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直接序列扩频通信系统Simulink仿真设计

摘要：本次设计是直接序列扩频通信系统，重要运用了Matlab/Simulink对直接序列扩频系统进行仿真，并详细分析了仿真成果。一方面简介直接序列扩频系统原理，然后基于Simulink发射机和接受机仿真，设计误码率分析模块某些，再对先后扩频解扩频谱波形比较及收发误码率进行分析，最后对设计完毕系统加入干扰源，完毕对系统抗干扰性能分析。
核心词：直接序列扩频；扩频通信；Matlab/Simulink

目录

第一章 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 课程设计总体简介 1
1.3 课程设计基本任务和规定 1
1.4 Simulink简介 2
第二章 直接序列扩频原理 3
2.1 扩频通信定义及原理 3
2.2 直接序列扩频定义及原理 3
2.3 PN序列生成与作用 4
第三章 基于Simulink发射机仿真设计 6
3.1 直接序列扩频通信系统发射机设计 6
3.2 基于Simulink发射机仿真 6
3.3 基于Simulink接受机仿真设计 10
第四章 直接序列扩频通信系统抗干扰性能分析 12
第五章 结束语 18
参照文献 19

第一章 绪论
1.1 课题背景及意义
扩展频谱通信是当代通信系统中一种新兴通信方式，其较强抗干扰、抗衰落和抗多径性能以及频谱运用率高、多址通信等诸多长处为人们所结识，并被广泛应用于军事通信和民用通信各个领域，从而推动了通信事业迅速发展。
扩频通信，即(Spread Spectrum Communication)扩展频谱通信，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代三大高技术通信传播方式。
扩频通信是将待传送信息数据被伪随机编码(扩频序列：Spread Sequence)调制，实现频谱扩展后再传播；接受端则采用相似编码进行解调及有关解决，恢复原始信息数据。
随着近年来大规模、超大规模集成电路和微解决器技广泛应用，以及某些新型器件应用，扩频技术应用形成了新高潮。事实上，扩频通信已成为电子对抗环境下提高通信设备抗干扰能力最有效手段，并在近十几年来爆发几场当代化战争中发挥了巨大威力。随着CDMA扩频通信技术在民用通信中进一步应用和不断渗入，以及在卫星通信、深空通信、武器制导、GPS全球定位系统和跳频通信等民用和国防民事通信强烈需求下，扩谱通信地位越来越重要。

1.2 课程设计总体简介
一方面设计直接序列扩频通信系统发射机和接受机。发射机设计采用m序列来扩展二进制数据流，将其扩频为宽频信号，并采用QPSK调制方式将信号调制后发送出去。信号通过AWGN信道传播到接受端。接受机采用相干解调原理解调信号，采用解扩码序列与发射机扩频码序列完全相似，信号经解扩调制后，带宽恢复原始宽度。在Simulink平台上分别对系统发射机和接受机进行仿真测试，研究信号在整个扩频调制、解扩调制过程中变化状况。最后在该系统中加入特定干扰，进行仿真测试，研究整个系统抗干扰性能。
1.3 课程设计基本任务和规定
1、阐明直接序列扩频原理及PN序列生成和作用，画出直接序列扩频原理图。
2、熟悉SIMULINK中各通信模块，依照原理图完毕扩频通信仿真系统模块设计，分为发射机、接受机某些。
3、设计误码率分析模块某些，完毕先后扩频解扩频谱波形比较及收发误码率分析。
4、对设计完毕系统加入干扰源，完毕对系统抗干扰性能分析。
5、按课程设计格式规定完毕设计报告。
1.4 Simulink简介
Simulink是MATLAB最重要组件之一，它提供一种动态系统建模、仿真和综合分析集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简朴直观鼠标操作，就可构造出复杂系统。Simulink具备适应面广、构造和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等长处，并基于以上长处Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号解决复杂仿真和设计。同步有大量第三方软件和硬件可应用于或被规定应用于Simulink。
Simulink是MATLAB中一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析一种软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号解决建模和仿真中。Simulink可以用持续采样时间、离散采样时间或两种混合采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中不同某些具备不同采样速率。为了创立动态系统模型，Simulink提供了一种建立模型方块图图形顾客接口(GUI) ，这个创立过程只需单击和拖动鼠标操作就能完毕，它提供了一种更快捷、直接明了方式，并且顾客可以及时看到系统仿真成果。
Simulink是用于动态系统和嵌入式系统多领域仿真和基于模型设计工具。对各种时变系统，涉及通讯、控制、信号解决、视频解决和图像解决系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量工具来进行算法研发、仿真分析和可视化、批解决脚本创立、建模环境定制以及信号参数和测试数据定义。

第二章 直接序列扩频原理
2.1 扩频通信定义及原理
扩频通信是扩展频谱通信简称。它是一种信息传播方式，在发端采用扩频码调制，使信号所占频带宽度远不不大于所传信息必须带宽，在收端采用相似扩频码进行有关解扩以恢复所传信息数据。它原理如图2-1所示：

图2-1 扩频通信原理框图
2.2 直接序列扩频定义及原理

直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）工作方式，简称直扩方式（DS方式）。就是用高速率扩频序列在发射端扩展信号频谱，而在接受端用相似扩频码序列进行解扩，把展开扩频信号还原成本来信号。

图2-2 直接序列扩频通信系统原理框图
图2-2是直接序列扩频通信系统原理框图。欲传播数字信号与码片速率很高扩频码进行调制，其输出为频谱带宽被扩展信号，这个过程称为扩频。扩展频谱信号再变换为射频信号发射出去。
在接受端，射频信号通过变频后输出中频信号，普通是N个发射信号和干扰及噪声混合信号。它与发端相似本地扩频码进行扩频解调（解扩），使宽带信号变为窄带信号。再经信息解调器恢复成原始数字信号。扩展频谱特性取决于所采用扩频码序列码型和码片速率。为了获得具备近似噪声频谱，采用伪噪声（PN）序列作为扩频系统扩频码。
扩频和解扩频谱变化过程如图2-2所示：

图2-3 扩频和解扩频谱变化
采用码片速率很高PN码序列进行扩频调制，通过扩频解扩解决可以提高抗干扰能力。扩展频谱信号在接受端做有关解扩解决，有用信号被解扩为窄带谱信号；宽带无用信号与本地伪码不有关，因而不能解扩，仍为宽带谱；窄带干扰信号则被本地伪码扩展成为宽带谱。
2.3 PN序列生成与作用
PN序列（Pseudo-noise Sequence）伪噪声序列，此类序列具备类似随机噪声某些记录特性，但和真正随机信号不同，它可以重复产生和解决，故称作伪随机噪声序列。PN序列有各种，其中最基本惯用一种是最长线形反馈移位寄存器序列，也称作m序列，普通由反馈移位寄存器产生，PN序列普通用于扩展信号频谱。伪随机序列系列具备良好随机性和接近于白噪声有关函数，并且有预先可拟定性和可重复性。这些特性使得伪随机序列得到了广泛应用。
m序列是有n级线性移位寄存器产生周期为2n-1码序列，是最大长度线性回馈移位寄存器序列简称。码分多址系统重要采用两种长度m序列：一种是周期为215-1-m序列，又称短PN码。另一种是周期为242-1m序列，又称长PN序列
m序列重要功能为：扩展调制信号带宽到更大传播带宽，即扩展频谱，提高系统抗干扰能力；区别通过多址接入方式使用同一传播频带不同顾客信号，在移动通信CDMA系统中作为顾客地址码和基站地址码；除此外还可以作为扰码，平衡通信中”0”和”1”数目。

图2-4 最长线性移位寄存序列产生
第三章 基于Simulink发射机仿真设计
3.1 直接序列扩频通信系统发射机设计
直接序列扩频通信系统发射机系统构造如图3-1所示。其中设数据序列a(t)相应其电平取值为±1，码元速率为Ra bps，码元宽度为Ta=1/Ra s。扩频所使用伪随机序c(t)也是电平取值为±1双极性波形，伪随机序列码元也称之为码片（chip），码片率设为Rc chip/s，相应码片宽度就是Tc=1/Rc s。码片速率普通是数据速率整数倍。对于双极性波形而言，扩频过程等价于数据流a(t)与伪随机序列c(t)相乘过程，扩频输出序列设为d(t）,也是取值为±1双
极性波形，其速率等于码片速率。扩频序列通过调制后得到调制输出信号s(t)送入信道。

图3-1 直接序列扩频通信系统发射机构造图
本次设计采用QPSK（四相相移键控）将信号调制发送出去，这样能能大大提高通信系统可靠性传播效率。由于QPSK调制器内部有两条通道，I通道和Q通道两条正交通道，两条通道输入信号可以是相似，也可以不同。本次设计中两通道都将用于调制同一数据，输入数据a(t)，通过QPSK调制后，输出信号有s(t)。
3.2 基于Simulink发射机仿真

建立一种传播速率为Ra=100bps，扩频码片速率为R= chip/s，Rc/Ra=20，采用m序列作为扩频序列，以QPSK为调制方式仿真模型，进行发射系统仿真，观测其扩频先后输出波形及频谱。发射机系统仿真模型如图3-2所示:

图3-2 发射机系统仿真模型
参数设立：
Random Integer Generator：数据输入源，用于产生数据流，采样时间0.01s。
PN Sequence Generator：伪码产生器，用于产生伪随机扩频序列，其采样时间为0.0005s。
Rate Transition：升速解决器，用于做升速解决，使扩频模块上数据采样速率相似。输出速率为chip/s。
Unipolar to Bipolar Converter：单双极转换器，用于完毕数据和扩频单双极变换。
Product：乘法器，用于完毕输入信号与扩频码模2加。其输出就是扩频输出，其码速率等于采样速率，即每个采样点代表一种码片。
Bipolar to Unipolar Converter：双单极转换器：完毕扩频输出由双极性到单极性转换。
QPSK——调制器：用于将扩频信号调制到中频。调制输出信号是复信号，采样率为次/s。
仿真成果：

图3-3 发射机各点波形图
时域分析：第一条波形是扩频后波形，第二条波形是原始信号波形,第三条波形是PN序列波形。从波形经分析得到：当数据流为+1时，扩频输出是相应PN序列原序列，当数据为-1时，扩频输出就是PN序列反相成果，且输出信号码元速率增长，码元宽度变窄。
图3-4 原数据信号频谱

图3-5 扩频信号频谱

图3-6 已调制频谱
频域分析：图3-4为原数据信号频谱，可见数据信号带宽约为100HZ，功率峰值约为20dB。当它和HZ扩频序列相乘后来，信号频谱会和扩频码频谱做卷积运算，输出波形如图3-5所示。从图3-5中可以看出信号通过扩频后信号频谱带宽约为HZ，是本来频谱宽度20dB倍,从功率峰值方面看，图3-4中输入信号功率峰值为20dB，通过扩频之后输出宽频信号功率谱降到约为5dB处。因此从频域方面看，信号带宽增长、功率下降。
3.3 基于Simulink接受机仿真设计
本次设计用AWGN（加性高斯白噪声）来传播调制后信号到接受机，数据源采用是发射机发送出来QPSK已调制出来信号，解扩码序列采用还是PN序列。接受机系统仿真模型如图3-7所示：

图3-7 接受机系统仿真模型
图中Subsystem是用发射机建立子系统，使得接受机仿真模型简便。详细操作过程是将发射机输入与输出选中点击右键单击Creat Subsyetem.
仿真成果：

图3-8 接受机中各点波形
时域分析：第一条波形是接受机中解扩后波形，第二条是解调后波形。解扩输出信号等于输入数据信号，接受机可以将具有噪声混合信号解扩出有效数据信号。

图3-9 解调后频谱

图3-10 解扩后频谱
对比图3-9和图3-10频谱图形可以看出，该接受机将宽带解调输出信号解扩后，输出是窄带信号，输出信号频谱为100HZ，功率峰值将近20dB，与发射机采用输入信号同样。由此，本次搭建接受机系统可以实现解扩调制。
第四章 直接序列扩频通信系统抗干扰性能分析

这章重要研究在整个扩频调制、信道传播、解扩调制过程中变化，以及人为在扩频系统中加入特定干扰后，来进行仿真测试，依照仿真成果来研究整个系统抗干扰性能。为了更好研究该系统抗干扰性能，咱们将把信噪比减少为10dB，同步外加干扰成分，这里用是正弦波信号，来研究该系统对不同干扰和噪声所反映出来抗干扰能力。基于Simulink直接序列扩频通信系统仿真模型如图4-1所示：

图4-1 直接序列扩频通信系统仿真模型
参数设立：
Sine Wave：单频信号干扰源，用于产生单频干扰信号，其采样率为0，其码速为 chip/s
Error Rate Calculation：误码检测模块：用于测量解扩输出信号误码率。
+(and)：加法模块：用于将干扰信号加入信道输出混合信号中。
AWGN Channel：模块中SNR设立为10dB。
仿真成果：

图4-2 系统输入与输出仿真波形
时域分析：对比两个波形可以看出解扩输出信号等于原始输入信号。

图4-3 系统加入干扰先后波形
时域分析：虽然干扰后波形中有某些频率较低某些，这某些是噪声和干扰，但是两条波形几乎还是同样，由此阐明有噪声和干扰状况下，该系统是可以解扩出输入原始数据信号。

图4-4 原数据波形

图4-5 调制后波形

图4-6 已解调信号加入干扰后频谱

图4-7 加入干扰后解扩频谱
频域分析：由图4-5和图4-6对比可以噪声成分对波形有一定影响。图4-4与图4-7频谱变化阐明了加入了信道噪声和人为干扰之后，该系统仍旧可以解扩出原始信号，这充分阐明直接序列扩频通信系统具备良好隐蔽性和抗干扰性。
总来说，解扩输出信号频谱宽度、时域波形、功率峰值都和输入信号同样。输出信号误码率为0。这充分阐明了直接序列扩频通信系统具备良好抗干扰性和良好隐蔽性。

第五章 结束语
本次课程设计，采用Matlab/Simulink来理解各通信模块。依照原理图完毕扩频通信仿真系统模块设计，分为发射机、接受机某些,设计误码率分析模块某些，完毕先后扩频解扩频谱波形比较及收发误码率分析,对设计完毕系统加入干扰源，完毕对系统抗干扰性能分析。
通过这几天查资料和不断学习，对Simulink和直接序列扩频通信系统有了更加深刻理解，在这个学习过程中，在仿真过程中遇到了困难，例如说在设计接受时候刚开始解扩后波形始终与原数据信号不同样，低电平超过-1V,尚有就是在直接序列通信系统仿真模型中干扰先后波形完全一致，并没有收到干扰影响，通过不断地修改参数问题得以解决。

参照文献
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[2] 钟麟，王峰.MATLAB仿真技术与应用教程[M].北京：国防工业出版社，
[3] 邵佳，董辰辉．MTALAB、Simulink通信系统建模与仿真实例精讲[M]．北京：电子工业
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[4] 唐向宏，岳恒立．MATLAB及在电子信息类课程中应用[M]．北京：电子工业出版社，

[5] 邵玉斌．MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例分析[M]．北京：清华大学出版社，

[6] 郭梯云，邬国扬，张厥盛.移动通信.西安：西安电子科技大学出版社，1993
[7] 王世林.当代数字调制技术,北京：人民邮电出版社，1987