基于Simulink的直接序列扩频通信系统抗干扰的仿真实现

王玲

(中国传媒大学理工学部信息工程学院，北京 100024)

基于Simulink的直接序列扩频通信系统抗干扰的仿真实现

王玲

(中国传媒大学理工学部信息工程学院，北京 100024)

主要研究了直接序列扩频通信系统(DSSS)的抗干扰能力。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，在高斯信道中加入不同中心频率、幅度的窄带干扰。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。当窄带干扰强度超过系统抗干扰容限时，使用自适应滤波器中的LMS(最小均方差)和RLS(最小递推二乘)滤波器来抑制窄带干扰。仿真结果表明：自适应滤波具有良好放任窄带干扰抑制效果，但RLS算法复杂仿真时间长，LMS收敛速度较慢。

直接序列扩频；Simulink；窄带干扰；自适应滤波

1 引言[1-3]

在众多的通信技术中，扩频通信技术由于具有独特的抗干扰能力以及很宽的使用频带而在军事通信领域中备受青睐。它是将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。但在窄带干扰条件下，由于其频带很窄，常常落入有用信号的频带中，对信号的传播造成强干扰，其干扰强度容易超出DSSS的干扰容限，因此需要通过有效的干扰抑制技术提高系统性能。目前常用的干扰抑制技术主要分为基于预测的干扰抑制技术和变换域干扰抑制技术。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，基于自适应滤波技术中的LMS(最小均方差)和RLS(最小递推二乘)滤波器仿真研究了扩频通信的抑制窄带抗干扰的能力，目的是通过搭建的通信实时仿真实验系统，在课堂教学中可以当堂演示，使抽象的理论知识具体化、形象化，使扩频知识变得通俗易懂、容易掌握，并且还能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 扩频通信技术

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

C=Blog2(1+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公式表明通信系统信道具有无误差地传输信息的能力与信道中的信噪比(S/N)和用于传输信息的系统信道带宽(B)之间的有密切关系。该此公式给出两个最重要的概念：一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；二是可以采用减少带宽而增加信号功率的办法来提高信道容量。

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

(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 仿真流程[4]

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仿真实现方法。图1为加入窄带干扰的直扩系统仿真流程图。

图1 加入窄带干扰的直扩系统仿真流程图

由加入窄带干扰的直扩系统仿真流程图可以看出，在发射端，信源经BPSK调制之后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，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，经BPSK解调后，恢复为原始信息序列信息。

3 系统仿真模型的建立[5-6]

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。依据图1的仿真流程，在Simulink中搭建了图2所示的加入窄带干扰的直扩系统仿真模型图，系统主要参数如下：

信源码：随机二进制序列，码速率1kb/s，带宽1kHz；PN码：8阶m序列，码速率255kb/s。

调制方式：BPSK调制；信道：AWGN(高斯白噪声)信道；干扰：单音干扰，多音干扰；自适应滤波器：LMS滤波器，RLS滤波器。

图2 加入窄带干扰的直扩系统仿真模型图

3.1 主要模块设计及参数设置[7]

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。

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源的要求。sample time为1/1000，即设置信源信息速率为1000bps。图3为仿真得到信源频谱。

图3 信源信号的频域图

图4 信源信号经扩频之后的频域图

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。设置为Eb/n0模式，sample time为1/2.55e05，即设置扩频码码片速率为225Kchip/s。图4为扩频之后信号的频谱，可见信源带宽为1KHz，扩频之后带宽变为了255KHz。

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。当选择信噪比模式的时候，我们还要设置symbol period为1/2.55e05，即为进入信道的信号采样速率。

单音干扰：选择sine函数模块，设置幅度、频率和采样率，来模拟单音或多音干扰。

滤波：具体设置参数如图5所示：

图5 LMS和RLS滤波器的参数设置

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。

4 仿真结果分析[9]

4.1 加入单音干扰的分析

在给出下列仿真的条件下，观察仿真运行情况。信息速率1kb/s，幅度为1；伪随机序列采用8阶m序列，传输速率为1kpb/s的m序列；单音干扰中心频率为50Hz，幅度1v加入信噪比6dB的高斯信道进行仿真。在这样的仿真条件下，理论上可获得1倍的扩频增益。图6信号经过50Hz、1V单音干扰，6dB高斯信道后频域放大细节图，图7干扰后的信号经解扩后频域图。如图7所示，解扩后，有用信号恢复1kHz带宽，干扰信号被扩频，落入有用信号频带内的干扰能量大大减少。

图6 信号经过单音干扰及高斯信道后频域放大图

图7 干扰后的信号经解扩后频域图

此时仿真得到系统误码率为0.1064，可见信号受到了一定的干扰产生了误码。把此仿真中使用的单音干扰频率设置为5000Hz，幅度为1V是，在相同信噪比下得到误码率为0.002999，可见直扩频系统具有一定的抗窄带干扰的能力。给定不同的信噪比，仿真得到绘制5000Hz、1V单音干扰情况下的误码率曲线，与不含单音干扰的曲线对比，可见两曲线比较接近，如图8，充分体现了直扩系统抗窄带干扰的能力。

图8 加入5000Hz、1V单音干扰后误码率曲线与不含单音干扰曲线对比

4.2 加入多音干扰的分析

将单音干扰变为多音干扰，使用中心频率为50Hz和100Hz、幅度都为1的两路正弦信号，加入高斯信道中，形成多音干扰信号，进行仿真。图9为信号经过50Hz、100Hz 1V多音干扰，6dB高斯信道频域放大图，图10为信号经过含50Hz和100Hz、幅度1V多音高斯干扰解扩后频域图。

图9 信号经过多音干扰及高斯信道后频域放大图

图10 干扰后的信号经解扩后频域图

由图9可见，在50Hz和100Hz处有干扰信号尖峰，落在了有用频带内。从图10可以看出多音干扰信号经过解扩后，其能量可以被分散。再经BPSK解调后，接收端信号与发送端信号对比，得到的误码率为0.1924，与单音干扰为50Hz、幅度为1V时误码率为0.1064相比，误码率相对高一些。在不同信噪比下仿真得到的误码率曲线图，并且与50Hz幅度1V单音干扰、100Hz幅度都为1V的单音干扰的误码率曲线作对比，即图11，可见相同幅度下，多音干扰相对于单音干扰，对系统造成的误码率较高，多音干扰可以看作两个单音干扰的叠加。

图11 多音、单音干扰误码率曲线对比

4.3 自适应滤波器抗单音干扰仿真[8]

利用Simulink里面的LMS自适应滤波器、RLS自适应滤波器模块，进行窄带干扰的抑制。为了观察滤波器对的窄带干扰的抑制效果，因此窄带干扰使用前面仿真过的中心频率为50Hz，幅度分别为1V和30V的单音干扰，高斯信道信噪比为6dB。

(1)使用LMS最小均方差滤波器

使用LMS Filter模块进行窄带干扰抑制仿真。将LMS滤波器添加在解扩之前，滤波器输入信号为含有高斯白噪声、50Hz幅度1V单音干扰的信号，滤波器的期望信号为通过高斯信道但不含单音干扰的信号。LMS滤波器长度为12，步长为0.4。经过对中心频率为50Hz，幅度为1V的单音干扰使用LMS自适应滤波器技术后，仿真得到不同信噪比下的误码率曲线，与之前不用滤波器的误码率曲线作对比，如图12所示。可见单音干扰都得到了良好的抑制，得到了较低的误码率。

图12 50Hz1V单音干扰使用LMS滤波器、不使用滤波器曲线、不含单音干扰曲线对比

由图12可见，添加了LMS滤波器的误码率曲线相比没有使用滤波器的曲线下将迅速，更接近不含单音干扰时的误码率曲线，说明LMS滤波器具有良好的抗窄带干扰功效。但是LMS滤波器的步长太小收敛速度较慢，但如果取大的步长，滤波纠错的能力又降低，因此使用LMS滤波器时要多几次测试步长，权衡收敛速度和滤波效果。

(2)RLS最小递推二乘滤波器

使用RLS Filter模块进行窄带干扰抑制仿真。将RLS滤波器添加在解扩之前，滤波器输入信号为含有高斯白噪声，和中心频率为50Hz、幅度1V的单音干扰的信号，滤波器的期望信号为通过高斯信道但不含单音干扰的信号。RLS滤波器长度为64，遗忘因子为1，初始权值为0。用仿真得到的误码率绘制直扩频系统含50Hz、1V单音干扰时，使用RLS滤波器后不同信噪比下的误码率曲线如图13所示，与之前不使用滤波器的误码率曲线、不含单音干扰的曲线作对比。由图13可见，添加了RLS滤波器后，误码率曲线下将迅速，很接近不含单音干扰的曲线，说明RLS滤波器具有良好的抗窄带干扰功效。但是仿真过程耗时较长，使用RLS滤波器后速度明显比使用LMS滤波器要慢，可见RLS滤波器的计算较为复杂。

图13 50Hz、1V单音干扰使用RLS滤波器、不使用滤波器曲线、不含单音干扰曲线对比

(3)LMS滤波器与RLS滤波器效果对比

将LMS、RLS滤波器的关于50Hz、1V单音干扰抑制的误码率曲线，与不使用自适应滤波器的50Hz、1V单音干扰误码率曲线，和不含单音干扰的误码率曲线，如图14对比。由图14可见对50Hz、1V的单音干扰，使用两种滤波器后误码率都比不使用滤波器时降低很多，都达到了抗窄带干扰的效果。但是通过仿真分析可知：(1)RLS滤波器的误码率更低，比LMS滤波器的误码率曲线更接近不含单音干扰的曲线，可见RLS滤波器的干扰抑制效果更好，但是使用RLS滤波器后仿真时间较长，其仿真速度明显比使用LMS滤波器时慢很多，可见其计算较复杂。(2)LMS滤波器仿真较快，但是其收敛速度与步长参数有关，当步长较大时收敛速度快，但同时滤波效果变差，当步长较小时滤波效果好但收敛速度又变慢，因此需要多测试几组参数来权衡步长大小与滤波效果。

图14 使用LMS、RLS滤波器误码率曲线与不使用滤波器曲线、不含单音干扰曲线对比

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。通过仿真研究了使用自适应滤波器进行扩频窄带干扰抑制性能增益和输出端信噪比的关系，仿真结果表明，在DSSS的干扰容限内，DSSS通信系统具有一定的抗干扰能力。针对较强的窄带干扰，自适应滤波技术LMS和RLS都可以达到抗窄带干扰的效果。在相同误码率下，RLS抑制窄带干扰的能力比LMS强，但是需要较大的复杂度仿真时间长。

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

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(责任编辑：王谦)

Simulation of Interference Suppression of Direct Spread Spectrum Communication System Based on Simulink

WANG Ling

(Science and Technology School，Communication University of China，Beijing100024，China)

The visual simulation tool Simulink provided by Matlab is used to build transmitter module and receiver module of DSSS communication system and the narrow-band interference in different carrier frequency and amplitude is added to the AWNG channel.The relationship among BER，SNR and spreading gain of DSSS system is researched by means of every waveform and spectrum transformation diagram in the transmission process. When theNarrow-Band Interference overstep the tolerance of the DSSS system，we can use the adaptive filter such as LMS(Least Mean Square)filter and RLS(Recursive Least Square)filter to improve suppressing Narrow-Band Interference. The simulation confirmed that the adaptive filter has a good effect onNarrow-Band Interference suppression. The RLS filter’s algorithm is complex so its simulation time is long. The LMS filter’sconvergence speed is slow.

direct sequence spread spectrum；Simulink；narrow-band interference；adaptive filter

2015-10-10

王玲(1974-)，女(汉族)，中国传媒大学理工学部信息工程学院副教授.E-mail：wangling@cuc.edu.cn

TN911.4

A

1673-4793(2015)06-0021-07