基于BPSK与DSSS的通信系统信道性能仿真

资 源 简 介

本项目是一个全面的MATLAB仿真平台，旨在研究和展示BPSK调制解调结合直接序列扩频（DSSS）技术的通信系统。系统首先生成原始随机比特流，然后利用高速伪随机码（PN码）进行频谱扩展，随后通过BPSK映射器完成调制过程。本项目重点实现了两种典型无线信道的建模：加性高斯白噪声（AWGN）信道和瑞利衰落（Rayleigh Fading）信道。在接收端，系统执行相干解调、匹配滤波以及相关解扩，以恢复原始信息。通过在大范围信噪比（SNR）下运行蒙特卡洛仿真，项目能够实时计算并对比系统在不同环境下的误码率（BER

详 情 说 明

基于BPSK调制解调的直接序列扩频（DSSS）系统仿真项目

项目介绍

本课题利用MATLAB构建了一个完整的直接序列扩频通信系统仿真研究平台。系统核心采用二进制相移键控（BPSK）调制技术，并结合伪随机码（PN码）进行频谱扩展。该仿真旨在量化分析扩频技术在两种典型无线环境下的性能：加性高斯白噪声（AWGN）信道以及存在多径效应的瑞利衰落（Rayleigh Fading）信道。通过模拟发送端信号映射、扩频处理、信道叠加、接收端解扩与相干解调的完整链路，用户可以直观地对比系统在不同信噪比环境下的抗干扰与抗衰落能力。

功能特性

1. 灵活的系统参数配置：支持自定义信息比特数、扩频增益（SF）、采样率、比特率以及蒙特卡洛仿真次数。
2. 双信道建模分析：实现了标准AWGN信道模型和模拟慢衰落特性的瑞利信道模型。
3. 多维度可视化支撑：提供信号在扩频前后的时域波形对比、基于周期图法的功率谱密度（PSD）分析、接收端星座图以及最终的误码率（BER）性能曲线。
4. 相干解扩与补偿机制：接收端实现了精确的相干解扩逻辑，针对瑞利信道还包含理想的信道相位与振幅补偿算法。
5. 性能基准对比：在结果图中自动计算并绘制考虑扩频增益后的基带BPSK理论误码率曲线，作为仿真结果的参考基准。

使用方法

1. 确保计算机已安装MATLAB（建议R2020b或更高版本，需包含信号处理工具箱）。
2. 将包含主仿真逻辑的脚本放置于MATLAB当前工作路径下。
3. 在命令行窗口输入该脚本定义的函数名称并按回车运行。
4. 程序运行完成后，将自动弹出两个图形窗口：

* 窗口1展示信号时域序列、扩频后的切片信号、功率谱密度对比以及高信噪比下的信号星座图。 * 窗口2展示AWGN与瑞利信道下的误码率随信噪比变化的趋势图。

系统要求

• 软件环境：MATLAB 2018a 及以上版本。
• 工具箱依赖：信号处理工具箱（Signal Processing Toolbox）。
• 硬件建议：由于包含多次蒙特卡洛循环，建议内存4GB以上，主频2.0GHz以上的处理器以保证仿真速度。

仿真实现逻辑说明

1. 信号生成与扩频

系统首先产生指定长度的随机二进制比特流，通过映射将0转换为-1，1转换为1，完成BPSK符号调制。随后生成一组随机的PN序列作为扩频码。在扩频阶段，将每一个原始数据比特与整个PN序列进行逐位乘法运算，从而将原始信号带宽扩展至原来的SF倍。

2. 信道模型实现

• AWGN信道：根据设定的线性信噪比，计算对应的噪声标准差（已考虑扩频增益对能量的影响），向扩频信号中添加复高斯白噪声。
• 瑞利衰落信道：系统模拟慢衰落环境，对每个比特周期生成一个独立的复高斯随机衰落系数。将扩频信号通过该衰落系数后，再叠加上述相同的白噪声。

3. 接收端处理算法

接收端采用相干检测与相关解扩技术。针对AWGN信号，直接将接收序列按比特周期分段，并与本地PN码进行相关运算，通过判决器（阈值为0）恢复原比特。针对瑞利衰落信号，系统首先利用理想信道估计值对待处理信号进行共轭补偿（消除相位偏移并进行振幅修正），然后再进行相关解扩与判决。

4. 蒙特卡洛性能统计

仿真通过在外层嵌套信噪比循环，内层执行多次重复实验的方式，统计在不同干扰强度下的错误比特数。最终计算出误码率，并利用semilogy函数在对数坐标系下绘制仿真曲线。

关键函数与实现细节

• 功率谱密度估算：使用periodogram（周期图）函数分析扩频前后的信号频域特性。通过图像可以观察到扩频信号具有更宽的频谱宽度和更低的功率谱密度峰值，体现了隐蔽通信的特性。
• 噪声方差计算：代码中严格根据 sigma = sqrt(1 / (2 * snr_linear * SF)) 来确定噪声强度，准确映射了通信系统中的处理增益（Processing Gain）。
• 信道补偿逻辑：瑞利信道的解调代码中，segment_comp = segment_rayleigh * conj(h(i)) 是实现相干解调的关键，其通过乘以衰落系数的共轭来消除多径衰落引入的随机相位旋转。
• 理论曲线绘制：利用 0.5 * erfc(sqrt(Eb/N0 * SF)) 公式计算AWGN下的理论极限，其中SF的存在反映了扩频技术对信噪比的改善作用。
• 生成函数扩展：脚本末尾提供了一个生成m序列的辅助逻辑，通过线性反馈移位寄存器（LFSR）原理定义，虽然在默认流程中使用随机序列，但为后续扩展标准PN码提供了模板。