直接序列扩频通信系统毕业论文设计和仿真实现

中北大学分校学士学位论文

【摘要】直接序列扩频通信系统（DS-CDMA）因其抗干扰性强、 隐蔽性好、易

于实现码分多址（CDMA）、抗多径干扰、直扩通信速率高等众多优点，而被广泛应用于许多领域中。针对频通信广泛的应用，本文用MATLAB工具箱中的SIMULINK通信仿真模块和MATLAB函数对直接序列扩频通信系统进行了分析和仿真，使其更加形象和具体。

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目 录

【摘要】 ....................................................................... I 【ABSTRACT】 ................................................. 错误！未定义书签。 1.引言 ......................................................................... 1 1.1 直序扩频系统的应用背景 ................................................... 1 1.2 直序扩频系统的特点 ....................................................... 2 1.3 直扩系统的发展 ........................................................... 3 2．CDMA数字蜂窝移动通信的介绍 ................................................. 4 2.1 CDMA简介 ................................................................. 4 2.1.1 CDMA技术背景 ......................................................... 4 2.1.2 几种常见的CDMA技术 .................................................. 4 2.1.3 CDMA的特点 ........................................................... 4 2.2 CDMA通信技术的基本原理 .................................................. 5 2.2.1 CDMA通信技术的基础 ................................................... 5 2.2.2 CDMA通信技术的基本原理 ............................................... 6 2.3 CDMA的应用前景 ........................................................... 6 3. 扩频码序列 .................................................................. 7 3.1 码序列的相关性 ........................................................... 7 3.2 M序列 .................................................................... 8 3.3 GoId码序列 .............................................................. 11 4．直接序列扩频通信技术 ....................................................... 13 4.1直接序列扩频的概念及理论基础 ............................................ 13 4.1.1 直接序列扩频的概念 .................................................. 13 4.1.2 扩频通信的理论基础 .................................................. 13 4.1.3扩频增益和抗干扰容限 ................................................. 14 4.2 直接序列扩频的基本原理 .................................................. 15 4.3 直扩系统的性能 .......................................................... 18 4.3.1 直扩系统的抗干扰性 .................................................. 18

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4.3.2 直扩信号的抗截获性 .................................................. 19 4.3.3 直扩码分多址通信系统 ................................................ 19 4.3.4 直扩系统的抗多径干扰性能 ............................................ 20 4.3.5 直扩测距定时系统 .................................................... 20 4.4扩频序列通信系统的同步原理 .............................................. 20 5. 直接序列扩频通信系统的MATLAB仿真 .......................................... 21 5.1 MATLAB的基本操作 ....................................................... 22 5.2 Simulink仿真技术 ....................................................... 23 5.2.1 Simulink窗口环境 .................................................... 23 5.2.2功能模块的连接及设置 ................................................ 24 5.2.3 Simulink对通信系统的仿真 ............................................ 27 5.3 MATLAB源程序设计 ....................................................... 32 【参考文献】 .................................................................. 40 【致 谢】 .................................................................... 41 【附录】 ...................................................................... 42 英文文献 .................................................................... 42 中文文献 .................................................................... 46

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1. 引言

1．1 直序扩频系统的应用背景:

直接序列扩频(DSSS— Direct Sequence Spread Spectrum)技术是当今人们所熟知的扩频技术之一。这种技术是将要发送的信息用伪随机码（PN码）扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信息。

它是二战期间开发的，最初的用途是为军事通信提供安全保障, 是美军重要的无线保密通信技术。这种技术使敌人很难探测到信号。即便探测到信号，如果不知道正确的编码，也不可能将噪声信号重新汇编成原始的信号。有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员Hedy Lamarr 和钢琴家George Antheil提出的。基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路，他们申请了美国专利#2.292.387。不幸的是，当时该技术并没有引起美国军方的重视，直到十九世纪八十年代才引起关注，将它用于敌对环境中的无线通信系统。

直序扩频解决了短距离数据收发信机、如：卫星定位系统(GPS)、3G移动通信系统、WLAN (IEEE802.11a, IEEE802.11b, IEE802.11g)和蓝牙技术等应用的关键问题。扩频技术也为提高无线电频率的利用率(无线电频谱是有限的因此也是一种昂贵的资源)提供帮助。

直序扩频通信系统的工作原理如图1-1所示。

在发端输入的数字信号信息，先由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱，扩频码序列一般采用PN码。展宽后的信号再调制到射频发送出去。调制多采用BPSK、DPSK、MPSK等调制方式。

在接收端收到的信号进行解调（一般采用相干解调）。然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。恢复成原输入的信息输出。

信息 扩 频 射频调制 伪 码 射频发生器 信息 扩频解调 解调 本地伪码 本地射频 发生器 图1-1 扩频通信工作原理

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由此可见，—般的扩频通信系统都要进行两次调制和相应的解调。一次调制为扩频调制，二次调制为射频调制，以及相应的解扩和射频解调。

与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。

1．2 直序扩频系统的特点:

1.直序扩频通信系统的优点： 1）抗干扰性强

抗干扰是扩频通信主要特性之一，比如信号扩频宽度为100倍，窄带干扰基本上不起作用，而宽带干扰的强度降低了100倍，如要保持原干扰强度，则需加大100倍总功率，这实质上是难以实现的。因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰，在不知道信号的扩频码的情况下，由于不同扩频编码之间的不同的相关性，干扰也不起作用。正因为扩频技术抗干扰性强，美国军方在海湾战争等处广泛采用扩频技术的无线网桥来连接分布在不同区域的计算机网络。 2）隐蔽性好

因为信号在很宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低，信号淹没在白噪声之中，别人难以发现信号的存在，加之不知扩频编码，很难拾取有用信号，而极低的功率谱密度，也很少对于其他电讯设备构成干扰。 3）易于实现码分多址（CDMA）

直扩通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，是否浪费了频段？其实正相反，扩频通信提高了频带的利用率。正是由于直扩通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码作相关解扩才能得到，这就给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性，分配给不同用户不同的扩频编码，就可以区别不同的用户的信号，众多用户，只要配对使用自己的扩频编码，就可以互不干扰地同时使用同一频率通信，从而实现了频率复用，使拥挤的频谱得到充分利用。发送者可用不同的扩频编码，分别向不同的接收者发送数据； 同样，接收者用不同的扩频编码，就可以收到不同的发送者送来的数据，实现了多址通信，提高了频谱利用率。另外，扩频码分多址还易于解决随时增加新用户的问题。

4）抗多径干扰

无线通信中抗多径（发射的信号经多条不同路径传播）干扰一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性，在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。

5）直扩通信速率高

直扩通信速率可达 2M，8M，11M，无须申请频率资源，建网简单，网络性能好。 6）有很强的保密性能。

对于直扩系统而言，射频带宽很宽，谱密度很低，甚至淹没在噪音中，就很难检查到信号的存在。由于直扩信号的频谱密度很低，直扩系统对其它系统的影响就很小。

2.直扩通信系统的不足：

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三角形。?0为脉冲宽度。而其它延迟时，自相关函数值为－1/7, 即码位长的倒数取负值。

f（t） t ???? f（t-?） t ? ? （a）

（b）

f（t） 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 t 当码长取得很大时，它就越近似于图3-1(b)中所示的理想的随机噪声的自相关特性。自???? ????然这种码序列就被称为伪随机码或伪噪声码。由于这种码序列具有周期性，又容易产生，它就是下面即将介绍的m序列，成为直扩系统中常用的扩频码序列。 扩频码序列除自相关性外，与其他同类码序列的相似性和相关性也很重要。例如有许多f（t-?） 用户共用一个信道，要区分不同用户的信号，就得靠相互之间的区别或不相似性来区分。换 句话说，就是要选用互相关性小的信号来表示不同的用户。两个不同信号波形f(t)与g(t)

之间的相似性用互相关函数来表示： t ? 222如果两个信号都是完全随机的，在任意延迟时间 t 都不相同，则上式为0。如果有一定

（d） 的相似性，则不完全为0c。两个信号的互相关函数为0，则称之为是正交的。通常希望两个信（）

??c???? 1?limT??T?T/2?T/2ft?t?g?t???（3-2） ? ?dt ??0 0号的互相关值越小越好，则它们越容易被区分，且相互之间的干扰也小。

3.2 m序列

图3-1 随机噪声的自相关性

m序列是最长线性移位寄存器序列的简称。二进制的m序列是一种重要的伪随机序列，

有优良的自相关特性。容易产生、规律性强，但其随机性接近于噪声和随机序列。m序列在扩展频谱及码分多址技术中有着广泛的应用，并在m序列基础上还能够成其它码序列，因此无论从m序列直接应用还是从掌握伪随机序列基本理论而言，应该熟悉m序列的产生及其主要特性。

顾名思义，m序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序

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列。在二进制移位寄存器发生器中，若n为级数，则所能产生的最大长度的码序列为2n－1位。

现在来看看如何由多级移位寄存器经线性反馈产生周期性的m序列。 图3-2 (a)为一最简单的三级移位寄存器构成的m序列发生器。

图中Dl、D2、D3为三级移位寄存器，为模二加法器。移位寄存器的作用为在时钟脉冲驱动下，能将所暂存的“1”或“0”逐级向右移。模二加法器的作用为图中(b)所示的运算，即0十0＝0，0十1＝1，1十0＝l，l十1＝0。图(a)中D2、D3输出的模二和反馈为Dl的输入。在图(c)中示出，在时钟脉冲驱动下，三级移位寄存器的暂存数据按列改变。D3的变化即输出序列。如移位寄存器各级的初始状态为111时，输出序列为1110010。在输出周期为23－1＝7的码序列后，D1、D2、D3又回到111状态。在时钟脉冲的驱动下，输出序列作周期性的重复。因7位为所能产生的最长的码序列，1110010则为m序列。

输入 输出 D1 D2 D1 D2 D3 1 1 1 D3 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 输出 0 1 1110010 1 钟脉冲 1 m 序列发生器0 0 （a）三级移位寄存器构成的0 1 0 （c）D1、D2、D3、输入 （b）模二加法器的运算 图3-2 周期性m序列的产生

这一简单的例子说明：m序列的最大长度决定于移位寄存器的级数，而码的结构决定于

反馈抽头的位置和数量。不同的抽头组合可以产生不同长度和不同结构的码序列。有的抽头组合并不能产生最长周期的序列。对于何种抽头能产生何种长度和结构的码序列，已经进行了大量的研究工作。现在已经得到3 -100级m序列发生器的连接图和所产生的m序列的结构。 例如4级移位寄存器产生的15位的m序列之一为111101011001000。同理我们不难得到31、63、127、255、511、l023?位的m序列。

一个码序列的随机性由以下三点来表征：

1. 一个周期内“l”和“0”的位数仅相差1位。

2. 一个周期内长度为 l 的游程(连续为“0”或连续为“l”)占1／2，长度为2的游程占l／4，长度3的游程占l／8。只有一个包含n个“l”的游程，也只有一个包含(n—1)个“0”的游程。“l”和“0”的游程数相等。

3. 一个周期长的序列与其循环移位序列比较，相同码的位数与不相同码的位数相差l

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位。

在m序列中一个周期内“1”的数目比“0”的数目多 l位。例如上述7位码中有4个“1”和3个“0”。在15位码中有8个“l”和7个“0”。

在表3-2中列出长为15位的游程分布。 表3-2 111101011001000游程分布 游程长度（比特） 1 2 3 4 “1”的 游程数 2 1 0 1 游程总数8 “0”的 游程数 2 1 1 0 所包含的比特数 4 4 3 4 合计15

一

般说来，m序列中长为R的游程数占游程总数的l／2k。

m序列的自相关函数由下式计算：

R????A?D， A-“0”的位数；D-“1”的位数 （3-3） A?D1,?????????????????0?? （3-4） ??1?,????????????0??P令p =A + D = 2n －1 则：

R???设n = 3, p = 23 － 1 ＝ 7， 则：

R???,?????????????????0?1? （3-5） ??1?,????????????0?7?它正是图3-1 (d)中所示的二值自相关函数。

m序列和其移位后的序列逐位模二相加，所得的序列还是m序列，只是相移不同而已。例如1110100与向右移三位后的序列1001110逐位模二相加后的序列为0111010，相当于原序列向右移一位后的序列，仍是m序列。

m序列发生器中移位寄存器的各种状态，除全0状态外，其他状态只在m序列中出现一次。如7位m序列中顺序出现的状态为111，110，101，010，100，00l和011，然后再回到初始状态111。 m序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产生m序列。理论分析指出，产生的m序列数由下式决定

F?2n?1?/n （3-6） 其中由F(X)为欧拉数(即包括1在内的小于X并与它互质的正整数的个数)。例如5级移

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位寄存器产生的 31位m序列只有6个。

3.3 GoId码序列

m序列虽然性能优良，但同样长度的m序列个数不多，且序列之间的互相关值并不都好。R2Gold提出了一种基于m序列的码序列,称为Gold码序列。这种序列有较优良的自相关和互相关特性，构造简单，产生的序列数多，因而获得了广泛的应用。

如有两个m序列，它们的互相关函数的绝对值有界，且满足以下条件：

R????1?n2?1,n为奇数?2 （3-7） ??n?1?22?1，n为偶数?不是4的倍数??我们称这一对m序列为优选对。它们的互相关函数如图3-3(实线)，由小于某一极大值的旁瓣构成。

31位自相关 互相关 图3-3 自相关和互相关函数曲线

如果把两个m序列发生器产生的优选对序列模二相加，则产生一个新的码序列，即Gold

序列。

图3－4(a)中示出Gold码发生器的的原理结构图。图中码发生器1和码发生器2为m序列优选对。每改变两个m序列相对位移就可得到一个新的Gold序列。因为总共有2n?1个不同的相对位移，加上两个n级移位寄存器可以产生2n?1个Gold序列。因此，Gold序列数比m序列数多得多。例如n=5，m序列只有6个，而Gold序列数为25?1?33。

码发生器1 钟源 码发生器2 （a）Gold码发生器的的原理结构图 码3（码1?码2）

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1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 （b）两个5级m序列优选对构成的Gold码发生器 图3-4 Gold码发生器的的原理结构图

图3－4(b)中为两个5级m序列优选对构成的Gold码发生器。这两个m序列虽然码长 相同，但相加以后并不是m序列，也不具备m序列的性质。

Gold序列的主要性质有以下几点：

Gold序列具有三值自相关特性，类似图3-3中的自相关与互相关特性。其旁辩的极大值满足上式表示的优选对的条件。

两个m序列优选对不同移位相加产生的新序列都是Gold序列。因为总共有2n－1个不同的相对位移，加上原来的两个m序列本身，所以，两个m级移位寄存器可以产生2n＋1个Gold序列。

采用Gold码族作为地址码，其地址数大大超过了用m序列做地址码的数量，所以Gold码序列在多址技术中，特别是在码序列长度较短的情况下，得到了广泛的应用。

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得提高输出信噪比的好处的。它体现了直扩系统的抗干扰能力。

4.3 直扩系统的性能

4.3.1 直扩系统的抗干扰性

直扩系统最早应用是在军事通信中作为很强抗干扰性的通信手段。直扩系统对窄带干扰、宽带干扰等，都具有抗干扰能力，其抗干扰能力大小就是前面提出的扩频处理增益GP，GP越大，抗干扰能力就越强。下面就来分析直扩系统抗宽带干扰和抗窄带干扰的原理

图4-3为直扩系统抗宽带干扰的示意图。

这里的宽带干扰是泛指的与扩频信号不相关的，在CDMA通信网中，其它用户的信号就是一种宽带干扰。相关处理前，信号频谱是很宽的，经相关处理后，有用信息被解扩，其功率谱集中于信息带宽内，而宽带干扰通过相关器，其功率谱密度基本不变。由于解扩后必然连接窄带滤波器，保证信号能顺利通过，对信号频带之外的各种干扰起到很大的抑制作用，从而提高了输出的信噪比。

功率频谱 A有用信号 干扰信号 干扰电平 解扩后的有用信号信息带宽B 白限热噪声电平 Rc fc f RRc f （a）接收机输入的信号及干扰的功率谱 （b）相关器输出的信号及干扰的功率谱 图4-3 直扩系统抗宽带干扰的示意图

对单频或窄带干扰，直扩系统有很强的抗干扰能力。图4-4（a）为解扩前的功率谱，窄带干扰功率很大，由于干扰与本地扩频码（PN码）是不相关的。对干扰来说，相关器起到扩展频谱的目的，功率谱密度就大大下降，其中对信号有害的干扰分量只有落入信息带宽部分，从而抑制了大部分干扰。由于有用信号能顺利通过窄带滤波器，因此提高了输出的信噪比。

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A 窄带干扰信号 有用信号 A解扩后的有用信号 干扰被扩展频谱 2Rc f fif f fc （a）未解扩的功率谱 （b）解扩后的功率谱 图4-4 直扩系统抗窄带干扰示意图 4.3.2 直扩信号的抗截获性

截获敌方信号的目的在于： 1. 发现敌方信号的存在， 2. 确定敌方信号的频率， 3. 确定敌方发射机的方向。

理论分析表明，信号的检测概率与信号能量与噪声功率谱密度之比成正比，与信号的频带宽度成反比。直扩信号正好具有这两方面的优势，它的功率谱密度很低，单位时间内的能量就很小，同时它的频带很宽。因此，它具有很强的抗截获性。

如果满足直扩信号在接收机输入端的功率低于或与外来噪声及接收机本身的热噪声功率相比拟的条件、则一般接收机发现不了直扩信号的存在。另外，由于直扩信号的宽频带特性，截获时需要在很宽的频率范围进行搜索和监测，也是困难之一。因此，直扩信号可以用来进行隐藏通信。至于如何发现敌方直扩信号的存在，和弄清楚其参数，即直扩信号的检测与估值问题。

4.3.3 直扩码分多址通信系统

多址通信系统指的是许多用户组成的一个通信网，网中任何两个用户都可以通信，而且许多对用户同时通信时互不不扰。应用直扩系统就很容易组成这样一个多址通信系统(网)。

具体的做法是给每一个用户分配一个PN码作为地址码。首先，利用直扩信号中PN码的相关特性来区分不同的用户，每个用户只能收到其他用户按其地址码发来的信号，此时自相关特性出现峰值，可以判别出是有用信号。对于其他用户发来的别的信号，因PN码不同时互相关值很小，不会被解扩出来。其次，利用直扩信号中频谱扩展，功率谱密度很低的特性，可以有许多用户共用同一宽频带。此时相互之间干扰很小，可以当作噪声处理。另外，每个用户占用的频宽很窄，相对说来，频谱利用率也是高的。

实现直扩码分多址通信值得注意的问题有： 1. 是要选择有优良互相关特性的码。

一般多采用有二值或三值相关特性的码作为地址码。同时还需要有一定的数量。Gold码就可以作为地址码来用，它既有较优良的相关特性，也有足够的数量可供选。

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2. 是要注意克服“远－近”问题。

所谓“远一近”问题指的是距离近的用户的信号强，它会干扰距离远的弱信号的接收。解决的办法是采用自动功率控制，自动调节各用户的发射功率，使达到接收机时各用户信号功率基本相等，也就是满足接收机输入端等功率的条件，才能正确地区分有用信号。

3. 是同时通话的用户数，决定于整个网内的噪声水平。 因此，直扩码分多址系统是一种噪声受限的系统。随着用户数的增加，通信质量逐渐变坏。

4.3.4 直扩系统的抗多径干扰性能

多径信道就是发射机和接收机之间电波传播的路径不止一条。例如由于大气层的反射和折射，以及由于建筑物等对电波的反射都是形成多径信道的原因。不同的传播路径使电波在幅度上衰减不同，到达时间的延迟也不同。

直扩系统能够同步锁定在最强的直达路径的电波上。其它有延迟到达的电波，由于相关解扩的作用，只起到噪声干扰的作用。这就是利用PN码的自相关特性，只要延迟超过半个PN码时片，其相关值就很小，可作为噪声来对待。另外，如果采用不同时延的匹配滤波器，把多径信号分离出来，还可以变害为利，将这些多径信号在相位上对齐相加，起到增加接收信号能量的作用。

因此，直扩系统是一种有效的抗多径干扰的通信系统。 4.3.5 直扩测距定时系统

直扩系统的发展是从测距开始的。电磁波在空间是以固定的光速传播的。如果测定了电波传播的时间，也就测定了距离。

用直扩信号来测取和定时有独特的优点。当采用一个较长周期的PN码序列作为发射信号、用它于目的地反射回来或转发回来的PN码序列的相位进行比较，即比较两个码序列相差的时片数，就可以看出其时间差，也就能换算出发射机与目的地之间的距离。不难把码片选得很窄，即码的钟速率很高，则可以高精度的测距与定时，基本的分辨率即一个码片。

此外，有了精确的测距的定时系统，不难形成一个精确的定位系统；按照简单的几何关系，已知两个点的位置(座标)和距离，及其在某一平面上分别与第三点的距离，也就能确定第三点的座标位置。

4.4扩频序列通信系统的同步原理

任何数字通信系统都是离散信号的传输，要求收发两端信号在频率上相同和相位上一致，才能正确地解调出信息。扩频通信系统也不例外。一个相干扩频数字通信系统，接收端与发送端必须实现信息码元同步、PN码码元和序列同步和射频载频同步。只有实现了这些同步，直扩系统才能正常的工作。可以说没有同步就没有扩频通信系统。

同步系统是扩频通信的关键技术。信息码元时钟可以和PN码元时钟联系起来，有固定的关系，一个实现了同步，另一个自然也就同步了。对于载频同步来说，主要是针对相干解调的相位同步而言。常见的载频提取和跟踪的方法都可采用，例如用跟踪锁相环来实现载频同步。因此，这里我们只需讨论PN码码元和序列的同步。

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一般说来，在发射机和接收机中采用精确的频率源，可以去掉大部分频率和相位的不确定性。但引起不确定性的因素有以下一些：

1. 收发信机的距离引起传播的延迟产生的相位差; 2. 收发信机相对不稳定性引起的频差; 3. 收发信机相对运动引起的多普勒频移；

4. 以及多径传播也会影响中心频率的改变。

因此，只靠提高频率源的稳定度是不够的，需要采取进一步提高同步速率和精度的方法。 同步系统的作用就是要实现本地产生的PN码与接收到的信号中的PN码同步，即频率上相同，相位上一致。同步过程一般说来包含两个阶段：

1. 接收机在一开始并不知道对方是否发送了信号，因此，需要有一个搜捕过程，即在一定的频率和时间范围内搜索和捕获用信号。这一阶段也称为起始同步或粗同步，也就是要把对方发来的信号与本地信号在相位之差纳入同步保持范围内，即在PN码一个时片内。

2. 一旦完成这一阶段后，则进入跟踪过程，即继续保持同步，不因外界影响而失去同步。也就是说，无论由于何种因素两端的频率和相位发生偏移，同步系统能加以调整，使收发信号仍然保持同步。

如果由于采种原因引起失步，则重新开始新的一轮搜捕和跟踪过程。因此，整个同步过程是包含搜捕和跟踪两个阶段闭环的自动控制和调整过程。

接收信号 输出宽带滤波解调器

搜捕器件 PN码发生器 压控钟源 码跟踪器 图4-5同步系统搜捕和跟踪原理图

图4-5为同步系统搜捕和跟踪原理图，图中接收到的信号经宽带滤波器后，在乘法器中与本地PN码进行相关运算。此时搜捕器件，调整压控钟源，调整PN码发生器产生的本地脉序列伪重复频率和相位，以搜捕有用信号。一旦捕获到有用信号后，则起动跟踪器件，由其调整压控钟源，使本地PN码发生器与外来信号保持同步

5. 直接序列扩频通信系统的MATLAB仿真

矩阵实验室（MATLAB:Matrix Laboratory）是一种以矩阵运算为基础的交互式的程序语

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言。与其它计算机语言相比，具有简洁和智能化程度高的特点，而且适应科技专业人员的思维方式和书写习惯，因而用其编程和调试，可以大大提高工作的效率。

目前MATLAB已经成为国际上最流行的软件之一，除了可提供传统的交互式的编程方法之外，还能提供丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理和方便的Windows编程工具等。因而出现了各种以MATLAB为基础的工具箱，应用于自动控制、图像信号处理、生物医学工程、语音处理、信号分析、时序分析与建模、优化设计等广泛的领域，表现出了一般高级语言难以比拟的优势。较为常见的MATLAB工具箱有：控制系统工具箱、系统辩识工具箱、多变量频率设计工具箱、分析与综合工具箱、神经网络工具箱、最优化工具箱、信号处理工具箱、模糊推理系统工具箱，以及通信工具箱等。

在MATLAB通信工具箱中有SIMULINK仿真模块和MATLAB函数，形成一个运算函数和仿真模块的集合体，用来进行通信领域的研究、开发、系统设计和仿真。通信工具箱中的模块可供直接使用，并允许修改，使用起来十分方便，因而完全可以满足使用者设计和运算的需要。

MATLAB通信工具箱中的系统仿真，分为用SIMULINK模块框图进行仿真和用MATLAB函数进行的仿真两种。在用SIMULINK模块框图的仿真中，每个模块，在每个时间步长上执行一次，就是说，所有的模块在每个时间步长上同时执行。这种仿真被称为时间流的仿真。而在用MATLAB函数的仿真中，函数按照数据流的顺序依次执行，意味着所处理的数据，首先要经过一个运算阶段，然后再激活下一个阶段，这种仿真被称为数据流仿真。某些特定的应用会要求采用两种仿真方式中的一种，但无论是哪种，仿真的结果是相同的。

5.1 MATLAB的基本操作

在桌面上双击MATLAB7.0的“启动”图标后将启动MATLAB。图5-1便是启用后的默认界面。

图5-1 MATLAB启用后的默认界面

从图5-1中可以看到MATLAB的启动界面主要包括六部分：标题栏、菜单栏、工具条、Command Window（命令窗口）、Workspace（工作窗口）、Command History（历史命令窗口）及Start（项目启动菜单）。

其中，标题栏用于显示打开文件的名称：菜单栏包括“File”、“Edit”、“Web”、“Window”、 和“Help”5个菜单；工具栏包括了一些常用的操作图标，单击它们MATLAB可立即执行相

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应操作。菜单栏和工具栏操作方法和其它应用程序中的操作方法相同。

5.2 Simulink仿真技术

Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在SIMULINK环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。SIMULINK包含有SINKS（输入方式）、SOURCE（输入源）、LINEAR（线性环节）、NONLINEAR（非线性环节）、CONNECTIONS（连接与接口）和EXTRA（其他环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户也可以定制和创建用户自己的模块。

用SIMULINK创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过SIMULINK的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真非常有用。采用SCOPE模块和其他的画图模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。除此之外，用户还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。

模型分析工具包括线性化和平衡点分析工具、MATLAB的许多工具及MATLAB的应用工具箱。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。

5.2.1 Simulink窗口环境

在MATLAB窗口工具栏中单击“

>>simulink

”图标，或在Command window窗口中键入命令：

即可启动Simulink的模块库浏览器，如图5-2所示

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图5-2 Simulink的模块库浏览器

Simulink的模块库浏览器主要用于浏览及选择模块，MATLAB为模型的搭建、仿真提供了一个专用的Simulink模型编辑窗口。执行Simulink的模块库浏览器的菜单“File”/“New”/“Model”命令，或单击工具栏上的“”图标，或采用快捷键[Ctrl+N]都可打开模型编辑窗口，如图5-3所示

图5-3 模型编辑窗口

5.2.2功能模块的连接及设置

1. 功能模块的连接

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根据仿真系统框图，用鼠标点击并移动所需功能模块到合适的位置，将鼠标移到有关功能模块的输出端(有一个向外的箭头)，选中该输出端并移动鼠标到另—个功能模块的输入端(有—个向内的箭头)，移动时出现虚线．到达所需输入端时，释放鼠标左键，相应的连接线出现，表示该连接已完成。重复上述连接过程，直到完成全部连接，组成仿真系统。 连接时，应注意下列几点：

1）从功能模块输出端连接到另一功能模块的输入端，也可从一个功能模块输入端反向连接到另一个功能模块的输出端；

2）一个输出端连接多个输入端时，可采用从—个功能模块输入端连接到另一个功能模块输出端的方法，或直接与该功能模块输出端的引出线连接。在连接时，可在连接线交点处按下“Shift”键，再释放鼠标左键；

3）移动连接线位置的方法是，选中连接线，在连接线的各转角处出现小方块，鼠标选中所需方块，拖动到合适位置后释放鼠标左键；

4）增加连接线转折点的方法是，选中连接线，鼠标移到所需增加转折点处，按下“Shift”键，点击鼠标左键，移动转折点到所需位置；

3）连接线的复制、粘贴和剪切等操作方法与Windows对应的操作方法相同；

2．功能模块的参数设置 使用者需设置功能模块参数后，方可进行仿真操作。不同功能模块的参数是不相同的，用鼠标双击该功能模块自动弹出相应的参数设置对话框。

图5-4 传递函数模型参数设置对话框

例如，图5-4是传递函数模型功能模块的对话框。功能模块对话框由功能模块说明和参数设置框组成。功能模块说明框用于说明该功能模块使用方法和功能；参数框用于设置该功能模块的参数。例如传递函数参数框由分子和分母多项式两个编辑框组成，在分子多项式框中，用户可输入系统模型的分子多项式，在分母多项式框中，输入系统模型的分母多项式等。设置功能模块的参数后，点击OK软键进行确认，将设置参数送仿真操作画面，并关闭对话框。

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3.仿真系统操作参数设置

在仿真操作前，应设置仿真操作的参数。包括仿真器参数和示波器参数的设置。 1) 仿真器参数设置

点击图5-3操作画面“Simulation”下拉式菜单“Simulation Parameters…”选项，弹出如图5-6所示的仿真参数设置画面。共有解算器(Solver)、工作空间输人输出(Workspace I/O)、诊断(Diagnostics)、高级属性(Advanced)和实时工作室(Real—Time Workshop)等5个页面。

图5-5 仿真器参数设置对话框

解算器页面用于设置仿真开始和终止时间，解算器类型(定步长和变步长两类)和具体的解算算法、最大最小步长和初始步长、容许误差(相对和绝对误差)、输出方式和精细因子设置等。通常，仿真操作时可根据仿真曲线设置终止时间和最大步长，以便得到较光滑的输出曲线。

工作空间输入输出页面用于将仿真操作窗口的仿真结果送(写)到MATLAB工作空间，或将数据从工作空间读到仿真操作窗口。诊断页面用于对仿真中出现的异常情况进行诊断。高级属性页面用于模型参数的在线组态和优化操作。实时工作室页面用于设置系统目标文件、暂存构成文件和构成命令，建立目录等。 2) 示波器参数设置

当采用示波器显示仿真曲线时，需对示波器参数进行设置。示波器有单踪和双踪示波器两种。单踪示被器指显示输入信号(可以有多个输入信号)与时间关系的设备，双踪示波器指显示两个输入信号之间关系的设备。

（1）单踪示波器参数设置操作 点击图5-3中已存在的示波器，弹出如图5-6所示的单踪示波器显示画面，点击画面的图标“”，弹出如图5-7所示的示波器属性对话框，分2个页面。用于设置显示坐标窗口数、显示时间范围、标记和显示频率或采样时间等。时间范围应与仿真器终止时间一致，以便最大限度显示仿真操作数据。鼠标右键点击示波器显示窗口，从弹出菜单选择“Autoscale”，或直接点击图标“”，可在响应曲线显示后自动调整纵坐标范围；从弹出的菜单选择“Save current axes settings”，或直接点击图标“”，将当前坐标轴范围的设置数据存储。此外，还有打印和对X、Y或同时放大或恢复等操作。

（2）双踪示波器参数设置操作 双踪示波器的参数即该功能模块的参数，有X和Y坐

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标的范围和采样时间设置。

图5-6 单踪示波器显示画面

图5-7 单踪示波器属性对话框

5.2.3 Simulink对通信系统的仿真

在MATLAB中，用于通信系统仿真的模块主要由两大部分构成：通用仿真模块和专用仿真模块。它们分别属于标准仿真子模块库和通信子模块库。

一个典型的Simulink模块由信源、系统及信宿等三部分组成。他们的关系如图5-8所示

信源 系统 信宿

图5-8 Simulink模型的典型结构

信源提供系统的输入信号，如常量、正弦波、方波等；系统是对仿真对象的数学抽象，比如是连续线性系统，还是非连续线性系统？对输入信号进行求和，还是对输入信号进行了一次调制？信宿是接收信号的部分，用户可以把它送到示波器中显示出来，或者保存到相应的mat文件。

通信系统仿真的基本步骤如下：

1） 建立数学模型：根据通信系统的基本原理，将整个系统简化到源系统，确定总的系统功能，并将各部分功能模块化，找出各部分之间的关系，画出系统流程框图模型。

2） 仿真系统：根据建立的模型，从SIMULINK 通信模型库（MATLAB 所提供的 Communication Toolbox SIMULINK Block Library）的各个子库中，将所需要的单元功能模块

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信源部分：用户把要传输的信息给定，用户输入的信息0101101。

调制部分：采用的是BPSK调制，数据进行调制然后输送出其调制之后的波形。调制后的传输信道选用的是高斯白噪声信道，信噪比可任意设定，在本次仿真中信噪比设定为20。

扩频部分：数据要进行扩频处理。这里选用的是利用PN码与输入的信号进行扩频，扩频后等待送入信道。PN码的产生是由一个PN码发生器来完成的。PN码发生器如图5-22所示。

在信道的接收端进行的过程和输入端刚好是相反的。

首先进行解调，也是选择BPSK的解调。

D1 初始值1 D2 D3 D4 0 1 0 图5-22 PN码发生器

然后是解扩，解扩时使用的PN码和扩频时使用的一致。这样才能保证解扩出相应的信息。 整个仿真过程共设置了八个波形观测设备，运行后可以从这八个波形图中较直观的看到DS-CDMA系统的每一个调制过程。

在两个用户的信息中我们给定的是0和1的信息，为了在调制和扩频中容易计算，将数据中的0用－1来代替。在程序中，每一个过程都用％来注明，程序可以直接复制到M文件编辑框，在图5-1 的MATLAB的默认界面的Commond Window窗口中输入

》dscdmamodem

点击“Enter”键，即可仿真出结果。 DS-CD的MAMATLAB源程序如下：

function dscdmamodem(user,snr_in_dbs) %建立模型：用户信息，snr_in_dbs为信噪比 %设置初始参数

user=[0 1 0 1 1 0 1] ; close all

%定义步长变量%

length_user=length(user); %改变用户数据中的0为-1 for i=1:length_user if user(i)==0 user(i)=-1; end

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end

% 用户传输前设置 fc=3; % 载频

eb=2; % 每个字符的能量

tb=1; % 每个信息比特所占的时间

%用户输入的数据信息

t=0.01:0.01:tb*length_user; basebandsig=[];

for i=1:length_user

for j=0.01:0.01:tb if user(i)==1

basebandsig=[basebandsig 1]; else

basebandsig=[basebandsig -1]; end end end figure

plot(basebandsig)

axis([0 100*length_user -1.5 1.5]); title('用户输入的信息')

% 用户的BPSK调制过程 bpskmod=[];

for i=1:length_user for j=0.01:0.01:tb

bpskmod=[bpskmod sqrt(2*eb)*user(i)*cos(2*pi*fc*j)]; end end

length(bpskmod)

%用户BPSK调制后的波形图输出 figure

plot(bpskmod)

axis([0 100*length_user -3 3]);

title(' 用户经BPSK调制之后的波形 ') % 扩频

%PN码发生器

seed=[1 -1 1 -1]; % 设PN码初始值为1000

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spreadspectrum=[]; pn=[];

for i=1:length_user

for j=1:10 %PN码和数据比特码的比率设为10：1 pn=[pn seed(4)];

if seed (4)==seed(3) temp=-1; else temp=1; end

seed(4)=seed(3); seed(3)=seed(2); seed(2)=seed(1);

seed(1)=temp; end

spreadspectrum=[spreadspectrum user(i)*pn]; end

%扩频过程

pnupsampled=[]; len_pn=length(pn); for i=1:len_pn

for j=0.1:0.1:tb if pn(i)==1

pnupsampled=[pnupsampled 1]; else

pnupsampled=[pnupsampled -1]; end end end

length_pnupsampled=length(pnupsampled); sigtx=bpskmod.*pnupsampled; %扩频码波形输出 figure

plot(pnupsampled)

axis([0 100*length_user -2 2]) title(' PN码波形图 ') %扩频后的波形图输出 figure

plot(sigtx)

axis([0 100*length_user -3 3]); title(' 用PN码扩频后的波形图 ')

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composite_signal=sigtx; %高斯白噪声信道传输

snr_in_dbs=20 %设信噪比为20

composite_signal=awgn(composite_signal,snr_in_dbs);

%从信道中解扩出用户的信息

rx=composite_signal.*pnupsampled; figure plot(rx)

title('用户解扩后的波形')

% BPSK解调过程 demodcar=[];

for i=1:length_user for j=0.01:0.01:tb

demodcar=[demodcar sqrt(2*eb)*cos(2*pi*fc*j)]; end end

bpskdemod=rx.*demodcar; figure

plot(bpskdemod)

title('用户经BPSK解调之后的波形') len_dmod=length(bpskdemod); sum=zeros(1,len_dmod/100); for i=1:len_dmod/100

for j=(i-1)*100+1:i*100

sum(i)=sum(i)+bpskdemod(j); end end

%检波过程

rxbits=[];

for i=1:length_user if sum(i)>0

rxbits=[rxbits 1]; else

rxbits=[rxbits 0]; end end

length_rxbits=length(rxbits);

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t=0.01:0.01:tb*length_rxbits; savbandsig=[];

for i=1:length_rxbits for j=0.01:0.01:tb

if user(i)==1

savbandsig=[savbandsig 1]; else

savbandsig=[savbandsig -1]; end end

end figure

plot(savbandsig)

axis([0 100*length_user -2 2]); title('用户经检波之后的波形 ’）

仿真波形的输出如下：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hstg.html