基於MATLAB 的擴頻通信系統仿真研究
範偉 翟傳潤 戰興群
（上海交通大學電子信息與電氣工程學院，200030，上海）
摘要 本文闡述了擴展頻譜通信技術的理論基礎和實現方法，利用MATLAB 提供的可視化
工具Simulink 建立了擴頻通信系統仿真模型，詳細講述了各模塊的設計，並指出了仿真建模
中要註意的問題。在給定仿真條件下，運行了仿真程序，得到了預期的仿真結果。同時，利
用建立的仿真系統，研究了擴頻增益與輸出端信噪比的關系，結果表明，在相同誤碼率下，
增大擴頻增益，可以提高系統輸出端的信噪比，從而提高通信系統的抗幹擾能力。
關鍵詞 擴頻通信, 信噪比， 誤碼率， 擴頻增益
中圖分類號：TN914.42 文獻標識碼：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
擴展頻譜通信（簡稱擴頻通信）與光纖通信、衛星通信，壹同被譽為進入信息時代的三
大高技術通信傳輸方式，它是指發送的信息被展寬到壹個很寬的頻帶上，在接收端通過相關
接收，將信號恢復到信息帶寬的壹種系統。采用擴頻信號進行通信的優越性在於用擴展頻譜
的方法可以換取信噪比上的好處，即接收機輸出的信噪比相對於輸入的信噪比有很大改善，
從而提高了系統的抗幹擾能力。本文根據擴頻通信的原理，利用MATALB提供的可視化仿真工
具Simulink建立了擴頻通信系統仿真模型，研究了擴頻通信的特性和擴頻增益與輸出端信噪
比的關系，目的是為以擴頻通信為基礎的現代通信的研究和設計提供依據。
2 擴展頻譜通信技術
2.1 理論基礎
擴頻通信的基本理論是根據信息論中的Shannon 公式，即
log (1 / ) 2 C = B + S N (1)
式中：C為系統的信道容量（bit/s）；B為系統信道帶寬（Hz）；S為信號的平均功率；N為噪
聲功率。
Shannon公式表明了壹個系統信道無誤差地傳輸信息的能力跟存在於信道中的信噪比
（S/N）以及用於傳輸信息的系統信道帶寬（B）之間的關系。該公式說明了兩個最重要的概
念：壹個是在壹定的信道容量的條件下，可以用減少發送信號功率、增加信道帶寬的辦法達
到提高信道容量的要求；壹個是可以采用減少帶寬而增加信號功率的辦法來達到。
擴頻增益是擴頻通信的重要參數，它反應了擴頻通信系統抗幹擾能力的強弱，其定義為
接收機相關器輸出信噪比和接收機相關器輸入信噪比之比，即
d
s
d
s
i i B
B
R
R
S N
S N
G = = =
/
/ 0 0 (2)
式中，Si和S0分別為接收機相關器輸入、輸出端信號功率；Ni和N0分別為相關器的輸入、輸出
端幹擾功率；Rs為偽隨機碼的信息速率，Rd為基帶信號的信息速率；Bs為頻譜擴展後的信號帶
寬，Bd頻譜擴展前的信號帶寬。
2.2 實現方法
擴頻通信與壹般的通信系統相比，主要是在發射端增加了擴頻調制，而在接收端增加了
擴頻解調的過程，擴頻通信按其工作方式不同主要分為直接序列擴頻系統、跳頻擴頻系統、
跳時擴頻系統、線性調頻系統和混合調頻系統。現以直接序列擴頻系統為例說明擴頻通信的
實現方法。圖1為直接序列擴頻系統的原理框圖。
圖1 直接序列擴頻系統原理圖
由直擴序列擴頻系統原理圖可以看出，在發射端，信源輸出的信號與偽隨機碼產生器產
生的偽隨機碼進行模2加，產生壹速率與偽隨機碼速率相同的擴頻序列，然後再用擴頻序列
去調制載波，這樣得到已擴頻調制的射頻信號。在接收端，接收到的擴頻信號經高放和混頻
後，用與發射端同步的偽隨機序列對擴頻調制信號進行相關解擴，將信號的頻帶恢復為信息
序列的頻帶，然後進行解調，恢復出所傳輸的信息。
3 系統仿真模型的建立
3.1 Simulik 簡介
MATLAB 最初是Mathworks 公司推出的壹種數學應用軟件，經過多年的發展，開發了包括
通信系統在內的多個工具箱，從而成為目前科學研究和工程應用最流行的軟件包之壹。
Simulink 是MATLAB 中的壹種可視化仿真工具，是實現動態系統建模、仿真和分析的壹個集成
環境，廣泛應用於線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。它包
括壹個復雜的由接受器、信號源、線性和非線性組件以及連接件組成的模塊庫，用戶也可以
根據需要定制或者創建自己的模塊。Simulink 的主要特點在於使用戶可以通過簡單的鼠標操
作和拷貝等命令建立起直觀的系統框圖模型，用戶可以很隨意地改變模型中的參數，並可以
馬上看到改變參數後的結果，從而達到方便、快捷地建模和仿真的目的。
3.2 模型建立及主要模塊設計
基於MATLAB /Simulink 所建立的擴頻通信系統的仿真模型,能夠反映擴頻通信系統的
動態工作過程,可進行波形觀察、頻譜分析和性能分析等，同時能根據研究和設計的需要擴
展仿真模型，實現以擴頻通信為基礎的現代通信的模擬仿真，為系統的研究和設計提供強有
力的平臺。圖2 為基於MATLAB/Simulink 的擴頻通信系統仿真模型。
圖2 系統仿真模型
信源：隨機整數發生器（Random Integer generator）作為仿真系統的信源，隨機整數發
生器產生二進制隨機信號，采樣時間、初始狀態可自由設置，從而滿足擴頻通信系統所需信
接 收
高放混頻解擴 解調
本振PN 碼 同步
信 源 擴頻調制
PN 碼 振蕩器
發 射
源的要求。
擴頻與解擴：PN 序列生成器模塊（PN Sequence Generator）作為偽隨機碼產生器，擴
頻過程通過信息碼與PN 碼進行雙極性變換後相乘加以實現。解擴過程與擴頻過程相同，即
將接收的信號用PN 碼進行第二次擴頻處理。
調制與解調：使用二相相移鍵控PSK 方式進行調制、解調。調制由正弦載波與雙極性擴
頻碼直接相乘實現，采用相幹解調法進行解調。
信道：傳輸信道為加性高斯白噪聲信道。在加性高斯白噪聲信道模塊中，可進行信號功
率和信噪比的設置。
誤碼計算：誤碼計算由誤碼儀實現，誤碼儀在通信系統中的主要任務是評估傳輸系統的
誤碼率，它具有兩個輸入端口：第壹個端口（Tx）接收發送方的輸入信號，第二個端口(Rx)
接收接收方的輸入信號。
3.3 幾點說明
在Simulink中，沒有單獨實現統計的計數器模塊，需要自行創建，計數模型的設計如圖
3。在計數模型中，用與信源和偽隨機碼同頻的脈沖模塊分別實現碼元同步和切普同步，利
用加法器的累加功能，實現每個碼元的相關峰值統計。
圖3 計數模型實現框圖
在擴頻通信建模中，擴頻與解擴使用的PN 碼以及調制和解調所使用的載波必須保持同
步，因此要註意偽隨機碼模塊和載波模塊的參數設置。
在誤碼率計算中，接收到的信號，由於經過擴頻解擴、調制解調、相關統計等處理，會
存在壹個延遲，在誤碼儀模塊的對話框中要設置壹個合適的延遲。
4 仿真結果分析
4.1 仿真系統運行情況分析
在給出下列仿真的條件下，觀察仿真運行情況。信息速率20b/s，幅度為1；偽隨機序
列采用10 級，傳輸速率為200b/s 的m 序列；載波頻率10KHz；信號功率為1W，信噪比30dB；
仿真時間設為2s。在這樣的仿真條件下，理論上可獲得10 倍的擴頻增益。圖4 是系統擴頻
解擴的仿真結果。上圖為信源，中圖為擴頻碼，下圖為信宿。從圖4 可見，信源和信宿相同，
誤碼率為0，基於MATLAB/Simulink 所設計的仿真系統滿足擴頻通信系統的軟件仿真要求。
圖4 系統擴頻解擴的仿真結果
4.2 擴頻增益與輸出端信噪比的關系
設置信息速率和偽隨機序列傳輸速率，在擴頻增益10 和50 的情況下，不斷改變信噪比
的大小，從而得到擴頻增益、誤碼率和信噪比的關系如圖5。從圖5 可以看到，在相同誤碼
率下，擴頻增益越大，輸出端信噪比越大，並且隨著系統要求的提高，增大擴頻增益，輸出
端信噪比會得到更大的好處。
圖5 不同擴頻增益下誤碼率仿真曲線
5 結論
擴頻通信以其較強的抗幹擾、抗衰落、抗多徑性能而成為第三代通信的核心技術，本文
闡述了擴頻通信的理論基礎和實現方法，利用MATLAB 提供的可視化工具箱Simulink 建立了
擴頻通信系統仿真模型，詳細講述了各模塊的設計，並給出了仿真建模中需註意的問題。在
給定仿真條件下，運行了仿真系統，驗證了所建仿真模型的正確性。通過仿真研究了擴頻增
益和輸出端信噪比的關系，結果表明，在相同誤碼率下，增大擴頻增益，可以提高系統輸出
端的信噪比，從而提高系統的抗幹擾能力。本文作者創新點：通過MATLAB/Simulink 建立的
仿真平臺，研究了擴頻增益與誤碼率、信噪比之間的關系，為以擴頻通信為基礎的衛星信號
設計提供依據。
參考文獻：
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5 郭海燕，畢紅軍。MATLAB 在偽隨機碼的生成及仿真中的應用。計算機仿真，21(3)，2004.3。
基金項目：上海市科技攻關項目，項目編號：45115031。
作者簡介：範偉（1973－），男，漢族，碩士研究生，主要研究方向為衛星導航、CDMA 擴頻
通信。 E-mail: weifan@sjtu.edu.cn
通信地址及郵編：上海市長寧區安順路220 弄18 號402 室，200051。
翟傳潤(1972－)，男，漢族，博士，副教授，主要研究方向為衛星導航和測控技術。
戰興群(1970－)，男，漢族，博士，教授，主要研究方向為衛星導航和新型控制理論與應用。
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.