王林暄，王遇琦，陈卓平 ，张 萌

(1.东南大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210096；2.北京大学医学部 基础医学学院，北京 100191；3.四川大学 计算机学院，四川 成都 610065)

基于Simulink的扩频通信系统抗干扰性能研究

王林暄1，王遇琦2，陈卓平3，张 萌1

(1.东南大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210096；2.北京大学医学部 基础医学学院，北京 100191；3.四川大学 计算机学院，四川 成都 610065)

介绍了扩频通信技术，在MATLAB(Simulink) 平台下建立了扩频通信的仿真模型，并对各个模块的功能进行了阐述。该仿真程序由序列发生器、直接扩频通信系统和正弦波干扰三个部分组成，模拟了直接扩频通信系统遭遇正弦信号干扰的情景，用蒙特卡洛仿真证明了直接扩频通信系统的良好抗干扰性能。

直接序列扩频通信；信噪比；Gold序列；蒙特卡洛仿真

0 引言

扩展频谱的原理是将信号的频谱扩展至很宽的频带。扩频通信系统则是将基带信号的频谱通过某种调制扩展到远大于系带信号带宽的系统中去，在接收端使之恢复为窄信号。为了增强相关器所输出的信号/干扰比，降低信号通频带内的干扰，利用干扰信号与扩频信号不相关的性质，把信号扩展到一个高带宽的频带上，从而提高扩频通信系统信号的鲁棒性，特别是提高对有意干扰的抵抗能力。因为这类干扰的带宽通常比较窄，对被扩展之后的宽频谱信号影响不大。

本文利用MATLAB(Simulink)软件对扩频系统中的序列发生器、扩频系统及传输环境中的正弦干扰进行了模拟，验证了直接扩频方法的正确性，为扩频通信系统日后在相关领域的应用和研究提供了依据。

1 基础理论

1.1 基本原理

香农公式(ShannonEquation)中所体现的信道传输容量与信噪比以及带宽的关系为：

C=B×log2(1+S/N)

式中：C代表信息传输的速率，即信道的传输容量；S/N代表信道内信息传输的信噪比；B代表传输信号的频带宽度。

从式(1)中很容易看出：为了提高信息的信道的容量C，可以通过两种途径实现，既可以选择放大带宽B,也可以增大信噪比S/N[1]。易见，B与C成正比，而C与S/N成对数关系。因此，增加传输信号的频带宽度(B)比增加信噪比(S/N)对提高传输速度更有效。

1.2 直接序列扩频系统

直接序列扩频系统中是用一组伪代码代表信息码元去调制载波。一般来说可以采用任何一种调制方式，最常用的方式是2PSK[2]。

直接扩频系统的信码与频率较高的伪码做模2加法，完成对信源的扩频。然后经过调制(变频)后送入信道传输。信号在接收端被恢复为信码序列，是通过将接收到的扩频信号进行高放和混频处理使之与信码的相关程度远大于噪声。之后再用与发射端一样的伪码序列解扩扩频调制信号[1]。传输过程中出现的干扰信号经过混频解扩后仍为宽频信号，原本的所需信号经过混频解扩后就变成了只受信码调制的窄频信号，进行解调后得到需要的传输信息。完整流程见图1。

图1 直扩通信系统原理图

图3 Gold序列产生器模块

1.3Gold序列

Gold序列是由A、B两个m序列进行模2加运算生成的[3]。通过调整m序列B的初始状态，可以得到不同的Gold序列，由于总共有m-1个不同的相对移位，加上原有的两个m序列，可以产生共m+1个Gold序列。Gold序列是由两个m序列相加生成的，因此是一种基于m序列的序列，其产生的序列数更多，继承了m序列自相关较强的优点。同时Gold码的互相关性比m序列要好。Gold序列产生的过程可参考图2所示的电路描述。

图2 Gold序列生成电路的结构示意图

1.4Simulink

Simulink作为MATLAB中的一个系统环境建模、仿真、分析的软件被广泛地用于各类电路及系统的模拟仿真[4]。使用者可以灵活地控制Simulink采样速率，因为它可以在连续、离散或两者混合的采样时间上进行建模，从而根据使用者的需要，在系统各部分采用不同的采样速率。Simulink避免了大量的编程语言书写，其框图模式简单直观，因此对于接触科研及实验环境较少的本科生而言，使用Simulink是一种在保障一定精确度的情况下快速搭建复杂实验模型的高效工具。

2 直扩系统抗干扰实验的建立

2.1Gold序列产生器模块

Gold序列发生器模块的Simulink仿真模型如图3所示。

Gold序列发生器(GoldSequenceGenerator)：其本质是将两条速率与码长均相等的m序列模2加。序列1的本原多项式为[1 0 0 0 0 1 1]，序列2的本原多项式为[1 1 0 0 1 1 1]，采样间隔为0.01s。

单极—双极转换器(UnipolartoBipolarConverter)：用于将单极性码变为双极性码。

零阶采样保持(Zero-OrderHold)：保持采样时间的一致，确保频谱仪和Simlink空间的正常工作。时间间隔上，零阶采样保持1取0.01s，零阶采样保持2取0.001s。

频谱示波器(SpectrumScope)：生成Gold序列频谱波形图。

返回工作空间(ToWorkspace)：提取Gold序列发生器模块的输出结果，以便对其进行调用以及求解相关函数。

PN序列生成器：(PNSequenceGenerator)：产生伪随机二进制码。

该部分参考图2中Gold序列产生的原理，设置两个m序列的初始系数，实现Gold发生器模型的搭建，并可通过频谱仪观察所产生序列的波形，将其与理想波形对比以验证其正确性[5]。

2.2 直接扩频通信系统模块

直接扩频通信系统模块的Simulink仿真模型如图4所示。

随机整数发生器(RandomIntegergenerator)：作为模拟通信系统的信号源，可以通过对采样时间、初始状态的自由设置随机产生二进制序列，从而生成扩频通信系统所需的信源。

DSSSSystem(Out)：Gold序列产生器模块的输出信号。

基带M-PSK调制器(M-FSKModulatorBaseband)：对扩频信号进行2-FSK调制。

基带M-PSK解调器(M-FSKDemodulatorBaseband)：对接收信号进行2-FSK解调。

加性高斯白噪声(AWGNChannel)：相当于在信道中添加白噪声。在Simulink的AWGNChannel模块中，可调节信号功率和信噪比[6]。

误码仪(ErrorRateCalculation)：通过两个端口分别采集发射机输出端与接收机输出端发出的信号，比较经过编解码和信道传输后的错误编码出现频率[1]。端口(Tx)接收发送方的输入信号，端口(Rx)接收接收方的输入信号。

示波器(Scope)：观察波形。

乘法器(Product)：对输入的二进制序列进行乘法运算。

系统在Product处与Gold序列发生器产生的序列做乘法(模2加)运算完成扩频，扩频信号经2-FSK调制后发射，途中有AWGN模块模拟传播途中加入的白噪声，解调后在Product3处再次与相同的伪码序列做乘法实现解扩。最后将接收到的信号与源信号同时输入误码仪比对误码率。

2.3 正弦干扰模块

正弦干扰模块的Simulink仿真模型通过MonteCarlo仿真研究系统抗正弦干扰能力，如图5所示。

图4 直接扩频通信系统模块

图5 Monte Carlo模块

一个随机数发生器(Randomintegergenerator)产生某个二进制信息符号序列，所得到的序列与图5右侧的Gold序列发生器产生的Gold序列相乘，之后将AWGN和正弦波干扰叠加到这个乘积序列上，在Product3处完成解扩，将最后的输出结果输入给检测器，最后再由误码仪计算出检测器输出的结果相较源信号的差错数。同时，编写MATLAB程序，考查信噪比(-20～10)和幅度(3′6′9)的情况，依次设置不同数值，运行模型，记录结果。

3 实验结果与分析

首先对于Gold序列产生模块，由于构成Gold序列的两个m序列都是6位二进制码，其周期为25-1=63。由MATLAB做出的模块中Gold序列相关性函数可发现，其在63处幅值较大，说明相关性较强；而在其他地方幅值较低且接近0，说明相关性很低。图6展示了Gold序列频谱函数的波形图,可见其形状近似Sa函数的2次幂，与查阅到的Gold序列理想频谱图形状吻合[7-8]。

图6 图Gold序列相关性函数

其次，对于直接扩频通信系统模块。在630s内，图4中误码仪的显示器(Display)所显示的数字为0(这里由于版面对图片颜色的要求无法直接呈现)，这表明该模拟直扩通信系统在15dB信噪比的信道环境中传输时出现错误的概率趋于0，可见具有较好的抗干扰性。图7则是直扩通信系统模块中示波器中的波形图，上下两行波形分别为扩频前后的双极序列，即发射的信码序列和接收到的信码序列，可以看出两个序列保持一致。

图8是MonteCarlo模块在应对不同幅值正弦信号干扰时的误码率曲线。可以看到提高信噪比对降低误码率具有非常强的影响，当信噪比大于零时，系统出错的概率非常小，低于10-3的向前纠错阈值。

图7 图示波器波形图

图8 Monte Carlo模块正弦波多幅值误码率

4 结论

本文对扩频通信技术中直接扩频的原理与方法进行了介绍，通过MATLAB(Simulink)这一框图仿真软件，建了直接扩频通信系统仿真模型，给出了各个模块构建的思路和可视化模型图，并对仿真的结果进行了分析，证明了该仿真模型的正确性。通过本次建模仿真，模拟了直接扩频通信系统的被干扰环境，证明了直接扩频通信系统对正弦干扰具有较强的抗干扰能力，并且可以通过增大信噪比来提高信道的容量及传输准确性(抗干扰性)，为直接扩频通信系统可以有效应用于对保密和抗干扰性能有较高要求的领域提供了有效证据。

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[2] 樊昌信，曹丽娜. 通信原理(第6版)[M]. 北京：国防工业出版社, 2007.

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[5] 陈海龙, 李宏. 基于MATLAB的伪随机序列的产生和分析[J]. 计算机仿真, 2005, 22(5):98-100.

[6] 李湧, 唐晓泉, 韩崇昭,等. 限带模拟白噪声发生器设计[J]. 电子产品世界, 2000(5):33.

[7] 梁彪. 射频识别系统关键技术及其应用研究[D]. 南京：东南大学, 2009.

[8] 潘虎.Simulink/Stateflow组态开发和仿真原理的分析与研究[D]. 成都:电子科技大学, 2011.

Research on integrated navigation system of GPS/SINS/Odometer

WangLinxuan1，WangYuqi2，ChenZhuoping3，ZhangMeng1

(1.SchoolofElectricScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China; 2.SchoolofBasicMedicalScience,PekingUniversity,Beijing100191,China; 3.CollegeofComputerScience,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)

Thispaperintroducesamethodofspreadspectrumcommunication,andestablishesasimulationmodelofdirectspreadspectrumcommunicationonMATLAB(Simulink)anddescribesfunctionsofeachpartofthemodel.Threeparts,Goldsequencegenerator,directspreadspectrumcommunicationsystemandsinusoidalsignalinterferenceareincludedintheSimulinksystem.Thesethreepartssimulatedirectspreadspectrumcommunicationsysteminreallife,usingMonteCarlosimulationtoimitatethesituationwhendirectspreadspectrumcommunicationsystemencounterssinusoidalinterferenceanddemonstratesitsinterferenceimmunity.

directspreadspectrumcommunicationsystem;signal-noiseratio;Goldsequence;MonteCarlosimulation

TN

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.018

王林暄，王遇琦，陈卓平,等. 基于Simulink的扩频通信系统抗干扰性能研究[J].微型机与应用，2016,35(22)：68-71.

2016-08-09)

王林暄(1995-)，男，本科在读，主要研究方向：通信与数字信号处理。

王遇琦(1994-)，男，本科在读，主要研究方向：生物芯片。

张萌(1964-)，男，研究员，主要研究方向：通信与数字信号处理。