基于MATLAB 的扩频通信系统枣差仿真研究
范伟 翟传润 战兴群
（上海交通大学电子信息与电气工程学院，200030，上海）
摘要 本文阐述了扩展频谱通信技术的理论基础和实现方法，利用MATLAB 提供的可视化
工具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，并指出了仿真建模
中要注意的问题。在给定仿真条件下，运行了仿真程序，得到了预期的仿真结果。同时，利
用建立的仿真系统，研究了扩频增益与输出端信噪比的关系，结果表明，在相同误码率下，
增大扩频增益，可以提高系统输出端的信噪比，从而提高通信系统的抗干扰能力。
关键词 扩频通信, 信噪比， 误码率， 扩频增益
中图分类号：TN914.42 文献标识码：A
Simulation of the Spread Spectrum Communication System
Based on MATLAB
FAN Wei, ZHAI Chuan-run, ZHAN Xing-qun
(School of Electronic, Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, 200030, Shanghai)
Abstract: The theory base and realizing methods of the spread spectrum communication
technology was presented in this study. The simulation model of the spread spectrum
communication system was built by using SIMULINK, which is provided by MATLAB. In
addition, each module of the simulation model was introduced in detail，and pointed out the
problems that must be pay attention to in the system simulation. On the basis of the designed
simulation conditions, the simulation program was run and the anticipant results were gained.
Moreover, the relationship between the spread spectrum gain and the fan-out error rate was also
studied by use of the simulation system. The results showed that on the base of the same error rate,
if the spread spectrum gain was enlarged, the Signal-to-Noise of the system fan-out would be
enhanced and the anti-jamming capability of the communication system would also be enhanced.
Keywords: spread spectrum communication, Signal-to-Noise, error rate, spread spectrum gain
1 引言
扩展频谱通信（简称扩频通信）与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三
大高技术通信传输方式，它是指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
的方法颤缺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。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，研究了扩频通信的特性和扩频增益与输出端信噪
比的关系，目的是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 扩展频谱通信技术
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
log (1 / ) 2 C = B + 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公式表明了一个系统信道无误差地传输信息的能力跟存在于信道中的信噪比
（S/N）以及用于传输信息的系统信道带宽（B）之间的关系。该公式说明了两个最重要的概
念：一个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；一个是可以采用减少带宽而增加信号功率的办法来达到。
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
d
s
d
s
i i B
B
R
R
S N
S N
G = = =
/
/ 0 0 (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 实现方法
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
实现方法。图1为直接序列扩频系统的原理框图。
图1 直接序列扩频系统原理图
由直扩序列扩频系统原理图可以看出，在发射端，信源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，然后再用扩频序列
去调制载波，这样得到已扩频调制的射频信号。在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频
后，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，将信号的频带恢复为信息
序列的频带，然后进行解调，恢复出所传输的信息。
3 系统仿真模型的建立
3.1 Simulik 简介
MATLAB 最初是Mathworks 公司推出的一种数学应用软件，经过多年的发展，开发了包括
通信系统在内的多个工具箱，从而成为目前科学研究和工程应用最流行的软件包之一。
Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个集成
环境，广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。它包
括一个复杂的由接受器、信号源、线性和非线性组件以及连接件组成的模块库，用户也可以
根据需要定制或者创建自己的模块。Simulink 的主要特点在于使用户可以通过简单的鼠标 ***
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。
3.2 模型建立及主要模块设计
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。图2 为基于MATLAB/Simulink 的扩频通信系统仿真模型。
图2 系统仿真模型
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
接 收
高放混频解扩 解调
本振PN 码 同步
信 源 扩频调制
PN 码 振荡器
发 射
源的要求。
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。
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。
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。
3.3 几点说明
在Simulink中，没有单独实现统计的计数器模块，需要自行创建，计数模型的设计如图
3。在计数模型中，用与信源和伪随机码同频的脉冲模块分别实现码元同步和切普同步，利
用加法器的累加功能，实现每个码元的相关峰值统计。
图3 计数模型实现框图
在扩频通信建模中，扩频与解扩使用的PN 码以及调制和解调所使用的载波必须保持同
步，因此要注意伪随机码模块和载波模块的参数设置。
在误码率计算中，接收到的信号，由于经过扩频解扩、调制解调、相关统计等处理，会
存在一个延迟，在误码仪模块的对话框中要设置一个合适的延迟。
4 仿真结果分析
4.1 仿真系统运行情况分析
在给出下列仿真的条件下，观察仿真运行情况。信息速率20b/s，幅度为1；伪随机序
列采用10 级，传输速率为200b/s 的m 序列；载波频率10KHz；信号功率为1W，信噪比30dB；
仿真时间设为2s。在这样的仿真条件下，理论上可获得10 倍的扩频增益。图4 是系统扩频
解扩的仿真结果。上图为信源，中图为扩频码，下图为信宿。从图4 可见，信源和信宿相同，
误码率为0，基于MATLAB/Simulink 所设计的仿真系统满足扩频通信系统的软件仿真要求。
图4 系统扩频解扩的仿真结果
4.2 扩频增益与输出端信噪比的关系
设置信息速率和伪随机序列传输速率，在扩频增益10 和50 的情况下，不断改变信噪比
的大小，从而得到扩频增益、误码率和信噪比的关系如图5。从图5 可以看到，在相同误码
率下，扩频增益越大，输出端信噪比越大，并且随着系统要求的提高，增大扩频增益，输出
端信噪比会得到更大的好处。
图5 不同扩频增益下误码率仿真曲线
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
阐述了扩频通信的理论基础和实现方法，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。通过仿真研究了扩频增
益和输出端信噪比的关系，结果表明，在相同误码率下，增大扩频增益，可以提高系统输出
端的信噪比，从而提高系统的抗干扰能力。本文作者创新点：通过MATLAB/Simulink 建立的
仿真平台，研究了扩频增益与误码率、信噪比之间的关系，为以扩频通信为基础的卫星信号
设计提供依据。
参考文献：
1 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。
2 徐明远，邵玉斌。MATLAB 仿真在通信与电子工程中的应用[M]。西安：西安电子科技大
学出版社，2005。
3 李建新，刘乃安，刘继平。现代通信系统分析与仿真－MATALAB 通信工具箱〔M〕。西安：
西安电子科技大学出版社，2001。
4 徐明伟，李茜，汤伟。基于MATLAB 串口通信的数据采集系统的设计。微计算机信息，
2005，21(8-1)，89-90。
5 郭海燕，毕红军。MATLAB 在伪随机码的生成及仿真中的应用。计算机仿真，21(3)，2004.3。
基金项目：上海市科技攻关项目，项目编号：45115031。
作者简介：范伟（1973－），男，汉族，硕士研究生，主要研究方向为卫星导航、CDMA 扩频
通信。 E-mail: weifan@sjtu.edu.cn
通信地址及邮编：上海市长宁区安顺路220 弄18 号402 室，200051。
翟传润(1972－)，男，汉族，博士，副教授，主要研究方向为卫星导航和测控技术。
战兴群(1970－)，男，汉族，博士，教授，主要研究方向为卫星导航和新型控制理论与应用。
Authors brief introductions:
Fai Wei, was born in 1973, male, the Han nationality, master student. His research subjects include
the satellite navigation and CDMA spread spectrum communication.
Zhai Chuan-run, was born in 1972, male, the Han nationality, Ph.D, associate professor. His
research subjects include satellite navigation and test control technique.
Zhan Xing-qun, was born in 1970, male, the Han nationality, Ph.D, professor. His research interests
include satellite navigation, new control theory and application.
在两次仿真中都使用相同的信道模型，并且设置相同的信道参数就可以了，这样信道的统计特性就是基本不变的。你可以根昌信据文献自己设计具体的信道模樱派型，或者是使用MATLAB自带函数rayleighchan做信道模型，这时只需要给出最大多径时延、最大多普勒频移等参数就可以进行系统级的仿真了。个人认为后者使用起来比较方便，而且效果不错。另外，仿真时仿真点数一定要设置好，要求足够的大，这样多次的仿真结果才具有一致性。点数一般取比误码率的倒数大2~3个数量级左脊迅贺右。
第一篇 MATLAB/Simulink 基础技术篇
第 1章 通信系统与仿真专业基础 2
1.1 通信系统概述 2
1.2 通信系统的组成 2
1.2.1 信源 2
1.2.2 发送设备 3
1.2.3 信道 3
1.2.4 接收设备 3
1.2.5 信宿 3
1.3 通信系统的分类 4
1.3.1 按信源分类 4
1.3.2 按传输媒介分类 4
1.3.3 按传输信号的特征分类 5
1.4 仿真技术与通信仿真 7
1.4.1 仿真技术 7
1.4.2 计算机仿真的一般过程 7
1.4.3 通信仿真的概念 8
1.4.4 通信仿真的一般步骤 8
1.5 本章小结 10
第 2章 MATLAB/Simulink仿真
第 2章 原理与 *** 作 11
2.1 MATLAB/Simulink特点
2.1 及工作原理 11
2.1.1 Simulink主核嫌虚要特点 11
2.1.2 Simulink仿真的工作
2.1.2 原理 12
2.2 Simulink的常用 *** 作 13
2.2.1 安装与启动 13
2.2.2 模块基本 *** 作 14
2.2.3 信号线基本 *** 作 19
2.2.4 模型的注释 23
2.2.5 模型的打印 24
2.2.6 模型文件 25
2.3 子系统及其封装 25
2.3.1 创建简单子系统 26
2.3.2 创建条件执行子系统 29
2.3.3 子系统的封装 36
2.4 S-function设计与应用 46
2.4.1 S-function的基本概念 46
2.4.2 在模型中使用
2.4.2 S-function 51
2.4.3 M文件S-function
2.4.2 的编写 55
2.4.4 C语言S-function
2.4.2 的编写 66
2.4.5 S-function Builder
2.4.2 的使用方法 75
2.5 本章小结 82
第二篇 通信系统常用
模块仿真篇
第 3章 信号与信道 84
3.1 随机数据信号源 84
3.1.1 伯努利二进制
3.1.1 信号产生器 84
3.1.2 泊松分布整数产生器 85
3.1.3 随机整数产生器 87
3.2 序列产生器 88
3.2.1 Gold序列产生器 88
3.2.2 PN序列产生器 91
3.2.3 Walsh序列产生器 93
3.2.4 其他 94
3.3 噪声源发生器 96
3.3.1 均匀分布随机噪声
3.3.1 产生器 96
3.3.2 高斯随机噪声产生器 97
3.3.3 瑞利噪声产生器 98
3.3.4 莱斯噪声产生器 100
3.4 信道 101
3.4.1 加性高斯白噪声信道 101
3.4.2 多径瑞利退化信道 103
3.4.3 多径莱斯退化信道 104
3.5 信号观测设备 106
3.5.1 离散的眼图示波器 106
3.5.2 星座图观测仪 109
3.5.3 离散信号轨迹
3.5.3 观测设备 112
3.5.4 误码率计算器 113
3.6 本章小结 114
第 4章 信源编码/译码 115
4.1 信源编码 115
4.1.1 A律编码 115
4.1.2 μ律编码 116
4.1.3 差分编码 117
4.1.4 量化编码 117
4.2 信源译码 118
4.2.1 A律译码 118
4.2.2 μ律译码 119
4.2.3 差分译码 120
4.2.4 量化译码 120
4.3 本章小结 121
第 5章 调制与解调 122
5.1 模拟调制解调 122
5.1.1 DSB AM调制解调 122
5.1.2 SSB AM调制解调 124
5.1.3 DSBSC AM调制解调 126
5.1.4 FM调制解调 127
5.1.5 PM调制解调 129
5.2 数字基带调制解调 130
5.2.1 数字幅度调制解调 130
5.2.2 数字频率调制解调 134
5.2.3 数字相位调制解调 137
5.3 本章小结 140
第 6章 均衡器与射频损耗 141
6.1 CMA均衡器 141
6.2 LMS均衡器 142
6.2.1 LMS判决反馈均衡器 142
6.2.2 LMS线性均衡器 144
6.2.3 归一化LMS均衡器 145
6.2.4 符号LMS均衡器 147
6.2.5 变者胡步长LMS均衡器 149
6.3 RLS均衡器 150
6.3.1 RLS判决反馈均衡器 150
6.3.2 RLS线性改燃均衡器 152
6.4 射频损耗 154
6.4.1 自由空间路径损耗 154
6.4.2 相位噪声 155
6.4.3 相位/频率偏移 156
6.4.4 其他 156
6.5 本章小结 157
第 7章 通信滤波器 158
7.1 滤波器设计模块 158
7.1.1 数字滤波器设计 158
7.1.2 模拟滤波器设计 161
7.2 理想矩形脉冲滤波器 162
7.3 升余弦滤波器 165
7.3.1 升余弦发射滤波器 165
7.3.2 升余弦接收滤波器 169
7.4 其他 171
7.5 本章小结 172
第 8章 差错控制编码/译码 173
8.1 线性分组码 173
8.1.1 BCH编码/译码 174
8.1.2 二进制线性编码/译码 176
8.1.3 汉明码编码/译码 178
8.1.4 二进制循环码编码/
8.1.4 译码 179
8.2 循环卷积码 181
8.2.1 卷积码编码器原理 181
8.2.2 后验概率解码器 183
8.2.3 Viterbi解码器 184
8.3 CRC循环冗余码校验 187
8.3.1 常规CRC产生器 187
8.3.2 CRC-N信号产生器 189
8.3.3 CRC冗余码校验 190
8.4 本章小结 192
第 9章 同步 193
9.1 载波相位恢复 193
9.1.1 CPM相位恢复 193
9.1.2 M-PSK相位恢复 194
9.2 定时恢复 195
9.3 基本锁相环及压控
9.3 振荡器模块 196
9.3.1 基本锁相环 196
9.3.2 压控振荡器 197
9.4 本章小结 199
第三篇 通信系统仿真
综合实例篇
第 10章 蓝牙跳频通信系统仿真设计 202
10.1 蓝牙技术概述 202
10.2 蓝牙跳频系统各部分介绍 203
10.2.1 信号传输部分 203
10.2.2 信号接收部分 206
10.2.3 谱分析 210
10.2.4 误码分析部分 212
10.3 蓝牙跳频系统的仿真模型 213
10.4 系统运行分析 215
10.5 本章小结 215
第 11章 直接序列扩频通信
第 11章 系统仿真设计 216
11.1 扩频通信系统简介 216
11.1.1 技术理论基础 216
11.1.2 系统主要特点 218
11.1.3 系统基本类型 219
11.2 直接序列扩频通信系统原理 219
11.2.1 系统结构 220
11.2.2 信号分析 220
11.2.3 处理增益和干扰容限 222
11.3 伪随机序列 224
11.3.1 m序列 225
11.3.2 Gold序列 228
11.4 直接序列扩频通信系统设计 229
11.4.1 发射机设计 229
11.4.2 接收机设计 230
11.4.3 系统仿真参数 230
11.4.4 系统性能仿真 231
11.5 直接序列扩频通信
11.5 系统仿真程序 231
11.6 本章小结 247
第 12章 IS-95前向链路通信
第 12章 系统仿真设计 248
12.1 IS-95系统参数与特性 248
12.1.1 IS-95系统参数 248
12.1.2 IS-95系统特性 248
12.2 IS-95前向链路系统设计 249
12.2.1 发射机设计 250
12.2.2 信道设计 255
12.2.3 接收机设计 256
12.2.4 系统性能仿真 256
12.3 IS-95前向链路系统
12.3 仿真程序 257
12.4 本章小结 269
第 13章 OFDM通信系统仿真设计 270
13.1 OFDM系统的基本原理 270
13.1.1 正交调制解调 270
13.1.2 系统组成 272
13.1.3 OFDM的优点 275
13.1.4 OFDM的缺点 276
13.1.5 OFDM的关键技术 276
13.2 OFDM系统的PAPR
13.2 抑制算法设计 277
13.2.1 OFDM信号的PAPR
13.2.1 及其分布 277
13.2.2 降低PAPR的
13.2.1 常用方法 280
13.2.3 基于改进脉冲成形技
13.2.1 术的PAPR抑制方法 283
13.3 OFDM系统的同步算法设计 290
13.3.1 OFDM系统中的
13.2.1 同步问题 290
13.3.2 同步偏差对OFDM
13.2.1 信号的影响 291
13.3.3 OFDM同步算法概述 292
13.3.4 OFDM系统的同步
13.3.4 设计 293
13.4 OFDM系统的编码算法设计 301
13.4.1 通信系统的信道编码 301
13.4.2 卷积码原理及设计 305
13.4.3 交织原理及设计 312
13.5 OFDM通信系统设计 312
13.5.1 发射机设计 312
13.5.2 接收机设计 316
13.5.3 系统仿真参数 317
13.5.4 系统性能仿真 317
13.6 OFDM通信系统仿真程序 318
13.7 本章小结 327
第 14章 MIMO通信系统仿真设计 328
14.1 MIMO系统理论 328
14.1.1 MIMO系统模型 329
14.1.2 MIMO系统容量分析 330
14.1.3 发送端信道容量
14.1.3 的比较 332
14.2 OFDM技术简介 333
14.3 MIMO-OFDM系统结构 335
14.4 空时编码技术 336
14.4.1 分层空时编码
14.4.1 （BLAST） 336
14.4.2 空时网格编码
14.4.1 （STTC） 337
14.4.3 空时分组编码
14.4.1 （STBC） 338
14.5 基于STBC的MIMO-OFDM
14.5 系统设计 342
14.5.1 STBC-MIMO-OFDM
14.5.3 系统模型 342
14.5.2 STBC-MIMO-OFDM
14.5.3 系统性能分析 343
14.5.3 STBC-MIMO-OFDM
14.5.3 通信系统设计 344
14.6 基于STBC的MIMO-OFDM
14.6 通信系统仿真程序 345
14.7 本章小结 351
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