直接序列扩频系统抗同频干扰的MATLAB仿真8.29(可靠性分析12月)

直接序列扩频系统抗同频干扰的MATLAB仿真Simulation of DSSS System with Co-Channel Interference by
MATLAB
陈吉文，郭伟（西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安710071）
Chen Ji-wen, Guo Wei（Mechanical-electronic Engineering Institue,Xi’dian University, Shanxi Xi’an 710071）摘要：文中介绍了同频干扰和扩展频谱通信技术，利用MATLAB提供的可视化工具Simulink建立了同频干扰下直接序列扩频通信系统的模型，详细说明了各模块的设计。

在给定仿真条件下，运行了仿真模型，得到了预期的仿真结果，验证了该系统的可行性以及在实际工程中的应用价值。

关键词：同频干扰；直接序列扩频系统； MATLAB；仿真
中图分类号：TN914.4 文献标识码：B 文章编号：
Abstract:The theory of the Co-Channel Interference and spread spectrum communication technology were introduced in this paper, the simulation model of DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) communication system with Co-Channel Interference was built by using SIMULINK,a visible tool provided by MATLAB, and each module was introduced in detail. With the designed simulation conditions, the simulation model was run and the anticipant results were gained, by which the feasibility and application value in actual engineering of the system was verified.
Key words:Co-Channel Interference;DSSS; MATLAB; simulation
CLC number: Document code: B Article ID:
1 引言
在实际的工程应用中有时需要改进传统的扩频系统，重新设计符合工程要求的扩频系统。

新设计的系统是否可行，能否达到预期的性能目标，这都有待于实验的验证。

传统的方法是构建一个实验系统，用各种仪器进行测量得到所需的数据，这样不仅需要花费大量的资金，而且系统的构建周期长，系统参数的调整也困难。

MATLAB软件的出现使得通信系统的仿真能够用计算机模拟来实现，从而避免了实验系统构建中的弊端。

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 建立了同频干扰下直接序列扩频通信系统的仿真模型并进行了仿真，为该系统在工程实际中的研究和设计提供了依据。

2 同频干扰
同频干扰是指干扰源占用的频率恰好与有用信号频率相同，并对接收同频有用信号的接收机造成的干扰。

它是一种点对点形式的干扰。

常见的有：外来干扰频率等于接收的射频频率或者差别不大，经混频后落入接收机中频带宽内从而引起干扰；互调、谐波、变频等许多形成原因不一样的干扰，最终也将产生与被接收频率相同的频率，形成同频干扰。

同频干扰信号与有用信号的处理方式相同，所以其可能使接收机减敏或严重失真，甚至淹没有用信号。

例如，当干扰信号大到一定程度时，手机通信会出现掉话的现象或者无法建立正常的呼叫连接。

传统的解决同频干扰的措施有：修改同频小区基站的同频频率；增加两个同频小区基站间的间距（实际统计表明信号强度随距离以近似4次幂指数的规律衰减）；降低移动台或基站的发射功率；采用分集接收技术；采用抗同频干扰天线等。

近年来，扩频技术得到了高速的发展，由于其成本低，可靠性高，灵活性大，抗干扰能力强而得到了广泛的应用。

本文以直接序列扩频为对象，研究其抗同频干扰的能力。

3 扩展频谱通信技术
3.1 扩频通信的定义
所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：“扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”【1】。

扩频信号具有以下3个特性：
(1) 扩频信号是由伪随机序列产生的宽带信号；
(2) 扩频信号带宽远大于欲传输数据(信息)带宽；
(3) 接收机中必须有与发送端相同的扩频码序列用于解扩。

由于扩频信号的上述特性，使扩频通信系统具有抗干扰性强、抗多径衰落、高保密性、低功率谱密度、隐蔽性好、低截获、多址复用、易于组网、高精度测量等优点。

3.2 扩频通信的分类
扩频通信系统包括：直接序列扩频(DS)、跳频 (FH)、跳时 (TH)和线性调频(Chirp)4种基本扩频方式。

此外还有FH/DS、TH/DS、FH/TH等组合方式[1]。

其中目前比较常用的有DS 和FH两种。

3.3 扩频通信的原理
扩频通信的一般工作原理如图1所示。

在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号，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。

展宽后的信号再调制到射频发送出去。

在接收端收到的宽带射频信号，经混频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。

再经信息解调、恢复成原始信息输出。

由此可见，一般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。

一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制，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。

图1 扩频通信工作原理
3.4直接序列扩频技术
直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS) 是在发射端直接用具有高速率的扩频码序列对信号进行编码，从而将占用频带较窄的原始信号扩展为占用频带很宽的信号；在接收端，用与发端扩展用的相同的扩频序列码对接收到的扩频信号进行相关处理，从而恢复出原来的信号[1]。

其中一种直接序列扩频技术是使用异或运算将数字信息与扩频码结合起来，例如，在
发射端将“1”用11000100110（11位扩频码）代替，而将“0”用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收端处只要把收到的序列11000100110恢复成“l”，00110010110恢复成“0”，就完成了解扩。

直接序列扩频抗干扰能力得益于接收机对直接序列扩频信号再次与原扩频码进行波形相乘而还原出信息码序列，干扰信号则与接收机本地扩频码波形相乘扩颇后分散到很宽的频带上，所以只有很小部分干扰信号能量能进入接收机中颇窄带滤波器，绝大部分干扰能量被抑制掉了。

如图2所示，其中阴影部分为干扰信号。

从图中可以很直观地看出，干扰经扩频、滤波后进入信号带宽的量大大减少。

图2 直扩抗干扰原理
直接序列扩频通信具有抗干扰、抗多径、低截获、高保密性和容易实现大容量码分多址等特点，在军用战术移动通信电台中发挥着重要的作用。

4 系统仿真模型的建立
4.1 Simulink简介【2】
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。

用户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操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。

4.2 模型建立及主要模块说明
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3为基于MATLAB/Simulink的同频干扰下直接序列扩频通信系统仿真模型。

图3 系统仿真模型
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。

PN 序列生成器模块( PN SequenceGenerator)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。

通带M-PSK调制器及通带M-PSK 解调器（M-PSK Modulator Passband & M-PSK Demodulator Passband）使用二相相移键控PSK方式进行调制、解调。

调制由正弦载波与扩频码直接相乘实现，采用相干解调法进行解调。

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。

示波器（Scope）及将发送方的信号和经过整个扩频系统的接受方信号同时输入示波器，可以很清晰直观地观察二者之间的差异。

频谱仪（Spectrum Scope）将已调信号和干扰信号同时输入频谱仪，可以很直观的观察二者之间的功率关系。

干扰（Interference）为受M-FSK调制的二进制随机信号，频率可设置。

值得注意的是：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。

5 系统仿真
5.1 仿真条件说明
本文所构建为同频干扰下直接序列扩频通信系统先调制后扩频模型，同频点频率为10KHz，干扰带宽为2KHz。

发送端：信号源为二进制随机数，发送速率为100b/s，功率为1W；采用31位PN码进行扩频，扩频码速率为3100b/s；通带M-PSK 调制器载波频率为10KHz。

接收端：解扩和解调的参数设置与发送端相应模块相同。

高斯加性白噪声性道信号与噪声的功率比值设置为-20dB。

干扰端：干扰源信号速率为100b/s，通带M-FSK调制器载波频率为10KHz，增益为2。

仿真时间设置为1.5s。

5.2 仿真结果
图4为启动仿真后频谱仪和各级示波器的输出波形。

其中图4a）有用信号与干扰信号频谱图，图中在10KHz处，干扰功率要比有用信号高14dB。

图4b）是31位扩频码（PN码）波形，其周期为0.01s。

图4c）是经PSK调制的载波在扩频前、后的波形。

图4d）是原始信号与最终接收信号，图中两信号波形基本一致，由于信号经过扩频解扩、调制解调等处理，会存在一个延时，因此两信号波形时间上有错位，从图中可看出如果处理好收、发信机的同步关系，就能实现信号的正确接收。

a)
b)
c)
d)
图4 系统仿真结果图
6 结论
文章利用MATLAB 提供的可视化工具箱Simulink建立了直接序列扩频通信系统受同频干扰的仿真模型。

在给定仿真条件下，验证了直接序列扩频系统在抑制同频干扰方面的有效性。

结果表明，在恶劣的环境下直接序列扩频系统对同频干扰有着良好的抗干扰性，为以后
其应用于对抗干扰性和保密性要求较高的军用或民用通信提供了一定的理论基础。

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-MATLAB通信工具箱[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.。