直序扩频通信系统全过程仿真平台

资 源 简 介

本项目构建了一个完整的直接序列扩频（DSSS）通信系统仿真环境，涵盖了从信源编码到信宿还原的物理层全过程。系统首先生成随机的二进制原始数据流，随后进行BPSK或QPSK等基带数字调制。扩频模块利用高码率的伪随机噪声码（如m序列或Gold码）对调制后的信号进行频谱扩展，使得信号能量分布在更宽的频带上，从而显著提高系统的抗干扰能力、安全性及低截获率。在信号传输阶段，仿真模拟了复杂的加性高斯白噪声（AWGN）信道以及可能存在的单音或宽带人为干扰环境。接收端实现了高精度的相关解扩处理，通过将接收信号与本地同步生成

详 情 说 明

扩频通信系统全过程仿真平台

项目介绍

本仿真平台旨在模拟一个完整的直序扩频（DSSS）通信系统，通过 MATLAB 编程实现了从信源产生、扩频调制、信道传输到端到端解扩解调的完整物理层链路。系统重点展示了扩频技术在加性高斯白噪声（AWGN）及强单音干扰环境下的性能表现。通过对比扩频前后的信号波形与功率谱，直观呈现了“频谱展宽”与“功率密度降低”的核心特性，并最终通过误码率（BER）曲线评估系统的抗干扰能力。

功能特性

• 完整链路仿真：涵盖二进制信源生成、BPSK基带映射、直接序列扩频、载波调制、干扰注入、相干解调、解扩处理及判决还原。
• 自定义扩频码：内置线性反馈移位寄存器（LFSR）生成31位m序列作为扩频伪随机噪声码。
• 多维度干扰模拟：系统同时支持加性高斯白噪声（AWGN）和特定频率的单音连续波干扰。
• 参数化配置：支持对采样率、载波频率、信息速率、扩频因子及信噪比范围等关键参数进行灵活调整。
• 可视化分析：提供时域信号对比图、信号功率谱密度图、接收端星座图以及仿真与理论对比的误码率曲线图。

使用方法

1. 确保您的计算机上已安装 MATLAB 环境（建议使用 R2018b 及以上版本）。
2. 在 MATLAB 路径中打开仿真脚本所在文件夹。
3. 在命令行窗口直接运行仿真主程序。
4. 程序将自动进行信噪比循环运算，并在结束后弹出四个分析图表窗口。
5. 观测命令行输出或查看误码率对比图以分析系统在不同信噪比下的鲁棒性。

系统要求

• 软件平台：MATLAB（需包含 Signal Processing Toolbox 通信相关工具箱，用于 biterr 等函数）。
• 硬件建议：因包含高采样率下的功率谱估计和循环计算，建议配备 8GB 以上内存。

仿真平台实现逻辑

系统的实现严格遵循通信原理的物理层结构，具体逻辑如下：

1. 信号生成与基带处理

系统首先生成随机的二进制比特流。通过 BPSK 映射（0 映射为 -1，1 映射为 1）将比特转换为双极性符号。为了符合采样率要求，程序利用矩形脉冲成形逻辑，将每个符号扩展到对应的采样点级别，形成连续的基带信号。

2. 扩频模块实现

扩频过程采用长度为 31 的 m 序列。程序利用构造多项式 x^5 + x^2 + 1 驱动反馈移位寄存器，生成伪随机二进制序列。该序列被转换为双极性电平并在时间上与基带符号对齐。通过在时域上将基带信号与高码率的 PN 码信号直接相乘，实现信号频谱的扩展。

3. 写频调制与信道环境

扩频后的基带信号通过乘法器调制到 100kHz 的余弦载波上。在传输阶段，系统计算当前 $E_b/N_0$ 对应的信噪比（考虑了采样率与扩频增益的影响），并向信号中加入高斯白噪声。同时，注入一个振幅为 0.5 的单音干扰信号，模拟敌意干扰环境。

4. 接收端处理逻辑

接收端采用相干解调技术。首先将接收信号与本地同步载波相乘并放大，以恢复基带。随后，将信号与本地相同的同步 PN 码序列相乘进行解扩，这一步将原始信号能量聚集回窄带，同时将单音干扰信号展宽。

5. 信号判决与性能统计

处理后的信号进入“积分清洗”环节，即在一个比特周期内对采样点进行求和积分。通过 0 电平判决器还原出原始比特。系统最后通过对比发送端与接收端的比特流，统计不同信噪比下的误码率。

技术关键点与算法细节分析

• E_b/N_0 与 SNR 的转换：代码中通过公式 SNR = Eb/No + 10lg(Rb/fs) 实现了信噪比与每比特能量噪声功率比的转换。这一步骤至关重要，因为它准确考虑了系统带宽（采样率）与有效信息传输速率之间的比例关系。
• m序列反馈算法：辅助函数通过模2运算模拟了移位寄存器的状态反馈过程。使用 ones 状态初始化寄存器，保证了生成的序列具有良好的自相关特性。
• 抗单音干扰原理：由于干扰是在载波调制后的频段注入，接收端解扩时乘以 PN 码的行为对于干扰信号而言等同于“扩频”，使其能量均匀分散到极宽的频带内。而原始信号经过二次相乘（PN * PN = 1）实现了“解扩”，从而在判决前获得了显著的信干比提升。
• 功率谱估计性能：利用周期图法（periodogram）计算功率谱。这展示了扩频后信号类似白噪声的特征，体现了低截获概率（LPI）的特性。
• 集成式仿真循环：程序将信源到信宿的所有步骤封装在 BER 循环中，确保了每一组信噪比数据都是通过独立的蒙特卡洛实验获得，提高了评估的准确性。