BPSK扩频通信系统在瑞利衰落信道下的性能分析

资 源 简 介

本项目实现了一个完整的直接序列扩频（DSSS）通信仿真系统，核心采用二进制相移键控（BPSK）调制技术。系统首先生成随机原始二进制信息序列，通过高速伪随机（PN）码序列进行扩频处理，将信号频谱展宽以提高抗干扰能力。扩频后的信号进行BPSK映射并送入信道。本项目模拟了两种典型的无线通信信道环境：加性高斯白噪声（AWGN）信道和频率非选择性的瑞利衰落（Rayleigh Fading）信道。在接收端，系统依次进行相干解调、解扩处理，并采用判决准则恢复原始比特流。项目重点不仅在于实现完整的通信链路流程，还在于通过

详 情 说 明

基于BPSK调制与直接序列扩频 (DSSS) 的通信系统仿真及其性能分析

项目介绍

本项目提供了一个完整的直接序列扩频（DSSS）通信系统仿真框架。系统以二进制相移键控（BPSK）作为核心调制方式，结合高增益的伪随机序列（PN码）进行频谱展宽。通过在加性高斯白噪声（AWGN）信道和瑞利衰落（Rayleigh Fading）信道下的对比实验，直观展示了扩频通信技术在不同无线环境中的抗特性与鲁棒性。该仿真涵盖了从源端信息生成到终端性能评价的全过程，是理解扩频增益、功率谱特性以及多径/衰落补偿的理想参考模型。

功能特性

1. 链路仿真： 实现了包括信号生成、双极性映射、直扩处理、载波调制、双信道模拟、相贯解调、解扩及判决在内的完整物理层流程。
2. 双信道对比： 内置了标准的AWGN信道模型和模拟准静态衰落的瑞利信道模型。
3. 理想信道补偿： 在瑞利信道接收端，实现了基于信道状态信息（CSI）的相位与幅度补偿算法。
4. 蒙特卡洛实验： 通过遍历多个信噪比（SNR）点进行多次试验，统计并生成精确的误码率（BER）性能曲线。
5. 多维可视化： 自动生成时域波形图、信号功率谱密度图、接收端星座图以及性能对比曲线。

系统要求

1. MATLAB R2016a 或更高版本。
2. 无需特殊工具箱支持（脚本内部集成了必要的误码率统计辅助函数）。

使用方法

1. 启动 MATLAB 软件。
2. 将包含主程序的文件夹设置为当前工作路径。
3. 在命令行窗口输入主程序的名称并回车运行。
4. 仿真完成后，系统将自动弹出四个分析窗口，并在命令行中展示执行过程（如适用）。

实现逻辑说明

系统仿真严格遵循以下逻辑步骤：

1. 参数初始化 设置仿真规模（1000个比特）、扩频因子（15）、信噪比范围（0至18dB）、载波频率（1MHz）以及采样参数（10MHz采样率，每个芯片4个采样点）。

2. 信号源与扩频处理 生成随机二进制序列并映射为双极性码（+1/-1）。生成的原始数据与定长的PN序列进行逐比特相乘，实现频谱的第一次展宽。

3. 载波映射与调制 对扩频后的基带序列进行过采样处理，以匹配系统采样率。随后与1MHz的正弦载波相乘，完成BPSK调制，生成射频发射信号。

4. 物理信道模拟 针对每一个信噪比点：

• 加性高斯白噪声（AWGN）路：直接根据当前信号功率与目标信噪比计算并叠加噪声。
• 瑞利衰落（Rayleigh）路：生成复高斯分布的衰落因子，将其振幅作用于信号，并叠加相同功率的白噪声。

5. 接收端处理逻辑

• 相干解调：接收信号首先与本地相干载波相乘，进行频率下转换。
• AWGN分支：进行积分累加（低通滤波模拟），随后进入解扩阶段。
• 瑞利分支：利用理想的信道补偿逻辑，对受损信号进行增益归一化处理，消除衰落影响。
• 解扩与判决：将接收到的芯片序列与本地PN序列进行相关运算，根据相关值的正负判决恢复出原始比特。

6. 性能统计与绘图 对比发送比特与接收比特，计算每一信噪比点下的误码率。

关键算法与实现细节分析

1. 扩频增益（Processing Gain） 代码中设置扩频因子为15，这意味着在解扩过程中，信号功率由于相关操作而聚集，而噪声则保持随机性，从而在判决前获得约11.7dB的理论处理增益。

2. 瑞利衰落模拟 模型通过产生独立的同相与正交高斯分量来构建复衰落包络。系统假定在单个比特持续时间内信道是准静态的，这反映了慢衰落环境下的典型特征。

3. 相干解调与下采样 在接收回路中，系统使用乘以二倍载波并取区间平均值（Mean）的方式来模拟现实中的低通滤波器（LPF），有效提取了基带包络。

4. 频谱特性展示 使用了快速傅里叶变换（FFT）并配合位移操作（fftshift），将信号转换至频域进行功率谱密度分析。这可以清晰地观察到在中心频率附近的sinc函数形状频谱展宽现象。

5. 误码率性能对比 绘图函数将AWGN下的BER、瑞利衰落下的BER与无扩频的理论BPSK BER曲线进行了重合对比。这不仅验证了扩频系统的正确性，也直观反映了瑞利衰落对通信质量造成的显著恶化及扩频系统的缓解作用。