基于matlab扩频通信抗干扰仿真研究

范伟 翟传润 战兴群

（上轿隐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。在给闭禅厅定仿真条件下，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袭脊改善，

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.

参考资料：http://www.dq.shejis.com/new_lw/html/77195.shtml

本文阐述了扩展频谱通信技术的理论基础和实现方法，并通过MATLAB 提供Simulink 仿真平台对直扩通信系统进行了仿真，详细讲述了各模块的设计。在给定仿真条件下，运行了仿真系统，得到了预期的仿真结果。同时，利用建立的仿真系统，研究了系统信噪比与误码率关系，结果表明，提高信噪比，可以减小系统误码率 。

关键词 直扩通信；信噪比；误码率；

abstract

This paper expounds the spread spectrum communication technology and the method of realizing the theoretical basis, and provide simulink7.1 simulation platform through MATLAB for straight expansion communication system is simulated, and detailed design of each module tells the story. In a given simulation conditions, run the simulation system, and gained anticipative simulation results. At the same time, using the simulation system, established the system ber relationship with SNR, the results show that, improve signal-to-noise ratio, can reduce the system ber.

Keywords straight extender communicationSignal-to-noise ratio(SNR)

1.绪论

按照扩展频谱的方式不同, 现有的扩频通信系统可分为直接序列( DS) 扩频、跳频( FH) 、跳时( TH) 、线性调频( chirp) 以及上述几种方式的组合。

本文主要讨论直接序列扩频系统的性能。直接序列扩频就是直接用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。而在接收端, 用相同的扩

频码序列去进行解扩, 将展宽的扩频信号还原成原始的信息。直扩通信系统原理如图1 所示。在发送端输入的信息先经信息调制形成调频或调相数字信号, 然后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, 再将展宽后的宽带信号调制到射频发送出去。在接收端, 接收机接收到宽带

射频信号后, 首先将其变频至中频, 然后通过同步电路捕捉发送来的扩频码的准确相位, 由此产生与发送来的伪随机码相位完全一致的接收用的伪随机码, 作为扩频解调用的本地扩频码序列, 最后经信息解调, 恢复成原始信息输出。

图1 扩频通信原理图

由此可见, 直扩通信系统要进行三次调制和相应的解调, 分别为信息调制、扩频调制和射频调制, 以及相应的信息解调、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。

2.CDMA扩频通信系统发展方向

扩频通信系统是在20 世纪50 年代中期产生的，其抗干扰、抗窃听、低截获等方面的能力得到很大的发展，但都只是局部的发展。随着微处理器、超大规模集成电路、数字信号处理器件、扩频专用器件的问世，在20 世纪60 年代扩频技术获得了重大的突破和进展，在实际的应用中优越性更加明显，扩频通信成为通信的一种重要方式〔3〕。其优良的抗干扰特性、低截获概率特性、多址接入能力和强保密性不仅在军事通信中发挥出了不可取代的优势，而且广泛地渗透到民用和商用通信各个领域〔4〕，如卫星通信、移动通信、微波通信、无线定位系统、全球个人通信和无线局域网等等。总之，扩频通信系统的这些优点决定了它在国内第三代移动通信中将拥有广阔应用前景。为了使扩频通信系统更好地发挥其抗干扰能力，应继续在以下几方面进一步研究：

（1）相关跳频增强扩频系统（CHESS）被广泛装备于国外部队，具有很强的抗干扰性能，对CHESS 进行干扰研究是未来的发展方向之一。

（2） 跳频技术与多种高效调制技术应用于很多民用通信系统，但由于无需考虑跟踪式干扰或转发式干扰等敌对干扰，其跳速通常较慢。如何解决高速跳频技术与高效调制解调技术的有机结合还有待在今后的研究中不断探索。

（3）因为混沌系统对初始值的敏感依赖性，可以提供数量众多、非相关、类随机而又确定、易于产生的信号，所以混沌序列特别适合作为扩频通信中的扩频码，混沌扩频通信是目前混沌应用研究最热门的方向之一〔5〕。

（4）进一步研究混合式扩展频谱系统（例如直扩与跳频，直扩与跳时，直扩、跳频与跳时的组合），优势互补，从而满足高性能指标的抗干扰要求，缓解某些技术难点，降低成本，进而达到更合理的性能价格比。

3．Matlab/Simulink仿真软件及其通信工具箱

MATLAB 是一种数学应用软件, 经过多年的发展, 开发了包括通信系统在内的多个工具箱, 成为目前科学研究和工程应用最广泛的软件包Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具, 是一种基于MATLAB 的框图设计环境, 是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包, 被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。Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模, 它也支持多速率系统, 也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型,Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口( GUI) , 这个创建过程只需单击和拖动鼠标 *** 作就能完成, 它提供了一种更快捷、直接明了的方式, 而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

4．搭建CDMA扩频通信仿真系统与仿真结果

4.1 直接序列扩频系统

4.1.1发生信号模块：

二进制数据源

a(t) d(t) s(t)

直接序列扩频的发射机系统结构如上图所示。其中设数据序列{an},极性波形为a(t), ,其电平取值±1，码元速率为Rabps，码元宽度为Ta=1/Ras.扩频所使用的伪随机续列c(t)(PN)也是电平取值±1的双极性波形，对于双极性波形而言，扩频过程等价于数据流a(t)与随机续列c(t)相乘的过程，扩频输出序列为d(t)，也是电平取值±1的双极性波形，其速。率等于码片速率。扩频序列经调制后得到的输出信号送入信道。对于BPSK调制，有

s(t)=d(t)cos2∏ft

=a(t)c(t) cos2∏ft

由于pn码速率远远高于数据传输速率，所以调制输出信号s(t)的频带宽度将远远大于数据波形的宽度

4.1.2 信道及接收机模块

在信道中，信号呗叠加了噪声和干扰。接收机前端电路系统包含高频放大，混频，中频放大等部分。目的是将接收机的微弱信号进行放大和频率搬移以满足后级（解扩）的信号处理要求。设信道中等效噪声为n(t),干扰为J(t) ,则接收机前端电路系统输出信号r(t)可建模为

r(t)=s(t) +n(t) + J(t)

其中s(t)是传输的调制信号。接收机中的同步系统负责想接收机解扩，解调和解码等部分提供所需的时钟和同步信号，保证接收端的本地本地扩频序列同步，载波同步，定时时钟同步等。同步系统通常由一些非线性网络和各种锁相环路构成。党接收机达到同步要求时，其本地扩频序列与发射机扩频序列相同。解扩也使以乘法器完成的，因此解扩输出信号m(t)为

m(t)=r(t)c(t)

=( s(t) +n(t) + J(t))c(t)

=a(t)c^2(t)cos2∏ft+n(t)c(t)+J(t)c(t)

由于扩频序列c(t)的取值为±1，故c^2(t)=1，且扩频序列c(t)与噪声和干扰n(t),J(t)是不相关的，因此解扩输出的信号分量成为窄带信号，而噪声和干扰部分则是宽带的，即

m(t)=a(t)cos2∏ft+n(t)c(t)+J(t)c(t)

这样，将解扩输出信号m(t)通过窄带滤波器可以大大抑制噪声和干扰部分，当无噪声和干扰时，解扩信号在经过BPSK调制，得到解调输出信号a^(t)=a(t),即完全恢复发送数据波形。

4.2 仿真系统模型

用户一：

传输数据Bernoulli Binary Generator为随机种子数61；

PN序列

特征多项式为【1 0 0 0 0 1 1】，初始状态【0 0 0 0 0 1】

用户二：

传输数据Bernoulli Binary Generator为随机种子数77；

PN序列

特征多项式为【1 0 0 0 0 1 1】，初始状态【0 0 0 0 1 1】

4.3 仿真结果及分析

4.3.1 分别为信源波形，PN序列波形及信源与PN序列相乘后的波形

4.3.2 分别为信源波形及解调后恢复波形

4.3.3 分别为信源波形的频谱和解调恢复后波形的频谱

4.3.4 分别为扩频后的频谱和进过信道后的频谱

4.3.5 分析

扩频序列波形等价于原序列波形与PN序列波形相乘的结果。对比发送信号波形与解调后恢复信号波形基本一致，说明解调正确。对比扩频前与扩频后的频谱可见，扩频以后的频谱比原来的频谱带宽展宽了大约20倍，峰值高度降低了约6dB。

4.4 用户1及用户2误码率曲线及其分析

5．总结与体会

本次科研设计的题目是以MATLAB/SIMULINK仿真软件为基础设计一个CDMA扩频通信设计系统。SIMULINK,扩频通信等字眼对于我们来说都是全新的，陌生的东西。正因为东西陌生，所以这次科研训练的目的不仅仅是设计一个通信系统，还有就是要学会在网上图书馆检索，查找与科研训练有关的资料，说来还真是惭愧，以前还从来没有用过学校图书馆的网上图书馆查过资料。本次科研训练还有一个新颖之处是我们自由组队，以组队的方式进行，组内再分工，从而锻炼我们的团队合作能力。

在老师的指导下，我们开始了寻找资料、熟悉仿真软件的应用等事情当中。但，盲目却在这里体现了。大多数的同学都成了无头苍蝇，开始在网上搜索相应的答案。可大海捞针谈何容易；还有些同学开始联系学长，想找些帮助，可这样实习的目的就错了，作用也将大打折扣。种种迹象表明，当让学生们自己动手设计一件产品的时候，所学的一切知识都被忘在脑后，一切的思绪都被打乱了，学生能力的欠缺在此时被一览无余。当然，我也不例外。但，经过调整，我开始静下心来思考我的课题，我认为：一个设计者必须要有缜密的思维能力以及良好的心态。所以，以后的时间，我开始对我的课题进行分解，将大的问题分解成各小块的部分来逐个击破。

这次设计我负责的部分是信道及接收，在信道的部分加入一干扰信号，这里的干扰通常是指敌方的恶意干扰或用户之间的相互干扰。接受部分主要就是对已调的信号进行解扩和解调，解扩要注意的就是需要一个与接收端完全一样的PN序列，把已调信号解扩出来，解扩信号再经过PSK解调，得到的信号波形应与发端信号相同，说明完全恢复了所发送数据波形。在指导老师所给的参考资料的前提下完成这些不是特别大的问题，主要就是要熟悉原理，正确设置参数。扩频通信技术具有抗干扰能力强，抗截获，抗多径，多址能力强，保密性好及测距精度高等一系列优点，因而越来越受到人们的重视。扩频通信技术是一种信息传输方式，在发送端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息所需带宽；在接收端采用相同的扩频码进行相关解调已恢复所传信息数据。在知道这些原理之后再进行系统的设计就容易多了，要想很好的完成我的接收模块，就必须熟悉整个模块的工作过程。

总之，这次实习还是圆满的完成了任务，在我们团队的共同努力下实现了整个系统的通信过程，在看到接收的波形与恢复的波形一致时，这几天的努力终于得到了认可。

致谢

当然，这次科研训练让我学到了很多东西，衷心的感谢我的指导老师和给我帮助的同学们，是他们帮助完成了这次科研训练

参考文献

《通信原理》第六版 樊昌信 曹丽娜编著 国防工业出版社

《扩频通信技术及应用》韦惠民主编 西安电子科技大学出版

《基于MATLAB/Simulink 的扩频通信系统仿真及抗干扰研究》 邹宁 徐松涛 牛建兵

《扩频通信技术浅析》 王立松1，肖冰2，梁光明1，牛新武3

首先你这个接收端的模块顺序有误，接收端应该是先斗巧射频解调，然后再扩频信档解空坦键调。

扩频的调制与解调应该用mod2（模2加），而不是一个普通的点乘（x）就可以实现的，mod2可以用异或（XOR）来实现。