直接序列擴頻通信系統仿真與分析

劉馥嘉 孫杜娟 柏羽

【摘要】直接序列擴頻通信系統抗干擾性強、隱蔽性好、易于提高信號接收質量、易于實現碼分多址、抗多徑干擾、增加信道容量等眾多優點，在軍事戰術通信等領域得到廣泛應用。本文擴頻通信理論為基礎，分析了偽隨機序列，并用 Matlab對直接序列擴頻通信系統進行了仿真分析。

【關鍵詞】直接序列擴頻通信 偽隨機序列

【中圖分類號】TN914.42 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）06-0043-02

一、基本原理分析

擴展頻譜通信技術是一種信息傳輸方式，又稱為擴頻通信（Spread Spectrum communication）[1]。其中，直接序列擴頻（DSSS—Direct Sequence Spread Spectrum）技術是人們所熟知的擴頻技術之一。擴展頻譜通信系統是指待傳信息的頻譜用某個待定的擴頻函數擴展后成為寬頻帶信號，送入信道中傳輸，再利用相應手段將其壓縮，從而獲取傳輸信息的通信系統[1]。目前應用較為廣泛的一種擴展頻譜系統是直接序列擴展頻譜系統。

擴頻通信的基本原理：所謂擴頻通信，可簡單表述如下：“擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，在發端采用擴頻碼調制，使信號所占用的頻帶寬度遠遠大于所傳信息必須的帶寬；在收端采用相同的擴頻碼進行相關解擴以恢復所傳信息數據”。對干擾信號而言，與偽隨機碼不相關，在接收端被擴展，使落入信號通頻帶內的干擾信號功率大大降低，從而提高了相關的輸出信噪比，達到了抗干擾的目的。直擴系統一般采用頻率調制或相位調制的方式來進行數據調制，在碼分多址通信中，其調制多采用BPSK、DPSK、QPSK、MPSK等方式[2～3]。

擴頻通信的可行性，是從信息論和抗干擾理論的基本公式中引申而來的。信息論中關于信息容量的香農公式為：

式中：C為信道容量（bit/s）W為信道帶寬（Hz），S為信道功率（W）。上式說明，在給定的傳輸傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比S/N是可以互換的。即可通過增加頻帶寬度可以降低信噪比的要求，是有用信號的功率接近甚至消失在噪聲功率之下。香農公式表明了一個信道無誤差地傳輸信息的能力即信道容量與存在于信道中的信噪比以及用于傳輸信息的信道帶寬之間的關系。擴頻通信系統的帶寬比常規通信體制大幾百倍乃至幾萬倍，所以在相同信噪比的條件下，具有較強的抗干擾能力[4～5]。例如直接序列擴頻、跳頻擴頻、跳時擴頻等。這次實驗將對直接序列擴頻進行分析和仿真。

在發送端輸入信息m（t）（二進制數據），碼元寬度為Tb，加入擴頻解調器（模二加法器），擴頻碼是一個PN碼（偽隨機碼），記作p（t）。偽碼的波形如圖 1-2 中的第（2）個波形，其碼元寬度為Tp，且取Tb=16Tp。 c（t）=m（t）p（t）運算 ，c（t）的波形如圖1-2所示中的第（3）個波形。由圖可見，當信碼m（t）為0時，c（t）與p（t）相同；而當信碼m（t）為1時，則c（t）為p（t）取反既是。顯然，包含信碼的c（t）其碼元寬度已變成了Tp，即已進行了頻譜擴展[6]。

經過分析可知，通過擴頻調制信號c（t）可看作只取1的二進制波形，然后對載頻進行調制。s1（t）通過發射機中推動級、功放和輸出電路加至天線發射出去。發射信號經過信道傳輸，經過接收機的輸入電路、高頻放大器等，輸出信號仍為s1（t）。相關器完成相干解調和解擴。接收端的PN碼與發端的PN碼相同。接收端本地調相情況與發端相似，這里的調制信號是p（t），即調相器輸出信號s2（t）的相位僅取決于p（t）。相關器在這里可等效為對輸入相關器的s1（t）、s2（t）進行模2相加，經檢波后輸出原始信息。

二、直接序列擴頻系統matlab 仿真

直接序列擴頻通信系統MATLAB仿真過程直接序列擴頻通信系統主要組成分為七個部分，分別為信源部分、擴頻部分、調制部分、信道傳輸部分、解調部分、解擴部分和信宿部分。 用PN碼擴頻后的波形，PN碼的產生是由一個PN碼發生器來完成的。

擴頻之后進行調制，在本次試驗中，我們采用BPSK調制。數據調制后輸送出其調制之后的波形。調制后的傳輸信道選用的高斯白噪聲信道，在本次仿真中信噪比設定為20。調制之后送入信道等待傳輸至接收端。經過BPSK調制后的波形在信道的接收端進行的過程和輸入端是相反的。

首先解調，這里選用的也是BPSK的解調。解調之后進行解擴，解擴時使用的PN碼和擴頻時使用PN碼需保持一致，以此保證解擴出的信息的正確性。

三、總結仿真實驗歸納如下：

1.系統誤碼率與信道里的信噪比大小有關。

2.正弦干擾信號的振幅越大，誤碼率越大。從系統仿真的結果看來，直序擴頻技術擁有良好的抗干擾能力。

四、直接序列擴頻通信系統的優點

1.抗同頻干擾性能好。接收機采用相關運算只接收PN碼相同的擴頻信號，對所有載波頻率相同的信號或干擾具有很強的抑制能力。

2.良好的抗衰落性能。一般信道中的衰落是有頻率選擇性的，不會對寬頻帶的擴頻信號接收產生太大的影響。

3.抗多徑干擾能力強。由于擴頻系統中采用的PN碼具有很好的自相關性，互相關性很弱，不同的路徑傳輸來的信號能容易地被分離開，并在時間和相位上重新對齊，形成幾路信號功率的疊加，從而改善了接收系統的性能，增加了系統的可靠性。

隨著社會通信事業的迅猛發展，擴展頻譜技術的應用大有潛力可以挖掘，尤其在軍用中的地位也將越來越顯著。

參考文獻：

[1]基于Simulink的直接序列擴頻通信系統仿真設計，馬小青，現代電子技術2014年11月15日.

[2]樊昌信，張甫翊，徐炳祥.通信原理 [M].北京：國防工業出版社，2014.

[3]張力，羅忠相.基于軟件無線電的 QPSK 解調器仿真及實現 [J].中國有線電視，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]張天騏，基于最小二乘的同步多用戶非周期長碼直擴信號擴頻序列估計[J]，電波 科學學報，2016，31（6）1113-1123.

[6]楊洪軍，張修軍，喻曉紅.海上擴頻通信系統中的時變干擾抑制算法研究[J].艦舶科學技術，2016：2.