基于Simulink的直接序列扩频通信系统仿真设计

马小青

摘 要： 以Matlab提供的可视化仿真工具Simulink搭建直接序列扩频通系统仿真模型，利用Simulink对直接序列扩频通系统的发射机模块和接收机模块进行仿真设计，通过传输过程中各个波形和频谱变换图，研究直扩系统误码率、信噪比和扩频增益的关系。在给定的仿真条件下，运行测试仿真模型，结果表明，该系统信噪比较高，性能较好，且在误码率保持不变的情况下，增加直扩通信系统的扩频增益可以增加输出端的信噪比。

关键词： 直接序列扩频； Simulink； 信噪比； 扩频增益

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 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

扩频通信技术在提高信号系统质量、抗干扰、保密性、增加系统容量等方面都有突出的优点，开始一直应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。20世纪末，扩频通信开始在民用方面得以发展。直接序列扩频系统，即DS?CDMA，是民用移动通信系统中的主流扩频技术，也是目前第三代移动通信技术（3G）乃至第四代移动通信技术（4G）主要组成部[1?3]。可以说，直接序列扩频通信系统直接或间接的促使移动通信技术的快速更新换代，从而使得移动通信技术在信息的传输方面更加的安全、高效。随着扩频通信技术的发展，通过传统的硬件来进行扩频通信技术的研究存在成本高、灵活性差、效率低等缺陷，使得扩频通信技术难以快速发展。而仿真软件Simulink的出现很好地解决了这个难题。Simulink是Matlab中重要的仿真建模软件，在Simulink中，用户只要选中器件库中的模块，进行相应操作就可构造出复杂的通信系统。本文利用Matlab中的Simulink搭建直接序列扩频通信系统仿真模型，得出仿真模型中各仿真模块的仿真波形和频谱图，通过改变系统的仿真参数，对扩频通信系统的性能进行研究。

1 基于Simulink的扩频通信系统仿真

1.1 直扩通信系统发射机的仿真设计

1.1.1 基于Simulink的发射机仿真设计

图1为直接序列扩频通信系统的发射机仿真模型，直扩发射机的设计分为扩频和QPSK调制两大模块。扩频模块中包含原始信号、伪随机码的生成和扩频运算三部分。在此模型中，采用努利二进制信号产生器来生成直扩通信系统发射机的输入信号，利用m序列作为伪随机序列码来进行仿真模型的搭建，由于输入信号和伪随机序列采用的都是二进制的单极性码，所以在扩频前要对其进行单双极性转换，将其转换为双极性码后进行相关运算，从而使原始信号的频谱被展[4]，实现扩频的目的。

图1 直扩通信系统发射机模型图

由于调制时需要的是单极性码，所以在扩频后要利用双单极性转换器将双极性信号转换为单极性信号，便于进行QPSK调制。

1.1.2 仿真结果分析

运行图1所示的直扩通信系统发射机仿真模型进行测试，得到原始信号频谱图如图2所示，扩频后信号频谱图如图3所示，发射机的时域波形图如图4所示。

图2 原始信号频谱图

图3 扩谱后信号频谱

从图2中可看出，扩频前原始信号的带宽为256 kHz，从图3中可看出扩频后的信号带宽为1.79 MHz。通过图2、图3进行比较后可得出，经扩频后的信号频带约是原始信号带宽的7倍，并且均匀的分布在整个频带上。

图4 发射机的时域波形图

从图4直接序列扩频通信系统发射机的时域图中可以看出，当原始信号显示为+1时，扩频输出的双极性码显示为+1，当原始信号显示为0时，扩频输出的双极性码会产生跳变，显示为-1，满足二进制码元的单双极性变换规律。并且从扩频输出的单极性码中可以看出，码元速率增加，且码元宽度变窄。

1.2 直扩通信系统接收机的仿真设计

1.2.1 基于Simulink的接收机仿真设计

图5为直接序列扩频通信系统的接收机仿真模型，首先将QPSK已调信号作为输入信号经过加性高斯白噪信道后进行QPSK解调，然后经过数据缓冲器和单双极性转换器之后，将解调的信号转换为双极性码进行解扩，再进行双单极性转换，将双极性码元转换成单极性信号进行输出，就可以在接收端接收到原始信息。此模型中选用信噪比为-5 dB的加性高斯白噪[5]。

图5 直扩通信系统接收机模型图

由于直接序列扩频通信系统发射机在进行QPSK调制时使用了数据缓冲器buffer，产生了2/7个码元的延迟，所以在解扩时加入了5/7个码元的延迟，最终产生了一个码元的延迟[6]，在统计误码率的时候，把这个延迟考虑了进去，在误码率检测的模块设置了一个码元的延迟，避免了误码率检测时出现的误差。

1.2.2 仿真结果分析

运行图5所示的直扩通信系统接收机仿真模型进行测试，得到直接序列解扩前信号频谱图如图6所示，解扩后输出信号频谱图如图7所示。

图6 直接序列解扩前信号频谱图

图7 解扩后输出信号频谱图

通过图6可看出来，解扩前，有用信号和噪声完全混叠在一起，很难区分出有用信号和噪声频谱的不同之处。并且信号的功率被平均分配在1.79 MHz的带宽上，有用信号的功率在传输时可以变得非常小，避免对其他通信系统造成干扰。通过对图6，图7进行对比可看出，解扩前，有用信号和噪声完全混叠在一起，很难区分出有用信号和噪声频谱的不同之处。并且信号的功率被平均分配在1.79 MHz的带宽上，有用信号的功率在传输时可以变得非常小，避免对其他通信系统造成干扰。解扩后，噪声仍然均匀分布在整个频带，而信号则在中心叠加，形成了谱峰，与原始信号的频谱基本一致。这样可以通过窄带滤波，在接收端很容易地将有用信号提取出来，并且从图5中可以看出，接收端的误码率在信道质量非常差的情况下依然很低。

1.3 直扩通信系统仿真设计

1.3.1 基于Simulink的直扩通信系统仿真设计

图8为直接序列扩频通信系统的仿真模型。在该模型中，信道为加性高斯白噪声，信噪比为10 dB，此时直扩通信系统输出信号的误码率在基本保持不变时来研究扩频增益与输出信噪比的关系。在仿真中，保持输入信号不变，通过改变码片速率的大小来获得不同的扩频增益。直扩通信系统输入信号和输出信号波形见图9。

图8 直扩通信系统模型图

图9 直扩通信系统输入信号和输出信号波形图

1.3.2 系统仿真结果分析

从图10～图13可看出，当扩频因子为7时，解扩后噪声被均匀的分布在1.79 MHz的频带上，而有用信号则向中心靠拢，在中心形成了谱峰，并且谱峰在3 dBm左右；当扩频因子为14时，解扩后噪声被均匀的分布在3.58 MHz的频带上，而有用信号则向中心靠拢，在中心形成了谱峰，并且谱峰在5 dBm左右；当扩频因子为21时，解扩后噪声被均匀的分布在5.38 MHz的频带上，有用信号向中心靠拢的更加明显，在中心形成了谱峰，并且谱峰在8 dBm左右；当扩频因子为42时，解扩后噪声被均匀的分布在10.75 MHz的频带上，有用信号向中心靠拢比图12的更加明显，在中心形成了谱峰，并且谱峰在10 dBm左右。

图10 扩频增益为7时输出信号频谱图

从这4个图中可以看出，在误码率保持不变的情况下，随着扩频增益的增加，输出信号功率在逐渐增大，并且信号在中心叠加的程度越来越大，形成了谱峰。因为在仿真时，保持模型中其他参数不变，只改变了扩频增益的大小，所以可以得出这样的结论：在误码率保持不变的情况下，增加扩频增益可以增加信号的输出信噪比。

图11 扩频增益为14时输出信号频谱图

图12 扩频增益为21时输出信号频谱图

2 结 论

本文通过对直接序列扩频通信系统中发射机和接收机的扩频、调制、解调、解扩信号的频谱波形，以及输出信号误码率的分析研究表明该系统模型的性能好、误码率低、输出信噪比高等特点；同时在对直接序列扩频通信系统的仿真模型测试得出：在误码率保持不变的情况下，增加系统的扩频增益可以提高系统的输出信噪比，从而提高该系统的抗干扰性能。该仿真方法和结论对直扩通信系统性能研究有一定的参考价值。

图13 扩频增益为42时输出信号频谱图

参考文献

[1] 邵佳，董晨辉.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2] 刘学勇.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真[M].北京：电子工业出版社，2011.

[3] 杨梅.基于m序列的直接序列扩频CDMA通信系统的仿真研究[J].长江大学学报，2012，9（5）：154?156.

[4] 倪琳娜，赵振岩，于海峰.基于Simulink的直接序列扩频通信系统的仿真[J].航天器工程，2010，19（2）：74?80.

[5] 施小茜.齐华.基于Matlab的直接序列扩频通信系统仿真[J].科技广场，2009（9）：74?76.

[6] 谢水珍.基于m序列的直接序列扩频通信系统仿真[J].通信技术，2012（12）：71?73.

图2 原始信号频谱图

图3 扩谱后信号频谱

从图2中可看出，扩频前原始信号的带宽为256 kHz，从图3中可看出扩频后的信号带宽为1.79 MHz。通过图2、图3进行比较后可得出，经扩频后的信号频带约是原始信号带宽的7倍，并且均匀的分布在整个频带上。

图4 发射机的时域波形图

从图4直接序列扩频通信系统发射机的时域图中可以看出，当原始信号显示为+1时，扩频输出的双极性码显示为+1，当原始信号显示为0时，扩频输出的双极性码会产生跳变，显示为-1，满足二进制码元的单双极性变换规律。并且从扩频输出的单极性码中可以看出，码元速率增加，且码元宽度变窄。

1.2 直扩通信系统接收机的仿真设计

1.2.1 基于Simulink的接收机仿真设计

图5为直接序列扩频通信系统的接收机仿真模型，首先将QPSK已调信号作为输入信号经过加性高斯白噪信道后进行QPSK解调，然后经过数据缓冲器和单双极性转换器之后，将解调的信号转换为双极性码进行解扩，再进行双单极性转换，将双极性码元转换成单极性信号进行输出，就可以在接收端接收到原始信息。此模型中选用信噪比为-5 dB的加性高斯白噪[5]。

图5 直扩通信系统接收机模型图

由于直接序列扩频通信系统发射机在进行QPSK调制时使用了数据缓冲器buffer，产生了2/7个码元的延迟，所以在解扩时加入了5/7个码元的延迟，最终产生了一个码元的延迟[6]，在统计误码率的时候，把这个延迟考虑了进去，在误码率检测的模块设置了一个码元的延迟，避免了误码率检测时出现的误差。

1.2.2 仿真结果分析

运行图5所示的直扩通信系统接收机仿真模型进行测试，得到直接序列解扩前信号频谱图如图6所示，解扩后输出信号频谱图如图7所示。

图6 直接序列解扩前信号频谱图

图7 解扩后输出信号频谱图

通过图6可看出来，解扩前，有用信号和噪声完全混叠在一起，很难区分出有用信号和噪声频谱的不同之处。并且信号的功率被平均分配在1.79 MHz的带宽上，有用信号的功率在传输时可以变得非常小，避免对其他通信系统造成干扰。通过对图6，图7进行对比可看出，解扩前，有用信号和噪声完全混叠在一起，很难区分出有用信号和噪声频谱的不同之处。并且信号的功率被平均分配在1.79 MHz的带宽上，有用信号的功率在传输时可以变得非常小，避免对其他通信系统造成干扰。解扩后，噪声仍然均匀分布在整个频带，而信号则在中心叠加，形成了谱峰，与原始信号的频谱基本一致。这样可以通过窄带滤波，在接收端很容易地将有用信号提取出来，并且从图5中可以看出，接收端的误码率在信道质量非常差的情况下依然很低。

1.3 直扩通信系统仿真设计

1.3.1 基于Simulink的直扩通信系统仿真设计

图8为直接序列扩频通信系统的仿真模型。在该模型中，信道为加性高斯白噪声，信噪比为10 dB，此时直扩通信系统输出信号的误码率在基本保持不变时来研究扩频增益与输出信噪比的关系。在仿真中，保持输入信号不变，通过改变码片速率的大小来获得不同的扩频增益。直扩通信系统输入信号和输出信号波形见图9。

图8 直扩通信系统模型图

图9 直扩通信系统输入信号和输出信号波形图

1.3.2 系统仿真结果分析

从图10～图13可看出，当扩频因子为7时，解扩后噪声被均匀的分布在1.79 MHz的频带上，而有用信号则向中心靠拢，在中心形成了谱峰，并且谱峰在3 dBm左右；当扩频因子为14时，解扩后噪声被均匀的分布在3.58 MHz的频带上，而有用信号则向中心靠拢，在中心形成了谱峰，并且谱峰在5 dBm左右；当扩频因子为21时，解扩后噪声被均匀的分布在5.38 MHz的频带上，有用信号向中心靠拢的更加明显，在中心形成了谱峰，并且谱峰在8 dBm左右；当扩频因子为42时，解扩后噪声被均匀的分布在10.75 MHz的频带上，有用信号向中心靠拢比图12的更加明显，在中心形成了谱峰，并且谱峰在10 dBm左右。

图10 扩频增益为7时输出信号频谱图

从这4个图中可以看出，在误码率保持不变的情况下，随着扩频增益的增加，输出信号功率在逐渐增大，并且信号在中心叠加的程度越来越大，形成了谱峰。因为在仿真时，保持模型中其他参数不变，只改变了扩频增益的大小，所以可以得出这样的结论：在误码率保持不变的情况下，增加扩频增益可以增加信号的输出信噪比。

图11 扩频增益为14时输出信号频谱图

图12 扩频增益为21时输出信号频谱图

2 结 论

本文通过对直接序列扩频通信系统中发射机和接收机的扩频、调制、解调、解扩信号的频谱波形，以及输出信号误码率的分析研究表明该系统模型的性能好、误码率低、输出信噪比高等特点；同时在对直接序列扩频通信系统的仿真模型测试得出：在误码率保持不变的情况下，增加系统的扩频增益可以提高系统的输出信噪比，从而提高该系统的抗干扰性能。该仿真方法和结论对直扩通信系统性能研究有一定的参考价值。

图13 扩频增益为42时输出信号频谱图

参考文献

[1] 邵佳，董晨辉.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2] 刘学勇.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真[M].北京：电子工业出版社，2011.

[3] 杨梅.基于m序列的直接序列扩频CDMA通信系统的仿真研究[J].长江大学学报，2012，9（5）：154?156.

[4] 倪琳娜，赵振岩，于海峰.基于Simulink的直接序列扩频通信系统的仿真[J].航天器工程，2010，19（2）：74?80.

[5] 施小茜.齐华.基于Matlab的直接序列扩频通信系统仿真[J].科技广场，2009（9）：74?76.

[6] 谢水珍.基于m序列的直接序列扩频通信系统仿真[J].通信技术，2012（12）：71?73.

图2 原始信号频谱图

图3 扩谱后信号频谱

从图2中可看出，扩频前原始信号的带宽为256 kHz，从图3中可看出扩频后的信号带宽为1.79 MHz。通过图2、图3进行比较后可得出，经扩频后的信号频带约是原始信号带宽的7倍，并且均匀的分布在整个频带上。

图4 发射机的时域波形图

从图4直接序列扩频通信系统发射机的时域图中可以看出，当原始信号显示为+1时，扩频输出的双极性码显示为+1，当原始信号显示为0时，扩频输出的双极性码会产生跳变，显示为-1，满足二进制码元的单双极性变换规律。并且从扩频输出的单极性码中可以看出，码元速率增加，且码元宽度变窄。

1.2 直扩通信系统接收机的仿真设计

1.2.1 基于Simulink的接收机仿真设计

图5为直接序列扩频通信系统的接收机仿真模型，首先将QPSK已调信号作为输入信号经过加性高斯白噪信道后进行QPSK解调，然后经过数据缓冲器和单双极性转换器之后，将解调的信号转换为双极性码进行解扩，再进行双单极性转换，将双极性码元转换成单极性信号进行输出，就可以在接收端接收到原始信息。此模型中选用信噪比为-5 dB的加性高斯白噪[5]。

图5 直扩通信系统接收机模型图

由于直接序列扩频通信系统发射机在进行QPSK调制时使用了数据缓冲器buffer，产生了2/7个码元的延迟，所以在解扩时加入了5/7个码元的延迟，最终产生了一个码元的延迟[6]，在统计误码率的时候，把这个延迟考虑了进去，在误码率检测的模块设置了一个码元的延迟，避免了误码率检测时出现的误差。

1.2.2 仿真结果分析

运行图5所示的直扩通信系统接收机仿真模型进行测试，得到直接序列解扩前信号频谱图如图6所示，解扩后输出信号频谱图如图7所示。

图6 直接序列解扩前信号频谱图

图7 解扩后输出信号频谱图

通过图6可看出来，解扩前，有用信号和噪声完全混叠在一起，很难区分出有用信号和噪声频谱的不同之处。并且信号的功率被平均分配在1.79 MHz的带宽上，有用信号的功率在传输时可以变得非常小，避免对其他通信系统造成干扰。通过对图6，图7进行对比可看出，解扩前，有用信号和噪声完全混叠在一起，很难区分出有用信号和噪声频谱的不同之处。并且信号的功率被平均分配在1.79 MHz的带宽上，有用信号的功率在传输时可以变得非常小，避免对其他通信系统造成干扰。解扩后，噪声仍然均匀分布在整个频带，而信号则在中心叠加，形成了谱峰，与原始信号的频谱基本一致。这样可以通过窄带滤波，在接收端很容易地将有用信号提取出来，并且从图5中可以看出，接收端的误码率在信道质量非常差的情况下依然很低。

1.3 直扩通信系统仿真设计

1.3.1 基于Simulink的直扩通信系统仿真设计

图8为直接序列扩频通信系统的仿真模型。在该模型中，信道为加性高斯白噪声，信噪比为10 dB，此时直扩通信系统输出信号的误码率在基本保持不变时来研究扩频增益与输出信噪比的关系。在仿真中，保持输入信号不变，通过改变码片速率的大小来获得不同的扩频增益。直扩通信系统输入信号和输出信号波形见图9。

图8 直扩通信系统模型图

图9 直扩通信系统输入信号和输出信号波形图

1.3.2 系统仿真结果分析

从图10～图13可看出，当扩频因子为7时，解扩后噪声被均匀的分布在1.79 MHz的频带上，而有用信号则向中心靠拢，在中心形成了谱峰，并且谱峰在3 dBm左右；当扩频因子为14时，解扩后噪声被均匀的分布在3.58 MHz的频带上，而有用信号则向中心靠拢，在中心形成了谱峰，并且谱峰在5 dBm左右；当扩频因子为21时，解扩后噪声被均匀的分布在5.38 MHz的频带上，有用信号向中心靠拢的更加明显，在中心形成了谱峰，并且谱峰在8 dBm左右；当扩频因子为42时，解扩后噪声被均匀的分布在10.75 MHz的频带上，有用信号向中心靠拢比图12的更加明显，在中心形成了谱峰，并且谱峰在10 dBm左右。

图10 扩频增益为7时输出信号频谱图

从这4个图中可以看出，在误码率保持不变的情况下，随着扩频增益的增加，输出信号功率在逐渐增大，并且信号在中心叠加的程度越来越大，形成了谱峰。因为在仿真时，保持模型中其他参数不变，只改变了扩频增益的大小，所以可以得出这样的结论：在误码率保持不变的情况下，增加扩频增益可以增加信号的输出信噪比。

图11 扩频增益为14时输出信号频谱图

图12 扩频增益为21时输出信号频谱图

2 结 论

本文通过对直接序列扩频通信系统中发射机和接收机的扩频、调制、解调、解扩信号的频谱波形，以及输出信号误码率的分析研究表明该系统模型的性能好、误码率低、输出信噪比高等特点；同时在对直接序列扩频通信系统的仿真模型测试得出：在误码率保持不变的情况下，增加系统的扩频增益可以提高系统的输出信噪比，从而提高该系统的抗干扰性能。该仿真方法和结论对直扩通信系统性能研究有一定的参考价值。

图13 扩频增益为42时输出信号频谱图

参考文献

[1] 邵佳，董晨辉.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2] 刘学勇.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真[M].北京：电子工业出版社，2011.

[3] 杨梅.基于m序列的直接序列扩频CDMA通信系统的仿真研究[J].长江大学学报，2012，9（5）：154?156.

[4] 倪琳娜，赵振岩，于海峰.基于Simulink的直接序列扩频通信系统的仿真[J].航天器工程，2010，19（2）：74?80.

[5] 施小茜.齐华.基于Matlab的直接序列扩频通信系统仿真[J].科技广场，2009（9）：74?76.

[6] 谢水珍.基于m序列的直接序列扩频通信系统仿真[J].通信技术，2012（12）：71?73.