基于Simulink的直接序列擴頻通信系統仿真設計

馬小青

摘 要： 以Matlab提供的可視化仿真工具Simulink搭建直接序列擴頻通系統仿真模型，利用Simulink對直接序列擴頻通系統的發射機模塊和接收機模塊進行仿真設計，通過傳輸過程中各個波形和頻譜變換圖，研究直擴系統誤碼率、信噪比和擴頻增益的關系。在給定的仿真條件下，運行測試仿真模型，結果表明，該系統信噪比較高，性能較好，且在誤碼率保持不變的情況下，增加直擴通信系統的擴頻增益可以增加輸出端的信噪比。

關鍵詞： 直接序列擴頻； Simulink； 信噪比； 擴頻增益

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0034?04

Design of direct sequence spread spectrum communication system based on Simulink

MA Xiao?qing

（College of Information Engineering， Xi′an Eurasia University， Xi′an 710065， China）

Abstract： The visual simulation tool Simulink provided by Matlab is used to build a simulation model of direct sequence spread spectrum communication system. The simulation design of transmitter module and receiver module of direct sequence spread spectrum communication system was carried out with Simulink. The relationship among BER， SNR and spreading gain of DSSS system was researched by means of every waveform and spectrum transformation diagram in the transmission process. The simulation model was tested under the given simulation conditions. The results show that the system has high SNR， good performance and constant bit error rate； and the signal?to?noise ratio at the output end can be improved if the spread gain of the direct sequence spread spectrum communication systems is increased.

Keywords： direct sequence spread spectrum； Simulink； signal?to?noise ratio； spread spectrum gain

擴頻通信技術在提高信號系統質量、抗干擾、保密性、增加系統容量等方面都有突出的優點，開始一直應用于軍事通信、電子對抗以及導航、測量等各個領域。20世紀末，擴頻通信開始在民用方面得以發展。直接序列擴頻系統，即DS?CDMA，是民用移動通信系統中的主流擴頻技術，也是目前第三代移動通信技術（3G）乃至第四代移動通信技術（4G）主要組成部[1?3]。可以說，直接序列擴頻通信系統直接或間接的促使移動通信技術的快速更新換代，從而使得移動通信技術在信息的傳輸方面更加的安全、高效。隨著擴頻通信技術的發展，通過傳統的硬件來進行擴頻通信技術的研究存在成本高、靈活性差、效率低等缺陷，使得擴頻通信技術難以快速發展。而仿真軟件Simulink的出現很好地解決了這個難題。Simulink是Matlab中重要的仿真建模軟件，在Simulink中，用戶只要選中器件庫中的模塊，進行相應操作就可構造出復雜的通信系統。本文利用Matlab中的Simulink搭建直接序列擴頻通信系統仿真模型，得出仿真模型中各仿真模塊的仿真波形和頻譜圖，通過改變系統的仿真參數，對擴頻通信系統的性能進行研究。

1 基于Simulink的擴頻通信系統仿真

1.1 直擴通信系統發射機的仿真設計

1.1.1 基于Simulink的發射機仿真設計

圖1為直接序列擴頻通信系統的發射機仿真模型，直擴發射機的設計分為擴頻和QPSK調制兩大模塊。擴頻模塊中包含原始信號、偽隨機碼的生成和擴頻運算三部分。在此模型中，采用努利二進制信號產生器來生成直擴通信系統發射機的輸入信號，利用m序列作為偽隨機序列碼來進行仿真模型的搭建，由于輸入信號和偽隨機序列采用的都是二進制的單極性碼，所以在擴頻前要對其進行單雙極性轉換，將其轉換為雙極性碼后進行相關運算，從而使原始信號的頻譜被展[4]，實現擴頻的目的。

圖1 直擴通信系統發射機模型圖

由于調制時需要的是單極性碼，所以在擴頻后要利用雙單極性轉換器將雙極性信號轉換為單極性信號，便于進行QPSK調制。

1.1.2 仿真結果分析

運行圖1所示的直擴通信系統發射機仿真模型進行測試，得到原始信號頻譜圖如圖2所示，擴頻后信號頻譜圖如圖3所示，發射機的時域波形圖如圖4所示。

圖2 原始信號頻譜圖

圖3 擴譜后信號頻譜

從圖2中可看出，擴頻前原始信號的帶寬為256 kHz，從圖3中可看出擴頻后的信號帶寬為1.79 MHz。通過圖2、圖3進行比較后可得出，經擴頻后的信號頻帶約是原始信號帶寬的7倍，并且均勻的分布在整個頻帶上。

圖4 發射機的時域波形圖

從圖4直接序列擴頻通信系統發射機的時域圖中可以看出，當原始信號顯示為+1時，擴頻輸出的雙極性碼顯示為+1，當原始信號顯示為0時，擴頻輸出的雙極性碼會產生跳變，顯示為-1，滿足二進制碼元的單雙極性變換規律。并且從擴頻輸出的單極性碼中可以看出，碼元速率增加，且碼元寬度變窄。

1.2 直擴通信系統接收機的仿真設計

1.2.1 基于Simulink的接收機仿真設計

圖5為直接序列擴頻通信系統的接收機仿真模型，首先將QPSK已調信號作為輸入信號經過加性高斯白噪信道后進行QPSK解調，然后經過數據緩沖器和單雙極性轉換器之后，將解調的信號轉換為雙極性碼進行解擴，再進行雙單極性轉換，將雙極性碼元轉換成單極性信號進行輸出，就可以在接收端接收到原始信息。此模型中選用信噪比為-5 dB的加性高斯白噪[5]。

圖5 直擴通信系統接收機模型圖

由于直接序列擴頻通信系統發射機在進行QPSK調制時使用了數據緩沖器buffer，產生了2/7個碼元的延遲，所以在解擴時加入了5/7個碼元的延遲，最終產生了一個碼元的延遲[6]，在統計誤碼率的時候，把這個延遲考慮了進去，在誤碼率檢測的模塊設置了一個碼元的延遲，避免了誤碼率檢測時出現的誤差。

1.2.2 仿真結果分析

運行圖5所示的直擴通信系統接收機仿真模型進行測試，得到直接序列解擴前信號頻譜圖如圖6所示，解擴后輸出信號頻譜圖如圖7所示。

圖6 直接序列解擴前信號頻譜圖

圖7 解擴后輸出信號頻譜圖

通過圖6可看出來，解擴前，有用信號和噪聲完全混疊在一起，很難區分出有用信號和噪聲頻譜的不同之處。并且信號的功率被平均分配在1.79 MHz的帶寬上，有用信號的功率在傳輸時可以變得非常小，避免對其他通信系統造成干擾。通過對圖6，圖7進行對比可看出，解擴前，有用信號和噪聲完全混疊在一起，很難區分出有用信號和噪聲頻譜的不同之處。并且信號的功率被平均分配在1.79 MHz的帶寬上，有用信號的功率在傳輸時可以變得非常小，避免對其他通信系統造成干擾。解擴后，噪聲仍然均勻分布在整個頻帶，而信號則在中心疊加，形成了譜峰，與原始信號的頻譜基本一致。這樣可以通過窄帶濾波，在接收端很容易地將有用信號提取出來，并且從圖5中可以看出，接收端的誤碼率在信道質量非常差的情況下依然很低。

1.3 直擴通信系統仿真設計

1.3.1 基于Simulink的直擴通信系統仿真設計

圖8為直接序列擴頻通信系統的仿真模型。在該模型中，信道為加性高斯白噪聲，信噪比為10 dB，此時直擴通信系統輸出信號的誤碼率在基本保持不變時來研究擴頻增益與輸出信噪比的關系。在仿真中，保持輸入信號不變，通過改變碼片速率的大小來獲得不同的擴頻增益。直擴通信系統輸入信號和輸出信號波形見圖9。

圖8 直擴通信系統模型圖

圖9 直擴通信系統輸入信號和輸出信號波形圖

1.3.2 系統仿真結果分析

從圖10～圖13可看出，當擴頻因子為7時，解擴后噪聲被均勻的分布在1.79 MHz的頻帶上，而有用信號則向中心靠攏，在中心形成了譜峰，并且譜峰在3 dBm左右；當擴頻因子為14時，解擴后噪聲被均勻的分布在3.58 MHz的頻帶上，而有用信號則向中心靠攏，在中心形成了譜峰，并且譜峰在5 dBm左右；當擴頻因子為21時，解擴后噪聲被均勻的分布在5.38 MHz的頻帶上，有用信號向中心靠攏的更加明顯，在中心形成了譜峰，并且譜峰在8 dBm左右；當擴頻因子為42時，解擴后噪聲被均勻的分布在10.75 MHz的頻帶上，有用信號向中心靠攏比圖12的更加明顯，在中心形成了譜峰，并且譜峰在10 dBm左右。

圖10 擴頻增益為7時輸出信號頻譜圖

從這4個圖中可以看出，在誤碼率保持不變的情況下，隨著擴頻增益的增加，輸出信號功率在逐漸增大，并且信號在中心疊加的程度越來越大，形成了譜峰。因為在仿真時，保持模型中其他參數不變，只改變了擴頻增益的大小，所以可以得出這樣的結論：在誤碼率保持不變的情況下，增加擴頻增益可以增加信號的輸出信噪比。

圖11 擴頻增益為14時輸出信號頻譜圖

圖12 擴頻增益為21時輸出信號頻譜圖

2 結 論

本文通過對直接序列擴頻通信系統中發射機和接收機的擴頻、調制、解調、解擴信號的頻譜波形，以及輸出信號誤碼率的分析研究表明該系統模型的性能好、誤碼率低、輸出信噪比高等特點；同時在對直接序列擴頻通信系統的仿真模型測試得出：在誤碼率保持不變的情況下，增加系統的擴頻增益可以提高系統的輸出信噪比，從而提高該系統的抗干擾性能。該仿真方法和結論對直擴通信系統性能研究有一定的參考價值。

圖13 擴頻增益為42時輸出信號頻譜圖

參考文獻

[1] 邵佳，董晨輝.Matlab/Simulink通信系統建模與仿真實例精講[M].北京：電子工業出版社，2009.

[2] 劉學勇.Matlab/Simulink通信系統建模與仿真[M].北京：電子工業出版社，2011.

[3] 楊梅.基于m序列的直接序列擴頻CDMA通信系統的仿真研究[J].長江大學學報，2012，9（5）：154?156.

[4] 倪琳娜，趙振巖，于海峰.基于Simulink的直接序列擴頻通信系統的仿真[J].航天器工程，2010，19（2）：74?80.

[5] 施小茜.齊華.基于Matlab的直接序列擴頻通信系統仿真[J].科技廣場，2009（9）：74?76.

[6] 謝水珍.基于m序列的直接序列擴頻通信系統仿真[J].通信技術，2012（12）：71?73.

圖2 原始信號頻譜圖

圖3 擴譜后信號頻譜

從圖2中可看出，擴頻前原始信號的帶寬為256 kHz，從圖3中可看出擴頻后的信號帶寬為1.79 MHz。通過圖2、圖3進行比較后可得出，經擴頻后的信號頻帶約是原始信號帶寬的7倍，并且均勻的分布在整個頻帶上。

圖4 發射機的時域波形圖

從圖4直接序列擴頻通信系統發射機的時域圖中可以看出，當原始信號顯示為+1時，擴頻輸出的雙極性碼顯示為+1，當原始信號顯示為0時，擴頻輸出的雙極性碼會產生跳變，顯示為-1，滿足二進制碼元的單雙極性變換規律。并且從擴頻輸出的單極性碼中可以看出，碼元速率增加，且碼元寬度變窄。

1.2 直擴通信系統接收機的仿真設計

1.2.1 基于Simulink的接收機仿真設計

圖5為直接序列擴頻通信系統的接收機仿真模型，首先將QPSK已調信號作為輸入信號經過加性高斯白噪信道后進行QPSK解調，然后經過數據緩沖器和單雙極性轉換器之后，將解調的信號轉換為雙極性碼進行解擴，再進行雙單極性轉換，將雙極性碼元轉換成單極性信號進行輸出，就可以在接收端接收到原始信息。此模型中選用信噪比為-5 dB的加性高斯白噪[5]。

圖5 直擴通信系統接收機模型圖

由于直接序列擴頻通信系統發射機在進行QPSK調制時使用了數據緩沖器buffer，產生了2/7個碼元的延遲，所以在解擴時加入了5/7個碼元的延遲，最終產生了一個碼元的延遲[6]，在統計誤碼率的時候，把這個延遲考慮了進去，在誤碼率檢測的模塊設置了一個碼元的延遲，避免了誤碼率檢測時出現的誤差。

1.2.2 仿真結果分析

運行圖5所示的直擴通信系統接收機仿真模型進行測試，得到直接序列解擴前信號頻譜圖如圖6所示，解擴后輸出信號頻譜圖如圖7所示。

圖6 直接序列解擴前信號頻譜圖

圖7 解擴后輸出信號頻譜圖

通過圖6可看出來，解擴前，有用信號和噪聲完全混疊在一起，很難區分出有用信號和噪聲頻譜的不同之處。并且信號的功率被平均分配在1.79 MHz的帶寬上，有用信號的功率在傳輸時可以變得非常小，避免對其他通信系統造成干擾。通過對圖6，圖7進行對比可看出，解擴前，有用信號和噪聲完全混疊在一起，很難區分出有用信號和噪聲頻譜的不同之處。并且信號的功率被平均分配在1.79 MHz的帶寬上，有用信號的功率在傳輸時可以變得非常小，避免對其他通信系統造成干擾。解擴后，噪聲仍然均勻分布在整個頻帶，而信號則在中心疊加，形成了譜峰，與原始信號的頻譜基本一致。這樣可以通過窄帶濾波，在接收端很容易地將有用信號提取出來，并且從圖5中可以看出，接收端的誤碼率在信道質量非常差的情況下依然很低。

1.3 直擴通信系統仿真設計

1.3.1 基于Simulink的直擴通信系統仿真設計

圖8為直接序列擴頻通信系統的仿真模型。在該模型中，信道為加性高斯白噪聲，信噪比為10 dB，此時直擴通信系統輸出信號的誤碼率在基本保持不變時來研究擴頻增益與輸出信噪比的關系。在仿真中，保持輸入信號不變，通過改變碼片速率的大小來獲得不同的擴頻增益。直擴通信系統輸入信號和輸出信號波形見圖9。

圖8 直擴通信系統模型圖

圖9 直擴通信系統輸入信號和輸出信號波形圖

1.3.2 系統仿真結果分析

從圖10～圖13可看出，當擴頻因子為7時，解擴后噪聲被均勻的分布在1.79 MHz的頻帶上，而有用信號則向中心靠攏，在中心形成了譜峰，并且譜峰在3 dBm左右；當擴頻因子為14時，解擴后噪聲被均勻的分布在3.58 MHz的頻帶上，而有用信號則向中心靠攏，在中心形成了譜峰，并且譜峰在5 dBm左右；當擴頻因子為21時，解擴后噪聲被均勻的分布在5.38 MHz的頻帶上，有用信號向中心靠攏的更加明顯，在中心形成了譜峰，并且譜峰在8 dBm左右；當擴頻因子為42時，解擴后噪聲被均勻的分布在10.75 MHz的頻帶上，有用信號向中心靠攏比圖12的更加明顯，在中心形成了譜峰，并且譜峰在10 dBm左右。

圖10 擴頻增益為7時輸出信號頻譜圖

從這4個圖中可以看出，在誤碼率保持不變的情況下，隨著擴頻增益的增加，輸出信號功率在逐漸增大，并且信號在中心疊加的程度越來越大，形成了譜峰。因為在仿真時，保持模型中其他參數不變，只改變了擴頻增益的大小，所以可以得出這樣的結論：在誤碼率保持不變的情況下，增加擴頻增益可以增加信號的輸出信噪比。

圖11 擴頻增益為14時輸出信號頻譜圖

圖12 擴頻增益為21時輸出信號頻譜圖

2 結 論

本文通過對直接序列擴頻通信系統中發射機和接收機的擴頻、調制、解調、解擴信號的頻譜波形，以及輸出信號誤碼率的分析研究表明該系統模型的性能好、誤碼率低、輸出信噪比高等特點；同時在對直接序列擴頻通信系統的仿真模型測試得出：在誤碼率保持不變的情況下，增加系統的擴頻增益可以提高系統的輸出信噪比，從而提高該系統的抗干擾性能。該仿真方法和結論對直擴通信系統性能研究有一定的參考價值。

圖13 擴頻增益為42時輸出信號頻譜圖

參考文獻

[1] 邵佳，董晨輝.Matlab/Simulink通信系統建模與仿真實例精講[M].北京：電子工業出版社，2009.

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[3] 楊梅.基于m序列的直接序列擴頻CDMA通信系統的仿真研究[J].長江大學學報，2012，9（5）：154?156.

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[5] 施小茜.齊華.基于Matlab的直接序列擴頻通信系統仿真[J].科技廣場，2009（9）：74?76.

[6] 謝水珍.基于m序列的直接序列擴頻通信系統仿真[J].通信技術，2012（12）：71?73.

圖2 原始信號頻譜圖

圖3 擴譜后信號頻譜

從圖2中可看出，擴頻前原始信號的帶寬為256 kHz，從圖3中可看出擴頻后的信號帶寬為1.79 MHz。通過圖2、圖3進行比較后可得出，經擴頻后的信號頻帶約是原始信號帶寬的7倍，并且均勻的分布在整個頻帶上。

圖4 發射機的時域波形圖

從圖4直接序列擴頻通信系統發射機的時域圖中可以看出，當原始信號顯示為+1時，擴頻輸出的雙極性碼顯示為+1，當原始信號顯示為0時，擴頻輸出的雙極性碼會產生跳變，顯示為-1，滿足二進制碼元的單雙極性變換規律。并且從擴頻輸出的單極性碼中可以看出，碼元速率增加，且碼元寬度變窄。

1.2 直擴通信系統接收機的仿真設計

1.2.1 基于Simulink的接收機仿真設計

圖5為直接序列擴頻通信系統的接收機仿真模型，首先將QPSK已調信號作為輸入信號經過加性高斯白噪信道后進行QPSK解調，然后經過數據緩沖器和單雙極性轉換器之后，將解調的信號轉換為雙極性碼進行解擴，再進行雙單極性轉換，將雙極性碼元轉換成單極性信號進行輸出，就可以在接收端接收到原始信息。此模型中選用信噪比為-5 dB的加性高斯白噪[5]。

圖5 直擴通信系統接收機模型圖

由于直接序列擴頻通信系統發射機在進行QPSK調制時使用了數據緩沖器buffer，產生了2/7個碼元的延遲，所以在解擴時加入了5/7個碼元的延遲，最終產生了一個碼元的延遲[6]，在統計誤碼率的時候，把這個延遲考慮了進去，在誤碼率檢測的模塊設置了一個碼元的延遲，避免了誤碼率檢測時出現的誤差。

1.2.2 仿真結果分析

運行圖5所示的直擴通信系統接收機仿真模型進行測試，得到直接序列解擴前信號頻譜圖如圖6所示，解擴后輸出信號頻譜圖如圖7所示。

圖6 直接序列解擴前信號頻譜圖

圖7 解擴后輸出信號頻譜圖

通過圖6可看出來，解擴前，有用信號和噪聲完全混疊在一起，很難區分出有用信號和噪聲頻譜的不同之處。并且信號的功率被平均分配在1.79 MHz的帶寬上，有用信號的功率在傳輸時可以變得非常小，避免對其他通信系統造成干擾。通過對圖6，圖7進行對比可看出，解擴前，有用信號和噪聲完全混疊在一起，很難區分出有用信號和噪聲頻譜的不同之處。并且信號的功率被平均分配在1.79 MHz的帶寬上，有用信號的功率在傳輸時可以變得非常小，避免對其他通信系統造成干擾。解擴后，噪聲仍然均勻分布在整個頻帶，而信號則在中心疊加，形成了譜峰，與原始信號的頻譜基本一致。這樣可以通過窄帶濾波，在接收端很容易地將有用信號提取出來，并且從圖5中可以看出，接收端的誤碼率在信道質量非常差的情況下依然很低。

1.3 直擴通信系統仿真設計

1.3.1 基于Simulink的直擴通信系統仿真設計

圖8為直接序列擴頻通信系統的仿真模型。在該模型中，信道為加性高斯白噪聲，信噪比為10 dB，此時直擴通信系統輸出信號的誤碼率在基本保持不變時來研究擴頻增益與輸出信噪比的關系。在仿真中，保持輸入信號不變，通過改變碼片速率的大小來獲得不同的擴頻增益。直擴通信系統輸入信號和輸出信號波形見圖9。

圖8 直擴通信系統模型圖

圖9 直擴通信系統輸入信號和輸出信號波形圖

1.3.2 系統仿真結果分析

從圖10～圖13可看出，當擴頻因子為7時，解擴后噪聲被均勻的分布在1.79 MHz的頻帶上，而有用信號則向中心靠攏，在中心形成了譜峰，并且譜峰在3 dBm左右；當擴頻因子為14時，解擴后噪聲被均勻的分布在3.58 MHz的頻帶上，而有用信號則向中心靠攏，在中心形成了譜峰，并且譜峰在5 dBm左右；當擴頻因子為21時，解擴后噪聲被均勻的分布在5.38 MHz的頻帶上，有用信號向中心靠攏的更加明顯，在中心形成了譜峰，并且譜峰在8 dBm左右；當擴頻因子為42時，解擴后噪聲被均勻的分布在10.75 MHz的頻帶上，有用信號向中心靠攏比圖12的更加明顯，在中心形成了譜峰，并且譜峰在10 dBm左右。

圖10 擴頻增益為7時輸出信號頻譜圖

從這4個圖中可以看出，在誤碼率保持不變的情況下，隨著擴頻增益的增加，輸出信號功率在逐漸增大，并且信號在中心疊加的程度越來越大，形成了譜峰。因為在仿真時，保持模型中其他參數不變，只改變了擴頻增益的大小，所以可以得出這樣的結論：在誤碼率保持不變的情況下，增加擴頻增益可以增加信號的輸出信噪比。

圖11 擴頻增益為14時輸出信號頻譜圖

圖12 擴頻增益為21時輸出信號頻譜圖

2 結 論

本文通過對直接序列擴頻通信系統中發射機和接收機的擴頻、調制、解調、解擴信號的頻譜波形，以及輸出信號誤碼率的分析研究表明該系統模型的性能好、誤碼率低、輸出信噪比高等特點；同時在對直接序列擴頻通信系統的仿真模型測試得出：在誤碼率保持不變的情況下，增加系統的擴頻增益可以提高系統的輸出信噪比，從而提高該系統的抗干擾性能。該仿真方法和結論對直擴通信系統性能研究有一定的參考價值。

圖13 擴頻增益為42時輸出信號頻譜圖

參考文獻

[1] 邵佳，董晨輝.Matlab/Simulink通信系統建模與仿真實例精講[M].北京：電子工業出版社，2009.

[2] 劉學勇.Matlab/Simulink通信系統建模與仿真[M].北京：電子工業出版社，2011.

[3] 楊梅.基于m序列的直接序列擴頻CDMA通信系統的仿真研究[J].長江大學學報，2012，9（5）：154?156.

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[5] 施小茜.齊華.基于Matlab的直接序列擴頻通信系統仿真[J].科技廣場，2009（9）：74?76.

[6] 謝水珍.基于m序列的直接序列擴頻通信系統仿真[J].通信技術，2012（12）：71?73.