基于Simulink的直扩通信干扰建模与分析*

邵正途，张 路，陈 鹏，邓 静，周 艳

（空军预警学院，湖北 武汉 430019）

0 引 言

直接序列扩频（以下简称直扩）通信是通过在发送端对基带数据进行频谱扩展，在接收端进行相关接收的通信系统。直扩通信技术具有非常灵活的信道分配能力、较好的保密性以及较强的抗多径和抗干扰能力，被广泛地应用于民用通信、军用通信以及卫星通信等领域，对其干扰性能的研究具有显著的现实意义[1]。文献[2-3]对直扩系统的干扰效能利用相关误码率经验公式对其干扰效能进行分析，但公式推导复杂，难于理解。文献[4-5]利用Simulink对直扩系统的正弦信号窄带干扰效果进行了研究，但对宽带干扰等其他干扰样式没有进行相应的建模与分析。

本文利用MATLAB（Simulink）软件对直扩系统以及单频干扰、宽带干扰、梳状干扰以及扫频干扰进行建模和仿真分析，构建了直扩系统干扰分析平台，并与常规通信系统的输出误码率进行比较，为扩频通信系统干扰相关领域的应用和研究提供支撑。

1 基于Simulink的PN序列直扩系统模型

PN序列（Pseudo-Noise Code）直扩系统采用高速伪随机码作为扩频码在发送端进行扩频，从而使频带较窄的原始信号扩展为频带较宽的信号，在接收端用相同的伪随机码进行解扩，恢复出原始信号。直接序列扩频信号的类型有很多种，最常用的方式是二进制相移键控。利用Simulink工具建立直扩二进制相移键控（Direct Sequence Binary Phase Shift Keying，DS-BPSK）通信系统模型如图1所示[6]，模型中使用伯努利二进制序列数作为信息源，使用PN码作为扩频码，调制载波使用BPSK方式，部分理想化信道和同步。

图1 基于Simulink的DS-BPSK通信系统模型框图

图1 中主要模块说明：

伯努利二进制发生器（Bernoulli Binary Generator），用以产生｛0，1｝序列码，码速1 kbit/s。

PN序列产生器（PN Sequence Generator），用以产生m序列，模型中设为8阶m序列，初始状态设置为[00000001]，码速255 kbit/s。

极性转换器（Unipolar to Bipolar Converter），用以将单极性码｛0，1｝码转换为｛-1，1｝的双极性码。

正弦信号（Sine Wave），作为载波信号，设为幅度1，频率500 kHz。

高斯白噪声信道（AWGN Channel），模拟高斯信道，默认信噪比SNR为10 dB。

干扰（Jamming），用以产生干扰信号，具体产生方法见第2节。

模拟滤波器（Analog Filter Design），设置为一阶低通滤波器。

误码仪（Error Rate Calculation），计算输出误码率。

信源信号经扩频和BPSK调制后的频谱如图2所示。

图2 信源信号经BPSK直扩调制后的频谱

可以看出，信源信号频谱从1 kHz扩展到了255 kHz，扩频倍数等于扩频码的速率，即8阶m序列的周期255倍。

2 基于Simulink的噪声干扰建模

2.1 音频干扰

音频干扰在频谱上表现为单/多个频点上的强干扰信号，产生该干扰信号的表达式为：

当n=1时，即为单频窄带干扰信号，在仿真中，可以用多个不同载频的正弦波叠加产生该干扰信号，由此建立该干扰信号的仿真模型如图3所示。

图3 音频干扰模型

音频干扰信号频谱如图4所示。

2.2 宽带干扰

宽带干扰通常采用调频制宽带干扰[7]，表达式为：

图4 音频干扰信号频谱

由此数学模型，利用低通滤波后的高斯噪声对压控振荡器进行控制，建立宽带噪声信号仿真模型如图5所示。

图5 宽带干扰模型

宽带干扰频谱仿真结果如图6所示，可以看出，经过低通滤波器得到的带宽为25 kHz的高斯噪声信号经过调频调制后，所得干扰信号带宽得到了很大的展宽，带宽约为200 kHz。

图6 宽带干扰信号频谱

2.3 梳状干扰

梳状干扰是干扰频带呈梳形的干扰信号，仅落入这此频带内的通信信号受干扰，干扰频带可为固定的或移动的。扫频干扰表达式为：

可以利用等间隔的窄带干扰信号相叠加来获得梳状干扰信号，由此建立梳状干扰信号的仿真模型如图7所示。

图7 梳状干扰模型

梳状干扰信号频谱如图8所示，可以看到干扰信号频谱在干扰频段上呈现梳形，符合干扰需要。

图8 梳状干扰信号频谱

2.4 扫频干扰

扫频干扰利用一个相对较窄的窄带信号在一定的周期内，重复扫描某个较宽的干扰频带，信号表达式为：

由此数学模型，采用锯齿波宽带调频和噪声窄带调频结合的方式，建立扫频干扰仿真模型如图9所示。

图9 扫频干扰模型

扫频干扰信号频谱（某一时刻）如图10所示，可以看到在干扰信号瞬时频谱为窄带，符合干扰需要。

图10 扫频干扰信号频谱

3 直扩系统干扰性能分析

利用上节建立的音频干扰、宽带干扰、扫频干扰以及直扩系统仿真模型。音频干扰仿真参数：单频频点：500 kHz。宽带干扰仿真参数：中心频率：500 kHz；高斯噪声均值：0；高斯噪声方差：1；噪声滤波宽度：75 kHz；调频灵敏度：80 kHz/V。梳状干扰仿真参数：频点1：255 kHz；频点2：382.5 kHz；频点 3：500 kHz；频点 4：637.5 kHz；频点5：765 kHz；高斯噪声均值：0；高斯噪声方差：1；噪声滤波宽度：63.75 kHz。扫频干扰仿真参数：扫频频带：0～1 MHz；高斯噪声均值：0高斯噪声方差：1；噪声滤波宽度：25 kHz；调频灵敏度：51 kHz/V，扫频周期：0.5 s。分别在不同干信比条件下，对DS-BPSK和BPSK系统进行干扰误码率测试，得到仿真结果如图11所示。

图11 不同干信比条件下DS-BPSK和BPSK系统的干扰性能对比

根据误码率仿真结果可以看出，在误码率0.1的水平下，单频干扰DS-BPSK相对BPSK系统增益大约为40 dB，说明直扩系统对单频干扰具有较好的抗干扰效果。宽带干扰信号大约为5 dB，梳状干扰信号大约为8 dB，说明直扩系统针对带宽更宽的干扰和梳状信号效果并不是特别理想。而在扫频干扰情况下，普通系统的误码率反而要低于直扩系统，在误码率0.1水平时，相差较大（60 dB）。原因是直扩系统的信源带宽被扩展占据了更大的带宽，会更多的受到扫频干扰的影响。但是当扫频干扰的频带能够精确瞄准信号频带时，即能体现直扩系统的抗干扰性能。

4 结 语

本文通过Simulink仿真软件，建立了直扩通信系统以及各种噪声干扰的可视化仿真模型，给出了各个模块构建的思路和可视化模型图，对不同干信比条件下系统输出误码率进行仿真分析。通过仿真，研究了各种干扰信号对直扩系统的干扰性能，并与普通通信系统进行对比，得出直扩系统的性能增益。仿真结果表明，建模方法简洁有效，易于调整模型参数观察仿真结果，避免复杂的公式推导，所建模型可用于直扩系统干扰性能评估和通信对抗类课程教学中。