基于m序列的直接扩频通信系统仿真设计

倍患工程

基于m序列的直接扩频通信系统仿真设计

李维坤

(西北工业大学附属中学，陕西西安，710072 )

摘要：本文以现代通信系统中常用的m序列直接序列扩频原理作为本文的研究对象，利用Matlab/SimuHnk等软件工具对直接扩频通信系 统进行仿真研究，探究其对于通信系统性能的影响。本文将其与无扩频系统在误码率、不同强度窄带干扰等条件下进行性能比较，从而验 证本文设计的直接扩频通信系统具备良好的抗干扰能力。

关键词：m序列；Matlab/Simulink;直接扩频通信系统

〇引言

凭借抗干扰性能强、保密性良好等显著优点，扩频通信

技术被广泛应用于现代宽带通信系统调制过程中，其技术的

研究和应用推广受到各个研究院校及企业的高度重视。扩频

通信系统技术是将要发送的信息数据以扩频编码的技术手

段将其扩频调制到一个极宽的带宽上，同时在系统的接收端

采用相关的解调技术从接收到的扩频信息中解调出信宿发

送的信息数据。在实际应用中常见的扩频通信技术有直序扩

频技术、跳频扩频技术、跳时扩频以及线性调制技术等三种

技术用于现代通信系统。本文结合其相关理论对扩频技术工 作流程进行介绍，同时利用用MATLAB/Simulink等软件工

具对扩频系统及其性能进行仿真测试。通过将其系统与无扩

频系统进行抗干扰性、误码率等相关性能方面的对比研究，

发现本设计的扩频通信系统具备良好的能力。W = 0.1xCxN IS (4)

结合式(3)和式(4)，从中可以看出在系统当前给定信

噪比的前提下，可以通过用牺牲带宽的手段来保证较高的搞

干扰能力。扩频通信的核心就是将扩频码扩展至宽带带宽，

通过带宽换取高高抗干扰性能。因此扩频通信系统通过扩频

技术可以获得拥有比常规通信系统要大得多通信宽带，从而

实现结合香农公式可以得知在较低的信噪比的前提下扩频

通信系统可以获得较强的抗干扰性能。

同时考虑在实际的通信系统一般为窄带通信信道，其信

道的噪声特性主要表现为高斯白噪声特性。在这里以窄带通

信信道的高斯白噪声为研究对象，分析其功率谱密度函数的

特性：

5 ⑴(5)

它的自相关函数为

1扩频通信的基本原理与组成

扩频系统主要工作流程是将发送信息通过扩频调制将

其从窄带带宽扩展至宽带带宽，通过采用相应的的扩频解调

技术来对从接收端受到扩频信号进行有效处理。考虑到干扰

信号与扩频系统中采用的伪随机序列存在着正交关系，这就

使得大大降低扩频信号中的干扰信号功率，从而提高系统的

对于信道干扰的抗干扰能力。

在通信系统中描述系统信息容量的香农定理表述如下：

C = W\og1{\ +SIN) (1)

式中：C为通信系统的信道容量（bit/s), W为通信系

统的信道带宽(Hz), S为通信系统的发送信号信号功率(W), N为通信系统中信道的噪声功率(W)。

研究香农定理可知，可以通过带宽换取信噪比来保证通

信系统的传输速率不变，即用大带宽换取低信噪比。通过对（1)式左右两边除以带宽W可得：

CIW = \Mx\r(\ + SIN) (2)

当S/N<<1时，对式⑵求极限可得：

CIW = \MxS IN (3)

或：R(T) = jy(/y2"/T4r = (6)其中：T为时延。

S(r)=\l T=〇 (7)w [0 v 1

通过上面分析可以得知高斯白噪声的自相关函数为

函数，而是个理想化的函数，其特性很难通过简

单的技术和方法实现其特性。因此人们通过_些可以控制的

伪噪声码序列来代替高斯白噪声。

在这里我们将伪噪声序列的周期设置为#，且其码元

C,的取值均为集合{-1,1}上的元素。这样我们就可以得到其

自相关函数如下式所示

T=0 (modiV)

T^O (modi^)⑶

我们对其周期isr取极限值，即4〇〇。这样的话可以

将式(8)变形为下式

1 T=0 (modiV)

尺⑷_ (mod#) (9)

通过对比式(6)和式(9)的结构，我们可以看出：当序

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图1扩频通信系统的一般工作原理图

列的周期况的取值只要足够大，两个式子就可认为相等。

因此在这里我们就可以用伪噪声序列近似替代高斯白噪声，

通常可以认为两者具有相ffiil的自相关特性。以上工作内容为 用伪噪声序列应用到扩频通信系统提供了数学理论依据和

可实现方案技术。

扩频通信系统结构与传统通信系统结构相比较而言，其

部分环节上是有所改变，增添了伪随机序列发生器等结构。

扩频通信系统的一般工作原理如图1所示。

扩展频谱系统主要工作原理是将待要发送的信息信号

与高速率的伪随机序列进行相乘运算后，并通过调制器调制

后将传输信号扩展到_个宽带极宽信道上进行传输。其中用

于扩展通信系统发送信号的频谱带宽而采用的伪随机序列

被我们称之为扩频码序列。扩谱通信系统结构原理框图如图 2所示，其中⑶为扩频通信系统的发射系统，（b)为频通

信系统的接收系统。

在频通信系统的发射系统部分，将要发送的信息信号与

伪随机序列相乘后形成复合码进行调制，经由发射端发送到

宽带通信信道中。扩频通信系统的接收端通过本地参考伪随

机序列发生器与接收的发送信号进行解调处理等工作，从解调中的信号提取出有用的信息信号。

2伪随机编码理论

因伪随机序列具备良好的自相关性而广泛应用到现代

移动通信系统，故在本文中使用的伪随机序列时采用的二进 制m序列伪随机序列。二进制m序列伪随机序列因其较好

的软件生成可实现性及较低的硬件实现复杂性，故二进制 m序列伪随机序列广泛应用在扩频系统中。m序列是通过m位线性移位寄存器生成，是依靠寄存

器循坏线性反馈产生的码序列。在本文中我们介绍n阶线

性移位寄存器的工作原理及码序列生成机制，其工作原理示

意图如图3所示。

图3 n级线性移位寄存器

如图3所示的移位寄存器可以用特征多项式来表示其

输出反馈逻辑：

/〇) = c0+c1ji: + c2x2+〜 + c(/1 C,. 6 {0, 1} (10)

公式(10)在这里称为移位寄存器的特征多项式，在这

里可以用来描述输出信号特性。其中q表示模2加法器与 第i个延时器之间的馈线。模2加法器将q，c2,...，C„馈线上

的元素相加进行模运算，最后将结果沿着4馈线输出。

3仿真模型建立与实现

本文采用MATLAB/Simulink等仿真软件对本文设计的

扩频通信系统进行建模仿真，通过对比无扩频通信系统进行

性能比较。本文通过扩频通信系统的仿真结果可以观测其动 态工作过程，并结合无扩频通信系统对两者的仿真结果进行

波形观察、频谱分析及性能分析等方面的研究。其程序结构

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月倌患工程

流程图如图4所示。

图4系统设计流程图总结

在对于本文设计的扩频系统的建模仿真过程中，对于_

些重要的参数做如下的规定：⑴扩频序列的带宽为100 Hz;

(2) 数据传输码流速率为100/7 Hz;

(3) 系统采用的调制方式为BPSK;

(4) 窄带强干扰的频带在这里设置为偏离中心频点

20Hz,其强度根据实际需求设置。

仿真过程中，为了突出直接序列扩频系统的良好性能，

在本系统中加入了无直接序列扩频系统进行性能比较。同时

在系统建模过程中，必须考虑到信号的特性及高斯白噪声的 因素，其模型的构建必须要符合一般的通信系统模型。此外，

其通信系统的仿真时间被设置为100s。

在这里我们利用matlab对直接扩频系统与非扩频系统分别采用BPSK调制，通过模型仿真分析扩频信号的各点频

偏及时域信号，比较两者之间误码率大小。此外，本文还仿 真了窄带强干扰对于直接扩频系统的影响，验证m序列长

度对于性能的影响。整个扩频通信系统的系统结构设计如图 5所示。

图5系统设计结构示意图

图6系统设计流程图总结

图6为仿真过程中系统发送端与系统接收端的部分对

应码字序列对比截图。该图中上部分图形表示发送端发送码

字序列图，下部分图形表示接收端接收码字序列图。通过仔

细对比上下两图可以得知（时间轴一一对应），两个码字序 列在时间轴上其波形基本吻合，在第25.86s左后出现两个

误码。■ 3.1扩频系统与无扩频系统的误码率比较

本文通过simulink软件仿真工具可以容易得出扩频系

统与无扩频系统这两者之间的误码率大小。在本文设计的仿

真系统中针对扩频系统与无扩频系统进行相关性能的比较 研究，就不同长度的m序列长度和不同窄带干扰强度下对

扩频系统抗干扰性进行深入探究。图7表示为在无窄带强干扰的条件下，无扩频系统与 N=7的m序列直接扩频BPSK系统以误码率为研究对象进

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行抗干扰性能的比较。在图7中x轴坐标代表信噪比大小，

y轴坐标代表误码率大小。

从图7可以看出，扩频通信系统的误码率曲线与无扩

频系统的理论误码率曲线这两者曲线轨迹基本上重合，这说

明在没有窄带干扰的条件下扩频技术对降低系统误码率的

作用不大。因此能够得出这个结论：当通信系统仅存在高斯

白噪声干扰的条件下，扩频系统与无扩频系统这两者对于高

斯白噪声干扰的抗干扰能力基本相同。■ 3.2不同扩频序列长度下扩频系统之间的误码率比较

图8系统设计流程图总结

从图8可以分析出，不同长度扩频序列下的扩频通信

系统其系统误码率在总体变化趋势上变化不大，但信系统的

抗干扰能力会随着信噪比的增加而抗干扰能力减小。不过可

以从图中可以看出：当系统的信噪比在很小的情况下，不同

序列长度的扩频系统的抗干扰能力总体上相差无几；但是随

着信噪比不断增大，不同序列长度扩频系统的误码率是不断

降低的；在相同的信噪比的条件下，序列长度越长的扩频系

统具备更强的抗干扰能力。■ 3.3当扩频序列长度N=7时，不同强度窄带干扰下的误

码率比较图9揭示了不同强度的窄带强干扰下的扩频通信系统

在不同信噪比条件下的误码率变化情况。仔细研究分析图9

的各个曲线变化可以发现，当窄带强干扰的振幅为信号幅度的10倍时，扩频系统与无干扰的扩频系统误码率几乎相同，

可以看出扩频通信系统具备较好的抗干扰性能。但是当窄带 强干扰的强度增至信号强度的250倍和500倍时，系统误

码率随干扰强度的增大而增大，这符合实际情况。不过窄带 干扰强度为信号强度的250倍时，扩频通信系统的误码率仍

旧小于0.01。当窄带干扰强度为信号强度的500倍时，扩频

通信系统的误码率会变得非常大，超出了人们的忍受程度。

4总结

本文简要介绍了直接序列扩频的基本原理及m序列发

生器的原理与生成，为建立直接序列扩频通信系统提供理论 依据。通过Matlab和Simulink等仿真软件，本文对系统

的扩频与解扩、信道编码AWGN信道、BPSK调制与解调

等过程进行设计，进行仿真测试并获得仿真结果。通过与无

扩频通信系统、不同扩频序列长度的扩频通信系统以及不同

强度的窄带干扰的仿真结果分析，从而验证直接扩频通信系

统的优越性。同时也可以看出解调前后的用户信息输出波形

_致，得到了预期的仿真结果。 *

参考文献

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