号】TN914.42 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）06-0043-02

一、基本原理分析

扩展频谱通信技术是一种信息传输方式，又称为扩频通信（Spread Spectrum communication）[1]。其中，直接序列扩频（DSSS—Direct Sequence Spread Spectrum）技术是人们所熟知的扩频技术之一。扩展频谱通信系统是指待传信息的频谱用某个待定的扩频函数扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，再利用相应手段将其压缩，从而获取传输信息的通信系统[1]。目前應用较为广泛的一种扩展频谱系统是直接序列扩展频谱系统。

扩频通信的基本原理：所谓扩频通信，可简单表述如下：“扩频通信技术是一种信息传输方式，在发端采用扩频码调制，使信号所占用的频带宽度远远大于所传信息必须的带宽；在收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复所传信息数据”。对干扰信号而言，与伪随机码不相关，在接收端被扩展，使落入信号通频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了相关的输出信噪比，达到了抗干扰的目的。直扩系统一般采用频率调制或相位调制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[2～3]。

扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引申而来的。信息论中关于信息容量的香农公式为：

式中：C为信道容量（bit/s）W为信道带宽（Hz），S为信道功率（W）。上式说明，在给定的传输传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比S/N是可以互换的。即可通过增加频带宽度可以降低信噪比的要求，是有用信号的功率接近甚至消失在噪声功率之下。香农公式表明了一个信道无误差地传输信息的能力即信道容量与存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。扩频通信系统的带宽比常规通信体制大几百倍乃至几万倍，所以在相同信噪比的条件下，具有较强的抗干扰能力[4～5]。例如直接序列扩频、跳频扩频、跳时扩频等。这次实验将对直接序列扩频进行分析和仿真。

在发送端输入信息m（t）（二进制数据），码元宽度为Tb，加入扩频解调器（模二加法器），扩频码是一个PN码（伪随机码），记作p（t）。伪码的波形如图 1-2 中的第（2）个波形，其码元宽度为Tp，且取Tb=16Tp。 c（t）=m（t）p（t）运算 ，c（t）的波形如图1-2所示中的第（3）个波形。由图可见，当信码m（t）为0时，c（t）与p（t）相同；而当信码m（t）为1时，则c（t）为p（t）取反既是。显然，包含信码的c（t）其码元宽度已变成了Tp，即已进行了频谱扩展[6]。

经过分析可知，通过扩频调制信号c（t）可看作只取1的二进制波形，然后对载频进行调制。s1（t）通过发射机中推动级、功放和输出电路加至天线发射出去。发射信号经过信道传输，经过接收机的输入电路、高频放大器等，输出信号仍为s1（t）。相关器完成相干解调和解扩。接收端的PN码与发端的PN码相同。接收端本地调相情况与发端相似，这里的调制信号是p（t），即调相器输出信号s2（t）的相位仅取决于p（t）。相关器在这里可等效为对输入相关器的s1（t）、s2（t）进行模2相加，经检波后输出原始信息。

二、直接序列扩频系统matlab 仿真

直接序列扩频通信系统MATLAB仿真过程直接序列扩频通信系统主要组成分为七个部分，分别为信源部分、扩频部分、调制部分、信道传输部分、解调部分、解扩部分和信宿部分。 用PN码扩频后的波形，PN码的产生是由一个PN码发生器来完成的。

扩频之后进行调制，在本次试验中，我们采用BPSK调制。数据调制后输送出其调制之后的波形。调制后的传输信道选用的高斯白噪声信道，在本次仿真中信噪比设定为20。调制之后送入信道等待传输至接收端。经过BPSK调制后的波形在信道的接收端进行的过程和输入端是相反的。

首先解调，这里选用的也是BPSK的解调。解调之后进行解扩，解扩时使用的PN码和扩频时使用PN码需保持一致，以此保证解扩出的信息的正确性。

三、总结仿真实验归纳如下：

1.系统误码率与信道里的信噪比大小有关。

2.正弦干扰信号的振幅越大，误码率越大。从系统仿真的结果看来，直序扩频技术拥有良好的抗干扰能力。

四、直接序列扩频通信系统的优点

1.抗同频干扰性能好。接收机采用相关运算只接收PN码相同的扩频信号，对所有载波频率相同的信号或干扰具有很强的抑制能力。

2.良好的抗衰落性能。一般信道中的衰落是有频率选择性的，不会对宽频带的扩频信号接收产生太大的影响。

3.抗多径干扰能力强。由于扩频系统中采用的PN码具有很好的自相关性，互相关性很弱，不同的路径传输来的信号能容易地被分离开，并在时间和相位上重新对齐，形成几路信号功率的叠加，从而改善了接收系统的性能，增加了系统的可靠性。

随着社会通信事业的迅猛发展，扩展频谱技术的应用大有潜力可以挖掘，尤其在军用中的地位也将越来越显著。

参考文献：

[1]基于Simulink的直接序列扩频通信系统仿真设计，马小青，现代电子技术2014年11月15日.

[2]樊昌信，张甫翊，徐炳祥.通信原理 [M].北京：国防工业出版社，2014.

[3]张力，罗忠相.基于软件无线电的 QPSK 解调器仿真及实现 [J].中国有线电视，2015，10（6）：557-561.

[4]Guo hai yan ，An advanced monolithic digitalized random carrier frequency spread-spectrum clock generator for EMI suppression[S]，2010，6.

[5]张天骐，基于最小二乘的同步多用户非周期长码直扩信号扩频序列估计[J]，电波 科学学报，2016，31（6）1113-1123.

[6]杨洪军，张修军，喻晓红.海上扩频通信系统中的时变干扰抑制算法研究[J].舰舶科学技术，2016：2.