基于Simulink的直接序列扩频通信系统设计

【前言】基于Simulink的直接序列扩频通信系统设计由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。扩频通信的可行性是从信息论和抗干扰理论引申来的。香农信息论中的香农定理描述了信道容量、信道带宽、持续时间、信噪比之间的关系： （1） 式（1）中，C为信道容量（用传输速率度量）；W为信道带宽；T为信道持续时间；S为信号功率，N为白噪声功率，S/N为信噪比。香农...

摘 要 针对直接序列扩频通信系统建模仿真这一问题，采用基于simulink的直扩通信系统仿真模型，能够较为直观地反映直接序列扩频系统的全部动态运行过程，以显示时域波形、频谱分析和系统相关性能分析。在介绍扩频通信基本理论与Simulink仿真概述的基础上，进行直扩通信系统的Simulink仿真，并对其抗干扰性能进行分析，最后得出系统的抗干扰性能与扩频码序列的长度及信噪比有关的结论。

关键词 扩频通信；直接序列扩频；伪随机序列；信噪比；误码率

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）01-0027-02

扩频通信是建立在Claude E.Shannon的信息论基础上的一种新型通信体制，具体指用于传输信号的信道带宽远远大于信号自身带宽的一种通信方式。扩频通信具有抗干扰能力强，隐蔽性好，容易实现多址传输等优点，因而在数据通信、移动通信等领域得到越来越广泛应用。其中直接序列扩频通信是比较典型的一种扩频工作方式，本文先引入直序扩频通信原理，然后通过Simulink对直接序列扩频系统进行仿真，进而对直扩系统的抗干扰性能进行分析，得出扩频通信相较普通数字通信具有更强抗干扰性的结论。

1 扩频通信基础

扩频通信的可行性是从信息论和抗干扰理论引申来的。香农信息论中的香农定理描述了信道容量、信道带宽、持续时间、信噪比之间的关系：

（1）

式（1）中，C为信道容量（用传输速率度量）；W为信道带宽；T为信道持续时间；S为信号功率，N为白噪声功率，S/N为信噪比。香农公式表明了一个信道无误差地传输信息的能力与信道的信噪比以及信道带宽之间的关系。决定信道容量C的参数有：信道带宽W、持续时间T，以及信噪比S/N。

在给定速率不变的情况下，信噪比和频带宽度可以互换。即通过增加频带宽度，在较低信噪比的环境下传输信息。扩频通信的一个重要特点或者说一大基础是扩展频谱以换取对信噪比要求的降低。即为了获得通信系统的高可靠性，可以“用频带换取信噪比”。

从功率谱密度的角度来讲，在整个扩频通信系统中频谱宽度与功率谱密度有如下关系：待传信息的频谱被扩展了以后，能量被均匀地分布在较宽的频带上，功率谱密度下降；扩频信号解扩以后，宽带信号恢复成窄带信息，功率谱密度上升；相对信息信号，脉冲干扰只经过了一次被模二相加的调制过程，频谱被扩展，功率谱密度下降，从而使有用信息在噪声干扰中被提取出来更容易，显示了扩频通信的强抗干扰特性。

2 直接扩频通信系统的SIMULINK仿真

2.1 SIMULINK系统模型及主要参数模块

Sources and PN sequence产生的二进制随机信号（这里把它当成信源编码后的二进制信息码），采样周期是0.03，从out2口输出。产生的二进制伪随机信号（PN码重复周期为15），采样周期为0.001，从out1口输出。子系统是封装的复合信号源。在一个脉冲发生器的控制下，触发产生两种采样周期信号。

扩频的运算是：将上述两个二进制序列直接进行异或操作。扩频后的二进制序列进入卷积编码器。卷积编码器的格型结构是poly2trellis，它是IS-95 CDMA正相信道卷积编码的生成多项式。

经过卷积编码的二列信号经过一系列的信号变换模块后变成为三列，以适应频带M进制差分相移键控调制器M-DPSK的要求。调制后的信号进入加性高斯白噪声（SNR为-8dB）的传输环境。之后进入接收部分，经频带M元差分相移键控解调器后，信号又经过一系列的变换后恢复为维特比卷积译码器要求的双列信号。

经过卷积编码后的二进制序列与用于扩频的二进制伪随机序列经异或操作进行解扩运算。

此系统主要模块参数如下。

1）信号源。该模块主要由Source and PN sequence构成，其为复合信号源（被当做信息的人为随机设置的二进制信息码和PN序列），产生伪随机扩频序列和相应的信息序列。

2）扩频模块。该模块由XOR（一个异或门）构成，信息码和m序列通过它来产生扩频信号。其主要参数为：Sample time：-1；Output data type mode：Logical。

3）卷积编码模块。该模块由Convolutional Encoder（卷积编码器）构成，其主要参数为：

Trellis structure：poly2trellis（9，[753 561]）。

4）调制模块。该模块由M元差分相移键控调制模块构成，用于进行8元差分相移键控调制。其主要参数为：M-ary number：8；Symbol period：5e-4；input type：bit；Carrier frequency：2e4；Output sample time：1e-6。

设置相关的参数应满足如下条件：载波频率一般应远大于调制信号的的最高频率。

5）加性高斯白噪声模块。该模块由 AWGN Channel（加性高斯白噪声信道）构成。其主要参数为：Initial seed：2467；Mode：Signal to noise ratio（SNR）；SNR：-8dB；Input signal power：1watts。

6）解调模块。该模块由M元差分相移键控解调模块构成，用于进行8元差分相移键控解调。其主要参数为：M-ary number：8；Symbol period：5e-4；input type：bit；Carrier frequency：2e4；Input sample time：1e-6。

7）维特比译码模块。该模块由维特比译码器构成，主要用于对卷积编码后的信号进行译码。其主要参数为：Trellis structure：poly2trellis（9，[753 561]）；Decision type：Hard decision；Traceback depth：1；Operation mode：Continuous。

其参数设置时应注意以下几个问题：①卷积编码器和卷积译码器的网格结构应该是一致的；②误码率计算模块的接收延迟应与维特比译码器的反馈深度相当。

8）解扩模块。该模块由XOR（一个异或门），Subsystem构成。XOR用于进行解扩，其参数和接收端相同。Subsystem为一延迟模块，在本设计中用于直接从发送端引入扩频码，用于接收端的解扩。

9）误码率分析模块。该模块由误码率计算模块，显示模块构成。①误码率计算模块。其主要参数为：Receive delay：5；Communication delay：0；Computation mode：Entire frame；Output data：Port；②显示模块，显示系统的误码率。

2.2 系统SIMULINK仿真的主要输出点波形

1）信息序列的时域和频域波形。信息序列的时域和频域波形分别如图1和图2所示。

图1 信息序列时域波形

图2 信息序列频域波形

2）扩频后信号的时域和频域波形。扩频后信号的时域和频域波形分别如图3和图4所示。

图3 扩频后信号的时域图形

图4 扩频后信号的频域图形

3）加噪声后信号的时域和频域波形。

加噪声后信号的时域和频域波形分别如图5和图6所示。

图5 加噪声后信号的时域波形

图6 加噪声后信号的频域波形

2.3 仿真系统的抗干扰性能分析

当扩频序列为[1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1]，反馈深度为1，接收延次迟为5时，仿真结果如表1所示；当扩频序列为 [1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1]，反馈深度为1，接受延迟为5时，仿真结果如表2所示。

表1 第一次传输的误码率

表2 第二次传输的误码率

由上述实验结果可验证直接序列扩频通信系统的一个结论：该系统的抗干扰性能和扩频码序列的长度以及信噪比有关。伪随机码序列越长则其抗干扰能力越强，信噪比越高则其性能也越好。

3 结束语

本文简要介绍了扩频通信系统的基本原理和模型，以及Matlab的可视化工具Simulink。然后设计了一种基于Simulink的直扩通信系统仿真模型，以反映直接序列扩频系统的工作流程，同步分析其时域波形、频域波形、抗干扰性强弱。最后得出直扩系统的抵抗外部噪声干扰的能力与扩频码序列长度和信噪比有关的结论：伪随机码序列越长则其抗干扰能力越强，信噪比越高则其性能也越好。

参考文献

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