基于MATLAB的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真分析

鄢 冉

（鄭州大學(xué)，鄭州 450000）

1 引言

擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)簡(jiǎn)要講是將輸入信號(hào)用特定函數(shù)進(jìn)行處理，使被傳輸?shù)男盘?hào)頻譜擴(kuò)展從而占有遠(yuǎn)超原信息所需的帶寬。在接收端時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的接擴(kuò)處理將頻帶壓縮相同倍數(shù)。擴(kuò)展信號(hào)常用的類型有四種，分別為：直接序列（DS）、跳變頻率（FH）、跳變時(shí)間（TH）以及寬帶線性調(diào)頻脈沖（Chirp）。在實(shí)際通信中，也可將它們進(jìn)行混合來(lái)滿足不同的系統(tǒng)需求。

2 直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù)

2.1 理論依據(jù)

香農(nóng)（Shannon）公式：C=Blog2（1+S/N）

式中，C為信道容量（信道傳輸速率最大值）；B為信號(hào)頻帶寬度；S為信號(hào)功率；N為噪聲功率；S/N為信道輸出信噪比。根據(jù)上式可以推斷：信道容量C一定時(shí)，帶寬B與信噪比S/N可以互相轉(zhuǎn)換，即通過(guò)增加信號(hào)的帶寬可以使得信噪比要求降低。擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)和基本思想就是以犧牲帶寬來(lái)?yè)Q取信噪比好處。

2.2 基本原理

直接序列擴(kuò)頻是直接用高速率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)送端擴(kuò)展信號(hào)頻譜。在接收端用該擴(kuò)頻碼進(jìn)行解擴(kuò)，還原該信號(hào)。如圖1所示。

圖1 直擴(kuò)通信系統(tǒng)的原理框圖

圖1中，信源先由PN碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，展寬頻譜；再經(jīng)BPSK調(diào)制后發(fā)送。接收機(jī)收到信號(hào)后，以相位完全一致的本地PN碼作為擴(kuò)頻解調(diào)的擴(kuò)頻碼序列將收到的信號(hào)帶寬恢復(fù)為原始帶寬；最后輸出信息。

2.3 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的主要性能

2.3.1 抗干擾性

直擴(kuò)系統(tǒng)對(duì)窄帶、寬帶干擾，都有強(qiáng)抗干擾能力。下面對(duì)直擴(kuò)系統(tǒng)抗寬帶干擾和抗窄帶干擾的原理進(jìn)行分析。

（1）寬帶干擾，指與擴(kuò)頻信號(hào)不相關(guān)的信號(hào)（CDMA網(wǎng)絡(luò)中其他用戶的信號(hào)）帶來(lái)的干擾。處理過(guò)程使有較寬頻譜的信號(hào)有用部分被解擴(kuò)，功率譜集中于信息帶寬內(nèi)。而寬帶干擾通過(guò)相關(guān)器，其功率譜密度基本不變。解擴(kuò)后經(jīng)過(guò)窄帶濾波器信號(hào)能順利通過(guò)，對(duì)信號(hào)頻帶之外的干擾起到抑制作用。

（2）窄帶干擾。如圖，信號(hào)解擴(kuò)前干擾功率非常大。而干擾與本地?cái)U(kuò)頻碼（PN碼）不相關(guān)，因此相關(guān)器對(duì)于干擾起到擴(kuò)展頻譜的作用，功率譜密度大幅度下降，干擾會(huì)進(jìn)入信息帶寬部分，從而抑制掉大部分干擾。

2.3.2 抗多徑干擾性能

發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間電波傳播的多條不同路徑，稱為多徑信道。信號(hào)在多條路徑上會(huì)有不同的衰減，時(shí)延也不同。直擴(kuò)系統(tǒng)可以瞄準(zhǔn)在性質(zhì)最好的電波（直達(dá)路徑）上。其它有延遲的電波由于相關(guān)解擴(kuò)只相當(dāng)于噪聲干擾。PN碼具有良好自相關(guān)特性，相關(guān)性小時(shí)作為噪聲處理。

2.3.3 易于碼分多址

碼分多址的碼其實(shí)指擴(kuò)頻碼（PN碼），一個(gè)PN碼序列代表一個(gè)用戶，對(duì)于其他用戶發(fā)出的信號(hào)（PN碼不同），由于PN碼的相關(guān)值很小，因此不會(huì)被解擴(kuò)。其次，直擴(kuò)系統(tǒng)的頻譜被擴(kuò)展，功率譜密度低，同一頻帶可以被多用戶共同使用。他們相互之間干擾很小，可近似視為噪聲。同時(shí)，每個(gè)用戶都只占用較窄的帶寬，整體頻譜利用率達(dá)到較高水平。

3 擴(kuò)頻與解擴(kuò)仿真模型

擴(kuò)頻與解擴(kuò)使用的碼序列碼數(shù)、相位均一致。如圖2所示。

圖2 擴(kuò)頻與解擴(kuò)的仿真模型

4 仿真結(jié)果

輸入輸出波形如圖3、4所示。

圖3 信源波形

圖4 接收信號(hào)波形

5 結(jié)束語(yǔ)

本文解釋了直接序列擴(kuò)頻通信的理論依據(jù)，對(duì)其主要的性質(zhì)進(jìn)行了分析，并利用MATLAB對(duì)其進(jìn)行了仿真，結(jié)果證明擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的誤碼率低，抗干擾性能良好。

[1] 樊昌信，曹麗娜.通信原理（第7版）[M].北京：國(guó)防工業(yè)大學(xué)出版社，2017.4.

[2] William H.Tranter，K.Sam shanmugan，Theodore S.Rappaport，Kurt L.Kosbar著.肖明波，楊光松，許芳，席斌等譯.通信系統(tǒng)仿真原理與無(wú)線應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3] 張蕾，鄭實(shí)勤.基于MATLAB的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能仿真分析研究[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2007.

[4] 鐘麟，王峰.MATLAB仿真技術(shù)與應(yīng)用教程[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

[5] 郭世璞，直接序列擴(kuò)頻通信的MATLAB仿真研究[J].科技信息，2012（8）.