周风波　黄乘顺

(邵阳学院　邵阳　422000)



直接序列扩频通信系统仿真研究*

周风波黄乘顺

(邵阳学院邵阳422000)

直接序列扩频通信系统具有抗干扰性强、隐蔽性好、易于提高信号接收质量、抗多径干扰、增加信道容量等众多优点，在蜂窝电话、无线数据通信、卫星通信以及军事战术通信等领域得到广泛应用。论文以扩频通信理论为基础，分析了伪随机序列，并用Matlab对直接序列扩频通信系统进行了仿真分析。

直接序列扩频通信;伪随机序列

Class NumberTP391

1　引言

扩频通信 (Spread Spectrum Communication),与卫星通信、光纤通信一同被誉为信息时代的三种高技术通信手段[1]。扩频通信系统工作原理:发送端用某种特定的扩频函数对传输信息的频谱进行扩展后变为宽频带信号，然后送入信道进行传输，接收端则用对应的本地伪随机码进行解扩处理,从而获取发送端的传输信息。在扩频通信中,由于扩频后的扩频码序列的带宽远大于扩频前的信息序列带宽，因此调制信号的带宽主要由扩频信号来决定，一般使用伪随机编码信号作为扩频函数。

扩频通信系统与常规通信系统相比，具有很多独特的优点：抗干扰能力强，发射功率谱密度低，具有信息隐蔽、多址保密通信等特点[2]。扩频通信系统一般分为四种：直接序列扩频、跳频、跳时和混合扩频。本文研究直接序列扩频通信系统。

2　直接序列扩频通信系统

2.1直接序列扩频通信系统原理

图1为直接序列扩频通信系统的发送框图，图2为直接序列扩频系统的接收框图。在发送端，a(t)为码元持续时间为Ta的信息流，c(t)为伪随机码发生器产生的伪随机码，每一个伪随机码的长度为Tc，将信息流a(t)和伪随机码c(t)进行模2相加，产生带宽远大于信息序列a(t)带宽的扩频序列，然后再对扩频序列进行调制得到已扩频调制的射频信号，发送到无线信道中。在接收端，对接收的扩频信号进行高放和混频，然后用与发送端相同的伪随机序列进行相关的解扩处理，再进行解调，从而恢复出所传输的信息序列a(t)。对于噪声和干扰信号，由于与伪随机序列具有不相关性，在对其进行解扩处理，导致干扰信号和噪声频谱被扩展，从而降低了谱密度，因此极大地降低了对信号的干扰功率，使得解调器的输入信噪比的信干比得到提高，极大地提高了直接序列扩频系统的抗干扰能力[5]。

图1　直接序列扩频通信系统发送框图

图2　直接序列扩频系统接收框图

2.2直接序列扩频通信的性能分析

直接序列扩频通信系统的理论基础来自信息论，可以用香农信道容量公式描述：

C=Wlog2(1+S/N)

其中，C表示信道容量，W为信号带宽，S表示信号功率，N为噪声功率。

香农公式表明，在给定的传输速率不变的条件下，可以通过增大传输信号的带宽，从而可以在信噪比较低的条件下进行信息的传输。扩频通信系统就是利用这一原理，在相同的信噪比条件下，与常规通信系统相比，具有很强的抗干扰能力。

直接序列扩频通信系统的一个重要参数是处理增益。处理增益定义为接收相关处理器输出信噪比与输入信噪比之比值，即：

经过分析可知，

处理增益可以反映直接序列扩频通信系统抗干扰能力的强弱，因此，提高直接序列扩频通信系统的处理增益，可以提高系统的抗干扰能力。

直接序列扩频通信系统的另一个重要参数是干扰容限。干扰容限是指在确保扩频系统正常工作的情况下，接收机可以接受的干扰信号比传输信号高出的分贝值，用Mj表示：

其中，S/N表示系统正常工作所需的最小输出信噪比，Gp表示系统的处理增益，LS表示系统的内部损耗。

干扰容限直接反映了直接序列扩频通信系统的极限干扰强度，因此只有干扰信号的功率超过干扰容限时，才能够对直接序列扩频系统形成干扰。因此，与处理增益相比，干扰容限能够更准确地反映直接序列扩频系统的抗干扰能力。

3　伪随机序列

在直接序列扩频通信系统中，使用扩频码对传输信号进行频谱的扩展。扩频码需要满足以下条件：具有随机性，容易产生，具有较长的周期，从而避免干扰者从扩频码的一小部分重构整个扩频码序列，同时具有良好的自相关性和互相关性，从而便于捕获和跟踪。

一般常用的扩频码序列有m序列和gold序列。

3.1m序列

m序列易于实现，具有良好的自相关特性，是非常重要的一种伪随机序列。m序列是一种最长线性移位寄存器序列，是由移位寄存器以及反馈后产生的，如图3所示。

图3　反馈移位寄存器机构

图3中an-i(i=1,2,3,…,r)表示移位寄存器中每个寄存器的状态，取值为0或者1，ci(i=1,2,3,…,r)表示第i位寄存器的反馈系数，若ci为0则表示无反馈，ci为1表示有反馈。

m序列的主要特点有：

1)均衡性

周期为N的序列中，1的个数为2N-1，0的个数为2N-1-1，从而1的数目比0的数目多一个，根据这一性质，得到码序列调制信号的直流分量将决定于码的均衡性。

2)移位相加性

一个序列与经过m次延迟移位得到的另一个序列进行模2相加，产生的序列仍然是原来序列的m次延迟移位序列。

3)伪随机性

m序列的性质与随机序列的特征很相似，因此我们把m序列看做一种常用的伪随机序列。

4)周期性

m序列的周期是2r-1，其中r表示移位寄存器的反馈级数。

5)相关特性

m序列的自相关函数的取值只有1和-1/N两种。

3.2Gold序列

Gold码是一种优选对的复合码，它是由两个速率相同，长度一样，但码字不相同的m序列优选对进行模2相加后产生的，从而具有良好的自相关特性和互相关特性。Gold码序列继承了m序列的很多特征，但是可用码的数目又远多于m序列，是种很好的伪随机序列。

Gold码可以通过两个方式产生：一种方式是将两个移位寄存器并联后进行模2相加产生，另一种方式是将两个优选对的移位寄存器串联成2r级的线性移位寄存器产生。

4　仿真分析

在Matlab平台下，仿真参数设置如下：码元速率为256ksps，使用QPSK调制方式，对应的比特速率为512kbps，采用的扩频码为m序列和Gold序列，扩频码阶数设为3，扩频因子设为7，信道模型为加性高斯白噪声信道。

图4　直接序列扩频系统采用不同扩频序列的性能仿真

图4为直接序列扩频通信系统在高斯信道下采用不同扩频序列的性能仿真曲线，由图可知，随着信噪比的提高，误码率逐渐减低，且在高斯信道下，系统采用m序列和Gold序列的性能相似，由于系统的性能与扩频增益和扩频码速率有关，因此，在实际运用中，应该根据系统的不同要求来选择不同的扩频码序列。

5　结语

本文研究了直接序列扩频通信原理，分析常用的m序列和Gold扩频序列，研究扩频处理增益和干扰容限对系统性能产生的影响,在高斯信道下使用不同扩频码对系统的性能进行仿真研究,为今后直接序列扩频通信系统在各个领域的应用和研究提供了依据。

[1]曾一凡，李辉.扩频通信原理[M].北京：机械出版社，2005.

[2]韦惠民.扩频通信技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007.

[3]曾兴雯,刘乃安,孙献璞.扩展频谱通信及其多址技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.

[4]AJViterbi著,李世鹤,鲍刚等译.CDMA扩频通信原理[M].北京:人民邮电出版社,1997.

[5]康丽，邵玉斌.直接序列扩频系统抗干扰性能研究[J].上海应用技术学院学报:自然科学版，2006，6(3)：212-215.

[6]S.Spinsante,S.Andrenacci,E.Gambi.Modified de Bruijn Sequences for Spread Spectrum Communications[C]//IEEE Conference Publications,2011:1-9.

[7]Zhang Zhong.Pseudo-code Tracking Technology in Spread Spectrum Communication[C]//IEEE Conference Publications,2012:331-333.

[8]张欣.扩频通信数字基带信号处理算法及其 VLSI 实现[M].北京：科学出版社，2004.

[9]程乐.基于 FPGA 的直扩接收机伪码同步跟踪技术的研究[D].成都:成都理工大学,2009.

[10]孙丽萍,胡光锐.直接序列扩频通信中抑制窄带干扰的非线性滤波方法明[J].上海交通大学学报(自然科学版),2003,37(3):338,340.

Direct Sequence Spread Spectrum Communication System

ZHOU FengboHUANG Chengshun

(Shaoyang University,Shaoyang422000)

The direct sequence spread spectrum communication system has many advantages,including strong anti-interference,good for hiding,easy to improve signal reception,anti-multipath interference,and increasing channel capacity.So it is widely used in various areas,such as cellular phone,wireless data communication,satellite communications and military tactical communications.Based on spread spectrum communication theory,the direct sequence spread frequency communication is simulated by using Matlab function.

direct sequence spread spectrum system(DSSS),pseudo-random sequence

2016年3月17日,

2016年4月25日

周风波,男,工程师,研究方向：通信与信息处理。黄乘顺,男,副教授,研究方向：通信与信息处理。

TP391DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.018