擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中載波恢復(fù)的仿真研究

摘要：擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的載波同步是指收發(fā)兩端的載波都應(yīng)步調(diào)一致地進(jìn)行工作，不僅要求同頻，而且對相位也有嚴(yán)格的要求。本文對擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的載波恢復(fù)進(jìn)行了仿真研究，得到了系統(tǒng)主要輸出點(diǎn)波形，同時(shí)對系統(tǒng)在高斯白噪聲情況下的誤碼性能進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：擴(kuò)頻通信；二進(jìn)制移相鍵控；Costas環(huán)

0 引言
    擴(kuò)頻通信由于具有抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性好、容易實(shí)現(xiàn)多址傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)在移動(dòng)通信、無線數(shù)據(jù)通信等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中同步具有相當(dāng)重要的地位，如果通信系統(tǒng)出現(xiàn)同步誤差或失去同步，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低甚至通信失效。
    載波恢復(fù)的目的是為了在接收端實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，即要求接收機(jī)產(chǎn)生一個(gè)同發(fā)射機(jī)完全相同的載波信號與發(fā)射機(jī)送來的信號相乘，以便將調(diào)制信號還原。由于相干解調(diào)比非相干解調(diào)的輸出噪聲功率小一倍，相干解調(diào)可獲得3dB增益，因此許多系統(tǒng)都采用了同步載波恢復(fù)技術(shù)。相干解調(diào)既適用于模擬通信，也適用于數(shù)字通信，雖然它們獲得同步載波的具體方案有所不同，但都需要采用鎖相環(huán)路(PLL)這一點(diǎn)是一致的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
1．1 設(shè)計(jì)思想與系統(tǒng)參數(shù)
    設(shè)計(jì)采用的擴(kuò)頻序列為周期127的m序列，碼片速率為1000Hz，要傳送的數(shù)字信息速率200Hz，它和m序列模2加后變成復(fù)合碼去調(diào)制載波。擴(kuò)頻系統(tǒng)采用平衡調(diào)制器，載波為2000Hz的正弦波，調(diào)制方式采用二進(jìn)制移相鍵控，通過同相正交環(huán)實(shí)現(xiàn)載波恢復(fù)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1．2 擴(kuò)頻信號的產(chǎn)生
    設(shè)信息碼為d(t)，擴(kuò)頻碼m序列為m(t)，把兩信號異或就可得到擴(kuò)展頻譜的信號碼，設(shè)為c(t)，則
    c(t)=d(t)*m(t)     (1)
    將待傳送的信息同擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行準(zhǔn)確的模2加，此運(yùn)算用異或門實(shí)現(xiàn)。信息速率200Hz，m序列碼速率1000Hz，擴(kuò)頻后信號輸出速率為1000Hz。
1．3 信號調(diào)制
    由于PSK調(diào)制方式誤碼率最小，因此本系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制方式。擴(kuò)頻后信號為c(t)，載波頻率為ω0，調(diào)相波可表示為：
    s(t)=Acos[ω0t+φc(t)]     (2)
    式中φ相位調(diào)制指數(shù)。若規(guī)定在擴(kuò)頻碼序列中當(dāng)c(t)=0時(shí)，φc(t)=0；當(dāng)c(t)=1時(shí)，φc(t)=π，這種調(diào)制稱為二相相移鍵控。這樣BPSK信號可用下列平衡調(diào)制信號表示，
    s(t)=Ac(t)cosω0t     (3)
    式中c(t)是以“+1”，“-1”表示的擴(kuò)頻后碼序列。
    調(diào)制信號的輸出為s(t)=Ac(t)cosω0t，其中c(t)=d(t)*m(t)，為擴(kuò)頻后且變?yōu)殡p極性的信號，所以發(fā)送信號的完整表達(dá)式為：
    s(t)=Ac(t)*m(t)cosω0t (4)
1．4 接收濾波器設(shè)計(jì)
    為了限制信道噪聲，信號在進(jìn)入接收機(jī)之前首先要經(jīng)過接收濾波器。接收濾波器應(yīng)設(shè)計(jì)為以載波f1為中心頻率，帶寬為2fc的帶通濾波器。對于本系統(tǒng)來講，f1=2000Hz，fc=200Hz。
1．5 載波恢復(fù)電路
    采用同相正交環(huán)(Costas環(huán))法實(shí)現(xiàn)載波恢復(fù)。
    Costas環(huán)提取載波用的VCO工作頻率為fc。實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示。

2 系統(tǒng)仿真結(jié)果
2．1 系統(tǒng)模型參數(shù)
    采用System View軟件對直擴(kuò)系統(tǒng)進(jìn)行搭建和分析，建立系統(tǒng)模型如圖3所示。

    此系統(tǒng)主要模塊參數(shù)：系統(tǒng)采樣頻率100e+3Hz，采樣點(diǎn)數(shù)8192。
    發(fā)送部分：Token 0為信息碼發(fā)生器Rate=200Hz，Token 5為m序列發(fā)生器，它的時(shí)鐘信號是1000 Hz的脈沖信號，所以產(chǎn)生的m序列速率為1000Hz，Token 4為異或門，信息碼和m序列通過它來產(chǎn)生擴(kuò)頻信號，它的輸出信號為雙極性的二進(jìn)制信號Threshold=500．e-3、True=1、False=-l，Token 10為正弦波發(fā)生器。
    接收部分：Token 27為Costas環(huán)路，實(shí)現(xiàn)載波信號的恢復(fù)。主要參數(shù)VCO Freq=2e+3Hz、VCO Phase=0V、Mod Gain=20 Hz／V、Loop Fltr=1+1／s+1／s^2，Token15為本地m序列發(fā)生器，它發(fā)送端的m序列參數(shù)相同。Token 24為低通濾波器，F(xiàn)c=200 Hz。
2．2 仿真結(jié)果分析
    輸入載波信號的頻率為2000Hz，Costas環(huán)從BPSK信號中將載波恢復(fù)出來，相位與頻率與輸入載波相同。

    圖6所示是接收端低通濾波器輸出信號眼圖，可以看出碼間串?dāng)_較小，此時(shí)干擾主要是系統(tǒng)本身帶來的干擾。

2．3 抗干擾性分析
    衡量通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)是比特誤碼率(BER)，在系統(tǒng)輸入端加入高斯白噪聲，對系統(tǒng)進(jìn)行誤碼率測試，得到系統(tǒng)輸入信噪比與誤碼率之間的關(guān)系。讓信道中的噪聲幅度每循環(huán)一次降低1dB，再與原始基帶信號相加。對接收的附加有干擾噪聲的基帶信號經(jīng)過同步脈沖提取、抽樣等一系列處理后還原成數(shù)據(jù)信號，并與原始數(shù)據(jù)信號比較，求出循環(huán)一次所得到的BER。這樣不斷地循環(huán)運(yùn)算，并在循環(huán)中改變噪聲增益來改變信噪比，最后得到不同信噪比的誤碼率曲線，即SNR-BER曲線，如圖7所示。

    可以看出，整個(gè)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力較強(qiáng)，隨著信噪比的提高，系統(tǒng)的誤碼率逐漸降低，抗干擾能力不斷提高。

3 結(jié)束語
    本文利用Systemview軟件對擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的載波恢復(fù)進(jìn)行了仿真研究，成功實(shí)現(xiàn)了載波提取，根據(jù)仿真結(jié)果對系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析。