直接序列扩频通信系统与MATLAB仿真

直接序列扩频通信系统与MATLAB仿真
摘要：扩频通信系统具有的较强的抗干扰能力，保密性好、易于实现多址保密通信等特点，正从军事应用向民用通信发展。

本文主要介绍了直接序列扩频系统的模型，并利用MATLAB对直扩系统实现仿真。

关键词：扩频通信系统；直接序列扩频；伪随机码；仿真
0引言
扩频通信（即扩展频谱通信），一般是指用比信号带宽宽得多的频带宽度来传输信息的技术。

随着通信容量的不断增加，频率资源愈发紧张，为了缓解这一突出问题，通常在窄带通信系统中，主要是通过频率划分来防止各信道之间的干扰。

但是，随着扩频通信的研究和运用，由于其对接收端要求强相关性，使得频率可以重复使用，提高了频率利用率。

同时扩频通信的抗干扰能力强，现在已经广泛应用于移动电话、无线电微波通信、无线数据通信、跟踪和报警等系统中。

1扩频通信的理论基础
信息论中关于信息容量的仙农（Shannon）公式为
其中C为信道容量；W为信号频带宽度；S/N为信噪比。

由式1可得到以下结论：在信道容量C不变的条件下，可用不同带宽W和信噪比S/N组合来传输。

即可以通过增加信号带宽，实现在比较低的信噪比下传送信息。

这样使得有用信号的功率接近噪声的功率甚至淹没在噪声之下，从而具有很好的隐蔽性。

扩频通信就是用扩展频谱来换取信噪比要求的降低，这正是扩频通信的主要特点和理论依据。

扩频通信从早期用于军事保密通信，到现在广泛用于民用通信系统中，并成为现代通信主要发展的方向，是因为它具有窄带通信系统无法比拟的优良性能。

1）抗干扰性强，误码率较低。

接收机必须采用相关检测才能对PN码相同的扩频信号进行解扩，同频信号或其他干扰经解扩后，带宽被展宽，具有良好的抑制能力。

因此误码率也比较低，一般可低于l0-10，完全能满足国内相关系统对通道传输质量的要求。

2）可以实现码分多址。

因为在扩频通信中是采用扩频码序进行扩频调制，可以利用不同的扩频码序列之间较强的自相关性和较弱的互相关性，在接收端利用相关检测技术进行解扩。

可以通过给不同的用户分配不同的用户扩频码型，实现在一宽频带上许多对用户可以同时通信而且互不干扰。

3）抗多径干扰。

由于扩频系统中利用不同的PN可以很容易从多种路径传输来的信号分离和提取出有用信号。

同时可以把不同路径来的不同延迟、不同相位的信号在时间和相位上重新对齐，形成用多个频率的信号传送同一个信息，从而提高了系统传输的可靠性。

可以使用不同技术对所传的信息进行扩频处理，因此扩频通信的方式可分为：直接序列扩频工作方式（DS）, 跳变频率工作方式（FH），跳变时间工作方式（TH）和宽带线性调频脉冲（CHIRP）以及以上几种方法的组合。

本文根据扩频通信的原理，利用MATALB对扩频通信中最常用的直接序列扩频系统进行了仿真。

2直接序列扩频系统
直接序列扩频系统又称为直接序列调制系统或者伪噪声系统（PN系统），简称直扩（DS），是当前应用较为广泛的一种扩频通信系统。

要传送的信息经过伪随机序列（或称伪噪声码）扩频后再对射频载波进行调制。

伪随机序列的码元速率远高于传送信号的码元速率，因而调制后的信号频谱宽度远远大于原始信息的频谱宽度。

直扩技术广泛地应用于民用通信系统以及导航、自控等其他领域方面，比如美军的国防卫星通信系统（AN-VSC-28）、全球定位系统（GPS）、航天飞机通信用的跟踪和数据中继卫星系统（TDRSS）、码分多址卫星通信系统等。

2.1直扩系统模型
直扩系统的模型如图1所示，信源信息经过编码后为码元速率为Ra的信息码，扩频码发生器产生伪随机码（PN码），每个伪随机码的码元速率为Rc （Rc<Ra）。

将信息码与伪随机码进行相乘或模二加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，也就是说信息带宽已经被展宽，然后经过射频调制将信号频谱被搬移到射频上。

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，其调制方式多采用BPSK、DPSK、QPSK、MPSK等。

在接收端，接收到的信号经过变频处理后为中频信号。

然后用与发送端同步的伪随机码对中频信号进行解扩，将信号的频带恢复为原始信息的频带，然后再进行解调，恢复出所传送的信息。

对于信道中的干扰，这些干扰有窄带干扰、多径干扰、多址干扰等。

由于它们与伪随机码不相关，接收机的相关解扩对这些干扰相当于又一次扩频，将干扰和噪声的频谱展宽，降低了功率谱密度，经滤波后就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪比得到提高，从而提高了系统的抗干扰能力。

2.2扩频通信常用的伪随机码
常用的伪随机码主要有m序列、GOLD序列、WALSH码和OVSF码。

其中最常见的是m序列，由n级移位寄存器所能产生的周期最长的序列。

由于m序列容易产生，规律性强，有许多优良的性能，在扩频通信中最早获得广泛的应用。

m序列虽然性能优良，但同样长度的m序列个数不多，且序列之间的互相关值并不都好。

R·Gold提出了一种基于m序列的码序列,称为Gold码序列。

GOLD 码是m序列的复合码，是由两个长度相同，码速率相同的m序列优选对模2加得到的，每改变两个序列相对位移就可得到一个新的GOLD序列。

GOLD序列有较优良的自相关和互相关特性，且地址数远远大于m序列地址数，结构简单，易于实现，因此得到了广泛的应用。

3程序仿真及结果
3.1仿真模型
本文是采用MATLAB软件对直接扩频通信系统进行仿真。

仿真模型如图2所示。

信息源由随机整数发生器随机产生的二进制信号，伪随机码采用的是31位GOLD 序列，射频调制采用的是M-PSK调制方式，传输信道为加性高斯白噪声信道。

3.2仿真结果
图3为示波器显示波形。

上图为随机信号发生器产生的输入信号的波形。

下图为输入信号经过扩频、调制、解扩和解调后获得的输出波形。

从图中看出，扩频后误码率非常低。

图4为该仿真系统对抑制信道噪声的仿真结果。

信噪比越高，误码率趋近为零。

说明扩频通信系统具有良好的抗干扰性能。

4结束语
本文主要阐述了扩频通信的理论和实现方法，利用MATLAB提出建立了扩频通信系统仿真模型，在给定仿真条件下，运行并验证了其正确性。

结果表明，扩频通信系统具有很强的抗干扰性能，误码率低，因此其广泛用于保密通信系统。

参考文献：
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