怎样使用matlab进行跳频通信干扰方面的仿真？（在线等，请高手进啊！！！）

Posted 2023-03-03

如何利用matlab进行通信方面的仿真？需要的这些参数从哪里得到？还有这个系统仿真模型如何建立？最后就是给出干扰前跳频通信系统的波形，干扰之后其系统的波形又是怎样的？（主要探讨宽带阻塞干扰和转发式干扰）请精通matlab的高手进啊。

基于MATLAB 的扩频通信系统仿真研究
范伟 翟传润 战兴群
（上海交通大学电子信息与电气工程学院，200030，上海）
摘要 本文阐述了扩展频谱通信技术的理论基础和实现方法，利用MATLAB 提供的可视化
工具Simulink 建立了扩频通信系统仿真模型，详细讲述了各模块的设计，并指出了仿真建模
中要注意的问题。在给定仿真条件下，运行了仿真程序，得到了预期的仿真结果。同时，利
用建立的仿真系统，研究了扩频增益与输出端信噪比的关系，结果表明，在相同误码率下，
增大扩频增益，可以提高系统输出端的信噪比，从而提高通信系统的抗干扰能力。
关键词 扩频通信, 信噪比， 误码率， 扩频增益
中图分类号：TN914.42 文献标识码：A
Simulation of the Spread Spectrum Communication System
Based on MATLAB
FAN Wei, ZHAI Chuan-run, ZHAN Xing-qun
(School of Electronic, Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, 200030, Shanghai)
Abstract: The theory base and realizing methods of the spread spectrum communication
technology was presented in this study. The simulation model of the spread spectrum
communication system was built by using SIMULINK, which is provided by MATLAB. In
addition, each module of the simulation model was introduced in detail，and pointed out the
problems that must be pay attention to in the system simulation. On the basis of the designed
simulation conditions, the simulation program was run and the anticipant results were gained.
Moreover, the relationship between the spread spectrum gain and the fan-out error rate was also
studied by use of the simulation system. The results showed that on the base of the same error rate,
if the spread spectrum gain was enlarged, the Signal-to-Noise of the system fan-out would be
enhanced and the anti-jamming capability of the communication system would also be enhanced.
Keywords: spread spectrum communication, Signal-to-Noise, error rate, spread spectrum gain
1 引言
扩展频谱通信（简称扩频通信）与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三
大高技术通信传输方式，它是指发送的信息被展宽到一个很宽的频带上，在接收端通过相关
接收，将信号恢复到信息带宽的一种系统。采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱
的方法可以换取信噪比上的好处，即接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比有很大改善，
从而提高了系统的抗干扰能力。本文根据扩频通信的原理，利用MATALB提供的可视化仿真工
具Simulink建立了扩频通信系统仿真模型，研究了扩频通信的特性和扩频增益与输出端信噪
比的关系，目的是为以扩频通信为基础的现代通信的研究和设计提供依据。
2 扩展频谱通信技术
2.1 理论基础
扩频通信的基本理论是根据信息论中的Shannon 公式，即
log (1 / ) 2 C = B + S N (1)
式中：C为系统的信道容量（bit/s）；B为系统信道带宽（Hz）；S为信号的平均功率；N为噪
声功率。
Shannon公式表明了一个系统信道无误差地传输信息的能力跟存在于信道中的信噪比
（S/N）以及用于传输信息的系统信道带宽（B）之间的关系。该公式说明了两个最重要的概
念：一个是在一定的信道容量的条件下，可以用减少发送信号功率、增加信道带宽的办法达
到提高信道容量的要求；一个是可以采用减少带宽而增加信号功率的办法来达到。
扩频增益是扩频通信的重要参数，它反应了扩频通信系统抗干扰能力的强弱，其定义为
接收机相关器输出信噪比和接收机相关器输入信噪比之比，即
d
s
d
s
i i B
B
R
R
S N
S N
G = = =
/
/ 0 0 (2)
式中，Si和S0分别为接收机相关器输入、输出端信号功率；Ni和N0分别为相关器的输入、输出
端干扰功率；Rs为伪随机码的信息速率，Rd为基带信号的信息速率；Bs为频谱扩展后的信号带
宽，Bd频谱扩展前的信号带宽。
2.2 实现方法
扩频通信与一般的通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接收端增加了
扩频解调的过程，扩频通信按其工作方式不同主要分为直接序列扩频系统、跳频扩频系统、
跳时扩频系统、线性调频系统和混合调频系统。现以直接序列扩频系统为例说明扩频通信的
实现方法。图1为直接序列扩频系统的原理框图。
图1 直接序列扩频系统原理图
由直扩序列扩频系统原理图可以看出，在发射端，信源输出的信号与伪随机码产生器产
生的伪随机码进行模2加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列
去调制载波，这样得到已扩频调制的射频信号。在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频
后，用与发射端同步的伪随机序列对扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息
序列的频带，然后进行解调，恢复出所传输的信息。
3 系统仿真模型的建立
3.1 Simulik 简介
MATLAB 最初是Mathworks 公司推出的一种数学应用软件，经过多年的发展，开发了包括
通信系统在内的多个工具箱，从而成为目前科学研究和工程应用最流行的软件包之一。
Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个集成
环境，广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。它包
括一个复杂的由接受器、信号源、线性和非线性组件以及连接件组成的模块库，用户也可以
根据需要定制或者创建自己的模块。Simulink 的主要特点在于使用户可以通过简单的鼠标操
作和拷贝等命令建立起直观的系统框图模型，用户可以很随意地改变模型中的参数，并可以
马上看到改变参数后的结果，从而达到方便、快捷地建模和仿真的目的。
3.2 模型建立及主要模块设计
基于MATLAB /Simulink 所建立的扩频通信系统的仿真模型,能够反映扩频通信系统的
动态工作过程,可进行波形观察、频谱分析和性能分析等，同时能根据研究和设计的需要扩
展仿真模型，实现以扩频通信为基础的现代通信的模拟仿真，为系统的研究和设计提供强有
力的平台。图2 为基于MATLAB/Simulink 的扩频通信系统仿真模型。
图2 系统仿真模型
信源：随机整数发生器（Random Integer generator）作为仿真系统的信源，随机整数发
生器产生二进制随机信号，采样时间、初始状态可自由设置，从而满足扩频通信系统所需信
接 收
高放混频解扩 解调
本振PN 码 同步
信 源 扩频调制
PN 码 振荡器
发 射
源的要求。
扩频与解扩：PN 序列生成器模块（PN Sequence Generator）作为伪随机码产生器，扩
频过程通过信息码与PN 码进行双极性变换后相乘加以实现。解扩过程与扩频过程相同，即
将接收的信号用PN 码进行第二次扩频处理。
调制与解调：使用二相相移键控PSK 方式进行调制、解调。调制由正弦载波与双极性扩
频码直接相乘实现，采用相干解调法进行解调。
信道：传输信道为加性高斯白噪声信道。在加性高斯白噪声信道模块中，可进行信号功
率和信噪比的设置。
误码计算：误码计算由误码仪实现，误码仪在通信系统中的主要任务是评估传输系统的
误码率，它具有两个输入端口：第一个端口（Tx）接收发送方的输入信号，第二个端口(Rx)
接收接收方的输入信号。
3.3 几点说明
在Simulink中，没有单独实现统计的计数器模块，需要自行创建，计数模型的设计如图
3。在计数模型中，用与信源和伪随机码同频的脉冲模块分别实现码元同步和切普同步，利
用加法器的累加功能，实现每个码元的相关峰值统计。
图3 计数模型实现框图
在扩频通信建模中，扩频与解扩使用的PN 码以及调制和解调所使用的载波必须保持同
步，因此要注意伪随机码模块和载波模块的参数设置。
在误码率计算中，接收到的信号，由于经过扩频解扩、调制解调、相关统计等处理，会
存在一个延迟，在误码仪模块的对话框中要设置一个合适的延迟。
4 仿真结果分析
4.1 仿真系统运行情况分析
在给出下列仿真的条件下，观察仿真运行情况。信息速率20b/s，幅度为1；伪随机序
列采用10 级，传输速率为200b/s 的m 序列；载波频率10KHz；信号功率为1W，信噪比30dB；
仿真时间设为2s。在这样的仿真条件下，理论上可获得10 倍的扩频增益。图4 是系统扩频
解扩的仿真结果。上图为信源，中图为扩频码，下图为信宿。从图4 可见，信源和信宿相同，
误码率为0，基于MATLAB/Simulink 所设计的仿真系统满足扩频通信系统的软件仿真要求。
图4 系统扩频解扩的仿真结果
4.2 扩频增益与输出端信噪比的关系
设置信息速率和伪随机序列传输速率，在扩频增益10 和50 的情况下，不断改变信噪比
的大小，从而得到扩频增益、误码率和信噪比的关系如图5。从图5 可以看到，在相同误码
率下，扩频增益越大，输出端信噪比越大，并且随着系统要求的提高，增大扩频增益，输出
端信噪比会得到更大的好处。
图5 不同扩频增益下误码率仿真曲线
5 结论
扩频通信以其较强的抗干扰、抗衰落、抗多径性能而成为第三代通信的核心技术，本文
阐述了扩频通信的理论基础和实现方法，利用MATLAB 提供的可视化工具箱Simulink 建立了
扩频通信系统仿真模型，详细讲述了各模块的设计，并给出了仿真建模中需注意的问题。在
给定仿真条件下，运行了仿真系统，验证了所建仿真模型的正确性。通过仿真研究了扩频增
益和输出端信噪比的关系，结果表明，在相同误码率下，增大扩频增益，可以提高系统输出
端的信噪比，从而提高系统的抗干扰能力。本文作者创新点：通过MATLAB/Simulink 建立的
仿真平台，研究了扩频增益与误码率、信噪比之间的关系，为以扩频通信为基础的卫星信号
设计提供依据。
参考文献：
1 曾兴雯，刘乃安，孙献璞。扩展频谱通信及其多址技术〔M〕。西安：西安电子科技大学
出版社，2004。
2 徐明远，邵玉斌。MATLAB 仿真在通信与电子工程中的应用[M]。西安：西安电子科技大
学出版社，2005。
3 李建新，刘乃安，刘继平。现代通信系统分析与仿真－MATALAB 通信工具箱〔M〕。西安：
西安电子科技大学出版社，2001。
4 徐明伟，李茜，汤伟。基于MATLAB 串口通信的数据采集系统的设计。微计算机信息，
2005，21(8-1)，89-90。
5 郭海燕，毕红军。MATLAB 在伪随机码的生成及仿真中的应用。计算机仿真，21(3)，2004.3。
基金项目：上海市科技攻关项目，项目编号：45115031。
作者简介：范伟（1973－），男，汉族，硕士研究生，主要研究方向为卫星导航、CDMA 扩频
通信。 E-mail: [e-mail]
通信地址及邮编：上海市长宁区安顺路220 弄18 号402 室，200051。
翟传润(1972－)，男，汉族，博士，副教授，主要研究方向为卫星导航和测控技术。
战兴群(1970－)，男，汉族，博士，教授，主要研究方向为卫星导航和新型控制理论与应用。
Authors brief introductions:
Fai Wei, was born in 1973, male, the Han nationality, master student. His research subjects include
the satellite navigation and CDMA spread spectrum communication.
Zhai Chuan-run, was born in 1972, male, the Han nationality, Ph.D, associate professor. His
research subjects include satellite navigation and test control technique.
Zhan Xing-qun, was born in 1970, male, the Han nationality, Ph.D, professor. His research interests
include satellite navigation, new control theory and application. 参考技术A 基于无碰撞区码的跳频系统准同步组网方案

XXX

摘要：根据无碰撞区（No-Hit-Zone简称NHZ）跳频码的特点，提出了一种基于NHZ跳频码的跳频通信系统多址接入准同步组网方案。仿真结果表明，该方案保证了跳频系统工作在NHZ跳频码的无碰撞区范围内，有效地降低了系统的多址干扰，改善了系统的整体误码率性能，适合于多用户跳频通信系统。
关键词：跳频通信 跳频序列 跳频同步 ALOHA

Quasi-synchronous Scheme for Frequency Hopping System Based on No-Hit-Zone Hopping Code
XXX
Abstract: According to the characteristics of No-Hit-Zone (NHZ) hopping code, a Multi-Access quasi -synchronous scheme based on NHZ hopping code for frequency hopping communication system was proposed. Simulation results prove that the scheme can assure the frequency hopping system to work within no hit zone of NHZ hopping code. Moreover, it decreases the Multi-Access interference and improves the integral bit error rate performance of the system, and is suitable for multi-user frequency hopping system.
Key Words: frequency hopping system; frequency hopping sequence; frequency synchronization; ALOHA

1. 引言
由于跳频通信在抗干扰、保密性以及多址通信等方面具有窄带通信无法比拟的优越性，所以在各类无线通信系统中得到广泛应用。在跳频通信系统中，组网是关系到跳频通信能否正常建立的关键。跳频组网方法主要有同步组网和异步组网。采用同步组网方法的跳频通信系统所用的跳频序列集在零位移处的汉明相关为零，各用户在统一的时钟下实施同步跳频，因而通信中不同用户的载波频率不会发生碰撞。异步组网则系统中各用户按各自的跳频序列工作，由于各用户之间没有统一的时间标准，因而异步组网时，用户间会发生频率碰撞。显然，这种频率碰撞的机会是随着用户数量的增加而增多。
根据跳频序列的理论界，不存在完全没有碰撞的理想异步组网跳频序列集。本文中采用跳频文献[1,2]所提出的无碰撞区（No-Hit Zone简称NHZ）跳频码，其在零位移附近一段时间内是无碰撞的。为了利用NHZ跳频码的优点，跳频系统需保证工作在跳频码的无碰撞区内，即系统组网时待通信的发信机之间既不是严格的接入同步，也不是完全异步，而是接入准同步。根据ALOHA/CSMA协议思想[3]和NHZ跳频码特点，提出了一种基于无碰撞区码跳频通信系统的多址接入准同步方案，并应用于跳频通信系统中，用MATLAB对其进行仿真，比较分析了系统的仿真结果。

2． 无碰撞区及其新型NHZ跳频码
为了降低甚至消除系统的多址干扰，可以采用在一定相关区域内具有理想相关特性的序列，即新型无碰撞区跳频序列[1][2]作为用户的地址码。无碰撞区的定义为：假定有集合 ，

其中， ， 为序列的数目， 为序列周期。若分别用 和 描述自相关函数和互相关函数的无碰撞区的宽度， 表示跳频序列的无碰撞区的宽度， 则

相应的无碰撞区跳频序列N(L,M,ZN)具有如下相关特性，

其中，如果x=y，则h(x,y)=1，反之h(x,y)=0。
例如，若长度L=32，序列数目M=4，无碰撞区ZN=2，则相应的NHZ跳频序列集[1]为，
N(1)=28 30 29 31 24 30 17 31 1 28 2 31 1 24 6 23 11 9 21 23 15 9 25 23 22 11 10 23 22 15 14 31
N(2)=7 5 14 12 28 26 29 19 26 7 17 12 5 28 10 27 16 18 6 4 11 13 21 27 13 16 25 4 18 11 2 19
N(3)=11 9 21 23 15 9 25 23 22 11 10 23 22 15 14 31 28 30 29 31 24 30 17 31 1 28 2 31 1 24 6 23
N(4)=16 18 6 4 11 13 21 27 13 16 25 4 18 11 2 19 7 5 14 12 28 26 29 19 26 7 17 12 5 28 10 27
其汉明自相关和互相关函数分别为
Huu(τ)=xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 00 32 00 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx,
Huv(τ)=xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 00 0 00 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx.

3. ALOHA通信与CSMA协议
ALOHA网首次在无线信道中引入了数据包(又称分组)广播这一结构，这种结构与传统的点对点信道及分组交换网有很大不同，故称之为ALOHA信道[3]。通过这一公共的广播信道，网中的每个用户随时都可以给另一用户发送信息，完全不需要同步。ALOHA信道的主要优点是：
(1) 允许大量间断性工作的发射机共享同一信道；
(2) 利用ALOHA信道进行数据通信时，中心台或服务器只需要一个高速接口，而不必为网中的每个用户提供一个单独的接口。
ALOHA多址通信是指采用ALOHA信道结构的通信。目前，已设计了多种用于卫星通信和地面通信的ALOHA多址协议，其中最基本的有三种：ALOHA，分隙ALOHA和预约ALOHA。除了上述三种协议外，还提出了各种各样的ALOHA随机多址协议，其中比较著名的是载波监听多址(CSMA)和分组预约多址(PRMA)。
CSMA多址协议的原理：采用“先听后发”的原则来减少“碰撞”，即网络中用户将其接收机调到公用的载波频率上，以便监听是否有其它用户在使用信道，若发现信道闲，则发送信息，否则一直等待，直至无其它用户使用信道为止。

4. 跳频通信系统多址接入准同步原理及实现
在网络中进行通信的用户，以最先接入网络进行通信的发信机作为同步源，周期性地发送准同步头。延迟入网的发信机在接入网络时，先监听信道，当收到准同步头时接入网络，其与同步源从同一时刻开始跳频，使得发送信息采用的跳变频率起跳点控制在跳频码的无碰撞区内，从而保证跳频通信网中工作的各发信机控制在跳频码的无碰撞区内。多址接入准同步的实现流程图如图1所示。
多址接入准同步方案利用了NHZ跳频码的优点并借鉴了ALOHA通信CSMA协议。多址接入准同步方案与CSMA协议均采用“先听后发”的原则来减少“碰撞”。在CSMA协议中，信道始终只有一个
用户在占用。而在多址接入准同步方案中，信道可以多个用户同时使用。
准同步头用来控制发射机之间的接入准同步，有三种格式：
A. 接入准同步头（设为A）：当其它发信机收到这个准同步头时，可继续通信或接入通信；
B. 拒接准同步头（设为B）：当前发送准同步头的发信机要结束通信时所传送的信息。为保证切换过程准同步源的唯一性和可靠性，退出前准同步头要再循环发送一段时间（即结束前有一段延时），在延时阶段所发送的准同步头要区别于之前的准同步头。其它发信机收到拒接同步头B时，暂时中止传送数据，并触发定时器开始竞争作同步源；
C. 切换同步头（设为B’）：在切换时竞争作同步源成功，在第一个周期发送B’，以后发送A；当其它发信机收到这个同步头时，可继续通信或接入通信。
在监听过程中，采用搜索自等待式同步方法[5]。搜索自等待式同步方法的工作原理即接收端在同步捕获之前保持在跳频序列对应的某一频率上，等待发信机的信号，一旦检波器得到相关输出，则认为是捕获到了同步而与发信机同步进行跳频。搜索自等待式同步方法的流程图如图2所示。

5. 多址接入准同步方案性能分析
（1）多址接入准同步头捕获时间：
在多址接入准同步方案中，发信机之间先进行的是准同步头的捕获，然后才是收发机的收发同步过程。在对准同步头进行捕获时采用的是搜索自等待式同步方法，因此其性能与搜索自等待式同步方法的性能基本相同[4]。
为了便于比较，本文分别给出匹配滤波法，滑动相关法及准同步的同步捕获时间。定义切普时间为 （S），跳频序列长为 ，则，
匹配滤波器法的捕获时间为：
滑动相关法的捕获时间为：
准同步的捕获时间为： （ >>1）
经比较可知，匹配滤波器的捕获时间最短，但实现电路很复杂；滑动相关法的捕获时间最长。准同步法捕获时间较短，电路简单。
（2）性能仿真与结果分析比较：
表1 系统仿真参数
采样速率 跳频工作带宽 信道间隔 跳频速率 信道
400KHz 10K-50KHz 250Hz 480h/s AWGN
基带信号速率 调制方式 RS跳频码[6] NHZ跳频码
160Hz BFSK （27-1,5） （128,8,4）

为比较和分析本文多址接入准同步方案的性能，用MATLAB对基于上述多址接入准同步方案及NHZ码的跳频通信系统进行了仿真，仿真参数如表1所示。系统在不同用户数和不同信噪比条件下的误码率曲线如图3所示，由该图可见：
①本文提出的多址接入准同步方案是可行的；
②当跳频系统是单用户时，采用NHZ跳频码的新型多址接入准同步方案的跳频通信系统与采用RS码的跳频通信系统性能基本相同；
③当跳频系统是多用户时，采用NHZ跳频码的新型多址接入准同步方案的跳频通信系统优于采用RS码的系统。
仿真结果表明NHZ跳频码及本文所提出的接入准同步方案在单用户跳频通信系统中优势不明显，但在多用户跳频通信系统中误码率性能会有明显改善和提高。本文提出的多址接入准同步组网方案，由于保证了通信系统发信机间的时延在跳频码的无碰撞区内，因而系统的多址干扰明显下降，使系统的整体误码率性能得到改善。因此，无碰撞区跳频码及本文所提出的接入准同步组网方案能有效降低系统的多址干扰，适合于多用户跳频通信系统。

6. 结论
根据无碰撞区跳频码的特点，基于ALOHA/CSMA协议思想，提出并实现了一种接入准同步组网方案及其跳频通信系统。该方案使得通信双方在通信前发射端先进行多址接入准同步，保证通信系统工作在无碰撞区范围内，从而体现了无碰撞区跳频码的特点，降低了系统的多址干扰，提高了系统的性能。仿真结果表明，无碰撞区跳频码及本文所提出的接入准同步组网方案适合于多用户跳频通信系统，方案可行, 在多用户环境中优于采用RS码的系统。

7. 参考文献
[1] Xiaoning Wang, Pingzhi Fan, A Class of Frequency Hopping Sequences with No Hit Zone[A]. Proceedings of The Fourth International Conference on Parallel and Distributed Computing, Applications and Technologies[C]. August 27-29, 2003 Chengdu, China. pp.896-898.
[2] W. X. Ye and P. Z. Fan, Two Classes of Frequency Hopping Sequences with No-Hit Zone[A]. Proceedings of the Seventh International Symposium on Communications Theory and Applications (ISCTA’2003)[C]. July 13-18, 2003. Ambleside, U.K., pp. 304-306.
[3] 郑碧月，赵广金，姜辉，扩展ALOHA随机多址通信技术，信息技术，2002年第4期，pp.10-13
[4] 郭黎利，跳频通信中一种缩短同步捕获时间的方法-----位移等待式自同步方案，哈尔滨船舶工程学院学报，1994年12月第15卷第4期，pp.70-77
[5] 郭黎利，卢盛杰，短波跳频通信系统的同步，黑龙江通信技术，1994年第3期，pp.6-13
[6] 王育红，一种基于RS码的跳频码序列的编写方法，遥测遥控，2002年第23卷第3期 参考技术B 工具Simulink 建立了扩频通信系统仿真模型，详细讲述了各模块的设计，并指出了仿真建模
中要注意的问题。在给定仿真条件下，运行了仿真程序，得到了预期的仿真结果。同时，利
用建立的仿真系统，研究了扩频增益与输出端信噪比的关系，结果表明，在相同误码率下，
增大扩频增益，可以提高系统输出端的信噪比，从而提高通信系统的抗干扰能力。
关键词 扩频通信, 信噪比， 误码率， 扩频增益
中图分类号：TN914.42 文献标识码：A
Simulation of the Spread Spectrum Communication System
Based on MATLAB
FAN Wei, ZHAI Chuan-run, ZHAN Xing-qun
(School of Electronic, Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, 200030, Shanghai)
Abstract: The theory base and realizing methods of the spread spectrum communication
technology was presented in this study. The simulation model of the spread spectrum
communication system was built by using SIMULINK, which is provided by MATLAB. In
addition, each module of the simulation model was introduced in detail，and pointed out the
problems that must be pay attention to in the system simulation. On the basis of the designed
simulation conditions, the simulation program was run and the anticipant results were gained.
Moreover, the relationship between the spread spectrum gain and the fan-out error rate was also
studied by use of the simulation system. The results showed that on the base of the same error rate,
if the spread spectrum gain was enlarged, the Signal-to-Noise of the system fan-out would be
enhanced and the anti-jamming capability of the communication system would also be enhanced.
Keywords: spread spectrum communication, Signal-to-Noise, error rate, spread spectrum gain
1 引言
扩展频谱通信（简称扩频通信）与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三
大高技术通信传输方式，它是指发送的信息被展宽到一个很宽的频带上，在接收端通过相关
接收，将信号恢复到信息带宽的一种系统。采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱
的方法可以换取信噪比上的好处，即接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比有很大改善，
从而提高了系统的抗干扰能力。本文根据扩频通信的原理，利用MATALB提供的可视化仿真工
具Simulink建立了扩频通信系统仿真模型，研究了扩频通信的特性和扩频增益与输出端信噪
比的关系，目的是为以扩频通信为基础的现代通信的研究和设计提供依据。
2 扩展频谱通信技术
2.1 理论基础
扩频通信的基本理论是根据信息论中的Shannon 公式，即
log (1 / ) 2 C = B + S N (1)
式中：C为系统的信道容量（bit/s）；B为系统信道带宽（Hz）；S为信号的平均功率；N为噪
声功率。
Shannon公式表明了一个系统信道无误差地传输信息的能力跟存在于信道中的信噪比
（S/N）以及用于传输信息的系统信道带宽（B）之间的关系。该公式说明了两个最重要的概
念：一个是在一定的信道容量的条件下，可以用减少发送信号功率、增加信道带宽的办法达
到提高信道容量的要求；一个是可以采用减少带宽而增加信号功率的办法来达到。
扩频增益是扩频通信的重要参数，它反应了扩频通信系统抗干扰能力的强弱，其定义为
接收机相关器输出信噪比和接收机相关器输入信噪比之比，即
d
s
d
s
i i B
B
R
R
S N
S N
G = = =
/
/ 0 0 (2)
式中，Si和S0分别为接收机相关器输入、输出端信号功率；Ni和N0分别为相关器的输入、输出
端干扰功率；Rs为伪随机码的信息速率，Rd为基带信号的信息速率；Bs为频谱扩展后的信号带
宽，Bd频谱扩展前的信号带宽。
2.2 实现方法
扩频通信与一般的通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接收端增加了
扩频解调的过程，扩频通信按其工作方式不同主要分为直接序列扩频系统、跳频扩频系统、
跳时扩频系统、线性调频系统和混合调频系统。现以直接序列扩频系统为例说明扩频通信的
实现方法。图1为直接序列扩频系统的原理框图。
图1 直接序列扩频系统原理图
由直扩序列扩频系统原理图可以看出，在发射端，信源输出的信号与伪随机码产生器产
生的伪随机码进行模2加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列
去调制载波，这样得到已扩频调制的射频信号。在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频
后，用与发射端同步的伪随机序列对扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息
序列的频带，然后进行解调，恢复出所传输的信息。
3 系统仿真模型的建立
3.1 Simulik 简介
MATLAB 最初是Mathworks 公司推出的一种数学应用软件，经过多年的发展，开发了包括
通信系统在内的多个工具箱，从而成为目前科学研究和工程应用最流行的软件包之一。
Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个集成
环境，广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。它包
括一个复杂的由接受器、信号源、线性和非线性组件以及连接件组成的模块库，用户也可以
根据需要定制或者创建自己的模块。Simulink 的主要特点在于使用户可以通过简单的鼠标操
作和拷贝等命令建立起直观的系统框图模型，用户可以很随意地改变模型中的参数，并可以
马上看到改变参数后的结果，从而达到方便、快捷地建模和仿真的目的。
3.2 模型建立及主要模块设计
基于MATLAB /Simulink 所建立的扩频通信系统的仿真模型,能够反映扩频通信系统的
动态工作过程,可进行波形观察、频谱分析和性能分析等，同时能根据研究和设计的需要扩
展仿真模型，实现以扩频通信为基础的现代通信的模拟仿真，为系统的研究和设计提供强有
力的平台。图2 为基于MATLAB/Simulink 的扩频通信系统仿真模型。
图2 系统仿真模型
信源：随机整数发生器（Random Integer generator）作为仿真系统的信源，随机整数发
生器产生二进制随机信号，采样时间、初始状态可自由设置，从而满足扩频通信系统所需信
接 收
高放混频解扩 解调
本振PN 码 同步
信 源 扩频调制
PN 码 振荡器
发 射
源的要求。
扩频与解扩：PN 序列生成器模块（PN Sequence Generator）作为伪随机码产生器，扩
频过程通过信息码与PN 码进行双极性变换后相乘加以实现。解扩过程与扩频过程相同，即
将接收的信号用PN 码进行第二次扩频处理。
调制与解调：使用二相相移键控PSK 方式进行调制、解调。调制由正弦载波与双极性扩
频码直接相乘实现，采用相干解调法进行解调。
信道：传输信道为加性高斯白噪声信道。在加性高斯白噪声信道模块中，可进行信号功
率和信噪比的设置。
误码计算：误码计算由误码仪实现，误码仪在通信系统中的主要任务是评估传输系统的
误码率，它具有两个输入端口：第一个端口（Tx）接收发送方的输入信号，第二个端口(Rx)
接收接收方的输入信号。
3.3 几点说明
在Simulink中，没有单独实现统计的计数器模块，需要自行创建，计数模型的设计如图
3。在计数模型中，用与信源和伪随机码同频的脉冲模块分别实现码元同步和切普同步，利
用加法器的累加功能，实现每个码元的相关峰值统计。
图3 计数模型实现框图
在扩频通信建模中，扩频与解扩使用的PN 码以及调制和解调所使用的载波必须保持同
步，因此要注意伪随机码模块和载波模块的参数设置。
在误码率计算中，接收到的信号，由于经过扩频解扩、调制解调、相关统计等处理，会
存在一个延迟，在误码仪模块的对话框中要设置一个合适的延迟。
4 仿真结果分析
4.1 仿真系统运行情况分析
在给出下列仿真的条件下，观察仿真运行情况。信息速率20b/s，幅度为1；伪随机序
列采用10 级，传输速率为200b/s 的m 序列；载波频率10KHz；信号功率为1W，信噪比30dB；
仿真时间设为2s。在这样的仿真条件下，理论上可获得10 倍的扩频增益。图4 是系统扩频
解扩的仿真结果。上图为信源，中图为扩频码，下图为信宿。从图4 可见，信源和信宿相同，
误码率为0，基于MATLAB/Simulink 所设计的仿真系统满足扩频通信系统的软件仿真要求。
图4 系统扩频解扩的仿真结果
4.2 扩频增益与输出端信噪比的关系
设置信息速率和伪随机序列传输速率，在扩频增益10 和50 的情况下，不断改变信噪比
的大小，从而得到扩频增益、误码率和信噪比的关系如图5。从图5 可以看到，在相同误码
率下，扩频增益越大，输出端信噪比越大，并且随着系统要求的提高，增大扩频增益，输出
端信噪比会得到更大的好处。
图5 不同扩频增益下误码率仿真曲线
5 结论
扩频通信以其较强的抗干扰、抗衰落、抗多径性能而成为第三代通信的核心技术，本文
阐述了扩频通信的理论基础和实现方法，利用MATLAB 提供的可视化工具箱Simulink 建立了
扩频通信系统仿真模型，详细讲述了各模块的设计，并给出了仿真建模中需注意的问题。在
给定仿真条件下，运行了仿真系统，验证了所建仿真模型的正确性。通过仿真研究了扩频增
益和输出端信噪比的关系，结果表明，在相同误码率下，增大扩频增益，可以提高系统输出
端的信噪比，从而提高系统的抗干扰能力。本文作者创新点：通过MATLAB/Simulink 建立的
仿真平台，研究了扩频增益与误码率、信噪比之间的关系，为以扩频通信为基础的卫星信号
设计提供依据。
参考文献：
1 曾兴雯，刘乃安，孙献璞。扩展频谱通信及其多址技术〔M〕。西安：西安电子科技大学
出版社，2004。
2 徐明远，邵玉斌。MATLAB 仿真在通信与电子工程中的应用[M]。西安：西安电子科技大
学出版社，2005。
3 李建新，刘乃安，刘继平。现代通信系统分析与仿真－MATALAB 通信工具箱〔M〕。西安：
西安电子科技大学出版社，2001。
4 徐明伟，李茜，汤伟。基于MATLAB 串口通信的数据采集系统的设计。微计算机信息，
2005，21(8-1)，89-90。
5 郭海燕，毕红军。MATLAB 在伪随机码的生成及仿真中的应用。计算机仿真，21(3)，2004.3。
基金项目：上海市科技攻关项目，项目编号：45115031。
作者简介：范伟（1973－），男，汉族，硕士研究生，主要研究方向为卫星导航、CDMA 扩频
通信。 E-mail: [e-mail]
通信地址及邮编：上海市长宁区安顺路220 弄18 号402 室，200051。
翟传润(1972－)，男，汉族，博士，副教授，主要研究方向为卫星导航和测控技术。
战兴群(1970－)，男，汉族，博士，教授，主要研究方向为卫星导航和新型控制理论与应用。
Authors brief introductions:
Fai Wei, was born in 1973, male, the Han nationality, master student. His research subjects include
the satellite navigation and CDMA spread spectrum communication.
Zhai Chuan-run, was born in 1972, male, the Han nationality, Ph.D, associate professor. His
research subjects include satellite navigation and test control technique.
Zhan Xing-qun, was born in 1970, male, the Han nationality, Ph.D, professor. His research interests
include satellite navigation, new control theory and application.
参考资料：http://www.dq.shejis.com/new_lw/html/77195.shtml 参考技术C 兄弟，学通信的吧！我也是。

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